Une méthode quantitative pour la caractérisation des métastases lytiques de l’os à partir d’images radiographiques

Abstract

Le but de notre étude était d’évaluer l’utilité diagnostique des paramètres du niveau de gris pour distinguer les lésions ostéolytiques à partir d’images radiologiques. Matériaux et méthodes. Une étude rétrospective a été réalisée. Un total de 76 radiographies squelettiques de métastases ostéolytiques et 67 radiographies de myélome multiple ont été utilisées. Les cas ont été classés en os non plats (MM1 et OL1) et en os plats (MM2 et OL2). Ces images radiologiques ont été analysées en utilisant une méthode informatisée. Les paramètres calculés étaient la moyenne, l’écart-type et le coefficient de variation (MGL, SDGL et CVGL) basés sur l’analyse de l’histogramme du niveau de gris d’une région d’intérêt. L’utilité diagnostique a été quantifiée par la mesure des paramètres sur les métastases ostéolytiques et le myélome multiple, ce qui a permis de quantifier l’aire sous la courbe caractéristique d’exploitation du récepteur (ROC) (AUC). Résultats. Les groupes d’os plats (MM2 et OL2) ont montré des différences significatives dans les valeurs moyennes de MGL () et SDGL (). Leurs valeurs correspondantes de l’AUC étaient de 0,758 pour le MGL et de 0,883 pour le SDGL dans les os plats. Dans les os non plats, ces paramètres de niveau de gris ne montrent pas de capacité de diagnostic. Conclusion. Les paramètres de niveau de gris MGL et SDGL montrent une bonne capacité de diagnostic discriminatoire pour distinguer le myélome multiple et les métastases lytiques dans les os plats.

1. Introduction

L’une des premières étapes les plus importantes lors de l’évaluation d’une lésion osseuse lytique est de connaître l’âge du patient. Certaines des lésions lytiques qui sont largement confinées à certains groupes d’âge sont le myélome multiple et les métastases ostéolytiques chez les personnes d’âge moyen et les personnes âgées.

Le myélome multiple est une tumeur maligne des plasmocytes qui provoque des lésions osseuses lytiques étendues. C’est la tumeur primaire de l’os la plus fréquente et on la trouve dans la colonne vertébrale, le crâne, les côtes, le sternum et le bassin, mais elle peut affecter tout os doté d’une moelle rouge hématopoïétique. L’âge moyen des patients est de plus de cinquante ans et le rapport hommes-femmes est de 3:2. Le diagnostic est basé sur les paramètres de laboratoire en combinaison avec une biopsie ou une aspiration de la moelle osseuse. L’aspect radiologique du myélome multiple est caractérisé par des défauts lytiques irréguliers de différentes tailles. Ces zones lytiques sont souvent décrites comme « poinçonnées » et ne présentent pas de réaction périostée. De plus, il n’est pas facile de distinguer la maladie osseuse du myélome multiple des métastases osseuses lytiques sur un film ordinaire. La détection des lésions osseuses lytiques revêt une importance capitale pour la stadification, l’évaluation du traitement et le pronostic des patients atteints de myélome multiple. Bien que de nouvelles techniques d’imagerie aient été introduites pour évaluer l’étendue et la gravité du myélome multiple, la plupart des institutions utilisent encore la radiographie comme technique complémentaire pour évaluer le stade de la maladie (progression et réponse au traitement).

Le cancer métastatique est la tumeur osseuse secondaire maligne la plus fréquente. Les métastases squelettiques sont classées en fonction de leur aspect radiologique comme ostéolytiques, mixtes ou ostéoblastiques. Les cancers les plus susceptibles de métastaser dans les os sont ceux du sein, du poumon, de la prostate, de la thyroïde et du rein. L’âge moyen des patients est de plus de quarante ans. La distribution des métastases squelettiques chez les adultes est très similaire à celle de la moelle rouge hématopoïétique, qui coïncide avec les os trabéculaires et plats . Ainsi, l’imagerie radiologique typique d’une métastase lytique apparaît comme une zone de perte de densité minérale osseuse.

Le diagnostic et la classification de ces lésions osseuses sont couramment effectués par diverses modalités d’imagerie, notamment la radiographie ordinaire (XR), la scintigraphie squelettique (SS), la tomographie assistée par ordinateur (CT), l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par émission de positons (PET) .

La radiographie est la première étude d’imagerie entreprise pour détecter les métastases lytiques et les lésions osseuses causées par le myélome afin de démontrer la perte ou l’amincissement de l’os (ostéoporose ou ostéopénie), les trous dans l’os (lésions lytiques) et/ou les fractures. Malgré leur faible coût et leur grande disponibilité, les radiographies présentent une limite importante : 30 % de l’os doit manquer pour que les dommages puissent être révélés.

La maladie osseuse lytique du myélome multiple diffère de celle des autres patients cancéreux qui présentent des métastases osseuses lytiques. Bien qu’une destruction osseuse ostéoclastique accrue soit impliquée dans le myélome multiple, contrairement aux métastases ostéolytiques, une fois que la charge tumorale du myélome multiple dépasse 50 % dans une zone locale, l’activité des ostéoclastes est soit supprimée, soit absente.

Le but de notre étude était d’évaluer l’utilité diagnostique des paramètres de niveau de gris pour distinguer les métastases ostéolytiques du myélome multiple à partir d’images radiographiques.

2. Matériaux et méthodes

2.1. Base de données d’imagerie

La collecte des données a été programmée en deux cycles distincts. Dans le premier cycle, un ensemble de 76 radiographies antéropostérieures avec des métastases ostéolytiques (OL) confirmées, déterminées par des examens de scintigraphie osseuse au 99mTc et de TEP au 18F-FDG, a été inclus dans cette étude. Les patients présentaient un antécédent d’adénocarcinome du poumon avec preuve de métastases à distance (M1) et aucun traitement antérieur n’a été étudié. Leur âge moyen était de 61 ans (fourchette 43-81 ans, 18 hommes et 27 femmes). Dans le deuxième cycle, un total de 67 radiographies antéropostérieures avec myélome multiple (MM) confirmé par l’examen TEP au 18F-FDG et les paramètres de laboratoire ont également été inclus. L’âge médian était de 63 ans (fourchette 51-72 ans, 17 hommes et 14 femmes).

Les radiographies ont été réalisées avec les réglages suivants : 70-80 kVp, distance foyer-film de 100 cm, et utilisation d’un écran rapide et d’une cassette de film (30 cm × 40 cm).

Les comités d’examen institutionnels du centre participant ont approuvé cette étude rétrospective. Les images radiologiques utilisées dans cet article ont été obtenues à partir de la base de données du laboratoire « Recherche en imagerie médicale » du Département des sciences physiologiques II, Faculté de médecine, Université de Barcelone. La confidentialité des patients a été protégée.

2.2. Méthodes

Dans un travail antérieur, une méthode de traitement et d’analyse d’images a été introduite afin de caractériser les radiographies numérisées du squelette. Ainsi, au moyen de paramètres de niveaux de gris sur des radiographies numérisées, nous avons classé les os sains selon des caractéristiques histologiques et anatomiques. Ainsi, nous avons rapporté une classification optimisée des os sains en deux groupes : os plats ou non plats (trabéculaires, corticaux) .

Les images ont été traitées et caractérisées avec une méthode informatisée développée par notre groupe dans un travail antérieur . Le flux de travail de l’analyse du traitement des images comprend les étapes suivantes : (1) acquisition de l’image, (2) sélection d’une région d’intérêt (ROI), (3) filtrage pour la réduction du bruit, (4) histogramme des niveaux de gris (sortie des paramètres), et (5) analyse statistique pour distinguer les groupes.

Les radiographies ont été numérisées en utilisant un scanner laser (KFDR-S ; Konica, Tokyo, Japon) avec une taille de pixel de 0,175 mm, une taille de matrice de 2 048 × 2 048, et des niveaux de gris de 12 bits. Les performances du numériseur ont été évaluées en employant un protocole de contrôle de qualité .

Les images ont été traitées à l’aide du logiciel ImageJ (programme d’image NIH). Les cas ont été obtenus à partir de régions d’intérêts de 40 × 50 pixels délimitées manuellement sur chaque radiographie. Une seule région d’intérêt de chaque radiographie a été utilisée. Ils ont été classés en deux groupes, os plats ou non plats, selon les caractéristiques histologiques et anatomiques des os . L’ensemble final contenait 67 ROI de la maladie osseuse du myélome multiple (os plat : 36 ; os non plat : 31) et 45 ROI de métastases ostéolytiques (os plat : 41 ; os non plat : 35).

En raison de la présence d’inhomogénéités d’intensité et de bruit sur les radiographies, inhérents au processus d’imagerie, le ROI a été soumis à un filtre de diffusion anisotrope qui a lissé le bruit et préservé en même temps le bord et le contraste associés à la structure osseuse.

Les paramètres calculés à partir des radiographies ont été basés sur l’analyse de l’histogramme des niveaux de gris de la ROI (voir la figure 1) : niveau de gris moyen (MGL), niveau de gris d’écart type (SDGL) et coefficient de variation (CVGL). Le niveau de gris moyen est défini comme la valeur donnée par la moyenne des niveaux de gris de chaque pixel de la ROI. Le MGL fournit 4096 niveaux de gris car nous utilisons des images en niveaux de gris 12 bits (0-4096, où 0 est équivalent au noir et 4096 au blanc). L’écart-type du niveau de gris d’un pixel de la ROI calcule la dispersion des valeurs de gris par rapport à la moyenne (MGL). SDGL peut être exprimé par rapport à MGL sous la forme d’un coefficient de variation (en %) et s’exprime comme suit .

Figure 1

Deux zooms de différentes radiographies simples montrant des régions d’intérêt (ROI) ostéolytiques. L’histogramme du niveau de gris pour la ROI délimitée est présenté à droite pour chaque cas. (a) myélome multiple (cas 3, crâne) ; (b) métastase lytique (cas 7, crâne).

2.3. Analyse statistique

Les données ont été analysées à l’aide du logiciel SPSS 16.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL). Des statistiques descriptives sommaires standard ont été utilisées pour montrer les tendances générales des données. La comparaison des données entre les groupes d’os a été mise en œuvre en utilisant le test de Student apparié. Une estimation non paramétrique des aires sous la courbe ROC (AUC) a été réalisée pour évaluer la capacité de diagnostic de chaque paramètre considéré (MGL, SDGL et CVGL) dans la maladie osseuse du myélome multiple et les métastases ostéolytiques. 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. Discussion

Cette étude vise à évaluer la précision diagnostique des paramètres de niveau de gris pour distinguer les lésions ostéolytiques de deux pathologies différentes (métastases et myélome multiple) en utilisant des radiographies.

Comme pour les os non plats, les paramètres de niveau de gris n’ont pas permis de distinguer les groupes myélome multiple et métastases ostéolytiques.

En ce qui concerne les os plats, le myélome multiple présentait des niveaux de gris inférieurs à ceux des métastases lytiques pour les paramètres MGL et SDGL ( et , respectivement). En revanche, le paramètre CVGL n’a pas permis de distinguer ces groupes (). En comparant le myélome multiple et les métastases ostéolytiques, SDGL s’est avéré avoir la meilleure capacité discriminatoire () et MGL une bonne capacité discriminatoire (). Ceci est important pour établir le diagnostic différentiel dans les deux groupes car la distribution des métastases squelettiques et de la maladie osseuse du myélome multiple est étroitement liée à l’emplacement des os plats (par exemple, le crâne, les côtes, le sternum et le bassin). Histologiquement, l’os plat est constitué des deux feuillets minces corticaux, impliquant une petite proportion de tissu trabéculaire (diploé : matériau spongieux mou contenant de la moelle osseuse). La constatation que les lésions du myélome dans les os plats semblent présenter des valeurs de niveau de gris plus faibles pourrait s’expliquer comme suit : dans le myélome multiple, les ostéoclastes s’accumulent uniquement sur les surfaces de résorption osseuse adjacentes aux cellules du myélome ; leurs niveaux ne sont pas augmentés dans les zones non touchées par la tumeur. En plus de l’augmentation de la résorption osseuse, la formation osseuse est supprimée, de sorte que les lésions osseuses des patients atteints de myélome deviennent purement lytiques (il n’y a pas de réponse ostéoblastique). Dans les métastases ostéolytiques, les mécanismes responsables de la croissance tumorale dans l’os sont complexes et impliquent une stimulation tumorale de l’ostéoclaste et de l’ostéoblaste ainsi que la réponse du microenvironnement osseux .

Il existe actuellement différentes modalités d’imagerie (radiographie simple, scintigraphie squelettique, tomographie assistée par ordinateur, imagerie par résonance magnétique et tomographie par émission de positons) pour diagnostiquer la maladie osseuse du myélome multiple ou les métastases lytiques. Une évaluation précise de la réponse de ces deux pathologies au traitement nécessite la visualisation des modifications structurelles de l’os. À cet égard, chacune des techniques d’imagerie susmentionnées a ses avantages et ses inconvénients . De nos jours, l’évaluation diagnostique de base pour détecter les lésions osseuses lytiques comprend également la radiographie conventionnelle . L’identification précoce de la visualisation anatomique directe de l’os ou de la tumeur pourrait entraîner des changements dans la prise en charge du patient et sa qualité de vie. Bien que les métastases osseuses puissent être traitées, leur réponse au traitement est considérée comme « non mesurable », ce qui exclut les patients atteints de cancer et de métastases osseuses de la participation aux essais cliniques de nouveaux traitements . La radiographie est couramment utilisée pour évaluer les sites symptomatiques et constitue un complément utile à la scintigraphie pour clarifier les résultats non spécifiques ou atypiques ou pour suivre les cas dans lesquels les résultats cliniques indiquent une douleur osseuse mais où les résultats de la scintigraphie sont négatifs.

La détection précise des lésions osseuses lytiques devrait s’améliorer en quantifiant ces lésions, ouvrant ainsi la voie à des méthodes informatisées qui nous permettraient de quantifier les régions sélectionnées afin de réduire la subjectivité dans l’interprétation de l’image, de calculer les paramètres idéaux, de définir des modèles de normalité et de déterminer la pathologie en évaluant les déviations de ces indices. De plus, cette méthode numérique peut être utile pour étudier l’évolution de ces lésions osseuses lytiques sous traitement, pour reconnaître de nouvelles lésions, et pour la différencier des lésions précédentes.

Les avantages de cette méthodologie sont sa large diffusion, son faible coût, et l’amélioration du confort du patient.

Cette méthodologie pourrait être appliquée à des questions de pertinence clinique. Par exemple, les bisphosphonates sont administrés comme traitement préventif des complications osseuses rencontrées dans le myélome multiple et les métastases ostéolytiques. Cependant, ces dernières années, une relation a été établie entre ces médicaments et une nouvelle lésion osseuse : l’ostéonécrose de la mâchoire . Cette lésion est caractérisée par une nécrose avasculaire de l’os qui a été isolé des mâchoires. Cette méthodologie offre la possibilité d’étudier les manifestations radiologiques de cette maladie.

Cette étude a déterminé des résultats préliminaires sur le rôle des paramètres de l’image du niveau de gris sur la radiographie numérisée pour quantifier et différencier les deux maladies osseuses. Par conséquent, nos résultats démontrent que les paramètres du niveau de gris quantifient avec précision les lésions osseuses du myélome multiple et des métastases lytiques dans les os plats. Cela peut être utile comme méthode complémentaire pour le diagnostic différentiel. La plupart des cas (80-90% environ) de métastases osseuses et de lésions osseuses du myélome multiple sont situés dans le squelette axial (colonne vertébrale, côtes, crâne, fémur et bassin), qui sont principalement des os plats.

En conclusion, les paramètres de niveau de gris MGL et SDGL montrent une bonne capacité de diagnostic discriminatoire pour distinguer le myélome multiple et les métastases lytiques dans les os plats ( et 0,883, respectivement).

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent qu’il n’y a pas de conflit d’intérêts concernant la publication de cet article.