способ определения содержания минерального вещества в костной ткани

Формула изобретения

Способ определения содержания минерального вещества в костной ткани, включающий изготовление цифровой рентгенограммы объекта съемки с использованием эталона минеральной плотности, составление по изображению эталона плотности на рентгенограмме математического алгоритма построения "гладкой" денситометрической кривой, осуществляя привязку плотности изображения эталона к содержанию минерального вещества в исследуемом участке, отличающийся тем, что перед изготовлением рентгенограммы объект съемки и эталон минеральной плотности помещают в водную среду, заполняющую емкость с параллельными плоскостями, причем толщина водной среды должна быть постоянной по всей поверхности съемки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, в частности к лучевой диагностике, и может быть использовано при определении, например, таких заболеваний как остеопороз и остеопатия.

Костное неорганическое минеральное вещество состоит главным образом из кальция (фосфата и карбоната - около 65% (Ю. Франке., Г. Рунге. "Остеопороз" /перевод с немецкого/ Москва "Медицина" 1995 г. с. 27, 30)).

Для диагностики остеопороза наряду с рентгенографией скелета, которая много лет была основным методом исследования, стали применяться более современные, позволяющие оценить минеральную плотность кости (МПК). Снижение МПК является основным фактором, определяющим ее плотность и увеличение риска переломов. Известные методы отличаются по параметрам, таким как возможность измерения МПК в целом и отдельно в трабекулярной и компактной костных тканях, а также точность, воспроизводимость, доза радиации, время, необходимое для проведения исследования.

Известны неинвазивные методы определения степени минерализации кости: однофотонная и двухфотонная абсорбциометрия, моноэнергетическая и биэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия, нейтронно-активационный анализ, компьютерная томография, анализ рентгенограммы по Krokowski, рентгеноморфометрия и микрорадиоскопия (Ю. Франке., Г. Рунге. "Остеопороз" /перевод с немецкого/ Москва "Медицина" 1995 г. ; С. С. Родионова, Л.Я. Рогожинская /ред. проф. Е.И. Маровой/ "Остеопороз, патогенез, диагностика и лечение" Москва, Merck Sharp & Dohme Idea, inc. 1997 г.).

Однако известные методы либо очень дороги и не получили широкого распространения в нашей стране, либо трудоемки, субъективны и малодостоверны.

Известен способ определения содержания минерального вещества в костной ткани измерением оптической плотности рентгенограммы, выполненной с использованием клиновидного ступенчатого эталона (см. ссылку 1, с. 113). Суть метода заключается в том, что определенные участки скелета рентгенографируются при стандартных условиях вместе с эталоном, после машинного проявления пленки фотометрически обрабатывают, с каждой ступени считывают 6-10 градаций почернения, а с подлежащих исследованию участков костей - 30-50 градаций. После усреднения соответствующих показателей определяют соответствие между костями и ступенями определенной высоты. Однако при проведении исследования на пациентах становятся заметными помехи, создаваемые слоем окружающих кость мягких тканей. К недостаткам известного способа следует отнести также то, что способ требует сложной аппаратуры и больших затрат времени. К ошибкам приводят также рассеянное излучение, неоднородность интенсивности излучения по полю, толщина объекта съемки, неравномерность полива эмульсии на рентгеновской пленке, неравномерность люминофорного слоя в кассете и нестабильность работы аппарата. Компьютеризированный вариант этого метода известен на западе под названием радиографическая абсорбциометрия. Однако, перечисленные выше негативные факторы позволяют получить приемлемую точность лишь при исследовании фаланг пальцев кисти, что снижает диагностическую ценность метода (A. John Yates, M.D., Rahway, New Jersey, Philip D. Ross, Ph.D., Honolulu, Hawaii, Eva Lydick, Ph.D., Robert S. Epstein, M.D., Rahway, New Jersey Radiographic Absorptiometry in the Diagnosis of Osteoporosis The American Journal of Medicine 1995; 98 (suppl 2A): 41S-47S).

Наиболее близким к заявляемому является способ определения содержания минерального вещества в костной ткани, включающий изготовление рентгенограммы объекта съемки, выполненной с использованием алюминиевого клиновидного ступенчатого эталона, на концах которого встроены свинцовые пластинки с отверстиями в середине. По рентгенограмме составляют математический алгоритм построения "гладкой" денситометрической кривой, причем интерполяцию характеристической кривой проводят методом сплайн-интерполяции и осуществляют привязку плотности изображения эталона к содержанию минерального вещества в исследуемом участке объекта (Патент РФ N 2136214, МКЛ A 61 B 6/00, 1999).

Недостатком известного способа является влияние на результат эффекта мягких тканей.

В основу настоящего изобретения положена задача создания точного и быстрого способа определения минеральных веществ в костной ткани с использованием доступных средств.

Поставленная задача решается так, что в способе определения содержания минеральных веществ в костной ткани, включающем изготовление цифровой рентгенограммы объекта съемки с использованием эталона минеральной плотности, составление математического алгоритма построения "гладкой" денситометрической кривой по изображению эталона, осуществляя привязку плотности изображения эталона к содержанию минерального вещества объектом съемки, выбор исследуемого участка определения содержания минеральных веществ - перед изготовлением цифровой рентгенограммы, объект и эталон минеральной плотности помещают в водную среду, причем толщина водной среды должна быть постоянной в плоскости съемки.

Для осуществления заявленного способа при изготовлении цифровой рентгенограммы может быть использован обычный рентгенографический метод с последующим сканированием, но предпочтительно использование цифрового рентгеновского аппарата, лишенного таких недостатков, как неравномерность распределения излучения по полю, влияние рассеянного излучения, неравномерность полива эмульсии на рентгеновской пленке, неравномерность люминофорного слоя в кассете.

Использование водной среды при изготовлении цифровой рентгенограммы можно осуществить, например, с помощью емкости, заполненной водой, представляющей собой параллелепипед с параллельными верхней и нижней плоскостями, или водяных мешков, однако в последнем случае возможно появление артефакта при неполном удалении воздуха между мешком и кожей.

В качестве эталона минеральной плотности может быть использован, например, алюминиевый или гидроксиапатитовый клиновидный эталон, алюминиевые пластины разной толщины и т.п.

Поскольку вода обладает рентгенологическими свойствами, близкими к свойствам мягких тканей (фоновый эффект), на получаемой рентгенограмме оптические плотности представлены практически только костями и эталоном.

Проведение серии экспериментов на фантомах показало, что соответствие рентгеновской плотности алюминия и кости изменяется в зависимости от анодного напряжения в интервале 44-80 кВ. На участке 80-120 кВ это соответствие становится более линейным, и оптическая плотность изображения кости и алюминия изменяется относительно одинаково. Отношение плотностей алюминий - кость не зависит от силы анодного тока и времени экспозиции. Отсюда нами был сделан вывод, что снимки можно делать на любых значениях силы тока (мАс), но при анодном напряжении более 80 кВ. В противном случае к стабильности анодного напряжения предъявляются очень высокие требования, что не всегда выполнимо на неспециализированной аппаратуре. Нестабильность 1-2 кВ в интервале анодного напряжения 33-80 кВ неизбежно приведет к погрешности в измерении, увеличивающейся при более низком напряжении в сторону завышения показателя минеральной плотности (см. диаграмму N 1, фиг. 5).

Такая зависимость от жесткости рентгеновского излучения вызвана наличием мягкотканого компонента, рентгенологические свойства которого сильно отличаются от свойств алюминия и солей кальция.

Использование при изготовлении цифровой рентгенограммы водной среды, постоянной по толщине в плоскости снимка, позволяет исключить влияние анодного напряжения за счет исключения эффекта мягких тканей.

На полученных рентгенограммах плотность изображения мягких тканей настолько близка к фону, что визуально практически не отличается от него, за исключением слабо различимого ободка просветления по контуру конечности (подкожная жировая клетчатка). При компьютерном анализе серии снимков предплечья, произведенных при разном анодном напряжении в интервале от 44 до 100 кВ, разброс данных минеральной плотности составил всего 1,12% (см. диаграмму N 2, фиг. 6).

Ниже приведены рентгеновские снимки одного и того же пациента. Фиг. 1 - отсканированная обычная рентгенограмма; фиг. 2 - рентгенограмма, полученная на цифровом рентгеновском аппарате с использованием специальной емкости с водой. Во втором случае изображение мягких тканей едва заметно и представлено лишь слабым контуром кожи и подкожной жировой клетчатки. Плотность мягких тканей, например, между лучевой и локтевой костями находится на уровне фонового значения.

На фиг. 3 изображена специальная емкость, заполненная водой. Плоскости А и Б строго параллельны для обеспечения постоянства толщины водного слоя и равномерности фона.

Схематическое изображение процесса получения рентгенограммы костей кисти и предплечья на цифровом рентгеновском аппарате (фиг. 4): A - рентгеновская трубка; B - коллиматор; C - линейка фотодиодов (объединены в одну механическую систему); D - специальная емкость, заполненная водой; E - клин-эталон; F - стол. На пациента надет защитный просвинцованных фартук. Анализ отобранных в процессе патентного поиска и изучения научно-технической информации решений показал, что в науке и технике нет объектов, аналогичных по заявляемой совокупности существенных признаков и наличию преимуществ, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого нами решения критериям "мировая новизна" и "изобретательский уровень".

Для доказательства соответствия заявленного способа критерию "промышленная применимость" приводим пример практического осуществления.

Берут две группы пациентов - контрольную и больных ревматоидным артритом. Контрольная группа состоит из молодых пациентов с заболеваниями, не связанными с нарушением минерального обмена. Исследуемая группа состоит из больных ревматоидным артритом, в том числе получающих терапию кортикостероидами. Больных располагают как указано на схеме (фиг. 4). Измерение минеральной плотности проводят в области головки лучевой кости. Результаты представлены в таблицах 1-4. Единица измерения - мг/cм².

Как видно на представленных таблицах, в группе ревматоидного артрита значительно снижена минеральная плотность костной ткани. Особенно это снижение выражено у больных пожилого возраста, получающих лечение кортикостероидными препаратами (глюкокортикостероиды, ГКС). Чувствительность способа такова, что у большинства пациентов из группы контроля определяется преобладание минеральной плотности в головке правой лучевой кости (рабочая рука у правшей).

Для сравнения с прототипом проводят исследование согласно заявляемому способу и прототипу. Зона интереса - головка правой лучевой кости. Полученные значения приведены в таблицах 3 и 4.

Результат по заявляемому способу приведен в таблице 3, где разброс данных составляет 1,12% от среднего или 2,24% в абсолютном значении.

Результат по прототипу приведен в таблице 4, где разброс данных составляет 2,63% от среднего (700,33) для 44 кВ, и 2,43% от среднего (633,47) для 60 кВ. Суммарный разброс для обоих напряжений составляет 5,01% от среднего или 10,56% в абсолютном значении. Видна большая зависимость точности определения содержания минеральных веществ от анодного напряжения. Точность меньше и при одном значении напряжения из-за непостоянства зоны измерения плотности вычитаемой мягкой ткани, выбор которой субъективен, т.е. определяется оператором.

Предлагаемый способ позволяет значительно повысить точность определения содержания минеральных веществ в костной ткани за счет уменьшения влияния на конечный результат оптической плотности изображения мягких тканей и нестабильности анодного напряжения.

Предлагаемый способ осуществляют в части использования признака "составляют математический алгоритм" с помощью персонального компьютера и используют в рентгенологических отделениях больниц.

Само изображение и полученные значения содержания минеральных веществ в костной ткани можно вывести как на дисплей, так и на бумажный носитель.

Способ является эффективным и доступным для лечебных учреждений.