Nutzung von Dual-Energy Computertomographie zur Bestimmung von Knochenmineraldichte unter Verwendung einer 3-Material-Zerlegung

Einführung Osteoporose ist eine Systemerkrankung, die zunehmend vor allem bei älteren Menschen Leben und Lebensqualität durch sinkende Knochenstabilität bedroht. Zum Zweck der Osteoporosevorsorge wird die Knochenmineraldichte (BMD) von Kalzium-Hydroxylapatit gemessen. Die beiden radiographischen St...

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Main Author: Hofmann, Philipp Christian
Contributors: Mahnken, Andreas H. (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2018
Subjects:
CT
qCT
DXA
q
Online Access:PDF Full Text
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Description
Summary:Einführung Osteoporose ist eine Systemerkrankung, die zunehmend vor allem bei älteren Menschen Leben und Lebensqualität durch sinkende Knochenstabilität bedroht. Zum Zweck der Osteoporosevorsorge wird die Knochenmineraldichte (BMD) von Kalzium-Hydroxylapatit gemessen. Die beiden radiographischen Standardverfahren sind Zweispektren-Röntgen-Absorptiometrie (engl. dual energy X-ray absorptiometry, DXA) und quantitative CT (qCT). Beide Verfahren haben jeweils spezifische Vor- und Nachteile. Der Goldstandard DXA ist strahlungsarm und sehr gut erforscht, mit großer Datenbasis und international anerkannten Richtlinien der Weltgesundheitsorganisation. Mit DXA wird eine Flächenmineraldichte (”areal bone mineral density”, aBMD) ermittelt. Die Zweidimensionalität der Radiographien von DXA macht das Verfahren anfällig für Fehler durch beispielsweise Verkalkungen der Aorta oder Osteophyten. Bei der Ermittlung der BMD durch qCT können durch die dreidimensionalen CT-Bilder solche Fehlerquellen vermieden werden. Mit qCT wird eine Volumenmineraldichte des trabekulären Knochen ermittelt (”volumetric bone mineral density”, vBMD). Als Nachteile der qCT sind die höhere Strahlendosis für den Patienten zu nennen, das Fehlen eines Materialzerlegungsalgorithmus und fehlende anerkannte Richtlinien. Für eine qCT-Untersuchung ist ein spezielles Kalibrationsphantom während der Aufnahme notwendig. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Evaluierung eines auf CT-Untersuchungen mit zwei Strahlenergiespektren (”Dual-Energy-CT” bzw. DECT) basierenden radiographischen Untersuchungsverfahrens. Dieses Verfahren soll die oben genannten Probleme der beiden etablierviten Methoden so gut wie möglich lösen und sich dabei in Genauigkeit und Präzision mit dem Goldstandard messen lassen. Untersucht werden soll auch, in welchem Umfang existierende Scanprotokolle für das neue Verfahren verwendbare Aufnahmen liefern. Dies würde die Auswertung bestehender CT-Daten auf Knochenmineraldichte ermöglichen. In diesem Rahmen muss geklärt werden, ob an modernen CT-Geräten auf ein Kalibrationsphantom verzichtet werden kann. Zudem ist der Einfluss des immer häufiger bei CT-Untersuchungen eingesetzten Kontrastmittels auf die Qualität des Testverfahrens zu betrachten. Material und Methoden: Die Verwendung von DECT ermöglicht die Entwicklung einer Materialzerlegung in drei verschiedene Materialien, die im trabekulären Knochen enthalten sind: Rotes und gelbes Knochenmark und die Knochenmatrix. Zu diesem Zweck wurden anhand des europäischen DXA-Kalibrationsphantoms ESP, (”European Spine Phantom”, QRM GmbH, Möhrendorf, Deutschland) Kalibrationsmessungen für die CT-Geräte SOMATOM Force und SOMATOM Definition Flash (Siemens Healthcare GmbH, Forchheim, Deutschland) durchgeführt. Dabei wurden alle DECT-Röhrenspannungskombinationen untersucht und die Effekte verschiedenster Untersuchungsparameter für DECT und herkömmliche CT-Untersuchungen (”Single-Energy CT”, SECT) analysiert. Aus den gewonnenen Daten wurden eine Strahlaufhärtungskorrekturfunktion, und eine Umrechnungsfunktion aus CT-Werten in vBMD-Werte entwickelt sowie ein Algorithmus zur Dreimaterialzerlegung adaptiert. Zur Validierung wurden 29 DECT-Datensätze in Verbindung mit zeitnah aufgenommenen DXA-Untersuchungen untersucht. Von diesen Patienten hatten sechs außerdem eine dedizierte qCT-Untersuchung erhalten. Der Effekt von intravenös (IV) und gastrointestinal verabreichtem Kontrastmittel (KM) auf BMD-Werte wurde mit jeweils 9 Patienten untersucht. Mangels einer ”ground truth”, also einer spektroskopischen Untersuchung von Knochenasche, wurde die DXA als Goldstandard herangezogen. Ergebnisse: Mithilfe der genannten Methoden wurde ein auf DECT basierendes Untersuchungsverfahren für Knochenmineraldichte (”DE-qCT”) entwickelt. Die Genauigkeits- und Präzisionsfehler sind mit < 1% bei optimierten Scanparametern am SOMATOM Force und bei opportunistischer Auswertung bis 2 − 3% mit denen der DXA vergleichbar. Aufgrund des Unterschiedes von aBMD und vBMD wurde die klinische Indikation der beiden Messverfahren in Bezug auf Knochengesundheit, Osteopenie und Osteoporose verglichen. Es konnte ein Auswertungsverfahren entwickelt werden, das eine AUC(” Area under the curve”) einer ROC-Kurve (”Receiver-Operating-Characteristic- Kurve”) mit DXA von über 0.9 aufweist. Bei Beschränkung auf die Richtlinien der WHO für DXA wurde eine statistisch signifikante AUC von 0.73 ermittelt. Die KM-Daten ergaben, dass intravenös verabreichtes Kontrastmittel die Auswertung verhindert, während KM im gastrointestinalen Trakt keinen signifikanten Effekt hat. Im Vergleich zu qCT erzielt DE-qCT mindestens gleichwertige oder näher am Goldstandard liegende Ergebnisse. Die Messungen bestätigen, dass auf das qCT- Kalibrationsphantom verzichtet werden kann und dass eine nachträgliche Untersuchung auf Knochenmineraldichte anhand bestehender nativer DECT-Datensätze möglich ist. Diskussion: Die Einschränkungen von DXA und qCT können weitgehend durch die Kombination der Verfahren überwunden werden. Einschränkend zu nennen sind die geringe Patientenzahl bei der Validierung und das Fehlen einer ”ground truth”. Das Problem der niedrigen Patientenzahl setzt sich bei der Betrachtung von KM und beim Vergleich mit herkömmlicher qCT fort. Die Verwendung existierender DECT-Daten ist möglich. Zusammenfassend lässt sich folgern, dass DE-qCT bereits mit niedrigen Patientenzahlen sehr gut mit dem Goldstandard DXA übereinstimmt, was die Indikation betrifft. Eine statistisch signifikante Studie für die verschiedenen Altersgruppen, Geschlechter, Knochengesundheitszuständen, die eine signifikante Menge an Knochenascheuntersuchungen enthält, ist für weitere Erkenntnisse notwendig.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2018.0350