A DENSITOMETRIA FIZIKAI ALAPELVE Dr. Kári Béla Semmelweiss Egyetem Általános Orvostudományi Kar Radiológiai és Onkoterápiás Klinika

A Non-invazív in vivo sűrűség meghatározás méréstechnikai módszere Non-invazív : Roncsolásmentes In vivo: Élő szervezetben Alkalmazható méréstechnikai módszerek: a.) Mechanikai hullám mozgás (ultra hang) vezetőképességén alapuló technika b.) Elektromágneses hullám elnyelődésén, abszorpcióján alapuló eljárás (Röntgen -X ray- vagy  sugárzás)

Elektromágneses hullám anyagon történő áthaladása

KÜLÖNBÖZŐ KÉP MODALITÁSOK SPA PFR Profil Görbe Analízis HR. CT Sagittal Slice HR. CT Transverse Slices

SZEMI-KVANTITATÍV KIÉRTÉKELÉS

MICROFOCUS SÍKFILM (PFR) KÉPEK SZEMI-KVANTITATÍV ANALÍZISE Kiértékelés a Nordin index alapján: H Nd= *100% D1+D2 D2 D1 H

A CT SZELETEK SZEMI-KVANTITATÍV ANALÍZISE 1 Plexi-üveg Tárgy tartó 2 3 Siemens Etalon Phantom

A SŰRŰSÉG MEGHATÁROZÁS KVANTITATÍV MÓDSZERE 1.) A “narrow beam” geometriai modell alapján az ismeretlen sűrűségű anyag ismert sűrűségű és geometriájú közegbe helyezése 2.) A vizsgált test méretéhez képest “vékony, igen keskeny” sugárnyalábbal letapogatjuk a mérendő objektum terét. 3.) Rögzítjük az egyes pontokban az intenzitás változást mint a hely függvényét: I(r,Z(r)) = I0 e-[Z(r),E]x , ahol r = r(x,y,z) 4.) Az ismert geometriájú és csillapítású közegbe helyezett mérendő objektum helyi intenzitás csökkenése, azaz lokális abszorpciója az objektum helyi elektron denzitásától függ. 5.) A megfelelő kalibrálási eljárásokkal a helyi abszorpció és a lokális sűrűség megfeleltetése sűrűség származtatása

FIZIKAI MODELL VÁZLATA y x (x,y,z) (x,y,z) Az egyes fázisok jel-átalakítási fokozatai

A KÜLÖNBÖZŐ OBJEKTUMON MÉRT EREDMÉNYEK x x x

KÖZEGBEN(obj>) LEVEGŐBEN

KÖZEGBEN(Víz) LEVEGŐBEN

TEFLON GYŰRŰ KÖZEGBEN(Víz) LEVEGŐBEN D E

A JELÁTALAKÍTÁST ZAVARÓ TÉNYEZŐK (S/N) 1.) Véges spektrum vonal szélesség, véges energia felbontóképesség. 2.) Szórt sugárzásból eredő hibák (Compton szóródás) 3.) A Poisson zaj, amely minden quantum esemény számlálásakor előfordul. 4.) A véges kollimálás, véges mintavételi lépésekből származó zajok.

A FIZIKAI MODELLEK KLINIKAI GYAKORLATI ALKALMAZÁSA Különböző geometriai, mérési elrendezések: 1.) Egyfoton abszorpciós technika a.) SPA Single Photon Absorptiometry ( forrás) b.) SXA Single X-ray Absorptiometry (X-ray forrás) Vízkádas és mandzsettás kialakítás 2.) Két foton abszorpciós technika a.) DPA Dual Photon Absorptiometry ( forrás) b.) DXA Dual X-ray Absorptiometry (X-ray forrás) Egésztest és végtagmérés elrendezések

EGY FOTON ABSZORPCIÓS TECHNIKA Alkalmazása: Elsősorban alkar csont ásványi anyag tartalmának meghatározására Vízkádas megoldás Mandzsettás elrendezés

AZ ALKAR MÉRÉS SCAN TECHNIKÁJA A mérés modellje: A méréstechnika alapfeltétele: Kétállapotú modell Csontszövet + Lágyrész

A KÉTÁLLAPOTÚ MODELL Profil görbe

BMC és BMD SZÁRMAZTATÁSA BMC : Bone Mineral Content a scan profil mentén [g/cm] BMD: Bone Mineral Density a scan terület mentén [g/cm2] További feltételek: T = D(x) + t1(x) + t2(x) = constant Állandó lágyrész vastagság biztosítása !!!! Ix (x) = I0 exp[- b D(x)] .exp[- s(T – D(x)] I0* = I0 exp[- s T] A kétállapotú modell és az állandó lágyrész vastagsából adódik: r2 r2 r2 BMC =  D(x) dx = 1/(b - s)  ln [I*0/ Ix(x)] dx = K  ln[I*0/Ix(x)] dx r1 r1 r1 ,ahol K (mineral constant) = [1 /(b - s)] Kalibrálni célszerű

A KALIBRÁLÁS MINT A DENZITÁS MÉRÉS ALAPJA A “K” értéket egy ismert ún. ETALON fantom segítségével határozzuk meg, melynek értéke ismert és állandó hosszú időre. BMCeta = ETA (g/cm) rE2 Így behelyettesítés után: BMCeta = ETA = K ln [I0/Ix(x)] dx rE1 K = [ETA(known BMC)] / [  ln ( I*0/Ix(x)] dx = ETA / INTG(E) rE2 rE1 , ahol INTG(E) =  ln (I*0/ Ix ) dx

KALIBRÁLÓ és ETALON FANTOMOK 1.4g/cm 0.5g/cm 1.00g/cm

A KALIBRÁLÓ FANTOM ELLENÖRZÉSE

A DUAL FOTON DENSITOMETRIA MÉRÉSTECHNIKAI ALAPJAI A méréstechnika peremfeltételei: 1.) A rendszer kétállapotúnak tekintendő LÁGYRÉSZ + CSONT 2.) Az állandó lágyrész vastagság feltétele nem szükséges Alkalmazott sugárforrások: I. DPA esetén két vonalas spectrumú  sugárforrást alkalmazunk Pl.: I125 (28keV)  Am241(60keV), vagy Gd153 (44keV  100keV) II. DXA esetén két “X-ray” energiájú Röntgen forrást alkalmazunk az Ex-ray = (40  100)keV tartományban - Nagyságrendileg nagyobb állandó foton fluxus biztosítható, sokkal precízebb sugárnyaláb kollimálással.

A DUAL FOTON ABSZORPCIOMETRIA MŰKÖDÉSE Jelölje I0, I intenzitásokat valamint s b abszorpció koefficienseket az E energián az ms és mb tér részben (az s index lágyrészt, míg b a csontot jelöl). Az E’ energián mindezt jelölje I0’, I’ valamint s’ b’. A következő egyenlet rendszer jellemzi a jelenséget: I = I0 exp( -sms - bmb) E energián I’ = I0’exp(-s’ms - b’mb) E’ energián Az egyes intenzitások méréssel, míg az abszorpció koefficiensek kalibrációval direkt mérhetők. Így az ismeretlen ms és mb tér részek eképp fejezhetők ki az egyenletek megoldásával:

AZ ABSZORPCIÓS TÉR RÉSZEK SZÁRMAZTATÁSA ms = {[-b’ln(I/I0)] + [b ln(I’/I0’)] / [sb’ - s’b]} mb = {[-s ln(I’/I0’)] + [s’ln (I/I0)] / [sb’ - s’b]} , ahol “kísértetiesen” hasonlít a nevezőben lévő tényező az egy fotonabszorpciós esetben kapott eredményhez, ahol a lágyrész vastagság T =const esetén : K=[1/(b - s)] A DPA és DXA rendszereket is KALBRÁLNI kell!! NORLAND DXA Etalon Csont fantomja

DPA és DXA BERENDEZÉSEK PolyScan DPA LUNAR DXA

SZOLGÁLTATOTT EREDMÉNYEK V Í Z K Á D A S S P A

LUNAR DXA FEMUR NECK

LUNAR DXA SPINE

LUNAR DXA SPINE QUANTITATIVE DATA

AZ OSTEDENZITOMETRIA JÖVŐJE A KUTATÁSOKBAN ÉS KAPCSOLATA MÁS TÁRS-SZAKMÁKKAL Egy rövid áttekintés azon kutató és fejlesztő munkákról, amelyek meghatározó szerepet játszhatnak a jövő diagnosztikai eljárásaiban. E munkákban az I. Belklinika – Radiológiai és Onkoterápiás Klinika valamint a Mediso Ltd. – Research Centre Jülich – Radiológiai Klin. vállalt nagy szerepet.

DIGITÁLIS KÉPALKOTÁS, KÉPFELDOLGOZÁS DICOM

Csont (Kisállat) 2D Kvantitatív Analízise a Lágy Rtg Csont (Kisállat) 2D Kvantitatív Analízise a Lágy Rtg. Sugárzással Készült Digitalizált Felvételeken Corticalis csontállomány Trabecularis csontállomány

A CT SILCE-k KVANTITATIVE ANALÍZISE Transversal Slices of small animal bone Transversal Slices of small animal bone ROI Types ROIe (external) ROIp NROIp Bone Transverse slices Plexiglass Object holder Np ROI cursor position Transversal Slices of small animal bone Transverse Slice of SPA Calibration Phantom Normal Segment ROIi ROIi (internal) NROIi Ni ROIe

SPA Eredmények CT Eredmények SPA KALIBRÁLÓ FANTOM ÖSSZEHASONLÍTÓ MÉRÉSE SPA Eredmények CT Eredmények <BMCHyper> <BMCNormal> <ATTHyper> <ATTNormal> = 1.318 = 1.312 <BMCNormal> <BMCHypo> <ATTNormal> <ATTHypo> = 2.095 = 2.084

A CSONTSZERKEZET FUNKCIONÁLIS VIZSGÁLATA 3D Mouse bone study 20mCi MDP 60 projections, ROR: 47mm Reconstruction: 11 iterations Resolution: 1.6mm NanoSPECT/CT Jaszczak 1.6mm Mediso Ltd. / Research Center Jülich

KISÁLLAT CSONTSZERKEZET NAGY FELBONTÁSÚ FUNKCIONÁLIS VIZSGÁLATA Mouse Bone Study by ZOOM application Tc-99m MDP Radius of rotation: 29mm 60 proj., 315.000 counts Reconstruction: 11 iterations 43 mm Mediso Ltd. / Research Center Jülich

KÉP-FÚZIÓ KIS ÁLLAT KÍSÉRLETBEN MRI NM Schering Research Centre, Berlin / Mediso Ltd. / Radiológiaiés Onkoterápiás Klinika

A FUZIONÁLT KÉPEK 3D PRESENTÁCIÓJA SPECT - MRI Mouse bone study (MDP) Pancreas tumor study (Gastrin) Mediso Ltd./Research Center Jülich

A CSONTDENSITOMTRIA MÉRÉSTECHNIKAI ÖSSZEGZÉSE PFR SPA/SXA DEXA FUSION CT

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET ÉS A TÜRELMET