Способ определения содержания минерального вещества в костной ткани

 

Изобретение относится к медицине, в частности к лучевой диагностике, и может быть использовано при определении, например, таких заболеваний, как остеопороз и остеопатии. Определяют содержание минеральных веществ к костной ткани, при этом изготавливают рентгенограммы с использованием клиновидного ступенчатого эталона, осуществляют выбор исследуемого участка определения содержания минеральных веществ, на концах клиновидного ступенчатого эталона дополнительно встраивают свинцовые пластинки с отверстиями в середине и составляют математический алгоритм построения "гладкой" денситометрической кривой, причем интерполяция характеристической кривой проводится с использованием кубических сплайнов, осуществляя привязку плотности изображения эталона к содержанию минеральных веществ в исследуемом участке. Способ обеспечивает повышение точности определения и ускорение исследования с использованием доступных средств. 1 табл., 2 ил.

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

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 костной ткани (МПКТ). Снижение МПКТ является основным фактором, определяющим ее плотность и увеличение риска переломов. Известные методы отличаются по параметрам, таким как возможность измерения МПКТ 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: монофотонная и двухфотонная абсорбциометрия, нейтронно-активационный анализ, компьютерная томография, моноэнергетическая рентгеновская денситометрия, 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.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения содержания минерального вещества в костной ткани изменением 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 изывестного 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, качество материала и нестабильность работы аппарата.

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 вещества в костной ткани, включающем изготовление рентгенограммы с использованием клиновидного ступенчатого эталона, выбор исследуемого участка определения содержания минеральных веществ, на концах клиновидного ступенчатого эталона дополнительно встраивают свинцовые пластинки с отверстиями в середине и составляют математический алгоритм построения "гладкой" денситометрической кривой, причем интерполяция характеристической кривой проводится с использованием кубических сплайнов, осуществляя привязку плотности изображения эталона к содержанию минеральных веществ в исследуемом участке. (Метод кубических сплайнов или сплайн интерполяция - один из математических методов восстановления функции на интервале по ее известным значениям в конечном числе точек данного интервала).

Для осуществления заявленного способа при получении изображения используют клиновидный ступенчатый эталон, выполненный из алюминия или гидроксиаппатита, причем на концах клина дополнительно встраивают свинцовые пластинки с отверстиями в середине. Свинцовые пластинки имеют те же размеры, что и ступень клина - эталона и толщиной 0,5 - 2 мм в виде квадрата или круга. Использование ступенчатого клиновидного эталона со встроенными на концах его свинцовыми пластинками с отверстиями в середине совместно с математическим алгоритмом построения "гладкой" денситометрической кривой позволяет достичь стандартизации зон измерения плотности на изображении ступеней, что увеличивает точность измерения, а также позволяет автоматизировать поиск изображения клина - эталона.

Изготовление изображения для использования его по заявляемому способу может быть осуществлено различными методами: рентгеновским (в т.ч. используя цифровой рентгеновский аппарат), фотографическим, и видеоизображением.

Составление математического алгоритма построения "гладкой" денситометрической кривой включает получение изображения, оцифровывание изображения, выбор участков исследования, вычисление усредненной яркости по участку.

Построение денситометрической кривой осуществляют с использованием плотности изображения и концентрации содержания кальция и на ней находят значения содержания минеральных веществ в исследуемом участке кости в мг/мм² или мг/мм³ при наличии изображения в боковой проекции, так как появляется возможность измерения глубины объекта исследования. Неизвестное значение глубины можно также заменить осредненным значением.

Возможно исключить эффект влияния мягких тканей путем вычитания ее плотности, измеренной в непосредственной близости от кости из полученного значения в зоне исследования.

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 подтверждения соответствия заявляемого нами решения критерию "промышленная применимость приводим конкретные примеры осуществления заявляемого способа.

В эндокринологическом отделении больницы исследована женщина 56, лет поступившая с диагнозом: Диффузный остеопороз, гиперпаратиреоз? Больной проведена рентгенография кистей (фиг. 1) с захватом лучезапястных суставов и эпифизов лучевых и локтевых костей, причем рентгенографию осуществляли с использованием алюминиевого клиновидного ступенчатого эталона.

Полученное изображение было оцифровано (сканировано), выбрано четыре исследуемых участка: головка 2-й пястной кости, эпифизы костей 3-й фаланги 2-го и 3-го пальцев правой кисти, головка лучевой кости (типичное место перелома). Построена (автоматически) "гладкая" денситометрическая кривая (фиг. 2) с использованием метода сплайн - интерполяции, на которой найдено (автоматически) значение содержания кальция в исследуемых участках кости в мг/мм²) (см. фиг. 2) Для сравнения отклонения показателей содержания минерального вещества кости больной от нормы проведено аналогичное исследование мужчине 29 лет без признаков поражения костно-суставного аппарата (контроль выбран исходя из известной информации, что мужчины среднего возраста редко страдают остеопорозом).

Полученные данные по содержанию кальция в костях у обследованных пациентов сведены в таблицу.

Проведенное заявляемым способом исследование и полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что у исследуемой женщины 56 лет имеет место значительная потеря минерального вещества кости - на 37% ниже контрольного значения.

Проведение фотометрического исследования (по прототипу) из-за отсутствия фотометра было смоделировано с применением приложения WIN DOWS - Adobe Photoshop 3,0, имеющего режим измерения средней яркости изображения в выделенной зоне т.е. по сути - фотометрии (меню "изображение" - "гистограмма"). Проводилось измерение средней яркости в зоне интереса (эпифиз лучевой кости), из полученного значения вычиталось значение яркости изображения мягких тканей в непосредственной близости, затем определялись яркость изображения ступеней клина (вначале на глаз), наиболее близких по плотности к исследуемой зоне. Выбирались два значения (ступени), между которыми находилось значение яркости зоны интереса. Подсчет результатов проводили по формуле: где K_к - средняя яркость изображения кости; K_м - средняя яркость изображения мягких тканей; K₁ - средняя яркость изображения менее плотной ступени клина; K₂ - средняя яркость изображения более плотной ступени клина; l₂ - толщина более плотной ступени (мм); l₁ - толщина менее плотной ступени (мм);
индекс (X)_к - в случае измерения на кости, (X)_м - на мягких тканях;
k - коэффициент соответствия 1 мм алюминия минеральной плотности кости (1,3 мг/мм²);
C - значение минерализации участка кости в мг/мм².

На проведение исследования только одного участка кости, включая измерение и обработку данных при помощи калькулятора, бумаги и авторучки, требовалось в среднем около 15 минут (время сканирования исключено). Полученные данные отличались от заявленного способа в сторону уменьшения показателей минерализации в среднем на 2 - 3% при исключении эффекта мягких тканей, и увеличению показателей при измерении без такого (использовалась только первая часть формулы) на 1,5 - 2%. Были отмечены колебания значений яркости в пределах 1 - 1,5% на одном и том же участке клина при повторных измерениях из-за неодинаковости зон выделения отмечаемых вручную.

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

Формула изобретения

Способ определения содержания минерального вещества в костной ткани, включающий изготовление рентгенограммы с использованием клиновидного ступенчатого эталона, выбор исследуемых участков, определение содержания минеральных веществ по плотности изображения, отличающийся тем, что на концах клиновидного эталона встраивают свинцовые пластинки с отверстиями в середине и по рентгенограмме и исследуемым участкам составляют математический алгоритм построения "гладкой" денситометрической кривой, причем интерполяцию характеристической кривой проводят методом сплайн-интерполяции, осуществляя привязку плотности изображения эталона к содержанию минеральных веществ в исследуемом участке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3