Kvantitativní metoda charakterizace lytických metastáz kostí z radiologických snímků

Abstrakt

Cílem naší studie bylo posoudit diagnostickou užitečnost parametrů úrovně šedi pro rozlišení osteolytických lézí pomocí radiologických snímků. Materiály a metody. Byla provedena retrospektivní studie. Celkem bylo použito 76 rentgenových snímků skeletu osteolytických metastáz a 67 rentgenových snímků mnohočetného myelomu. Případy byly rozděleny na neploché (MM1 a OL1) a ploché kosti (MM2 a OL2). Tyto radiologické snímky byly analyzovány pomocí počítačové metody. Vypočtené parametry byly průměr, směrodatná odchylka a variační koeficient (MGL, SDGL a CVGL) na základě analýzy histogramu úrovně šedi oblasti zájmu. Diagnostická užitečnost byla kvantifikována měřením parametrů na osteolytických metastázách a mnohočetném myelomu, což přineslo kvantifikaci plochy pod křivkou ROC (receiver operating characteristic) (AUC). Výsledky. Ploché kostní skupiny (MM2 a OL2) vykazovaly významné rozdíly v průměrných hodnotách MGL () a SDGL (). Jejich odpovídající hodnoty AUC byly 0,758 pro MGL a 0,883 pro SDGL u plochých kostí. U neplochých kostí tyto parametry úrovně šedi nevykazují diagnostickou schopnost. Závěr. Parametry úrovně šedi MGL a SDGL vykazují dobrou diskriminační diagnostickou schopnost pro rozlišení mezi mnohočetným myelomem a lytickými metastázami u plochých kostí.

1. Ukázalo se, že parametry úrovně šedi MGL a SDGL mají dobrou diskriminační diagnostickou schopnost. Úvod

Jedním z nejdůležitějších prvních kroků při hodnocení lytické kostní léze je znalost věku pacienta. Mezi lytické léze, které jsou do značné míry omezeny na určité věkové skupiny, patří mnohočetný myelom a osteolytické metastázy u osob středního a vyššího věku.

Mnohočetný myelom je maligní nádor z plazmatických buněk, který způsobuje rozsáhlé lytické poškození kostí. Je to nejčastější primární nádor kostí a vyskytuje se v páteři, lebce, žebrech, hrudní kosti a pánvi, ale může postihnout jakoukoli kost s krvetvornou červenou dření. Průměrný věk pacienta je přes padesát let a poměr mužů a žen je 3 : 2. Diagnóza je založena na laboratorních parametrech v kombinaci s biopsií nebo aspirací kostní dřeně. Radiologický vzhled mnohočetného myelomu je charakterizován nepravidelnými lytickými defekty různých velikostí. Tyto lytické oblasti jsou často popisovány jako „vyražené“ a nemají periostální reakci . Na prostém snímku navíc není snadné rozlišit kostní onemocnění mnohočetného myelomu od lytických kostních metastáz. Při stagingu, hodnocení léčby a prognóze pacientů s mnohočetným myelomem má detekce lytických kostních lézí rozhodující význam. Přestože byly zavedeny nové zobrazovací techniky k posouzení rozsahu a závažnosti mnohočetného myelomu, většina pracovišť stále používá rentgenový snímek jako doplňkovou techniku k posouzení stadia onemocnění (progrese a odpovědi na léčbu) .

Metastázy jsou nejčastějším zhoubným sekundárním kostním nádorem. Skeletální metastázy se klasifikují podle radiologického vzhledu jako osteolytické, smíšené nebo osteoblastické. Nádory, které s největší pravděpodobností metastazují do kostí, jsou nádory prsu, plic, prostaty, štítné žlázy a ledvin. Průměrný věk pacientů je více než čtyřicet let. Distribuce kostních metastáz u dospělých je velmi podobná distribuci krvetvorné červené dřeně, která se shoduje s trabekulárními a plochými kostmi . Typický radiologický obraz lytické metastázy se tedy jeví jako oblast ztráty minerální kostní hustoty.

Diagnostika a klasifikace těchto kostních lézí se běžně provádí pomocí různých zobrazovacích metod, včetně prosté radiografie (RTG), scintigrafie skeletu (SS), počítačové tomografie (CT), magnetické rezonance (MRI) a pozitronové emisní tomografie (PET) .

Rtg je první zobrazovací vyšetření prováděné za účelem odhalení lytických metastáz a poškození kostí způsobených myelomem, které prokazuje úbytek nebo řídnutí kostí (osteoporóza nebo osteopenie), díry v kostech (lytické léze) a/nebo zlomeniny. Navzdory nízké ceně a široké dostupnosti má rentgenové vyšetření důležité omezení:

Lytické kostní onemocnění u mnohočetného myelomu se liší od onemocnění u jiných pacientů s rakovinou, kteří mají lytické kostní metastázy. Ačkoli se u mnohočetného myelomu na rozdíl od osteolytických metastáz podílí zvýšená osteoklastická destrukce kosti, jakmile nádorové zatížení mnohočetným myelomem přesáhne 50 % v lokální oblasti, aktivita osteoklastů je buď potlačena, nebo chybí .

Cílem naší studie bylo posoudit diagnostickou užitečnost parametrů úrovně šedi k rozlišení osteolytických metastáz a mnohočetného myelomu z radiografických snímků.

2. Materiál a metody

2.1. Lytické metastázy. Obrazová databáze

Sběr dat byl naplánován ve dvou samostatných cyklech. V prvním cyklu byl do této studie zařazen soubor 76 předozadních rentgenových snímků s potvrzenými osteolytickými metastázami (OL) stanovenými na základě vyšetření 99mTc-kostní scintigrafie a 18F-FDG PET. Pacienti vykazovali antecedentní adenokarcinom plic s průkazem vzdálených metastáz (M1) a nebyla u nich zkoumána žádná předchozí léčba. Jejich průměrný věk byl 61 let (rozmezí 43-81 let, 18 mužů a 27 žen). Do druhého cyklu bylo zařazeno také celkem 67 předozadních rentgenových snímků s potvrzeným mnohočetným myelomem (MM) podle vyšetření 18F-FDG PET a laboratorních parametrů. Medián věku byl 63 let (rozmezí 51-72 let, 17 mužů a 14 žen).

Radiografie byly provedeny s následujícím nastavením:

Tuto retrospektivní studii schválily institucionální revizní komise zúčastněných center: 70-80 kVp, vzdálenost mezi ohniskem a filmem 100 cm a použití rychlé obrazovky a kazety s filmem (30 cm × 40 cm).

Tuto retrospektivní studii schválily institucionální revizní komise zúčastněných center. Radiologické snímky použité v tomto článku byly získány z databáze laboratoře „Medical Imaging Research“ na katedře fyziologických věd II lékařské fakulty Barcelonské univerzity. Důvěrnost pacientů byla chráněna.

2.2. Metody

V dřívější práci byla představena metoda zpracování a analýzy obrazu za účelem charakterizace digitalizovaných rentgenových snímků skeletu. Pomocí parametrů úrovně šedi na digitalizovaných rentgenových snímcích jsme tedy klasifikovali zdravé kosti podle histologických a anatomických znaků. Uvedli jsme tedy optimalizovanou klasifikaci zdravých kostí do dvou skupin: ploché nebo neploché kosti (trabekulární, kortikální) .

Snímky byly zpracovány a charakterizovány pomocí počítačové metody vyvinuté naší skupinou v dřívější práci . Pracovní postup analýzy zpracování obrazu zahrnuje následující kroky: (

Rentgenogramy byly digitalizovány pomocí laserového skeneru (KFDR-S; Konica, Tokio, Japonsko) s velikostí pixelu 0,175 mm, velikostí matice 2 048 × 2 048 a 12bitovými úrovněmi šedi. Výkonnost digitalizátoru byla hodnocena pomocí protokolu kontroly kvality .

Snímky byly zpracovány pomocí softwaru ImageJ (obrazový program NIH). Případy byly získány z oblasti zájmů o rozměrech 40 × 50 pixelů, které byly na každém snímku ručně zakresleny. Z každého rentgenogramu byla použita pouze jedna ROI. Byly rozděleny do dvou skupin, na ploché nebo neploché kosti, podle histologických a anatomických znaků kostí . Konečná sada obsahovala 67 ROI z kostního onemocnění mnohočetným myelomem (plochá kost: 36; neplochá kost: 31) a 45 ROI z osteolytických metastáz (plochá kost: 41; neplochá kost: 35).

Vzhledem k přítomnosti nehomogenit intenzity a šumu na rentgenových snímcích, které jsou vlastní procesu zobrazování, byly ROI podrobeny anizotropnímu difuznímu filtru, který šum vyhladil a zároveň zachoval hrany a kontrast související se strukturou kosti.

Parametry vypočtené z rentgenových snímků byly založeny na analýze histogramu úrovně šedi ROI (viz obrázek 1): střední úroveň šedi (MGL), standardní odchylka úrovně šedi (SDGL) a variační koeficient (CVGL). Střední úroveň šedi je definována jako hodnota daná průměrem úrovně šedi každého pixelu ROI. MGL poskytuje 4096 úrovní šedi, protože používáme obrazy s 12bitovou stupnicí šedi (0-4096, kde 0 odpovídá černé a 4096 bílé). Směrodatná odchylka úrovně šedi pixelu ROI vypočítává rozptyl hodnot šedi od průměru (MGL). SDGL lze vyjádřit ve vztahu k MGL jako variační koeficient (v %) a vyjadřuje se jako .

Obrázek 1

Dvě zvětšení různých prostých rentgenových snímků zobrazujících osteolytické oblasti zájmu (ROI). Vpravo je u každého případu zobrazen histogram úrovně šedi pro zakreslenou ROI. (a) mnohočetný myelom (případ 3, lebka); (b) lytická metastáza (případ 7, lebka).

2.3. Statistická analýza

Údaje byly analyzovány pomocí programu SPSS 16.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL). K zobrazení celkových trendů v datech byla použita standardní popisná souhrnná statistika. Porovnání dat mezi kostními skupinami bylo realizováno pomocí Studentova párového -testu. Neparametrický odhad ploch pod křivkou ROC (AUC) byl proveden za účelem posouzení diagnostické schopnosti každého uvažovaného parametru (MGL, SDGL a CVGL) u kostní choroby mnohočetného myelomu a osteolytických metastáz. Significance was considered to be reached at .

3. Results

Table 1 shows the descriptive statistics for mean gray level, standard deviation gray level, and coefficient of variation gray level parameters for the groups: osteolytic metastases (nonflat bone: OL1; flat bone: OL2) and multiple myeloma (nonflat bone: MM1; flat bone: MM2). When comparing the gray level parameters between nonflat bone groups (MM1 and OL1) there were no significant differences. In contrast, flat bone groups (MM2 and OL2) showed significant differences in mean values of MGL () and SDGL ().

Table 2 shows the AUC values for the groups studied. There were significant values of AUC when comparing flat bone groups of multiple myeloma and osteolytic metastases (MM2 and OL2) for the MGL and SDGL parameters (AUC values: MGL = 0.758; SDGL = 0.883). These results are illustrated in Figure 2: AUC values correspond to the ROC curve when comparing gray level parameters for flat bone groups. Nevertheless, when comparing nonflat bone groups (MM1 and OL1) there were no significant values of AUC for gray level parameters.

Figure 2

ROC curve for the three parameters considered (mean (MGL), standard deviation (SDGL), and coefficient of variation of gray level (CVGL)) when comparing flat bone groups (multiple myeloma MM2 versus osteolytic metastases OL2).

4. Diskuse

Tato studie si klade za cíl zhodnotit diagnostickou přesnost parametrů úrovně šedi pro rozlišení osteolytických lézí od dvou různých patologií (metastáz a mnohočetného myelomu) pomocí rentgenových snímků.

Stejně jako u neplochých kostí nebyly parametry úrovně šedi schopny rozlišit mezi skupinami mnohočetného myelomu a osteolytických metastáz.

Pokud jde o ploché kosti, u mnohočetného myelomu byly úrovně šedi nižší než u lytických metastáz pro parametry MGL a SDGL ( a , resp. ). Naproti tomu parametr CVGL nebyl schopen tyto skupiny rozlišit (). Při porovnání mnohočetného myelomu a osteolytických metastáz se ukázalo, že SDGL má nejlepší rozlišovací schopnost ( ) a MGL dobrou rozlišovací schopnost ( ). To je důležité pro stanovení diferenciální diagnózy u těchto dvou skupin, protože distribuce kostních metastáz a onemocnění mnohočetného myelomu úzce souvisí s umístěním plochých kostí (např. lebky, žeber, hrudní kosti a pánve). Histologicky je plochá kost tvořena dvěma tenkými kortikálními pláty, které zahrnují malý podíl trabekulární tkáně (diploe: měkký houbovitý materiál obsahující kostní dřeň). Zjištění, že myelomové léze v plochých kostech se zřejmě projevují nižšími hodnotami úrovně šedi, lze vysvětlit následovně: u mnohočetného myelomu se osteoklasty hromadí pouze na kostních resorpčních plochách přiléhajících k myelomovým buňkám; jejich hladina není zvýšena v oblastech nezasažených nádorem. Kromě zvýšení kostní resorpce je potlačena tvorba kosti, takže kostní léze u pacientů s myelomem se stávají čistě lytickými (nedochází k osteoblastické reakci). U osteolytických metastáz jsou mechanismy zodpovědné za růst nádoru v kosti komplexní a zahrnují nádorovou stimulaci osteoklastů a osteoblastů i odpověď kostního mikroprostředí .

V současné době existují různé zobrazovací metody (prostá radiografie, scintigrafie skeletu, počítačová tomografie, magnetická rezonance a pozitronová emisní tomografie) k diagnostice kostního onemocnění nebo lytických metastáz mnohočetného myelomu. Přesné posouzení odpovědi obou patologií na léčbu vyžaduje zobrazení strukturálních změn v kosti. V tomto ohledu má každá z výše uvedených zobrazovacích technik svá pro a proti . V současné době zahrnuje základní diagnostické hodnocení k odhalení lytických kostních lézí také konvenční radiografii . Včasná identifikace přímé anatomické vizualizace kosti nebo nádoru by mohla vést ke změnám v léčbě pacienta a kvalitě jeho života. Přestože kostní metastázy lze léčit, jejich odpověď na léčbu je považována za „neměřitelnou“, což vylučuje pacienty s nádorovým onemocněním a kostními metastázami z účasti v klinických studiích nové léčby . Radiografie se běžně používá k hodnocení symptomatických míst a je užitečným doplňkem scintigrafie pro objasnění nespecifických nebo atypických nálezů nebo pro sledování případů, kdy klinický nález ukazuje na bolest kostí, ale scintigrafický nález je negativní.

Přesná detekce lytických kostních lézí by se měla zlepšit kvantifikací těchto lézí, čímž by se otevřela cesta pro počítačové metody, které by nám umožnily kvantifikovat vybrané oblasti s cílem snížit subjektivitu při interpretaci obrazu, vypočítat ideální parametry, definovat vzorce normality a určit patologii vyhodnocením odchylek těchto indexů. Kromě toho může být tato digitální metoda užitečná ke studiu vývoje těchto lytických kostních lézí při léčbě, k rozpoznání nových lézí a k jejich odlišení od předchozích lézí.

Výhodou této metodiky je její široké rozšíření, nízké náklady a lepší komfort pro pacienta.

Tuto metodiku by bylo možné aplikovat na otázky klinického významu. Například bisfosfonáty se podávají jako preventivní léčba kostních komplikací vyskytujících se u mnohočetného myelomu a osteolytických metastáz. V posledních letech však byla zjištěna souvislost mezi těmito léky a novým kostním poškozením: osteonekrózou čelisti . Toto poškození je charakterizováno avaskulární nekrózou kosti, která byla izolována z čelistí. Tato metodika nabízí možnost studia radiologických projevů tohoto onemocnění.

Tato studie stanovila předběžné výsledky o úloze parametrů šedé úrovně obrazu na digitalizovaném rentgenovém snímku při kvantifikaci a rozlišení těchto dvou kostních onemocnění. Naše výsledky tedy ukazují, že parametry úrovně šedi přesně kvantifikují kostní léze mnohočetného myelomu a lytických metastáz v plochých kostech. To může být užitečné jako doplňková metoda pro diferenciální diagnostiku. Většina případů (přibližně 80-90 %) kostních metastáz a kostních lézí mnohočetného myelomu se nachází v axiálním skeletu (páteř, žebra, lebka, stehenní kost a pánev), což jsou převážně ploché kosti.

Závěrem lze konstatovat, že parametry úrovně šedi MGL a SDGL vykazují dobrou diskriminační diagnostickou schopnost rozlišit mezi mnohočetným myelomem a lytickými metastázami v plochých kostech ( a 0,883, resp.).

Konflikt zájmů

Autoři prohlašují, že v souvislosti s publikováním tohoto článku nedošlo ke konfliktu zájmů.