En kvantitativ metod för karakterisering av lytiska metastaser i benet från röntgenbilder
Abstract
Syftet med vår studie var att bedöma den diagnostiska användbarheten av grånivåparametrarna för att särskilja osteolytiska lesioner med hjälp av röntgenbilder. Material och metoder. En retrospektiv studie genomfördes. Totalt 76 skelettröntgenbilder av osteolytiska metastaser och 67 röntgenbilder av multipelt myelom användes. Fallen klassificerades i icke platta (MM1 och OL1) och platta ben (MM2 och OL2). Dessa röntgenbilder analyserades med hjälp av en datoriserad metod. De parametrar som beräknades var medelvärde, standardavvikelse och variationskoefficient (MGL, SDGL och CVGL) baserat på grånivåhistogramanalys av en region av intresse. Den diagnostiska nyttan kvantifierades genom mätning av parametrar på osteolytiska metastaser och multipelt myelom, vilket gav en kvantifiering av arean under ROC-kurvan (receiver operating characteristic) (AUC). Resultat. Platta bengrupper (MM2 och OL2) uppvisade signifikanta skillnader i medelvärdena för MGL () och SDGL (). Deras motsvarande värden för AUC var 0,758 för MGL och 0,883 för SDGL i platta ben. I icke platta ben visar dessa grånivåparametrar ingen diagnostisk förmåga. Slutsats. Grånivåparametrarna MGL och SDGL visar en god diskriminerande diagnostisk förmåga att skilja mellan multipelt myelom och lytiska metastaser i platta ben.
1. Introduktion
Ett av de viktigaste första stegen vid utvärdering av en lytisk benlesion är att känna till patientens ålder. Några av de lytiska lesioner som till stor del är begränsade till vissa åldersgrupper är multipelt myelom och osteolytiska metastaser hos medelålders och äldre.
Multipelt myelom är en malign tumör av plasmaceller som orsakar utbredd lytisk benskada. Det är den vanligaste primära bentumören och förekommer i ryggraden, skallen, revbenen, bröstbenet och bäckenet men kan drabba alla ben med hematopoietisk rödmärg. Den genomsnittliga patientåldern är över femtio år och förhållandet mellan män och kvinnor är 3:2. Diagnosen baseras på laboratorieparametrar i kombination med benmärgsbiopsi eller aspiration. Det radiologiska utseendet på multipelt myelom kännetecknas av oregelbundna lytiska defekter av olika storlek. Dessa lytiska områden beskrivs ofta som ”utstansade” och har ingen periostreaktion . Dessutom är det inte lätt att skilja mellan multipel myeloms bensjukdom och lytiska benmetastaser på vanlig film. Vid stadieindelning, behandlingsutvärdering och prognos av patienter med multipelt myelom har detektion av lytiska benförändringar ett avgörande värde. Även om nya bildbehandlingstekniker har införts för att bedöma omfattningen och svårighetsgraden av multipelt myelom, använder de flesta institutioner fortfarande röntgenbilder som en kompletterande teknik för att utvärdera sjukdomsstadiet (progression och terapisvar) .
Metastaserad cancer är den vanligaste maligna sekundära bentumören. Skelettmetastaser klassificeras enligt deras radiologiska utseende som osteolytiska, blandade eller osteoblastiska. Cancersjukdomar som har störst sannolikhet att metastasera till ben är bröstcancer, lungcancer, prostatacancer, sköldkörtelcancer och njurcancer. Den genomsnittliga patientåldern är över fyrtio år. Fördelningen av skelettmetastaser hos vuxna är mycket lik den av hematopoietisk rödmärg, som sammanfaller med de trabekulära och platta benen . Den typiska radiologiska avbildningen av en lytisk metastas uppträder således som ett område med förlust av mineralisk bentäthet.
Diagnos och klassificering av dessa benförändringar görs vanligen med hjälp av en mängd olika avbildningsmodaliteter, inklusive vanlig röntgen (XR), skelettscintigrafi (SS), datortomografi (CT), magnetisk resonanstomografi (MRI) och positronemissionstomografi (PET) .
Röntgen är den första bildundersökningen som görs för att upptäcka lytiska metastaser och myelomförorsakade benskador för att påvisa förlust eller gallring av ben (osteoporos eller osteopeni), hål i benet (lytiska lesioner) och/eller frakturer. Trots den låga kostnaden och den stora tillgängligheten har röntgenstrålar en viktig begränsning: 30 % av benet måste saknas innan skadan kan avslöjas.
Den lytiska bensjukdomen vid multipelt myelom skiljer sig från den hos andra cancerpatienter som har lytiska benmetastaser. Även om ökad osteoklastisk benförstöring är inblandad i multipelt myelom till skillnad från osteolytiska metastaser, så är osteoklastaktiviteten antingen undertryckt eller obefintlig när den multipla myelomtumörbördan överstiger 50 % i ett lokalt område.
Syftet med vår studie var att utvärdera den diagnostiska användbarheten av parametrarna för grånivå för att skilja mellan osteolytiska metastaser och multipelt myelom från radiografiska bilder.
2. Material och metoder
2.1. Bilddatabas
Datainsamlingen planerades i två separata cykler. I den första cykeln ingick en uppsättning av 76 anteroposteriorröntgenbilder med bekräftade osteolytiska metastaser (OL) enligt 99mTc-ben-scintigrafi och 18F-FDG PET-undersökningar i denna studie. Patienterna presenterade antecedent av adenokarcinom i lungan med bevis på fjärrmetastaser (M1) och ingen tidigare behandling studerades. Deras medelålder var 61 år (intervall 43-81 år, 18 män och 27 kvinnor). I den andra cykeln inkluderades också totalt 67 anteroposteriorröntgenbilder med bekräftat multipelt myelom (MM) enligt 18F-FDG PET-undersökning och laboratorieparametrar. Medianåldern var 63 år (intervall 51-72 år, 17 män och 14 kvinnor).
Radiografierna utfördes med följande inställningar: 70-80 kVp, 100 cm fokus till filmavstånd och användning av en snabbskärm och filmkassett (30 cm × 40 cm).
Den institutionella granskningsnämnden vid det deltagande centret godkände denna retrospektiva studie. De radiologiska bilder som används i denna artikel hämtades från databasen för laboratoriet ”Medical Imaging Research” vid institutionen för fysiologiska vetenskaper II, medicinska fakulteten, universitetet i Barcelona. Patientens konfidentialitet skyddades.
2.2. Metoder
I ett tidigare arbete introducerades en bildbehandlings- och analysmetod för att karaktärisera skelettets digitaliserade röntgenbilder. Därför klassificerade vi med hjälp av grånivåparametrar på digitaliserade röntgenbilder friska ben enligt histologiska och anatomiska egenskaper. Vi rapporterade alltså en optimerad klassificering av friska ben i två grupper: platta eller icke-platta ben (trabekulärt, kortikalt) .
Bilderna bearbetades och karaktäriserades med en datoriserad metod som utvecklats av vår grupp i ett tidigare arbete . Arbetsflödet för bildbehandlingsanalysen omfattar följande steg: (1) bildförvärv, (2) val av en region av intresse (ROI), (3) filtrering för brusreducering, (4) grånivåhistogram (parameterutgång) och (5) statistisk analys för att skilja mellan grupper.
Röntgenbilderna digitaliserades med hjälp av en laserscanner (KFDR-S; Konica, Tokyo, Japan) med en pixelstorlek på 0,175 mm, en matrisstorlek på 2 048 × 2 048 och 12-bitars gråskalanivåer. Digitalisatorns prestanda utvärderades med hjälp av ett protokoll för kvalitetskontroll.
Bilderna bearbetades med hjälp av programvaran ImageJ (NIH image program). Fallet erhölls från en region av intresse på 40 × 50 pixlar som avgränsades manuellt på varje röntgenbild. Endast ett område från varje röntgenbild användes. De klassificerades i två grupper, platta eller icke-platta ben, enligt histologiska och anatomiska benegenskaper . Den slutliga uppsättningen innehöll 67 ROI:er från multipel myeloms bensjukdom (platta ben: 36; icke platta ben: 31) och 45 ROI:er från osteolytiska metastaser (platta ben: 41; icke platta ben: 35).
På grund av förekomsten av intensitetsinhomogeniteter och brus på röntgenbilderna, som är inneboende i bildbehandlingsprocessen, utsattes ROI:erna för ett anisotropt diffusionsfilter som utjämnade bruset och samtidigt bevarade kant och kontrast som är kopplade till benstrukturen.
De parametrar som beräknades från röntgenbilderna baserades på grånivåhistogramanalysen av ROI (se figur 1): genomsnittlig grånivå (MGL), standardavvikelse grånivå (SDGL) och variationskoefficient (CVGL). Den genomsnittliga grånivån definieras som det värde som ges av genomsnittet av grånivån för varje ROI-pixel. MGL ger 4096 grånivåer eftersom vi använder bilder med 12 bitars gråskala (0-4096, där 0 motsvarar svart och 4096 motsvarar vitt). Standardavvikelsen för ROI-pixelns grånivå beräknar spridningen av gråvärdena från genomsnittet (MGL). SDGL kan uttryckas i förhållande till MGL som en variationskoefficient (i %) och uttrycks som .
Två zoomar av olika vanliga röntgenbilder som visar osteolytiska regioner av intresse (ROI). Grånivåhistogram för den avgränsade ROI visas på höger sida för varje fall. (a) Multipel myelom (fall 3, skalle); (b) lytisk metastasering (fall 7, skalle).
2.3. Statistisk analys
Data analyserades med hjälp av SPSS 16.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL). Standardbeskrivande sammanfattande statistik användes för att visa övergripande trender i data. Datajämförelsen mellan bengrupper genomfördes med hjälp av studentens parade -test. Icke-parametrisk uppskattning av areor under ROC-kurvan (AUC) genomfördes för att bedöma den diagnostiska förmågan hos varje parameter som beaktas (MGL, SDGL och CVGL) vid multipel myeloms bensjukdom och osteolytiska metastaser. 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 ().
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Note. Multiple myeloma: MM1 (nonflat bone) and MM2 (flat bone); osteolytic metastases: OL1 (nonflat bone) and OL2 (flat bone). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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.
|
||||||||||||||||||||||||||||
| Note. Multiple myeloma: MM1 (nonflat bone) and MM2 (flat bone); osteolytic metastases: OL1 (nonflat bone) and OL2 (flat bone). AUC: the area under the ROC curve. | ||||||||||||||||||||||||||||
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. Diskussion
Denna studie syftar till att utvärdera den diagnostiska noggrannheten hos grånivåparametrar för att skilja osteolytiska lesioner från två olika patologier (metastaser och multipelt myelom) med hjälp av röntgenbilder.
För icke platta ben kunde grånivåparametrarna inte skilja mellan grupperna multipelt myelom och osteolytiska metastaser.
För platta ben hade multipelt myelom grånivåer som var lägre än för lytiska metastaser för MGL- och SDGL-parametrarna ( och , resp.). Däremot kunde parametern CVGL inte skilja mellan dessa grupper (). Vid jämförelse mellan multipelt myelom och osteolytiska metastaser visade sig SDGL ha den bästa diskrimineringsförmågan () och MGL en god diskrimineringsförmåga (). Detta är viktigt för att fastställa differentialdiagnosen i de två grupperna eftersom fördelningen av skelettmetastaser och multipel myeloms bensjukdom är nära relaterad till placeringen av de platta benen (t.ex. skallen, revbenen, bröstbenet och bäckenet). Histologiskt sett består det platta benet av de två kortikala tunna skikten med en liten andel trabekulär vävnad (diploe: mjukt svampigt material som innehåller benmärg). Att myelomlesioner i platta ben tycks uppvisa lägre grånivåvärden kan förklaras på följande sätt: vid multipelt myelom ackumuleras osteoklaster endast vid benresorberande ytor som gränsar till myelomceller; deras nivåer ökar inte i områden som inte är involverade i tumören. Förutom ökningen av benresorptionen undertrycks benbildningen så att benförändringar hos patienter med myelom blir rent lytiska (det finns inget osteoblastiskt svar). Vid osteolytiska metastaser är de mekanismer som är ansvariga för tumörtillväxten i benet komplexa och inbegriper tumörstimulering av osteoklasten och osteoblasten samt responsen från benets mikromiljö .
Det finns för närvarande olika avbildningsmodaliteter (vanlig röntgen, skelettscintigrafi, datortomografi, magnetresonanstomografi och positronemissionstomografi) för att diagnostisera benproblem vid multipelt myelom eller lytiska metastaser. En noggrann bedömning av båda patologiernas svar på behandling kräver att de strukturella förändringarna i benet visualiseras. I detta avseende har var och en av de ovannämnda avbildningsteknikerna sina för- och nackdelar . Numera omfattar den grundläggande diagnostiska utvärderingen för att upptäcka lytiska benförändringar även konventionell radiografi . Tidig identifiering av direkt anatomisk visualisering av benet eller tumören kan leda till förändringar i patienthantering och livskvalitet. Även om benmetastaser kan behandlas anses deras svar på behandling vara ”omätbart”, vilket utesluter patienter med cancer och benmetastaser från att delta i kliniska prövningar av nya behandlingar . Röntgen används vanligen för att utvärdera symtomgivande områden och är ett användbart komplement till scintigrafi för att klargöra ospecifika eller atypiska fynd eller för att följa upp fall där de kliniska fynden tyder på bensmärta men där scintigrafi-fynden är negativa.
Den exakta upptäckten av lytiska benförändringar bör förbättras genom att man kvantifierar dessa förändringar, vilket banar väg för datoriserade metoder som skulle göra det möjligt att kvantifiera de utvalda regionerna för att minska subjektiviteten i tolkningen av bilden, beräkna de ideala parametrarna, definiera normalitetsmönster och fastställa patologin genom att utvärdera avvikelser i dessa index. Dessutom kan denna digitala metod vara användbar för att studera utvecklingen av dessa lytiska benlesioner under behandling, för att känna igen nya lesioner och för att skilja den från tidigare lesioner.
Fördelarna med denna metod är dess breda spridning, låga kostnad och förbättrad patientkomfort.
Denna metod skulle kunna tillämpas på frågor av klinisk relevans. Till exempel ges bisfosfonater som förebyggande behandling av benkomplikationer som förekommer vid multipelt myelom och osteolytiska metastaser. Under de senaste åren har dock ett samband fastställts mellan dessa läkemedel och en ny benskada: osteonekros i käkarna. Denna skada kännetecknas av avaskulär nekros av ben som isolerats från käkarna. Denna metodik ger möjlighet att studera radiologiska manifestationer av denna sjukdom.
Denna studie fastställde preliminära resultat om betydelsen av grånivåbildparametrar på digitaliserad röntgenbild för att kvantifiera och differentiera de två bensjukdomarna. Följaktligen visar våra resultat att grånivåparametrar kvantifierar multipelt myelom och lytiska metastaser benlesioner i platta ben exakt. Detta kan vara till hjälp som en kompletterande metod för differentialdiagnostik. De flesta fall (80-90 % ungefär) av benmetastaser och benförändringar vid multipelt myelom är belägna i det axiella skelettet (ryggrad, revben, skalle, lårben och bäcken), som huvudsakligen är platta ben.
Slutsatsen är att grånivåparametrarna MGL och SDGL visar en god diskriminerande diagnostisk förmåga att skilja mellan multipelt myelom och lytiska metastaser i platta ben ( respektive 0,883).
Interessentkonflikter
Författarna förklarar att det inte finns några intressekonflikter i samband med publiceringen av denna artikel.