การวัดความหนาแน่ นของกระดูก
Bone Densitometry
ดร.มนตรี ตั้งใจ
ภาควิชารังสี เทคนิค คณะเทคนิคการแพทย์ มหาวิทยาลัยเชี ยงใหม่
1
เนือ้ หานาเสนอ (Out line)
 หลักการและเทคนิคในการวัดความหนาแน่ นของกระดูก
 ปริมาณรังสี ในการวัดความหนาแน่ นของกระดูก
 โรคกระดูกพรุนและการตรวจ
 R2R
2
หลักการ
I
I0
I = I0 e -(M)
โดย
M คือ มวลสาร
 คือค่าสัมประสิ ทธิ์ การลดลงเชิงมวล(mass attenuation coefficient)
3
หลักการ
I0
I
I = I0 e -(M)
4
หลักการ
I0
I
I = I0 e -(M)
5
หลักการ
I0
I
I = I0 e -(M)
6
หลักการ
10 keV
40 keV
ln (I/I0) = - um x M
ถ้า
ln (10/40) = - 0.9039 x M
ln (0.25) = - 0.9039 x M
-1.3863 = - 0.9039 x M
M = 1.534 g/cm2
I0 = 40 keV
I = 10 keV
um = 0.9039 cm2 /g
M = Mass per unit area
7
หลักการ
40 keV
read out
0
40 keV beam
70 keV
read out
0
40
70
70 keV beam
X-ray tube
I0 (40 keV) = 40
I0 (70 keV) = 70
8
หลักการ
0
Soft
Tissue
(Fat+lean)
0
0.358
2.291
Soft Tissue +bone
I040 = 40
I070 = 70
Ist40 = 0.358
Ist70 = 2.291
9
หลักการ
0.08
1.96
I040 = 40
I070 = 70
Ist40 = 0.358
Ist70 = 2.291
Ib40 = 0.08
Ib70 = 1.96
10
หลักการ
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
If mass attenuation coefficient ;
uf40 = 0.23
uf70 = 0.19
uL40 = 0.27
uL70 = 0.19
ub40 = 1.00
ub70 = 0.32
Need to calculate
ust40 = ?
ust70 = ?
Rf = 1.211
RL= 1.421
Rb = 3.125
Rst = ?
11
หลักการ
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
Rst
=
ln (I040 / Ist40) / ln (I070 / Ist70)
=
ln (40 / 0.358) / ln ( 70 / 2.291)
=
ln (111.73) / ln (30.55)
=
4.716 / 3.419
=
1.379
12
หลักการ
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
uf40 = 0.23
uL40 = 0.27
ub40 = 1.00
ust40 = ?
uf70 = 0.19
uL70 = 0.19
ub70 = 0.32
ust70 = ?
Rf = 1.211
RL= 1.421
Rb = 3.125
Rst = 1.379
13
หลักการ
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
% Lean
=
=
=
=
=
[(Rst-RF)] / (RL-RF)] x 100
[(1.379-1.211)] / (1.421-1.211)] x 100
(0.168) / (0.21) x 100
0.8 x 100
80 %
14
หลักการ
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
% Lean
%Fat
%Fat
%Fat
=
=
=
=
80%
100-%Lean
100-80
20 %
15
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
Ust40 =
=
=
=
Ust70 =
=
=
=
(Lean Fraction)(UL40) + (Fat Fraction)(UF40)
(0.80)(0.27) + (0.20)(0.23)
(0.216) + (0.046)
0.262
(Lean Fraction)(UL70) + (Fat Fration)(UF70)
(0.80)(0.19) + (0.20)(0.19)
(0.152) + (0.038)
0.19
16
หลักการ
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
uf40 = 0.23
uL40 = 0.27
ub40 = 1.00
ust40 = 0.262
uf70 = 0.19
uL70 = 0.19
ub70 = 0.32
ust70 = 0.19
Rf = 1.211
RL= 1.421
Rb = 3.125
Rst = 1.379
17
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
Mb
=
[Rst x ln (Ib70 / I070)] – ln (Ib40 / I040)
Ub40 – (Ub70 x Rst)
=
[1.379 x ln(1.96 / 70)] – ln(0.80 / 40)
1.00 – (0.32 x 1.379)
=
2.30 g/cm2
18
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
Mst
=
ln (Ib40 / I040)] – [Rb x ln (Ib70 / I070)
(Rb x Ust70 ) – Ust40
=
ln (0.08 / 40) – [3.125 x ln(1.96 / 70)
(3.125 x 0.19 ) – 0.262
Mst (over the bone)
=
14.95 g/cm2
19
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
Mst
Mst
=
ln (Ist40 / I040)] – [Rb x ln (Ist70 / I070)
(Rb x Ust70 ) – Ust40
=
ln (0.358 / 40) – [3.125 x ln(2.291 / 70)
(3.125 x 0.19 ) – 0.262
=
18.0 g/cm2
20
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
% Lean of soft tissue (over bone) = 80%
% Fat of soft Tissue (over bone) = 20%
So,
ML (over bone) = 14.95 x 0.80 = 11.96 g/cm2
And
MF (over bone) = 14.95 x 0.20 = 2.99 g/cm2
21
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
% Lean of soft tissue (soft tissue) = 80%
% Fat of soft Tissue (soft tissue) = 20%
So,
ML (soft tissue) = 18 x 0.80 = 14.4 g/cm2
And
MF (soft tissue) = 18 x 0.20 = 3.6 g/cm2
22
No tissue Soft issue
Bone
40 keV
read out
I040 = 40
Ist40 = 0.358
Ib40 = 0.080
70 keV
read out
I070 = 70
Ist70 = 2.291
Ib70 = 1.960
Mb
=
ML(over bone) =
MF(over bone) =
ML(soft tissue) =
MF (soft tissue) =
Total tissue weight=
2.3 g / cm2
11.96 g / cm2
2.99 g / cm2
14.4 g / cm2
3.6 g / cm2
35.25 g
23
เทคนิคในการวัดความหนาแน่ นของกระดูก
การแบ่งประเภท
1. แบ่งตามการใช้งานของเครื่ อง
1.1 เครื่ องสาหรับวัดความหนาแน่นกระดูกบริ เวณส่ วนกลาง
(Central devices) คือ บริ เวณกระดูกสันหลัง (spine) กระดูกสะโพก
(hip)
1.2 เครื่ องสาหรับวัดความหนาแน่นกระดูกบริ เวณส่ วนระยางค์
(Peripheral devices) เช่น กระดูกข้อมือ (wrist) กระดูกส้นเท้า (heel)
24
เทคนิคในการวัดความหนาแน่ นของกระดูก
การแบ่งประเภท
2. แบ่งตามรู ปแบบพื้นฐานของเครื่ อง
2.1 แบบรังสี เอกซ์ (x-ray based)
2.2 แบบอัลทราซาวด์ (Ultrasound based)
25
เทคนิคในการวัดความหนาแน่ นของกระดูก
การแบ่งประเภท
3. แบ่งตามโครงสร้างของกระดูก
( skeletal sites)
3.1 ส่ วนกลาง (Central sites)
3.2 รยางค์ (Peripheral sites)
26
เทคนิคในการวัดความหนาแน่ นของกระดูก
เครื่ องวัดความหนาแน่นกระดูกบริ เวณส่ วนกลาง (Central
densitometry devices) ได้แก่
1. Dual-energy x-ray absorptiometry (DXA,DEXA)
2. Quantitative computed tomography (QCT)
27
เทคนิคในการวัดความหนาแน่ นของกระดูก
เครื่ องวัดความหนาแน่นกระดูกบริ เวณรยางค์ (Peripheral
densitometry devices) ได้แก่
1. Peripheral DXA (pDXA)
2. Single x-ray absorptiometry (SXA)
3. Peripheral QCT
4. Quantitive ultrasound (QUS)
5. Radiographic absortiometry (RA)
28
Gold standard
Dual-energy x-ray absorptiometry (DXA, DEXA)
 มีความแม่นยาสูง (excellent precision)
 ปริ มาณรังสี นอ้ ย (effective dose : 1-3 Sv)
 นาไปใช้ในการศึกษาทางระบาดวิทยา
 ติดผลการรักษาและการตอบสนองของยา
 เป็ นที่รู้จกั กันดี (well known)
 ใช้งานง่าย
29
DXA scanner
30
What does the x-ray beam look like?
31
Pencil Beam Vs fan beam
Pencil Beam
Point acquisition
Single detector
Slower acquisition
Fan Beam
Line acquisition
Multiple detector
Faster acquisition
32
Precision Error and Trueness Error
Central DXA
Precision Error
Trueness Error
Spine
1-2 %
4-10%
Femur
1.5-3%
6%
Forearm
1%
5%
Total Body
1%
3%
Genant HK et al. J Bone Miner Res. 1996; 11(6):707
33
Precision Error and Trueness Error
Peripheral DXA
Precision Error
Trueness Error
Forearm
1-2 %
4-6%
Calcaneus
1-2%
4-6%
Hand
1-2%
5%
Genant HK et al. J Bone Miner Res. 1996; 11(6):707
34
Effective Radiation Dose ( Sv) for DXA
Scan Mode
Spine (L1-L4)
Femur
Forearm
Total body
QDR1000/4000
Pencil Beam
0.5
1.4
0.07
3.6
QDR4500/delphi
Fan Beam
2.0
5.4
0.05
2.6
DPX-L
Pencil Beam
0.21
0.15
Prodigy
Fan Beam
0.7
0.7
0.01
0.5
Blake GM et al, The evaluatuon of osteoporosis,1999
Mammography
Lateral lumbar x-ray
450
700
Chest x-ray
L-spine + T-spine
50-150
1800-2000
Bonnick S and Lewis LA: Bone densitometry for technologistes Humana Press 2006
Bone densitometry course technologist course syllabus and associated reading materials 2008 (ISCD)
35
What is Bone Densitometry?
This test takes bone scans to check density or
thickness of bone.
Bone Density Testing Is Done For Three Reasons
 To diagnose osteoporosis
 To predict fracture risk
 To monitor therapy
36
โรคกระดูกพรุน (Osteoporosis)
Osteoporosis is a disease of bones that leads to an
increased risk of fracture.
In osteoporosis the bone mineral density (BMD) is
reduced, bone microarchitecture is deteriorating
37
โรคกระดูกพรุน (Osteoporosis)
http://www.osteokku.com/
38
Risk Factors
Age
As people age, their risks for osteoporosis increase.
Aging causes bones to thin and weaken
• All women over age 65 and All men over age 70
• Postmenopausal women under age 65 with one or
more risk factors for osteoporosis
• Any man or woman over age 50 who has suffered a
fracture
39
Risk Factors
Body Type
Osteoporosis is more common in people who have a small,
thin body frame and bone structure.
Family History
People whose parents had a history of fractures may be more
likely to have fractures
Dietary Factors
Calcium and vitamin D deficiencies are important factors in
the risk for osteoporosis
40
Definitions
Bone mineral Density (BMD):the amount of
mineralized tissue in the area scanned (g/cm²)
T score: Compare your bone density to that of a young
adult with normal bone density
Z score: Compare your bone density to people of your
age, gender, and ethnicity
41
42
43
44
Z-score
Patient’s BMD – Age-Matched Mean BMD
1 SD of Age-Matched Mean BMD in g/cm2
•เปรียบเทียบค่ าที่วัดได้ กบั ค่ า predicted normal value ใน standard ที่
อายุเดียวกัน
45
Calculation of z-scores
For example, a white woman
aged 55 with BMD of 850
has a Z-score of (850876)/139 = -0.18
http://courses.washington.edu/bonephys/opbmdtz.html
46
T-score
Patient’s BMD – Young-Adult Mean BMD
1 SD of Young-Adult Mean BMD
Example:
T-score =
0.7 g/cm2 - 1.0 g/cm2
0.1 g/cm2
= - 3.0
47
Diagnostic Classification
Classification
T-score
Normal
-1 or greater
Osteopenia
Between -1 and -2.5
Osteoporosis
-2.5 or less
Severe Osteoporosis
-2.5 or less and fragility fracture
48
R2R
 R2R ย่ อมาจาก Routine to Research หมายถึงการ
พัฒนางานประจาสู่ งานวิจยั
 R2R จะทาให้ การสร้ างหรื อการผลิตความรู้ เกิดขึน้ ได้ ใน
ทุกหนทุกแห่ ง ทาให้ ทุกที่เป็ นองค์ กรที่เรี ยนรู้ ได้ ด้วยตนเอง
โดยใช้ การวิจยั เป็ นเครื่องมือแห่ งการเรียนรู้
49
ตัวอย่ างงานวิจัย
50
วัตถุประสงค์
This study was performed to assess the shortand long-term performance of a 6-year-old
Lunar to measure lumbar spine,fermoral neck
and forearm BMD continuously over this period
J Wells and PJ Ryan; 2000
51
วิธีการทดลอง
Short term precision
was assed by 15 measurement of the
aluminium Lunar phatom (Madison), WI on
the same day, with repositioning between scans
was calculated by 10 measurements of the
Hologic spine phantome (Waltham, MA)
J Wells and PJ Ryan; 2000
52
วิธีการทดลอง
Long-term precision
was calculated in the same manner, from
measurements over 18 months using the Hologic
spine phantom, which were acquit three in a
week
J Wells and PJ Ryan; 2000
53
ผลการทดลอง
The short-term coefficient of variation
was 0.242% using the Lunar aluminium phantom
was 0.299% using the Hologic spine phantom
J Wells and PJ Ryan; 2000
54
ผลการทดลอง
Over the 18 months
PMT failure
New PMT
Shift from base
line 2.16% caused
by PMT failure
Manufacturer’s
QC was not
detected because
software would
detecte value than
2.5%
J Wells and PJ Ryan; 2000
55
ผลการทดลอง
J Wells and PJ Ryan; 2000
56
ตัวอย่ างงานวิจัย
57
วัตถุประสงค์
To estimate and compare the effective dose
from DXA examinations in children and
adults using a consistent methodology.
G.M. Blake et al. / Bone 38 (2006) 935–942
58
วิธีการทดลอง
 Dose were measuremented using thermoluminescent
dosimeters (TLDs)
 Phantom
 Effective dose was calculated by taking the average
dose to each organ and multiplying by its ICRP
Publication 60 tissue-weighting factor
59
60
61
ขอบคุณครับ
62