Phantomlose Knochenmineraldichte-Kalibrierung als wichtige Voraussetzung für ein CT basiertes opportunistisches Screening

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Medizinische Fakultät
Issue Date
2024
Authors
Bartenschlager, Stefan
Editor
Abstract

Abstract Background and Aims Osteoporosis is an age-related disease characterized by decreased bone mineral density (BMD) and disturbed bone architecture, resulting in enhanced bone fragility and consequently increased fracture risk. Osteoporotic fractures are a major problem for the healthcare system due to significant morbidity and mortality, however, they are underdiagnosed and undertreated due to several factors. Therefore, computed tomography (CT)-based opportunistic screening aims to exploit the high number of routine clinical CT scans to assess the patient's fracture risk in addition to the actual indication. BMD represents a major risk factor for fractures, but is not determined in routine clinical practice. This is due to the fact that a calibration phantom, which is used to convert the measured CT values into BMD, is generally not used. Alternatively, a phantomless or internal calibration can be performed that uses CT values of internal tissues such as blood or muscle for calibration. In the literature, different combinations of internal reference materials as well as different methods for internal calibration are used. The aim of this work was therefore on the one hand to theoretically investigate the accuracy errors of different material combinations and to validate them on clinical data. On the other hand, the different possibilities to perform a phantomless calibration should be implemented and their performance should be compared to a gold standard calibration including a phantom (synchronous calibration) by using different clinical datasets. Material and Methods Based on theoretical considerations regarding the absorption of diagnostic X-rays, a term was derived describing the BMD value as a function of the absorption coefficients and local densities of two internal reference materials. This formula was then used to simulate the accuracy errors of different material combinations, incorporating the population variation of the CT values of the reference materials. The population variation was determined in a clinical study dataset, which was subsequently used to validate the theoretical results. For the comparison of the different calibration methods, they were applied to two independent clinical datasets, which were synchronously calibrated. For this purpose, the CT values of the internal reference materials were determined by manual segmentation of the CT scans. For a subset of calibration methods, a reference dataset, which was synchronously calibrated, is required. In each case, this reference dataset was randomly selected from the corresponding clinical dataset. Results The simulations showed that especially air should be used as reference material and in combination with blood (< 2 mg/cm3) or subcutaneous adipose tissue (4 mg/cm3) gives very low BMD accuracy errors. Skeletal muscle, for example, produced much larger errors (> 12 mg/cm3) when combined with blood. A practical implementation of the internal calibration with different material combinations confirmed the theoretical results. The BMD differences between the phantomless calibration methods requiring a reference dataset and synchronous calibration were in the range of 0.1 to 2.5 mg/cm3 for both datasets. If no reference dataset is required, the mean differences were significantly larger (> 12 mg/cm3). Conclusions Not all human tissues are suitable for use as an internal reference material in phantomless BMD calibration. Due to age-related variations in tissue composition, the choice of the second reference material, in addition to air outside the patient, which has no population variation in CT values, should be adapted to the patient being studied. In younger patients without severe calcification of blood vessels, blood would be most appropriate as the second material, with subcutaneous adipose tissue more likely to be considered with increasing age. Because of the unknown fat content of skeletal muscle, its use as a reference material should be avoided. Overall, BMD differences between synchronous and phantomless calibration using a reference dataset are very small, providing the latter calibration method a valid option for determining BMD in opportunistic screening. If no reference dataset is available, phantomless calibration can lead to significant accuracy errors.

Abstract

Zusammenfassung Hintergrund und Ziele Osteoporose ist eine altersbedingte Krankheit, die durch eine verringerte Knochenmineraldichte (BMD) und gestörte Knochenarchitektur charakterisiert ist und eine erhöhte Knochenfragilität und demnach auch ein erhöhtes Frakturrisiko zur Folge hat. Osteoporotische Frakturen stellen aufgrund der erheblichen Morbidität und Mortalität ein bedeutendes Problem für das Gesundheitssystem dar, doch sind aufgrund verschiedener Faktoren unterdiagnostiziert und unterbehandelt. Mit einem Computertomografie (CT)-basiertem opportunistischen Screening soll deshalb die hohe Zahl an klinischen Routine-CT-Scans ausgenutzt werden, um zusätzlich zur eigentlichen Indikation das Frakturrisiko des Patienten abzuschätzen. BMD stellt einen Hauptrisikofaktor für Frakturen dar, wird jedoch in der klinischen Routine nicht bestimmt. Dies liegt in dem Umstand begründet, dass ein Kalibrierphantom, welches zur Umrechnung der gemessenen CT Werte in BMD dient, im Allgemeinen nicht verwendet wird. Alternativ kann eine phantomlose oder interne Kalibrierung durchgeführt werden, die CT-Werte interner Gewebe wie Blut oder Muskel zur Kalibrierung verwendet. In der Literatur werden sowohl verschiedene Kombinationen an internen Referenzmaterialien als auch unterschiedliche Methoden zur internen Kalibrierung eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit war es demnach einerseits die Richtigkeitsfehler verschiedener Materialkombinationen theoretisch zu untersuchen und an klinischen Daten zu validieren. Andererseits sollten die unterschiedlichen Möglichkeiten einer phantomlosen Kalibrierung implementiert und deren Richtigkeit gegenüber einer Goldstandard-Kalibrierung mit Phantom (synchrone Kalibrierung) anhand klinischer Datensätze verglichen werden. Methoden Ausgehend von theoretischen Überlegungen bezüglich der Absorption diagnostischer Röntgenstrahlung konnte ein Ausdruck bestimmt werden, der den BMD-Wert als Funktion der Absorptionskoeffizienten und lokalen Dichten zweier interner Referenzmaterialien beschreibt. Mit dieser Formel wurden die Richtigkeitsfehler verschiedener Materialkombinationen anschließend simuliert, wobei die Populationsvariation der CT-Werte der Referenzmaterialien mit einfloss. Die Populationsvariation wurde dabei in einem klinischen Studiendatensatz bestimmt, welcher im Anschluss zur Validierung der theoretischen Ergebnisse genutzt wurde. Für den Vergleich der verschiedenen Kalibriermethoden wurden diese auf zwei unabhängige, synchron kalibrierte klinische Datensätze angewendet. Dazu wurden die CT-Werte der Referenzmaterialien durch manuelle Segmentierung in den Datensätzen bestimmt. Für einen Teil der Kalibriermethoden ist ein Referenzdatensatz bestehend aus synchron kalibrierten Scans nötig. Dieser Referenzdatensatz wurde jeweils zufällig aus dem entsprechenden klinischen Datensatz ausgewählt. Ergebnisse Die Simulationen zeigten, dass vor allem Luft als Referenzmaterial verwendet werden sollte und in Kombination mit Blut (< 2 mg/cm3) oder subkutanem adipösem Gewebe (4 mg/cm3) sehr geringe BMD Richtigkeitsfehler ergibt. Die Skelettmuskulatur erzeugte beispielsweise in Kombination mit Blut deutlich größere Fehler (> 12 mg/cm3). Eine praktische Umsetzung der phantomlosen Kalibrierung mit unterschiedlichen Materialkombinationen bestätigte die theoretischen Ergebnisse. Die BMD Unterschiede zwischen phantomlosen Kalibriermethoden welche einen Referenzdatensatz benötigen und einer synchronen Kalibrierung lagen für beide Datensätze im Mittel im Bereich von 0.1 bis 2.5 mg/cm3. Wird kein Referenzdatensatz benötigt, waren die mittleren Unterschiede signifikant größer (> 12 mg/cm3). Schlussfolgerungen Nicht alle menschlichen Gewebe eignen sich für den Einsatz als internes Referenzmaterial bei einer phantomlosen BMD Kalibrierung. Aufgrund von altersbedingten Unterschieden in der Gewebezusammensetzung sollte die Wahl des zweiten Referenzmaterials neben der Luft außerhalb des Patienten, welche keine Populationsvariation der CT-Werte aufweist, an den zu untersuchenden Patienten angepasst werden. Bei jüngeren Patienten ohne starke Kalzifikationen der Blutgefäße wäre Blut als zweites Material am besten geeignet, wobei mit zunehmendem Alter eher subkutanes adipöses Gewebe in Frage kommt. Aufgrund des unbekannten Fettanteils der Skelettmuskulatur sollte von deren Verwendung als Referenzmaterial abgesehen werden. Insgesamt sind die BMD Unterschiede zwischen synchroner und phantomloser Kalibrierung unter der Verwendung eines Referenzdatensatzes sehr gering. Dies bestätigt die Validität der internen Kalibrierung zur BMD Bestimmung im Kontext eines opportunistischen Screenings. Falls kein Referenzdatensatz zur Verfügung steht, kann eine phantomlose Kalibrierung zu deutlichen Richtigkeitsfehlern führen.

Citation
Bartenschlager S, Dankerl P, Chaudry O, Uder M, Engelke K. BMD accuracy errors specific to phantomless calibration of CT scans of the lumbar spine. Bone, 157, 116304, 2022
Citation
Bartenschlager S, Cavallaro A, Pogarell T, Chaudry O, Uder M, Khosla S, Schett G, Engelke K. Opportunistic screening with CT: comparison of phantomless BMD calibration methods. Journal of Bone and Mineral Research, 2023
Citation
Engelke K, Chaudry O, Bartenschlager S. Opportunistic screening techniques for analysis of CT scans. Current Osteoporosis Reports, 21(1), 65-76 (2022)
DOI
URN
Faculties & Collections