Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого.
Институт медицинского образования.
Курс лучевой диагностики.
Реферат на тему:
“Методы исследования биоминерального состава костной ткани.”
проверил: | выполнил: студент III курса гр.3324 студентка III курса гр.3324 |
Великий Новгород.
2005 г.
Содержание
Количественная компьютерная томография Рентгеноморфометрия и микрорадиоскопия Двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия Нейтронно-активационный анализ, локальный и всего тела Анализ вещества по Krokowski Комптоновское обратное рассеяние Ультразвуковая диагностика Сцинтиграфия скелета Магнитно-резонансная томография Используемая литератураКоличественная компьютерная томография
Компьютерная томография позволяет количественно проанализировать степень поглощения рентгеновского излучения различными тканями, что делает возможным использовать ее для изучения минеральной плотности кости.
Область применения
Рентгеновские томографы общего назначения (обычные и работающие по принципу дуальных энергий) могут быть использованы для измерений минеральной плотности на поперечном «срезе» (реконструированное изображение) кости практически в любом участке скелета в условных единицах Хаунсвилда или г/см3. В последнем случае необходимы специальный калибровочный фантом и дополнительное программное обеспечение.
Специализированные компьютерные томографы (изотопные и рентгеновские) используются только для периферических участков скелета: дистального отдела костей голени и предплечья и поэтому отличаются от обычных томографов небольшими габаритами и массой.
Преимущества
По сравнению с другими способами определения содержания костных минералов количественная компьютерная томография имеет следующие преимущества:
Трансакиальное изображение позвоночника дает возможность как составить представление о его анатомии, так и раздельно измерить кортикальный слой, губчатое вещество кости и общее содержание костных минералов.
Возможное определение коэффициента линейной абсорбции для определённого объёма кости (настоящее измерение плотности).
При методе с использованием двух уровней энергии (например, 80 и 140 кВ) содержание минералов может определяться с высокой степенью точности, несмотря на различный объём жировой и мягких тканей.
Получение изображения без наложения прилежащих костных структур и окружающих тканей, а также исключение из зоны измерения участков остеосклероза. Кроме того, компьютерная томография позволяет с высокой точностью провести дифференциальную диагностику деформаций тел позвонков.
Основные недостатки компьютерно-томографической аппаратуры общего назначения связаны с трудностями при исследованиях мелких костей вследствие так называемого «эффекта парциальных объёмов» и с относительно большой суммарной лучевой нагрузкой при длительных динамических наблюдениях.
Кроме того, аппаратура данного класса предназначена в основном для исследования мягких тканей, многофункциональна, сложна в эксплуатации, требует длительной подготовки врачей и других специалистов, специальных помещений и отличается высокой стоимостью.
Недостатком специальной аппаратуры является невозможность исследования кости позвоночника и бедра, необходимость частой замены источника 125I в изотопном варианте прибора и высокая стоимость.
Методика исследования
Исследование занимает около 10-15 мин., лучевая доза достигает примерно 2мЗв. Сначала выполняют боковую компьютерную томографию для точного определения локализации, затем производят «сканы» (компьютерные томограммы) на уровне середины 2-4 тел позвонков. Количественные данные можно получить в объёме 3-4 см3 в каждом позвонке. Эти данные усредняются в сопоставлении с 4 различными рекомендуемыми разрешениями и используются для того, чтобы выразить плотность костных минералов трабекулярной кости в минеральных эквивалентах К2HPO4 (в мг/см3 ).
В современной практике используют 2 варианта количественной компьютерной томографии: одноэнегргетическую и двуэнергетическую количественную компьютерную томографию. Разница между ними заключается в технике проведения исследования. В отличие от стандартной количественной компьютерной томографии при двуэнергетической компьютерной томографии томографирование тела позвонка проводят при двух различных напряжениях на трубке (80 и 120 кВ), что способствует улучшению точности измерений.
В связи с тем, что доза облучения при одноэнергетической количественной компьютерной томографии ниже, чем при двуэнергетической, одноэнергетическая компьютерная томография рекомендуется для постановки диагноза и длительного наблюдения за пациентом.
Доза облучения не превышает 2мЗв. По сравнению с методами абсорбциометрии доза облучения при количественной компьютерной томографии, конечно, выше, но она значительно ниже, чем при рентгенографии позвоночника.
Аппаратура
Первый опытный образец специального томографа появился в Швейцарии в середине 70-х годов. В качестве источника излучения в нём используется 125I («Isotom»). В середине 80-х годов создали на базе прибора «Isotom» специализированный рентгеновский томограф SCOOP. Отличительными особенностями этой модели являются: трёхмерное изображение, небольшая масса — 70 кг, высокая разрешающая способность (0,2мм) и небольшое время сканирования (1 мин.).
Третьей известной моделью является разработка фирмы «Stratec Electronic» (Германия) — SCT 900 c источником 125I, а позже — с рентгеновской трубкой.
Таким образом, количественная компьютерная томография оказывает необходимую помощь при диагностике, контроле за терапией и определении риска переломов костей у пациентов с различными остеопатиями. Клиницист может определить степень остеопороза и осуществить контроль за ним, распознавая повышенный риск переломов костей (пороговое для переломов содержания — 100 мг/см3), и оценивать эффективность определённого вида лечения.
Рентгеноморфометрия и микрорадиоскопия
Барнетт и Нордин (1960) разработали очень подходящий для практики метод количественного анализа рентгенограмм, не требующий сложного оборудования. Для периферического индекса они измеряют толщину кортикального слоя бедренной кости примерно на 10 см ниже малого вертела и второй пяточной кости в её середине, а для центрального индекса — высоту тела позвоночника LII и LIII в вентральном отделе и в её середине на боковой рентгенограмме поясничного отдела позвоночника. У здоровых лиц индекс пястной кости превышает 43%, бедренной — 54% и позвоночника — 80%. Подобный кортикальный индекс можно измерить также в других костях, например, индекс ключицы или индекс четвёртого или пятого ребра.
Важным методом подтверждения диагноза метаболических остеопатий является микрорадиоскопия. Принцип метода основывается на распознавании различных форм костной резорбции в пястных костях. Рентгенограмму кисти исследуемого снимают в прямой проекции на мелкозернистой технической плёнке, при этом применяют рентгеновские лучи несколько повышенной жёсткости (10 мГр). После проявления снимка рассматривают с помощью лупы (6-8 кратное увеличение) пястье. Таким образом, можно без труда разграничить эндостальную, интракортикальную и периостальную резорбцию и получить, тем самым, указание на генез имеющейся остеопатии. Увеличенная эндостальная резорбция обнаруживается при физической возрастной атрофии, при локальных процессах декальцинации (ревматоидный артрит, опухоли костей) или является выражением остеопороза от бездействия. В связи с определением комбинированной толщины кортикального слоя, можно проводить и динамические наблюдения. Если имеется чрезмерная эндостальная резорбция, то с большой вероятностью можно думать, что перед нами выраженный инволютивный остеопороз или даже гиперпаратиреоз.
Интракортикальная резорбция часто проявляется в форме туннелизации в субэндостальной зоне при таких метаболических заболеваниях, протекающих со значительной костной перестройкой, как, например, гипертиреоз, гиперпаратиреоз и акромегалия. При гиперпаратиреозе дело доходит до субпериостальной костной резорбции. Резорбционные изменения в периостальной области при гиперпаратиреозе и гипертиреозе довольно хорошо отличимы друг от друга. Так как субпериостальные резорбционные полости при первой болезни кажутся короче и шире, чем при второй, когда они вытянуты, туннелевидны.
При почечной остеопатии также часто происходит отчётливая туннелизация в области кортикального слоя пястных костей. Наблюдения за изменениями пястных костей можно использовать при этом в качестве контроля за течением заболевания на протяжении длительного времени, так как они при улучшении обмена веществ после гемодиализа часто претерпевают обратное развитие. Никакие другие (сравнительно простые) методы не способны лучше документировать подобный терапевтический эффект, чем микрорадиоскопия.
Двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия
В последние десятилетия разработаны высокоэффективные рентгеновские приборы, позволяющие диагностировать потерю костной массы с точностью до 2–6 % в разных участках скелета. Костную массу оценивают по содержанию минералов на единицу площади кости (МПК, г/см2), а также в процентном отношении к нормативным показателям у людей соответствующего пола и возраста и к пиковой костной массе людей соответствующего пола. Наряду с этим рассчитывают параметр SD от соответствующего норматива: по Z-критерию — относительно возрастной нормы и по Т-критерию — относительно пика костной массы. В настоящее время для диагностики ОП применяются критерии ВОЗ. Согласно этим критериям, значения МПК, отклоняющиеся по Т-критерию менее чем на –1 SD, расцениваются как норма, значения от –1 SD до –2,5 SD — как остеопения, превышающие –2,5 SD — как ОП.
При остеопении механическая прочность во многих случаях остаётся достаточной, чтобы выдержать физиологические нагрузки. Поэтому при таких отклонениях риск возникновения перелома значительно меньше, чем при отклонениях по Т-критерию более чем –2,5 SD, когда гораздо чаще развивается механическая несостоятельность кости. Однако в ряде случаев при уменьшении МПК и менее чем на –2,5 SD отмечаются переломы, характерные для ОП. В связи с этим отсутствие необходимой по критерию ВОЗ степени потери МПК при наличии типичной клинической и рентгенологической картины ОП не может быть основанием для исключения данного заболевания. МПК при исследовании позвоночника может быть увеличена за счет кальцификации аорты, передней продольной связки, наличия остеофитов. У пожилых людей остеофиты увеличивают показатели МПК на 17–42%. Нивелируют потерю костной массы переломы тел позвонков, ожирение, чрезмерно развитый мышечный слой.
Для прогнозирования риска возникновения перелома шейки бедренной кости при ОП наиболее информативна оценка костной массы именно в шейке бедренной кости, в меньшей степени — в поясничных позвонках, пяточных костях. Определение МПК в ненагружаемых отделах скелета (предплечье, кисть), по мнению ряда исследователей, не может решить проблемы оценки риска переломов в других костях скелета, так как эти сегменты не подвергаются такому же механическому напряжению.
Нейтронно-активационный анализ, локальный и всего тела
Нейтронно-активационный анализ является сложным техническим методом, который можно проводить только в специализированных центрах. При этом методе используются нейтроны ускорителя или реактора для того, чтобы из стабильного изотопа получить путём бомбардировки радиоактивный изотоп 49Са. Этот изотоп имеет период полураспада 8,9 мин. и испускает в процессе распада рентгеновское излучение с энергией 3,1 мэВ, которая и измеряется. Активность 49Са после надлежащей коррекции из-за вариабельности толщины тела прямо пропорциональна количеству костных минералов в 60-ти сантиметровом измеряемом участке туловища или проксимальной части бедра. Результаты выражаются индексом. Нормальный индекс костного кальция равен 1+0,12 и выражает количество кальция у исследуемого по отношению к среднему количеству его у здорового человека, имеющего точно такие рост и ширину плеч.
Наряду с измерением скелета туловища можно исследовать также кости конечностей, чаще при этом определяется индекс костного кальция кисти.
В заключении следует сказать, что хотя нейтронно-активационный анализ даёт высокую точность измерений, однако из-за высокой стоимости оборудования его можно использовать в настоящее время в основном только для научных целей.
Анализ вещества по Krokowski
Исходя из предпосылки, что разница в поглощении лучей костями по сравнению с мягкими уменьшается при увеличении жёсткости излучения, Кроковски (1973) развил свой метод суммарного определения содержания гидроксиаппатитов в теле позвоночника рентгенологическим анализом вещества кости посредством различного качества излучения. Основой метода является анализ абсорбционной кривой с учётом соответствующих порядковых чисел различных тканей. Эффективное порядковое число нормальной костной ткани равняется 15, мягких тканей — 7,6.
Уменьшение эффективного порядкового числа кости, обусловленное, например, потерей кальция при остеопорозе, проявляется особенно сильно изменением разницы поглощения костной и мягкой тканей при напряжении на трубке от 60 до 64 кВ, в то время как при 150 кВ эта разница едва заметна.
Соотношение показателей при двух качествах излучения отражает содержание гидроксиаппатита (соответственно, кальция) в исследованной кости с учётом толщины просвеченного тела позвонка. Первоначально результаты оценивались путем фотометрии снимка, а с 1974 года с помощью электроники.
Хотя работы Кроковски и способствовали тому, чтобы процессы де - и реминерализации позвоночника при остеопении были объективизированы, метод не смог получить повсеместного распространения, вероятно, из-за отсутствия технических условий в большинстве лечебных учреждений.
Комптоновское обратное рассеяние
Этот технический метод определяет абсолютную плотность изолированного объёма ткани, базируясь на её электронной плотности. Кроме ККТ, он является единственным методом, который дает возможность проводить измерения исключительно на трабекулярных костях.
Метод основан на измерении рассеянного излучения источника гамма-лучей с энергией 100-700 кэВ и используется для измерения плотности пяточной кости, позвоночника и лучевой кости.
Лучевая нагрузка варьирует от 2 до 20 Зв.
Метод остается в значительной степени правомочным для исследовательских работ; но широкого клинического применения он получить не смог.
Ультразвуковая диагностика
Измерением скорости проведения ультразвука пытались сделать вывод о содержании костных минералов. Удалось доказать уменьшение скорости проведения ультразвука у больных с остеопорозом. Несомненный прогресс в остеоденситометрии связан с разработкой и внедрением в клиническую практику ультразвуковых аппаратов, позволяющих оценивать механические свойства кости — ее прочность и упругость. Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглощение в кости обусловлены ее плотностью и эластичностью. Выпускающиеся различными фирмами ультразвуковые остеоденситометры позволяют оценивать показатели поглощения ультразвука (bгоаdbапd ultrasound attenuation, ВUА), либо скорость распространения ультразвука (SOS) либо оба показателя.
В настоящее время наибольшее распространение получили аппараты для измерения скорости распространения ультразвука, например, SoundScan-2000 фирмы Муriad (Израиль), а также фирм Оsteometer (Дания), Но1оgic (США), Lunar (США), МсСuе Ultrasounds Ltd (Великобритания).
Первоначально измерение проводилось над надколенником или пяточной костью, однако неправильная форма этих костей и значительная толщина мягких тканей делали результаты измерения недостаточно точными. Поэтому в последнее время в большинстве методик используется измерение скорости распространения ультразвука вдоль кортикального слоя передней поверхности большеберцовой кости. Очевидным достоинством ультразвуковой остеоденситометрии (синонимы: количественная эхография, эхометрия, QUS) является использование неионизирующего излучения и низкая стоимость исследования. Наряду с этим в литературе имеются сведения о высокой точности и воспроизводимости результатов измерений, а также статистически достоверных различиях в скорости проведения ультразвука по кортикальной кости у здоровых пациентов и у больных остеопорозом. Тем не менее, метод нуждается в дальнейшей клинической апробации и в сравнении с другими методами остеоденситометрии, поскольку пока не ясно, сможет ли он заменить рентгеновские методы или дать принципиально новую информацию.
Сцинтиграфия скелета
Со времени своего возникновения Сцинтиграфия скелета приобрела возрастающее значение также и в остеологической диагностике.
Сегодня для сцинтиграфии обычно используют соединения фосфата технеция 99m. Включение радионуклида в кость зависит от кровотока и обмена веществ в пораженном отделе скелета. Области с высоким кровотоком и высоким костным обменом веществ (при переломах, инфекции, гиперпаратиреозе, злокачественных опухолях, метастазах) выглядят на сцинтиграфии как "горячие очаги". После перелома кости наблюдается повышенное накопление радионуклида, которое нормализуется через 24 месяца (дифференциация между старыми и свежими компрессионными переломами позвонков). Метастазы можно отличить от свежих компрессионных переломов позвонков только тогда, когда метастазы обнаруживаются также и в периферическом скелете. Узор распределения радионуклида при метастазах случайный, при остеопорозе равномерный, в типичных местах — ребра, позвонки, пяточные кости. Веslеr (1974), Наrn (1983) нашли при остеопорозе лентовидные зоны усиленной костной перестройки в позвоночнике и грудине. В 2-х случаях кортикостероидного остеопороза они обнаружили множественные очаги, которые были незаметны на рентгено - и томограмме, однако хорошо коррелировали клинически с сильной болью в костях. Боль в бедрах у старых людей должна быть поводом для костной сцинтиграфии (скрытый перелом шейки бедра). Диффузно повьпшенное накопление радионуклида во всем скелете говорит о почечной остеопатии или остеомаляции, с "горячими очагами" в области лоозеровских зон. При остеопорозе накопление радионуклида чаще понижено.
Магнитно-резонансная томография
Это новый высокоэффективный метод исследования, который обладает уникальными диагностическими возможностями при заболеваниях практически всех органов и систем организма. По своему влиянию на клиническую медицину магнитно-резонансная томография может быть сравнима с открытием Конрада Рентгена.
Данные магнитно-резонансной томографии содержат обширную информацию о морфологии и функциях человеческого организма. Метод позволяет получить контрастные изображения внутренних органов в любой плоскости с высочайшей разрешающей способностью, без применения ионизирующего излучения и введения радиоактивных веществ. Практически отсутствуют доказанные отрицательные эффекты магнитно-резонансной томографии на организм человека, что, позволяет многократно обращаться к исследованиям, выполняя их в динамике на разных этапах развития болезни и в процессе проводимой терапии.
В основе метода лежит эффект магнитного резонанса — способность вещества поглощать электромагнитные излучения после помещения его в постоянное магнитное поле. Ядра атомов большинства химических элементов, например, таких как 1Н (1 протон), 31Р (15 протонов и 16 нейтронов), 13С (6 протонов и 7 нейтронов) и т. д., за исключением ядер с четным числом протонов и нейтронов, обладают магнитными моментами — спинами. Величина регистрируемого магнитно-резонансного сигнала пропорциональна концентрации тех или иных ядер. Для исследования организма человека обычно используется 1Н (протонный магнитный резонанс), 13С, 23Ма, 31Р ядер, наиболее распространенных в организме атомов. В подавляющем большинстве магнитно-резонансных томографов используют протонный магнитный резонанс. В отличие от рентгеновских и гамма - волн, используемые в магнитно-резонансной томографии радиоволны обладают низкой энергией и биологически безопасны.
Ядра атомов водорода являются диполями и обладают магнитными моментами, которые в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы беспорядочно. При помещении тела человека в магнитное поле большинство протонов располагаются вдоль силовых линий магнитного поля. Меньшая часть протонов ориентирована в противоположную сторону, что соответствует их более высокому энергетическому уровню. И те, и другие протоны находятся во вращательном движении — прецессии. При воздействии на них радиоимпульсов, совпадающих с частотой прецессии наблюдается резонансный эффект, который получил название "магнитный резонанс". При этом меняется ориентация элементарных магнитов. После прекращения воздействия радиочастоты протоны возвращаются к своему первоначальному состоянию, то есть подвергаются так называемой релаксации. При этом возникают электронные колебания, которые регистрируются с помощью радиочастотных катушек. Из множества таких замеров с помощью компьютера осуществляется построение изображения того слоя, который интересует врача.
От напряженности магнитного поля зависит, какой частоты радиоволны будут поглощаться атомами исследуемых тканей. Чем сильнее поле, создаваемое аппаратом, тем выше частота резонанса, тем большее число ядер атомов вовлекается в процесс создания изображения и, соответственно, повышается его качество, укорачивается время исследования и появляется возможность использовать дополнительные методики.
Визуализация при магнитно-резонансной томографии основывается на последовательном приложении градиентов магнитного поля по различным направлениям так, чтобы различным элементам изучаемого объема соответствовали свои частоты резонанса. Изменение резонанса ядер (например, время релаксации), их плотность и прочее после обработки ЭВМ могут быть выражены через интенсивность освещения или через контрастность. При использовании магнитно-резонансной томографии может быть получено изображение объекта в любом срезе. Высокая скорость обработки данных позволяет синхронизировать изображение с определенными физиологическими циклами, настроить его на регистрацию определенных биологически важных веществ и проследить их метаболизм.
Все аппараты для магнитно-резонансной томографии состоят из следующих основных элементов.
Магнит служит для получения постоянного, стабильного и однородного магнитного поля. В различных магнитно-резонансных томографах используются магнитные поля различной напряженности, различающиеся более чем в 100 раз. По напряженности магнитного поля магнитно-резонансные томографы разделяют на аппараты:
- с ультраслабым полем — ниже 0,02 Т; со слабым полем — до 0,5 Т; со средним полем — до 1,0 Т; со сверхвысоким полем — свыше 2,0 Т.
Верхний предел напряженности магнитного поля ограничен, в клинической практике до 2,5Т (по соображениям радиологической безопасности). Поля с большей напряженностью используются только в исследовательских лабораториях. В магнитно-резонансных томографах могут использоваться различные магниты:
- постоянные — они не требуют энергии для поддержания магнитного поля и специальной системы охлаждения. Их недостаток — ограничение магнитного поля до 0,3 Т; электромагниты могут создавать поле до 0,7 Т. Основные недостатки — большое потребление энергии, необходимость в системе охлаждения. сверхпроводящие магниты не потребляют электроэнергию, позволяют создавать поле до 4 Т. Основные недостатки — высокие капитальные и эксплуатационные расходы.
Градиентная система применяется для пространственного кодирования изображения.
Передатчик используется для возбуждения магнитных ядер коротким радиочастотным импульсом. Импульс может быть прямоугольным (имеет широкий спектр, что часто полезно в аналитических применениях) или сложной формы (для получения тонкого томографического среза). Форма импульса сильно влияет на контраст изображения. В магнитно-резонансных томографах для приема сигнала используются различные виды резонансных катушек:
Неаd и Неаd-Nесk — для исследования структур головного мозга и шеи;
Воdу и Не1гпЬо1tz — для исследования органов брюшной полости и малого таза;
Spine — для исследования позвоночника;
Мягкие (гибкие) катушки — для исследования костно-суставной системы.
Приемник усиливает снимаемый с катушки сигнал магнитного резонанса и преобразует его из высокочастотного (МГц) в низкочастотный (КГц) сигал.
Система обработки, визуализация и хранения данных служит для преобразования полученного от приемника сигнала в цифровую форму, обработки, вывода полученного изображения на монитор или печатающее устройство, а также хранения изображений.
Отличительной особенностью магнитно-резонансных изображений костей и суставов является возможность визуализации с помощью тех анатомических элементов, которые на обычных рентгенограммах либо совсем не видны, либо об их состоянии приходится судить по косвенным признакам. К числу таких анатомических структур относятся хрящи, связки, мышцы. Благодаря особенностям формирования магнитно-резонансных изображений, основанных на протонной плотности изучаемых структур, на магнитно-резонансных томограммах костей и суставов видны внутрисуставные хрящи, имеющие четкие ровные контуры и однородную структуру. Последние плотно прилегают к кости на всем протяжении суставной поверхности. Также видна полость сустава, суставные сумки и синовиальные вывороты. Наряду с этими образованьями, определяются сухожилия мышц, прикрепляющиеся к кости, связки и отдельные группы мышц, разделенные фасциями.
