University of Oulu

Dual-energy digital radiography in the assessment of bone characteristics

Saved in:
Author: Toljamo, Päivi
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Medicine
University of Oulu, Infotech Oulu
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526209319
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-10-06
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium 7 of Oulu University Hospital, on 16 October 2015, at 12 noon
Tutor: Professor Miika Nieminen
Professor Timo Jämsä
Reviewer: Docent Mikko Hakulinen
Docent Niko Moritz
Description:

Abstract

Today, the diagnosis of osteoporosis and assessment of fracture risk is based on estimation of bone mineral density (BMD) determined by dual-energy X-ray absorptiometry (DXA). A lack has been shown in the prediction of individual fracture risk using DXA-based BMD (BMDDXA). Digital radiography (DR) has eased the application of dual-energy techniques for separating bone and soft tissue, but the direct application of dual-energy digital radiography (DEDR) to determine BMD has not been investigated. Additionally, with BMD and bone mass, bone geometry affects strongly the mechanical strength of bone. Geometrical parameters can also be determined from the DR images. This study aimed to investigate the ability of DEDR to determine BMD and whether the combination of DEDR-based BMD and geometry improves the prediction of maximal load. Fracture and osteoporosis diagnoses could thus be done with one examination, i.e. with DEDR, whereas in the current routine both DR imaging and DXA examination are needed for diagnoses.

Reindeer femora were imaged by DR with two different energies (79 and 100 kVp). The different geometrical parameters were also determined from the 79 kVp images. The BMD measured by DEDR (BMDDEDR) were calculated using the calculation principle of DXA. The ability of BMDDEDR to predict BMDDXA was investigated. The femora were mechanically tested in an axial loading configuration with the shaft in a vertical position to determine mechanical parameters. The best combination of BMDDEDR and geometrical parameters to predict bone maximal load was explored. BMDDXA was used for comparison.

Significant moderate to high linear correlations were observed in all regions of the upper femur (femoral neck, Ward’s triangle, trochanter and inter-trochanter) between BMDDEDR and BMDDXA. BMDDEDR of the femoral neck and BMDDXA of the femoral neck predicted maximal load similarly. The best combination of parameters to predict maximal load was BMDDEDR at Ward’s triangle, femoral shaft diameter (FSD) and femoral shaft axis length (FNAL) (r = 0.79, p < 0.05). The study shows that DEDR is a suitable method to determine BMD in vitro and the combination of BMD and geometry improves the prediction of bone maximal load when compared to BMDDEDR of femoral neck or trochanter only. The thesis also includes unpublished data from a preliminary human study.


Tiivistelmä

Osteoporoosin diagnosointi ja murtumariskin määrittäminen perustuvat kaksienergisellä röntgenabsorptiometrialla (DXA) mitattavaan luun mineraalitiheyden (BMD) arviointiin. DXA:lla määritetyn luun mineraalitiheyden (BMDDXA) on kuitenkin osoitettu olevan puutteellinen murtumariskin yksilöllisessä ennustamisessa. Digitaalinen röntgenkuvaus (DR) on helpottanut sellaisten kaksienergisten tekniikoiden toteuttamista, joissa luu ja pehmytkudos on eroteltu toisistaan. Kaksienergisen digitaalisen röntgenkuvausmenetelmän (DEDR) soveltamista BMD:n määrittämiseen ei ole tutkittu. BMD:n ja luun massan lisäksi on luun geometrialla vahva vaikutus luun mekaaniseen lujuuteen. Geometriset parametrit voidaan määrittää niin ikään digitaalisista röntgenkuvista. Tässä työssä tutkittiin, pystytäänkö DEDR:llä määrittämään BMD sekä parantaako DEDR:llä mitattujen BMD:n ja geometrian yhdistelmä luun maksimikuormituksen ennustetta. Näin ollen murtuma- ja osteoporoosidiagnoosit voitaisiin tehdä yhdellä tutkimuksella (DEDR), kun nykyisin diagnoosit vaativat sekä digitaalisen röntgenkuvauksen että DXA-tutkimuksen.

Poron reisiluut kuvattiin digitaalisen röntgenlaitteen kahdella eri kuvausjännitteellä (79 ja 100 kVp). 79 kVp -kuvista määritettiin myös erilaiset geometriaparametrit. BMD laskettiin DEDR-kuvista (BMDDEDR) DXA:n laskentaperiaatetta käyttäen. BMDDEDR:n kyky ennustaa BMDDXA:a tutkittiin. Maksimikuormituksen selvittämiseksi reisiluut testattiin mekaanisesti aksiaalisuunnassa varren ollessa pystysuorassa asennossa. BMDDEDR- ja geometriaparametreista määritettiin paras yhdistelmä maksimikuorman ennustamiseen. BMDDXA-arvoja käytettiin analysoinnissa vertailun vuoksi.

BMDDEDR- ja BMDDXA-arvojen välillä havaittiin merkitsevä keskinkertainen tai korkea korrelaatio kaikissa mielenkiintoalueissa (reisiluun kaula, Wardin kolmio, sarvennoisen alue ja reisiluun varren alue). Wardin kolmiosta mitatun BMD:n (WABMDDEDR), reisiluun varren halkaisijan (FSD) ja reisiluun kaulan kautta kulkevan akselin (FNAL) yhdistelmä ennusti parhaiten luun haurautta (r = 0.79, p < 0.05). Tutkimus osoittaa, että DEDR on sopiva menetelmä BMD:n määrittämiseen tutkimusolosuhteissa ja että BMD:n ja geometrian yhdistelmä parantaa maksimikuormituksen ennustetta pelkästään reisiluun kaulasta tai sarvennoisesta mitattuun BMDDEDR:iin verrattuna. Väitöskirja sisältää myös julkaisemattomia tuloksia alustavista ihmistutkimuksista.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-0931-9
ISBN Print: 978-952-62-0930-2
Issue: 1311
Subjects:
DXA
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.