O metodă cantitativă pentru caracterizarea metastazelor litice ale osului din imaginile radiografice

Abstract

Scopul studiului nostru a fost de a evalua utilitatea diagnostică a parametrilor nivelului de gri pentru a distinge leziunile osteolitice folosind imagini radiologice. Materiale și metode. S-a efectuat un studiu retrospectiv. Au fost utilizate un total de 76 de radiografii scheletice ale metastazelor osteolitice și 67 de radiografii ale mielomului multiplu. Cazurile au fost clasificate în oase neplane (MM1 și OL1) și oase plane (MM2 și OL2). Aceste imagini radiologice au fost analizate prin utilizarea unei metode computerizate. Parametrii calculați au fost media, deviația standard și coeficientul de variație (MGL, SDGL și CVGL) pe baza analizei histogramei nivelului de gri a unei regiuni de interes. Utilitatea diagnosticului a fost cuantificată prin măsurarea parametrilor privind metastazele osteolitice și mielomul multiplu, ceea ce a dus la cuantificarea ariei de sub curba caracteristică de funcționare a receptorului (ROC) (AUC). Rezultate. Grupurile de oase plate (MM2 și OL2) au prezentat diferențe semnificative în ceea ce privește valorile medii ale MGL () și SDGL (). Valorile lor corespunzătoare ale AUC au fost de 0,758 pentru MGL și 0,883 pentru SDGL în cazul oaselor plate. În cazul oaselor care nu sunt plate, acești parametri de nivel de gri nu prezintă capacitate de diagnosticare. Concluzie. Parametrii nivelului de gri MGL și SDGL prezintă o bună capacitate de diagnosticare discriminatorie pentru a distinge între mielomul multiplu și metastazele litice în oasele plate.

1. Introducere

Unul dintre cei mai importanți primii pași atunci când se evaluează o leziune osoasă litiazică este cunoașterea vârstei pacientului. Unele dintre leziunile litice care sunt în mare parte limitate la anumite grupe de vârstă sunt mielomul multiplu și metastazele osteolitice la persoanele de vârstă mijlocie și vârstnice.

Mielomul multiplu este o tumoare malignă a plasmocitelor care determină leziuni osoase litice extinse. Este cea mai frecventă tumoră primară a oaselor și se întâlnește la nivelul coloanei vertebrale, craniului, coastelor, sternului și pelvisului, dar poate afecta orice os cu măduvă roșie hematopoietică. Vârsta medie a pacienților este de peste cincizeci de ani, iar raportul bărbat-femeie este de 3 : 2. Diagnosticul se bazează pe parametrii de laborator în combinație cu biopsia sau aspirația măduvei osoase. Aspectul radiologic al mielomului multiplu se caracterizează prin defecte litice neregulate de diferite dimensiuni. Aceste zone litice sunt adesea descrise ca fiind „perforate” și nu au reacție periostală . Mai mult, nu este ușor să se facă distincția între boala osoasă a mielomului multiplu și metastazele osoase litice pe peliculă simplă. În stadializarea, evaluarea tratamentului și prognosticul pacienților cu mielom multiplu, detectarea leziunilor osoase litice are o valoare critică. Deși, au fost introduse noi tehnici imagistice pentru a evalua amploarea și severitatea mielomului multiplu, majoritatea instituțiilor utilizează încă radiografia ca tehnică complementară pentru a evalua stadiul bolii (progresia și răspunsul la terapie) .

Cancerul metastatic este cea mai frecventă tumoră osoasă malignă secundară. Metastazele scheletice sunt clasificate în funcție de aspectul lor radiologic ca fiind osteolitice, mixte sau osteoblastice. Cancerele care au cea mai mare probabilitate de a metastaza la os sunt cancerul de sân, pulmonar, de prostată, tiroidian și renal. Vârsta medie a pacienților este de peste patruzeci de ani. Distribuția metastazelor scheletice la adulți este foarte asemănătoare cu cea a măduvei roșii hematopoietice, care coincide cu cea a oaselor trabeculare și plate . Astfel, imagistica radiologică tipică a unei metastaze litice apare ca o zonă de pierdere a densității minerale osoase.

Diagnosticul și clasificarea acestor leziuni osoase se realizează în mod obișnuit printr-o varietate de modalități imagistice, inclusiv radiografia simplă (XR), scintigrafia scheletală (SS), tomografia computerizată (CT), imagistica prin rezonanță magnetică (RMN) și tomografia prin emisie de pozitroni (PET) .

Radiografia este primul studiu imagistic întreprins pentru a detecta metastazele litice și leziunile osoase cauzate de mielom pentru a demonstra pierderea sau subțierea osului (osteoporoză sau osteopenie), găuri în os (leziuni litice) și/sau fracturi. În ciuda costului scăzut și a disponibilității largi, razele X au o limitare importantă: 30% din os trebuie să lipsească înainte ca leziunile să poată fi evidențiate.

Boala osoasă litiazică în mielomul multiplu diferă de cea a altor pacienți cu cancer care au metastaze osoase litice. Deși distrugerea osoasă osteoclastică crescută este implicată în mielomul multiplu, spre deosebire de metastazele osteolitice, odată ce încărcătura tumorală a mielomului multiplu depășește 50% într-o zonă locală, activitatea osteoclastică este fie suprimată, fie absentă.

Scopul studiului nostru a fost de a evalua utilitatea diagnostică a parametrilor nivelului de gri pentru a face distincția între metastazele osteolitice și mielomul multiplu din imaginile radiografice.

2. Materiale și metode

2.1. Baza de date imagistice

Colectarea datelor a fost programată în două cicluri separate. În primul ciclu a fost inclus în acest studiu un set de 76 de radiografii anteroposterioare cu metastaze osteolitice (OL) confirmate, așa cum au fost determinate în urma examinărilor cu scintigrafie osoasă cu 99mTc și 18F-FDG PET. Pacienții au prezentat antecedente de adenocarcinom pulmonar cu dovezi de metastaze la distanță (M1) și nu a fost studiat niciun tratament anterior. Vârsta medie a acestora a fost de 61 de ani (interval 43-81 de ani, 18 bărbați și 27 de femei). În cel de-al doilea ciclu au fost incluse, de asemenea, un total de 67 de radiografii anteroposterioare cu mielom multiplu (MM) confirmat, așa cum a fost determinat în urma examinării PET 18F-FDG și a parametrilor de laborator. Vârsta mediană a fost de 63 de ani (intervalul 51-72 de ani, 17 bărbați și 14 femei).

Radiografiile au fost efectuate cu următoarele setări: 70-80 kVp, distanța dintre focar și film de 100 cm și utilizarea unui ecran rapid și a unei casete de film (30 cm × 40 cm).

Consiliile de evaluare instituțională ale centrului participant au aprobat acest studiu retrospectiv. Imaginile radiologice utilizate în această lucrare au fost obținute din baza de date a Laboratorului „Medical Imaging Research” din cadrul Departamentului de Științe Fiziologice II, Facultatea de Medicină, Universitatea din Barcelona. Confidențialitatea pacienților a fost protejată.

2.2. Metode

Într-o lucrare anterioară, a fost introdusă o metodă de procesare și analiză a imaginilor pentru a caracteriza radiografiile digitizate ale scheletului. Astfel, prin intermediul parametrilor nivelului de gri pe radiografiile digitizate am clasificat osul sănătos în funcție de caracteristicile histologice și anatomice. Astfel, am raportat o clasificare optimizată a oaselor sănătoase în două grupe: oase plate sau neplate (trabeculare, corticale) .

Imaginile au fost procesate și caracterizate cu o metodă computerizată dezvoltată de grupul nostru într-o lucrare anterioară . Fluxul de lucru al analizei de procesare a imaginilor include următoarele etape: (1) achiziția imaginii, (2) selectarea unei regiuni de interes (ROI), (3) filtrarea pentru reducerea zgomotului, (4) histograma nivelului de gri (ieșirea parametrilor) și (5) analiza statistică pentru a distinge între grupuri.

Radiografiile au fost digitalizate cu ajutorul unui scaner laser (KFDR-S; Konica, Tokyo, Japonia) cu o dimensiune a pixelilor de 0,175 mm, o dimensiune a matricei de 2.048 × 2.048 și niveluri de gri pe 12 biți. Performanța digitizatorului a fost evaluată prin utilizarea unui protocol de control al calității .

Imaginile au fost procesate cu ajutorul software-ului ImageJ (program de imagine NIH). Cazurile au fost obținute din regiunea de interes de 40 × 50 pixeli conturată manual pe fiecare radiografie. A fost utilizată doar o singură regiune de interes din fiecare radiografie. Acestea au fost clasificate în două grupe, oase plate sau neplate, în funcție de caracteristicile histologice și anatomice ale oaselor . Setul final conținea 67 de ROI din boala osoasă a mielomului multiplu (os plat: 36; os neplat: 31) și 45 de ROI din metastaze osteolitice (os plat: 41; os neplat: 35).

Datorită prezenței neomogenităților de intensitate și a zgomotului pe radiografii, inerente procesului de imagistică, ROI a fost supus unui filtru de difuzie anizotropică care a netezit zgomotul și a păstrat în același timp marginea și contrastul asociate cu structura osoasă.

Parametrii calculați din radiografii s-au bazat pe analiza histogramei nivelului de gri al ROI (a se vedea figura 1): nivelul mediu de gri (MGL), nivelul de gri cu deviație standard (SDGL) și coeficientul de variație (CVGL). Nivelul mediu de gri este definit ca fiind valoarea dată de media nivelului de gri al fiecărui pixel din ROI. MGL oferă 4096 de niveluri de gri, deoarece utilizăm imagini de 12 biți de nivel de gri (0-4096, unde 0 este echivalent cu negrul și 4096 cu albul). Abaterea standard a nivelului de gri al pixelului ROI calculează dispersia valorilor de gri față de medie (MGL). SDGL poate fi exprimat în raport cu MGL ca un coeficient de variație (în %) și se exprimă ca .

Figura 1

Două zoom-uri ale unor radiografii simple diferite care prezintă regiuni osteolitice de interes (ROI). Histograma nivelului de gri pentru ROI conturată este prezentată în partea dreaptă pentru fiecare caz în parte. (a) mielom multiplu (cazul 3, craniu); (b) metastaze litice (cazul 7, craniu).

2.3. Analiza statistică

Datele au fost analizate cu ajutorul SPSS 16.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL). Statistica descriptivă standard de sinteză a fost utilizată pentru a arăta tendințele generale ale datelor. Compararea datelor între grupurile de oase a fost implementată folosind testul perechilor lui Student -test. Estimarea neparametrică a ariilor sub curba ROC (AUC) a fost realizată pentru a evalua capacitatea de diagnosticare a fiecărui parametru considerat (MGL, SDGL și CVGL) în boala osoasă a mielomului multiplu și în metastazele osteolitice. 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. Discuție

Acest studiu urmărește să evalueze acuratețea diagnostică a parametrilor nivelului de gri pentru a distinge leziunile osteolitice din două patologii diferite (metastaze și mielom multiplu) folosind radiografii.

În ceea ce privește oasele nemijlocite, parametrii nivelului de gri nu au fost capabili să facă distincția între grupurile de mielom multiplu și metastaze osteolitice.

În ceea ce privește oasele plate, mielomul multiplu a avut niveluri de gri mai mici decât cele ale metastazelor litice pentru parametrii MGL și SDGL ( și , resp.). În schimb, parametrul CVGL nu a fost capabil să facă distincția între aceste grupuri (). La compararea mielomului multiplu și a metastazelor osteolitice, SDGL s-a dovedit a avea cea mai bună capacitate de discriminare () și MGL o bună capacitate de discriminare (). Acest lucru este important pentru stabilirea diagnosticului diferențial în cele două grupuri, deoarece distribuția metastazelor scheletice și a bolii osoase a mielomului multiplu este strâns legată de localizarea oaselor plate (de exemplu, craniul, coastele, sternul și pelvisul). Din punct de vedere histologic, osul plat este alcătuit din cele două foițe subțiri corticale, implicând o mică proporție de țesut trabecular (diploe: material spongios moale care conține măduvă osoasă). Constatarea că leziunile mielomatoase din oasele plate par să manifeste valori mai mici ale nivelului de gri ar putea fi explicată după cum urmează: în mielomul multiplu, osteoclastele se acumulează numai la suprafețele de resorbție osoasă adiacente celulelor mielomatoase; nivelurile lor nu sunt crescute în zonele neimplicate de tumoră. În plus față de creșterea resorbției osoase, formarea osoasă este suprimată, astfel încât leziunile osoase la pacienții cu mielom devin pur litice (nu există un răspuns osteoblastic). În metastazele osteolitice, mecanismele responsabile de creșterea tumorii în os sunt complexe și implică stimularea tumorală a osteoclastelor și a osteoblastelor, precum și răspunsul micro-mediului osos .

În prezent, există diferite modalități imagistice (radiografie simplă, scintigrafie scheletală, tomografie computerizată, imagistică prin rezonanță magnetică și tomografie cu emisie de pozitroni) pentru a diagnostica boala osoasă a mielomului multiplu sau metastazele litice. O evaluare precisă a răspunsului ambelor patologii la tratament necesită vizualizarea modificărilor structurale din os. În acest sens, fiecare dintre tehnicile imagistice menționate mai sus are avantajele și dezavantajele sale . În prezent, evaluarea diagnostică de bază pentru depistarea leziunilor osoase litice cuprinde și radiografia convențională . Identificarea precoce a vizualizării anatomice directe a osului sau a tumorii ar putea duce la schimbări în managementul pacientului și în calitatea vieții. Deși metastazele osoase pot fi tratate, răspunsul lor la tratament este considerat „nemăsurabil”, ceea ce exclude pacienții cu cancer și boală metastatică osoasă de la participarea la studii clinice de noi tratamente . Radiografia este utilizată în mod obișnuit pentru a evalua situsurile simptomatice și este o completare utilă a scintigrafiei pentru clarificarea constatărilor nespecifice sau atipice sau pentru urmărirea cazurilor în care constatările clinice indică durere osoasă, dar în care constatările scintigrafice sunt negative.

Detecția precisă a leziunilor osoase litice ar trebui să se îmbunătățească prin cuantificarea acestor leziuni, deschizând astfel calea unor metode computerizate care ne-ar permite să cuantificăm regiunile selectate pentru a reduce subiectivitatea în interpretarea imaginii, să calculăm parametrii ideali, să definim modelele de normalitate și să determinăm patologia prin evaluarea abaterilor acestor indici. Mai mult decât atât, această metodă digitală poate fi utilă pentru a studia evoluția acestor leziuni osoase litice sub tratament, pentru a recunoaște noile leziuni și pentru a o diferenția de leziunile anterioare.

Avantajele acestei metodologii sunt răspândirea sa largă, costul redus și confortul îmbunătățit al pacientului.

Această metodologie ar putea fi aplicată la întrebări de relevanță clinică. De exemplu, bisfosfonații sunt administrați ca tratament preventiv al complicațiilor osoase întâlnite în mielomul multiplu și în metastazele osteolitice. Cu toate acestea, în ultimii ani a fost stabilită o relație între aceste medicamente și o nouă leziune osoasă: osteonecroza maxilară . Această leziune se caracterizează prin necroza avasculară a osului care a fost izolat din maxilare. Această metodologie oferă posibilitatea de a studia manifestările radiologice ale acestei boli.

Acest studiu a determinat rezultate preliminare cu privire la rolul parametrilor imaginii la nivel de gri pe radiografia digitizată în cuantificarea și diferențierea celor două afecțiuni osoase. În consecință, rezultatele noastre demonstrează că parametrii nivelului de gri cuantifică cu acuratețe mielomul multiplu și leziunile osoase cu metastaze litice în oasele plane. Acest lucru poate fi util ca metodă complementară pentru diagnosticul diferențial. Majoritatea cazurilor (aproximativ 80-90%) de metastaze osoase și leziuni osoase de mielom multiplu sunt localizate în scheletul axial (coloană vertebrală, coaste, craniu, femur și pelvis), care sunt în principal oase plate.

În concluzie, parametrii de nivel de gri MGL și SDGL prezintă o bună capacitate de diagnostic discriminatoriu pentru a distinge între mielomul multiplu și metastazele litice în oasele plate ( și 0,883, respectiv).

Conflict de interese

Autorii declară că nu există niciun conflict de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.