Cyfrowa analiza obrazu rentgenowskiego ubytków blaszki zbitej trzonu żuchwy w modelu in vitro

Transkrypt

1 Czas. Stomat., 2005, LVIII, 4 Cyfrowa analiza obrazu rentgenowskiego ubytków blaszki zbitej trzonu żuchwy w modelu in vitro X-ray digital analysis of lesions in the cortical bone of the mandibular body in an in vitro model Ingrid Różyło-Kalinowska Z II Zakładu Radiologii Lekarskiej AM im prof. Feliksa Skubiszewskiego w Lublinie Kierownik: prof. dr hab. n. med. J. Złomaniec Streszczenie Celem pracy była ocena możliwości zastosowania cyfrowej analizy obrazu rentgenowskiego ubytków istoty zbitej kości żuchwy w badaniu in vitro w celu stwierdzenia, czy za pomocą narzędzi pomiarów cyfrowych możliwe jest wczesne wykrycie obecności takich ubytków. Materiał badań in vitro stanowiły żuchwy dwuletnich świń domowych (Sus domesticus), w których wykonywano otwory w istocie zbitej o stałej średnicy 1,5 mm o głębokości od 1 mm, co 1 mm, aż do całkowitego zniszczenia tkanki kostnej. Na każdym etapie wykonywano cyfrowe zdjęcia rentgenowskie i dokonywano pomiarów gęstości w obrębie koła i wzdłuż linii przebiegającej przez ubytek. Do analizy statystycznej użyto testu t dla zmiennych niezależnych oraz współczynnika korelacji Pearsona. Stwierdzono, że tkanka kostna zbita ma bardzo duży wpływ na powstawanie obrazu rentgenowskiego, a zmniejszenie jej ilości powoduje znaczne obniżenie wszystkich parametrów gęstości optycznej. Wykazano, że pomiar gęstości optycznej jest przydatnym i czułym narzęnarzędziem do oceny zmian osteolitycznych zachodzących w zbitej tkance kostnej. Summary The aim of the study was to evaluate the possibilities of using X-ray digital analysis of lesions in the cortical bone of the mandibular body in an in vitro study, in order to determine whether the early detection of such lesions is possible using digital measuring instruments. Material for the in vitro study comprised of mandibles of two-year-old domestic pigs (Sus domesticus), in which openings were made in the cortical bone, measuring 1.5 mm in diameter and from 1 mm in depth, every 1 mm, until complete destruction of bone tissue was achieved. At each stage a digital X-ray was taken and measurements made of the density within a circle and along a line running through the lesion. For statistical analysis the t-test for independent variables and Pearson s coefficient of correlation were used. It was found that cortical bone has a substantial effect on the formation of an X-ray image, and decreasing its amount causes a significant decrease in all the parameters of optical density. It was shown that measurement of the optical density is a useful and sensitive instrument for evaluating osteolytic changes in the cortical bone HASŁA INDEKSOWE: radiografia cyfrowa, istota zbita, ubytki tkanki kostnej KEYWORDS: digital radiography, compact bone, bone defects Wstęp Wiadomo, że aby ubytek tkanki kostnej mógł być uchwytny na konwencjonalnym zdjęciu rentgenowskim, musi dojść do utraty od 30 do 50% jej związków mineralnych (4-7). Kiedy zmiana o charakterze resorpcyjnym pojawi się w istocie gąbczastej, radiograficznie nie udaje się jej wychwycić, ponieważ utrata związków mineralnych była zbyt mała, aby spowodować zmianę 273

2 I. Różyło-Kalinowska Czas. Stomat., kontrastu radiograficznego. Na tej zasadzie ubytek próchnicowy w obrębie szkliwa zmineralizowanego w 97% jest dobrze widoczny, podczas gdy tej samej wielkości zmiana w tkance kostnej zbitej o zawartości 50-55% związków mineralnych, nie ujawnia się radiologicznie (1). Jeśli zawartość związków mineralnych na jednostkę objętości jest niska, większa ilość tkanki musi ulec zniszczeniu, aby możliwa była radiologiczna wizualizacja tej zmiany. C e l e m p r a c y była ocena możliwości zastosowania cyfrowej analizy obrazu rentgenowskiego ubytków istoty zbitej kości żuchwy w badaniu in vitro w celu stwierdzenia, czy za pomocą narzędzi pomiarów cyfrowych jest możliwe wczesne wykrycie obecności takich ubytków. do celowania z prowadnikami i bloczkami do zagryzania z zestawu do techniki kąta prostego firmy Rinn (USA), zaś miejsce położenia detektora promieniowania w stosunku do wyrostka zębodołowego zaznaczano markerem na powierzchni badanej żuchwy (2). W pierwszej fazie analizy dokonywano pomiaru gęstości optycznej w obrębie koła o stałej lokalizacji i o stałym polu powierzchni równym polu powierzchni otworu uzyskanego w wyniku zniszczenia tkanki kostnej żuchwy na całym przekroju wykorzystując narzędzia pomiarowe oprogramowania (10) do analizy zdjęć rentgenowskich Emago (ACTA, Holandia) ryc. 1. Miejsce wykonania pomiarów wybierano Materiał i metody Materiał do badań in vitro stanowiły żuchwy dwuletnich świń domowych (Sus domesticus), pochodzących z uboju przemysłowego. W okolicy brzegu dolnego żuchwy wykonywano modele ubytku tkanki kostnej zbitej w celu określenia ilości tkanki kostnej zbitej, która da uchwytne zmiany obrazu radiologicznego. W kości zbitej nawiercano otwory o stałej średnicy 1,5 mm o głębokości od 1 mm, co 1 mm, aż do całkowitego zniszczenia tkanki kostnej. We wszystkich przypadkach wykonywano zdjęcie przeglądowe przed rozpoczęciem destrukcji tkanki kostnej, a następnie kolejne zdjęcia rentgenowskie po każdym etapie procesu niszczenia kości. W badaniach używano systemu radiografii cyfrowej Dixi 2 (Planmeca, Finlandia) wyposażonego w dostępne na rynku firmowe oprogramowanie Dimaxis wersja pracujące w środowisku Windows. System radiografii cyfrowej współpracował z aparatem do zdjęć wewnątrzustnych Planmeca Intra (Finlandia). Dla zapewnienia powtarzalności ustawienia i możliwości porównywania kolejnych zdjęć wykonywanych w danym regionie zainteresowania (ROI) badane żuchwy unieruchamiano w imadle i stosowano technikę kąta prostego (3). Ponadto używano pierścieni Ryc. 1. Sposób wykonania pomiaru gęstości w obrębie okrągłego obszaru ubytku tkanki kostnej zbitej. na podstawie ostatniego zdjęcia wykonanego w danej serii, na którym najwyraźniej był widoczny ubytek w tkance kostnej. Następnie z użyciem narzędzi pomiarów liniowych oprogramowania Digora określano położenie środka okrągłego otworu względem brzegów zdjęcia i przez jego środek przeprowadzano dwie prostopadłe do siebie linie pomiaru gęstości. W celu zapewnienia możliwości porównań wyników, linie pomiaru były równoległe do obu brzegów zdjęcia rentgenowskiego (ryc. 2). W przypadku pomiarów liniowych notowano minimalną, maksymalną i średnią gęstość w obrębie badanego obszaru oraz odchylenie standardowe, zaś w przypadku pomiaru w obrębie koła wartość średnią i odchylenie standardowe. Analizę statystyczną danych przeprowadzo- 274

3 2005, LVIII, 4 Cyfrowa analiza obrazu rentgenowskiego blaszki zbitej trzonu żuchwy Ryc. 2. Sposób wykreślania linii pomiaru gęstości w obrębie ubytku tkanki kostnej zbitej. Ryc. 4. Prosta regresji dla wyników pomiarów maksymalnej gęstości optycznej modelu ubytku istoty zbitej wzdłuż linii prostopadłej do dolnego brzegu żuchwy. Ryc. 3. Kolejne etapy powstawania ubytku w istocie zbitej. no w programie Statistica 5.0 for Windows. Wykorzystywano test t dla zmiennych niezależnych oraz współczynnik korelacji Pearsona. Wyniki W ocenie konwencjonalnej wykonane otwory w tkance kostnej zbitej były ewidentne radiologicznie, gdy ich głębokość była równa lub przewyższała 4 mm. Ubytki te były znacznie lepiej widoczne na zdjęciach rentgenowskich niż defekty tkanki kostnej gąbczastej. Pozostałe przypadki sprawiały trudności w określeniu, czy ubytek tkanki kostnej istnieje, czy też jest nieobecny. Zilustrowane na ryc proste regresji wskazują na wysokie powiązania pomiędzy wartościami pomiarów gęstości optycznej a głębokością ubytków w tkance kostnej zbitej. Liniowa Ryc. 5. Prosta regresji dla wyników pomiarów minimalnej gęstości optycznej modelu ubytku istoty zbitej wzdłuż linii prostopadłej do dolnego brzegu żuchwy. korelacja ujemna jest bardzo wysoka w przypadku maksymalnej gęstości optycznej wzdłuż linii prostopadłej do brzegu dolnego żuchwy i wynosi 0,8903 (korelacja bardzo wysoka w przedziale 0,7 r xy < 0,9) ryc. 4. Dla wszystkich pozostałych parametrów, takich jak minimalne (ryc. 5) i średnie (ryc. 6) gęstości optyczne wzdłuż linii prostopadłej do brzegu dolnego żuchwy, maksymalne (ryc. 7), minimalne (ryc. 8) i średnie (ryc. 9) oraz średnie gęstości optyczne w obrębie koła (ryc. 10), występuje korelacja prawie pełna, ponieważ we wszystkich tych przypadkach współczynnik korelacji ujemnej przybrał wartości z przedziału od 0,9 do 1. Świadczy to o dużej jednorodności istoty zbitej, ponieważ powstanie 275

4 I. Różyło-Kalinowska Czas. Stomat., Ryc. 6. Prosta regresji dla wyników pomiarów średniej gęstości optycznej modelu ubytku istoty zbitej wzdłuż linii prostopadłej do dolnego brzegu żuchwy. Ryc. 8. Prosta regresji dla wyników pomiarów minimalnej gęstości optycznej modelu ubytku istoty zbitej wzdłuż linii równoległej do dolnego brzegu żuchwy Ryc. 7. Prosta regresji dla wyników pomiarów maksymalnej gęstości optycznej modelu ubytku istoty zbitej wzdłuż linii równoległej do dolnego brzegu żuchwy. Ryc. 9. Prosta regresji dla wyników pomiarów średniej gęstości optycznej modelu ubytku istoty zbitej wzdłuż linii równoległej do dolnego brzegu żuchwy. ubytku o takiej samej objętości powoduje proporcjonalne zmniejszenie parametrów gęstości optycznej. Na tej podstawie można wnioskować, że pomiar gęstości optycznej jest bardzo przydatny do oceny stanu tkanki kostnej zbitej. Przedstawione proste regresji wskazują na istnienie bardzo silnej korelacji ujemnej pomiędzy głębokością ubytku tkanki kostnej zbitej w modelu in vitro a pomiarami gęstości optycznej. Widać, że wraz ze zwiększaniem się głębokości otworu, maleją poszczególne parametry gęstości optycznej. Najsilniejsze zależności statystyczne znaleziono pomiędzy wartościami gęstości optycznej minimalnej, maksymalnej i średniej wzdłuż dwóch linii pomiaru oraz wartości średniej w obrębie koła dla otworów o głębokości od 3 do 10 mm. Można zatem stwierdzić, że pomiar gęstości optycznej pozwala z bardzo wysokim prawdopodobieństwem na wykrycie ubytków tkanki kostnej zbitej o wymiarze powyżej 3 mm. W przypadku otworu o głębokości 2 mm na poziomie istotności α=0,05 średnia wartość gęstości optycznej mierzona w obrębie koła wykazywała zależność statystyczną, a p wynosiło 0,02. Pozostałe mierzone parametry nie wykazywały istotnych statystycznie związków pomiędzy ich wartością a głębokością wykonanego otworu w tkance kostnej zbitej. Nie znaleziono istotnych statystycznie zależności pomiędzy wartościami pomiarów dla modelu ubytku tkanki kostnej zbi- 276

5 2005, LVIII, 4 Cyfrowa analiza obrazu rentgenowskiego blaszki zbitej trzonu żuchwy Ryc. 10. Prosta regresji dla wyników pomiarów średniej gęstości optycznej modelu ubytku istoty zbitej w obrębie koła o stałym polu powierzchni i położeniu w zależności od głębokości otworu. tej o głębokości 1 mm a nieuszkodzoną tkanką kostną. Oznacza to, że tak niewielkiego ubytku nie można uchwycić obecnie nawet w badaniach gęstości optycznej w cyfrowej analizie obrazu rentgenowskiego. Na podstawie przedstawionych wyników można stwierdzić, że ubytki w istocie zbitej łatwo wykryć za pomocą narzędzi pomiaru gęstości optycznej i uchwytna może być już zmiana o głębokości 2 mm i średnicy 1,5 mm (średnica wykonywanego otworu). Dyskusja Zawartość minerałów w jednostce objętości jest bardzo zmienna najwyższa jest w szkliwie. Natomiast w przypadku tkanki kostnej, jest ona największą w podokostnowej części warstwy zbitej, niższa w wewnętrznej powierzchni blaszki zbitej, a najniższa cechuje istotę gąbczastą. Gradacja cieni na zdjęciu rentgenowskim zależy właśnie od zawartości minerałów (4-7). W materiale własnym wykazano, że za pomocą pomiarów gęstości optycznej można wykryć ubytek zbitej tkanki kostnej o średnicy 1,5 mm i głębokości 2 mm. Świadczy to o dużej gęstości i jednorodności tkanki kostnej zbitej. Dlatego też proces resorpcyjny lub demineralizacyjny najpierw objawia się w postaci przejaśnienia w tkance bardziej uwapnionej. Tkanka kostna zbita o grubości zaledwie 1 mm charakteryzuje się stosunkowo wysoką maksymalną, średnią i minimalną gęstością optyczną w porównaniu z warstwą tkanki kostnej gąbczastej o tej samej grubości. Jednak ze względu na dużą zmienność patomorfologiczną blaszki zbitej, zmiana o takim samym kształcie i wielkości może być uchwytna radiologicznie w obszarze sąsiadującym z cienką blaszką zbitą, zaś całkowicie niewidoczna w okolicy pokrytej grubą warstwą korową (1). Wyniki badań własnych wskazują, że tkanka kostna zbita ma bardzo duży wpływ na powstawanie obrazu rentgenowskiego, a zmniejszenie jej ilości powoduje znaczne obniżenie wszystkich parametrów gęstości optycznej. Ze względu na istnienie silnych zależności statystycznych pomiędzy głębokością wykonanego otworu w zbitej tkance kostnej a jej gęstością optyczną, jak też istnieniem prawie pełnej ujemnej korelacji liniowej pomiędzy tymi zmiennymi, można stwierdzić na podstawie doświadczeń własnych, że pomiar gęstości optycznej jest bardzo przydatnym i czułym narzędziem do oceny zmian osteolitycznych zachodzących w zbitej tkance kostnej. Jeśli chodzi o cyfrową analizę obrazu, to w 1977 roku dokonano badania sztucznych ubytków w ludzkich żuchwach. Wykonywano standaryzowane zdjęcia rentgenowskie, a następnie analizowano je densytometrycznie. Odczyty densytometryczne struktur kości i zębów były przekształcane na skalę milimetrów ekwiwalentu aluminium za pomocą odczytu densytometrycznego na tym samym zdjęciu rentgenowskim. Dzięki analizie densytometrycznej było możliwe odróżnienie obszarów, z których została usunięta tkanka kostna, od pozostałych obszarów. Analiza densytometryczna okazała się bardzo przydatna do tego celu, podczas gdy interpretacja tych samych zdjęć przez 10 stomatologów różniła się w znacznym stopniu (8). Poza cytowaną pracą w piśmiennictwie światowym nie znaleziono doniesień na temat zastosowania cyfrowej analizy obrazu rentgenowskiego z 277

6 I. Różyło-Kalinowska Czas. Stomat., użyciem narzędzi pomiaru gęstości optycznej do wykrywania ubytków w tkance kostnej żuchwy w badaniach in vitro. Podobnie w piśmiennictwie polskim nie spotkano prac z zakresu tematyki niniejszego opracowania. Zastosowaniem cyfrowej analizy obrazu radiologicznego zajmował się Kozakiewicz (9), lecz w odniesieniu do ubytków w gałęzi żuchwy wykonanych in vivo u szczurów rasy Wistar i zaopatrzonych błonami do sterowanej regeneracji kości. Jednak w tych badaniach narzędzia pomiaru gęstości optycznej radiografii cyfrowej zostały zastosowane do oceny postępów regeneracji tkanki kostnej, a nie do wykrywania ubytków kostnych. Stąd niniejsza praca, między innymi ma za zadanie wypełnić lukę w tym zakresie i ocenić przydatność cyfrowej analizy obrazu z pomiarami gęstości optycznej do diagnostyki ubytków struktur kostnych jako obiektywnego narzędzia badań w porównaniu z oceną zdjęć rentgenowskich dokonywanych okiem ludzkim w warunkach klinicznych. Wnioski 1. Na podstawie przedstawionych wyników można stwierdzić, że ubytki w istocie zbitej w modelu in vitro stosunkowo łatwo wykryć za pomocą narzędzi pomiaru gęstości optycznej. Uchwytna może być już zmiana osteolityczna o głębokości 2 mm i średnicy 1,5 mm. 2. Tkanka kostna zbita ma istotny wpływ na powstawanie obrazu rentgenowskiego, zaś zmniejszenie jej ilości powoduje znaczne obniżenie wszystkich parametrów gęstości optycznej. 3. Ze względu na istnienie wysokich ujemnych korelacji liniowych pomiędzy głębokością ubytku a gęstością optyczną istoty zbitej stwierdzono, że pomiar gęstości optycznej jest przydatnym i czułym narzędziem do oceny zmian osteolitycznych zachodzących w zbitej tkance kostnej. Piśmiennictwo 1. Bender I. B.: Factors influencing the radiographic appearance of bony lesions. J. Endod., 1997, 23, Cederberg R. A., Tidwell E., Frederiksen N. L., Benson B. W.: Endodontic working length assessment: a comparison of storage phosphor digital imaging and radiographic film. Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. Oral Radiol. Endod., 1998, 85, Cieślińska-Wilk G.: Narząd żucia. w: Radiologia. Diagnostyka obrazowa. Rtg, TK, USG, MR i radioizotopy pod red. B. Pruszyńskiego, Wyd. Lekarskie PZWL, Wyd. I, Warszawa, Czelej-Górski J., Różyło-Kalinowska I., Różyło T. K.: Ocena przydatności radiografii cyfrowej we wczesnym wykrywaniu i różnicowaniu zmian przewlekłych ropnych okołowierzchołkowych. Mag. Stomat., 2001, 116, Czelej-Górski J., Różyło T. K., Różyło- Kalinowska I.: The application of digital radiography and radiodensitometry in evaluation of chronic fibrous periapical changes of endodontically untreated teeth. Annales UMCS Sec. D., Medicina 2001, LVI, Czelej-Górski J., Różyło T. K., Różyło-Kalinowska I.: Zastosowanie radiografii cyfrowej i radiodensytometrii do wykrywania resorpcji w przebiegu ostrych zmian okołowierzchołkowych. Mag. Stomat., 2001, 115, Delano E. O., Ludlow J. B., Ørstavik D., Tyndall D., Trope M.: Comparison between PAI and quantitative digital radiographic assessment of apical healing after endodontic treatment. Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. Oral Radiol. Endod., 2001, 92, Duinkerke A. S., van de Poel A. C., Doesburg W. H., Lemmens W. A.: Densitometric analysis of experimentally produced periapical radiolucencies. Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol., 1977, 43, Kozakiewicz M., Arkuszewski P., Dudek D., Antoszczyk Ł.: Cyfrowa analiza obrazu radiologicznego ubytków w gałęzi żuchwy zaopatrzonych błonami TefGen. Badania in vivo. Mag. Stomat., 2003, 13, Różyło-Kalinowska I.: Możliwości diagnostyczne przy zastosowaniu zaawansowanego oprogramowania do obróbki obrazów cyfrowych w radiologii stomatologicznej. Twój Mag. Med. Stom., 2003, 13, Otrzymano: dnia 5.I.2005 r. Adres autorki: Lublin, ul. Dudzińskiego rozylo-kalinowska@am.lublin.pl 278