14-17 Lorenc

Nieinwazyjna diagnostyka uk∏adu kostnego
Roman S. Lorenc, Maciej Jaworski
Wprowadzenie
W ciàgu ostatnich trzydziestu lat obrazowa diagnostyka
koÊci wzbogaci∏a si´ o nowoczesne techniki, które znacznie podnios∏y jakoÊç i poszerzy∏y mo˝liwoÊci oznaczeƒ,
choç wiele jest tu ograniczeƒ metodycznych i interpretacyjnych. W diagnostyce osteoporozy zastosowanie znalaz∏y
centralna i obwodowa densytometria kostna, peryferyjna
tomografia komputerowa oraz iloÊciowe techniki ultradêwi´kowe.1-4
Z diagnostycznego punktu widzenia na szczególnà
uwag´ zas∏uguje wprowadzenie do rutyny diagnostycznej
technik densytometrycznych, które znaczàco zwi´kszy∏y
czu∏oÊç i precyzyjnoÊç pomiarów umo˝liwiajàcych okreÊlenie niewielkich, nawet kilkuprocentowych ubytków
masy kostnej. Technika dwuwiàzkowej densytometrii
kostnej znalaz∏a zastosowanie w post´powaniu klinicznym stosowanym w skriningu, diagnostyce oraz monitorowaniu leczenia osteoporozy.
Oznaczenia densytometryczne
Stosowane do oceny g´stoÊci koÊci metody densytometryczne opierajà si´ na opisanym przez prawo LambertaBeera zjawisku os∏abienia wiàzki promieniowania w trakcie
przechodzenia przez badany obiekt (ryc. 1). W trakcie badania cz´Êç promieniowania zostaje poch∏oni´ta oraz rozproszona.5,6 Nat´˝enie wykorzystanego w detektorze promieniowania zale˝y od gruboÊci koÊci i zawartoÊci minera∏ów,
przy czym nat´˝enie promieniowania jest odwrotnie proporcjonalne do ich zawartoÊci. Pomiar jest wynikiem krokowego odczytywania kolejnych pól pomiarowych zwanych
pikselami, z których kolejna analiza umo˝liwia przeliczenie
ca∏ego badanego pola pomiarowego. Ostateczny obraz powstaje jako rzut p∏aski na p∏aszczyzn´ pomiarowà i jest wyra˝any w g/cm2.
èród∏em promieniowania w aparatach densytometrycznych jest lampa rentgenowska.
Zastosowanie w oznaczeniu filtrów grzebieniowych
wycinajàcych selektywnie Êrodkowà cz´Êç widma energetycznego oraz metoda impulsowego prze∏àczania wysokiego napi´cia na lampie umo˝liwi∏a uzyskanie podwójnej wiàzki o ró˝nych energiach 43 i 110 keV, pozwalajàc
na dyskryminacj´ tkanek mi´kkich koÊçca i oznaczania
g´stoÊci mineralnej koÊci praktycznie w ka˝dej jego lokalizacji. Wykorzystaniu techniki o∏ówkowej Pencil Beam,
a nast´pnie wiàzki promieniowania w postaci wachlarza
Prof. dr hab. med. Roman S. Lorenc jest kierownikiem, a dr n. farm. Maciej Jaworski
pracownikiem naukowym Zak∏adu Biochemii i Medycyny DoÊwiadczalnej Instytutu
„Pomnik – Centrum Zdrowia Dziecka” w Warszawie.
14
podwy˝szy∏o rozdzielczoÊç obrazu oraz skróci∏o czas pomiaru. Z kolei nowe generacje aparatów densytometrycznych umo˝liwi∏y pomiar ca∏ego koÊçca, odcinka l´dêwiowego kr´gos∏upa, proksymalnej cz´Êci koÊci
udowej, przedramienia oraz morfometri´. Uzyskuje si´
dzi´ki nim wysokiej jakoÊci wyniki w zakresie rozdzielczoÊci, powtarzalnoÊci i dok∏adnoÊci prowadzonych
oznaczeƒ. W celu zapewnienia w∏aÊciwego funkcjonowania procedur pomiarowych nale˝y przestrzegaç wymogu
sta∏ej kontroli jakoÊci oznaczeƒ. Do tego celu wykorzystuje si´ odpowiednie fantomy o okreÊlonych parametrach, umo˝liwiajàce ocen´ dok∏adnoÊci i powtarzalnoÊci
aparatu.
Dok∏adnoÊç definiowana jest jako zdolnoÊç do uzyskania
w wyniku pomiaru rzeczywistej wartoÊci mierzonego
obiektu zweryfikowana innà metodà uznanà za wzorcowà
(w g/cm2 lub w mg/cm2). Z kolei powtarzalnoÊç okreÊlana
jest jako zdolnoÊç do uzyskania tego samego wyniku w powtarzajàcych si´ pomiarach dokonywanych w takich samych warunkach. WartoÊci te przy prawid∏owym u˝ytkowaniu aparatu nie przekraczajà 1%.
Kontrola jakoÊci obejmuje codziennà kontrol´ dzia∏ania
densytometru oraz d∏ugookresowà kontrol´ stabilnoÊci jego
pracy. Codzienna kontrola polega na przeprowadzeniu kalibracji aparatu. Dokonuje si´ tego za pomocà specjalnego
fantomu dostarczonego przez producenta aparatu. Kontrola
stabilnoÊci pracy aparatu polega natomiast na okresowym
pomiarze specjalnego fantomu kr´gos∏upa i sprawdzeniu,
czy jego wartoÊci g´stoÊci koÊci zmieniajà si´ w czasie. Przekroczenie dopuszczalnych granic zmian wymaga podj´cia
czynnoÊci serwisowych. Prawid∏owe prowadzenie kontroli
jakoÊci zapewnia uzyskanie rzetelnych wyników pomiaru
g´stoÊci koÊci i umo˝liwia precyzyjne Êledzenie zmian g´stoÊci koÊci w trakcie leczenia.
Dzi´ki temu, ˝e w czasie badania pacjent otrzymuje
znikomà dawk´ promieniowania, metoda nie jest inwazyjna, przy czym iloÊç poch∏oni´tej przez tkank´ energii
w miejscu jej kontaktu z wiàzkà promieniowania jonizujàcego zale˝y od typu promieniowania i czu∏oÊci tkanki.
Dawka efektywna wyra˝ana jest w Sv (Sievert) lub Rem
(1Sv=100 Rem). Zestawienie efektywnych dawek promieniowania jonizujàcego w badaniu DXA przedstawia tab. 1.
Dla porównania:
Promieniowanie naturalne (kosmiczne): 5-8 µSv
Mammografia: 50 µSv
Rtg klatki piersiowej: 50-150 µSv (zale˝nie od techniki)
Rtg kr´gos∏upa l´dêwiowego (boczne): 700 µSv
Po dobraniu odpowiednich parametrów technicznych,
a zw∏aszcza uwzgl´dnieniu masy cia∏a pacjenta, komputer sugeruje tempo pomiaru. Pomiar masy kostnej wykonywany
NIEINWAZYJNA DIAGNOSTYKA UK¸ADU KOSTNEGO
WYDANIE SPECJALNE/MAJ 2004
Stabilizator
wzmocnienia
Analizator
dwukana∏owy
Detektor NaJ
Wzmacniacz
Kolimator
P∏yta g∏ówna
skanera
Komputer PC
Wiàzka
promieniowania
Stó∏ pomiarowy
Kolimator
Lampa rtg
z g∏owicà
Zasilacze
wysokiego
napi´cia i
sterownik
Ryc. 1. Schemat dzia∏ania densytometru kostnego.
jest w ka˝dym wieku i u obojga p∏ci. Program dysponuje ró˝nà pr´dkoÊcià pomiaru, od skriningu trwajàcego bardzo krótko, poprzez opcje fast, medium, slow do detail, którego czas
trwania jest 10-krotnie d∏u˝szy ni˝ badania skriningowego.
Przed przystàpieniem do pomiaru nale˝y wyeliminowaç potencjalne b∏´dy techniczne, z których na plan
pierwszy wysuwa si´ ewentualna obecnoÊç kontrastu jako
pozosta∏oÊci innych badaƒ lub obecnoÊç cz´Êci metalowych w polu pomiaru.
Istotna jest tak˝e odpowiednia dokumentacja pacjenta,
jego pozycjonowanie i w∏aÊciwa archiwizacja prowadzonych oznaczeƒ. Badanie trwa od pi´ciu do dwudziestu minut w zale˝noÊci od gruboÊci tkanki mi´kkiej osoby badanej, czyli od masy cia∏a.
Dla pomiaru szyjki koÊci udowej istotne jest odpowiednie ustawienie badanej koƒczyny (poprzez zastosowanie
specjalnego pozycjonera). Badanie trwa oko∏o 8 minut,
a pole pomiarowe ustawione jest prostopadle do osi szyjki.
Badania ca∏ego koÊçca – total body – prowadzone sà
g∏ównie u dzieci. U osób starszych wykonywane sà du˝o
rzadziej, g∏ównie w przypadkach pourazowych (powypadkowych) w celu przygotowania pacjenta do çwiczeƒ rehabilitacyjnych, oraz w przypadkach licznych z∏amaƒ, a tak˝e w niektórych programach badawczych.
Czas trwania pomiaru zale˝y od masy cia∏a i wzrostu
pacjenta.
W przypadku „total body” udzia∏ operatora w analizie
pomiaru jest ograniczony do w∏aÊciwego ustawienia linii
dzielàcych cia∏o na pola pomiarowe, pozosta∏a cz´Êç analizy
odbywa si´ automatycznie. Badanie densytometryczne ca∏ego cia∏a umo˝liwia zarówno ocen´ mineralizacji koÊçca
(ca∏ego i w wybranych obszarach), jak równie˝ – na podstawie odpowiednich wspó∏czynników – zawartoÊci tkanki
t∏uszczowej i mi´Êniowej. Niezale˝nie program wylicza zawartoÊç wapnia w ca∏ym koÊçcu.
NIEINWAZYJNA DIAGNOSTYKA UK¸ADU KOSTNEGO
WYDANIE SPECJALNE/MAJ 2004
Wynik badania densytometrycznego jest wydrukiem
komputerowym zawierajàcym nast´pujàce informacje:
dat´ wykonania badania, dane osobowe pacjenta, warunki techniczne badania oraz dane dotyczàce g´stoÊci koÊci w wartoÊciach bezwzgl´dnych BMD w g/cm2 i g´stoÊci koÊci w porównaniu do grupy równej wiekiem
z uwzgl´dnieniem masy cia∏a w procentach lub odchyleniach standardowych (Z-score). Uzyskane wyniki badania, obok informacji porównawczych, umo˝liwiajà
ocen´ ryzyka schorzenia, tzw. potencjalnego zagro˝enia
z∏amaniem.
IloÊciowa metoda ultradêwi´kowa
IloÊciowa metoda ultradêwi´kowa (QUS) jest stosowana
w badaniach koÊci od oko∏o 15 lat. Dost´pnych jest kilka
typów aparatów ultradêwi´kowych, które zasadniczo mo˝na podzieliç na dwie grupy: aparaty wykorzystujàce wiàzk´
przechodzàcà i aparaty wykorzystujàce wiàzk´ odbità.2
W przypadku aparatów z wiàzkà przechodzàcà g∏owice
Tabela 1. Efektywna dawka promieniowania jonizujàcego
wyst´pujàcego przy oznaczeniach6
Rodzaj aparatu
SXA
DEXA centralna
DEXA obwodowa
DEXA lateral
Tomografia (QCT)
pQCT
QUS
Dawka efektywna
1 µSv
1-3 µSv w przeliczeniu
na jednà lokalizacj´
<1 µS
7,6 µSv
50-60 µSv
1-30 µSv
Brak promieniowania jonizujàcego
15
ultradêwi´kowe (nadawcza i odbiorcza) znajdujà si´ po
przeciwnych stronach badanej koÊci. Natomiast w przypadku aparatów wykorzystujàcych wiàzk´ odbità zintegrowane g∏owice nadawcza i odbiorcza znajdujà si´ po tej samej stronie badanej koÊci.
W badaniu z wiàzkà przechodzàcà g∏owica nadawcza wysy∏a ultradêwi´ki, które po przejÊciu przez substancj´ sprz´gajàcà, tkanki mi´kkie i koÊç sà odbierane przez g∏owic´ odbiorczà. Mierzone sà dwie wielkoÊci: pr´dkoÊç ultradêwi´ków
(SOS, m/s) i szerokopasmowe t∏umienie ultradêwi´ków
(BUA, dB/MHz). W wyliczeniach stosowane sà: tzw. wspó∏czynnik sztywnoÊci Stiffness i index QUI (Quantitative Ultrasound Index). Sà one wyliczane na podstawie wartoÊci
pr´dkoÊci i szerokopasmowego t∏umienia ultradêwi´ków. Dost´pne miejsca badania dla tego typu aparatów to koÊç pi´towa
i paliczki proksymalne r´ki (ryc. 2). W budowie koÊci w tych
lokalizacjach przewa˝a koÊç beleczkowa. Podczas badania
z zastosowaniem wiàzki odbitej g∏owica emituje ultradêwi´ki,
które wnikajà do koÊci, rozchodzà si´ pod∏u˝nie w jej warstwie korowej, a nast´pnie sà odbierane przez cz´Êç odbiorczà
g∏owicy. Specjalny algorytm pomiarowy umo˝liwia wykluczenie wp∏ywu tkanek mi´kkich na wynik pomiaru. Aparaty tego
rodzaju mierzà pr´dkoÊç ultradêwi´ków w warstwie korowej
koÊci d∏ugich (ryc. 3). Dost´pne miejsca pomiarowe to koÊç
piszczelowa i koÊç promieniowa. Uzyskane w ten sposób wyniki oznaczeƒ rokujà nadziej´ na uzyskanie bardziej bezpoÊrednich informacji o odpornoÊci mechanicznej koÊci.
4
3
2
1
5
Ryc. 2. Schemat pomiaru koÊci pi´towej aparatem ultradêwi´kowym.
1 – g∏owica nadawcza, 2 – g∏owica odbiorcza, 3 – koÊç, 4 – tkanki mi´kkie
5 – substancja sprz´gajàca (woda lub ˝el).
Strza∏kami zobrazowano wiàzk´ ultradêwi´ków.
KoÊç
korowa
Tkanki
mi´kkie
Wiàzka ultradêwi´ków
Ryc. 3. Schemat pomiaru pr´dkoÊci ultradêwi´ków w warstwie korowej koÊci
d∏ugiej.
16
Wyniki badania koÊci iloÊciowà metodà ultradêwi´kowà zale˝à w znacznej mierze od jakoÊci koÊci rozumianej
jako liczba beleczek kostnych, ich gruboÊç, po∏àczenia
mi´dzy nimi, a tak˝e iloÊç i rozmieszczenie w∏ókien kolagenu i kryszta∏ów hydroksyapatytu.7-9 W dwóch du˝ych badaniach prospektywnych wykazano, ˝e metoda
QUS wykrywa pacjentki obarczone du˝ym ryzykiem
z∏amania w obr´bie bli˝szego koƒca koÊci udowej z podobnà si∏à dyskryminacji jak pomiar BMD szyjki koÊci
udowej.10,11 Mimo tych mo˝liwoÊci nie zaleca si´ stosowania QUS w rutynowej praktyce u dzieci, a tak˝e
u m´˝czyzn i kobiet przed menopauzà. W przypadku
kobiet po menopauzie i osób starszych rutynowy sposób
ich stosowania uzale˝niony jest od opracowania odpowiednich algorytmów przeliczeniowych uwzgl´dniajàcych ryzyko z∏amaƒ.
Oznaczenia z zastosowaniem obwodowej tomografii
komputerowej
Obwodowa tomografia komputerowa (peripheral Quantitative Computed Tomography – pQCT), poprzez zastosowanie technologii trójwymiarowego pomiaru, umo˝liwia
okreÊlenie rzeczywistej g´stoÊci koÊci w lokalizacji przedramienia i goleni. Metoda ró˝nicuje tkank´ kostnà na struktur´ korowà i gàbczastà, wyra˝ajàc g´stoÊç obu frakcji
w mg/cm3. Pomiar w trzech wymiarach sprzyja analizie
geometrii badanej koÊci. Poprzez kompilacje parametrów
geometrycznych koÊci i rzeczywistej g´stoÊci metoda
pQCT jako jedyna z metod diagnozujàcych schorzenia
kostne umo˝liwia przy˝yciowe wyliczenia wskaêników
wytrzyma∏oÊci mechanicznej (Strenght Strain Index),
które wysoce korelujà z rzeczywistà odpornoÊcià mechanicznà koÊci.4,12-15
Podstawowy zestaw pQCT zawiera skaner tomograficzny oraz komputer wyposa˝ony w przyjazne oprogramowanie sterujàce pracà aparatu. Aparat pracuje metodà
jednowiàzkowà. W porównaniu z klasycznà tomografià
w trakcie badania metodà pQCT pacjent otrzymuje niewielkà dawk´ promieniowania jonizujàcego (9 mRem),
którego êród∏o stanowi lampa rentgenowska. Lampa
taka z umieszczonymi naprzeciw niej detektorami tworzy zespó∏ pomiarowy, który wykonuje trzy rodzaje ruchów: poziomy, poprzeczny i obrotowy. Dwa pierwsze
stosowane sà w czasie wykonywania skanu p∏askiego badanej koÊci. Ruch drugi i trzeci s∏u˝à do precyzyjnego
zebrania danych pomiarowych przekroju badanej koÊci
w ustalonym uprzednio miejscu. RozdzielczoÊç obrazu
okreÊlona jest przez wymiar jego najmniejszego elementu – woksela, przestrzennego odpowiednika pikseli. Po
wykonaniu pomiaru oprogramowanie komputera umo˝liwia zliczenie wype∏nionych tkankà kostnà wokseli
w przestrzeni przekroju koÊci i na bazie odpowiedniego
algorytmu okreÊla rzeczywistà (wolumetrycznà) wartoÊç
g´stoÊci koÊci.
Oznaczenia markerów biochemicznych
Istotnà luk´ dotyczàcà oznaczeƒ krótkoterminowych oraz
oceny jakoÊci koÊci wype∏niajà pomiary tempa obrotu kostnego stosujàce tzw. markery obrotu kostnego, oznaczane
w moczu lub w surowicy. Biochemiczne markery obrotu
kostnego to fragmenty bia∏kowych elementów strukturalNIEINWAZYJNA DIAGNOSTYKA UK¸ADU KOSTNEGO
WYDANIE SPECJALNE/MAJ 2004
nych koÊci (lub produkty ich degradacji) oraz enzymy
i bia∏ka uwalniane do krà˝enia w czasie aktywnoÊci metabolicznej komórek koÊciotworzenia – osteoblastów oraz komórek resorpcji koÊci – osteoklastów.16,17
Poziomy biochemicznych markerów obrotu kostnego
sà wypadkowà aktywnoÊci procesów przebudowy, odbywajàcych si´ w danym momencie w obr´bie ca∏ego szkieletu.18-21 Oznaczenia oceny tempa procesów koÊciotworzenia i resorpcji umo˝liwiajà zarówno przewidywanie
z∏amaƒ, jak i ewentualnych zmian masy kostnej obserwowanych pod wp∏ywem leczenia.
Wydaje si´, ˝e informacja, jakà dajà markery obrotu
kostnego ju˝ po 3-6 miesiàcach terapii pozwala lekarzowi
na skuteczne potwierdzenie lub zmian´ re˝imu leczniczego, a pacjentowi daje motywacj´ do dalszego leczenia,
które w przypadku osteoporozy musi byç d∏ugotrwa∏e.
U podstaw tych oznaczeƒ le˝y tak˝e analiza strat finanso-
wych przerwanej i nieskutecznej terapii, która musi zbilansowaç koszty oznaczeƒ.
Podsumowanie
Post´p w diagnostyce schorzeƒ kostnych przyczyni∏ si´
wprawdzie do bardziej precyzyjnej oceny tkanki, ale nie
wyeliminowa∏ zasadniczych trudnoÊci interpretacyjnych.
Przesuni´cie akcentów interpretacyjnych z oznaczeƒ masy
kostnej na okreÊlenie jej w∏aÊciwoÊci mechanicznej umo˝liwiajàcej przewidywanie ryzyka z∏amaƒ spowodowa∏o koniecznoÊç uzupe∏nienia analiz densytometrycznych o oznaczenia budowy przestrzennej koÊci, jej jakoÊci oraz
informacje dotyczàce jej metabolizmu.
Adres do korespondencji: prof. dr hab. med. Roman S. Lorenc, Zak∏ad Biochemii
i Medycyny DoÊwiadczalnej, Instytut „Pomnik – Centrum Zdrowia Dziecka”,
Al. Dzieci Polskich 20, 04-730 Warszawa
PiÊmiennictwo
1. Faulkner KG, McClung MR, Coleman LJ, Kingston-Sandahahl E. Quantitative ultrasound of the heel: correlation with densitometric measurements at
skeletal sites. Osteoporosis Int 1994;4:42-47
2. Jaworski M. Badania koÊci iloÊciowà metodà ultradêwi´kowà. Diagnostyka
Osteoporozy 2000 pod redakcjà R. Lorenca, 2000;159-190
3. Wagiel K, Walecki J. Tomografia komputerowa (TK). Diagnostyka Osteoporozy 2000 pod redakcjà R. Lorenca, 2000; 225-232
4. P∏udowski P. Obwodowa tomografia komputerowa. Diagnostyka Osteoporozy
2000 pod redakcjà R. Lorenca, 2000;191-208
5. Genant HK, et al. Noninvasive assessment of bone mineral and structure: state of the art (review). J Bone Miner Res 1996;6 (vol 11):707-730
6. Matusik H, P∏udowski P, Ozonek W. Densytometryczne metody oceny tkanki kostnej. Diagnostyka Osteoporozy 2000 pod redakcjà R. Lorenca, 2000;79-158
7. Gluer CC, Wu CY, and Genant HK. Broadband ultrasound attenuation signals depend on trabecular orientation: an in vitro study. Osteoporosis Int
1993;3:185-191
8. Gluer CC, Vahlensieck M, Faulkner KG, Engelke K, Black D, and Genant HK. Site-matched calcaneal measurements of broad-band ultrasound attenuation and single x-ray absorptiometry: do they measure different skeletal properties? J Bone Miner Res 1992;7:1071-1079
9. Gluer CC, Wu CY, Jergas M, Goldstein SA, Genant HK. Three quantitative
ultrasound parameters reflects bone structure. Calcif Tissue Int 1994;55:46-52
10. Bauer DC, Gluer CC, Pressman AR, et al. Broadband ultrasonic attenuation and the risk of fracture: a prospective study. J Bone Miner Res 1995;
10:S175
NIEINWAZYJNA DIAGNOSTYKA UK¸ADU KOSTNEGO
WYDANIE SPECJALNE/MAJ 2004
11. Hans D, Dargent-Molina P, Schott AM, et al. Ultrasonographic heel measurements to predict hip fracture in elderly women: the EPIDOS prospective study. Lancet 1996;348:511-514
12. Einhorn TA. Bone Strength: the bottom line. Calcif Tissue Int 1992; 51:333339
13. Ferretti JL. Interrelationships between densitometrical, geometric and mechanical properties of rat femurs. Inferences concerning mechanical regulation of
bone modelling. J Bone Miner Res 1993;8:1389-1396
14. Ferretti JL. On new opportunities for absorptiometry. J Clin Densitometry
1998;1:41-53
15. Schiessl H. Noninvasive bone strength index as analyzed by peripheral quantitative computed tomography (pQCt). Paediatric Osteology 1996;141-146
16. Karczmarewicz E. WartoÊç diagnostyczna markerów obrotu kostnego –
uzgodnienia 2000, Diagnostyka Osteoporozy 2000 pod redakcjà R. Lorenca,
2000;233-247
17. Riggs BL. Are biochemical markers for bone turnover clinically useful for
monitoring therapy in individual osteoporotic patients? Bone 2000;26:533-560
18. Bjarnason NH, Christiansen C. Early response in biochemical markers long-term response in bone mass during hormone replacement therapy in early postmenopausal women. Bone 2000;26:561-569
19. Delmas PD, Hardy P, Garnero, Dain M.-P. Monitoring individual
response to hormone replacement therapy with bone markers. Bone
2000;11:192-202
20. Delmas PD, Hardy P, Garnero P, Dain M.-P. Monitoring individual response to hormone replacement therapy with bone markers. Bone 2000;26:533-560
17