Porównanie rozkładów gęstości optycznej ubytków istoty zbitej i gąbczastej trzonu żuchwy w modelu in vitro

Transkrypt

1 Czas. Stomat., 2005, LVIII, 8 Porównanie rozkładów gęstości optycznej ubytków istoty zbitej i gąbczastej trzonu żuchwy w modelu in vitro Comparison of histograms of optical density of compact and spongy bone defects in the body of the mandible in an in vitro model Ingrid Różyło-Kalinowska Z II Zakładu Radiologii Lekarskiej Akademii Medycznej im prof. Feliksa Skubiszewskiego w Lublinie Kierownik: prof. dr hab. n. med. Janusz Złomaniec Streszczenie Celem pracy było porównanie rozkładów gęstości optycznej ubytków istoty zbitej i gąbczastej trzonu żuchwy w modelu in vitro dla określenia ich udziału w tworzeniu obrazu rentgenowskiego. Materiał stanowiły żuchwy dwuletnich świń domowych (Sus domesticus), w których wykonywano otwory w istocie gąbczastej i zbitej o stałej śr. 1,5 mm o głębokości od 1 mm, co 1 mm, aż do całkowitego zniszczenia tkanki kostnej. Na każdym etapie wykonywano cyfrowe zdjęcia rentgenowskie, a następnie wyznaczano i analizowano histogram w obrębie koła o stałej powierzchni i położeniu. Stwierdzono, że rozkłady gęstości w obrębie istoty zbitej były wąskie i wysokie, co świadczy o dużej jednorodności jej budowy, zaś średnia gęstość przyjmowała wysokie wartości. Przeciwnie, choć na zdjęciu przeglądowym histogram wykreślony dla istoty gąbczastej również cechował wysoki i wąski rozkład wartości, to obraz zmieniał się wyraźnie wraz z postępami destrukcji kości. Rozkłady gęstości otrzymane dla końcowych etapów tworzenia ubytku w tkance kostnej gąbczastej były szerokie i o niskiej amplitudzie. Odmienności w kształtach histogramów ubytków istoty gąbczastej i istoty zbitej świadczą o dużej jednorodności i gęstości istoty zbitej, a tym samym jej wysokim wpływie na powstawanie obrazu rentgenowskiego. Istota gąbczasta w niewielkim stopniu przyczynia się do tworzenia obrazu radiologicznego, a więc jej ubytki mogą być trudno uchwytne radiologicznie. HASŁA INDEKSOWE: radiografia cyfrowa, istota zbita, istota gąbczasta, ubytki tkanki kostnej Summary The aim of the paper was to compare histograms of optical density of compact and spongy bone defects in the body of the mandible in an in vitro model, in order to determine their participation in the creation of a radiographic image. The material comprised of mandibles of 2-year-old pigs (Sus domesticus), in which defects were made in the compact and spongy bone, 1.5 mm in diameter, from a depth of 1 mm, and of increasing depth every 1 mm until complete destruction of the bone was obtained. At every stage digital radiograms were taken, and then histograms were drawn and analysed within a circle of constant surface area and location. It was found that histograms for the compact bone were narrow and elevated, showing a homogenous structure of the compact bone, with high mean density values. In contrast, although histograms for spongy bone on a reference image were also high and narrow, the image changed distinctly during bone destruction. Histograms obtained for the last stages of spongy bone destruction were wide and low. The differences in the shapes of histograms for defects in the compact and spongy bone show high homogeneity and density of the compact bone, and thus its considerable influence on the creation of a radiographic image. The spongy bone hardly contributes to the appearance of a radiographic image, so its defects may be difficult to detect radiologically. KEYWORDS: digital radiography, compact bone, spongious bone, bone defects 593

2 I. Różyło-Kalinowska. Czas. Stomat., Powstawanie obrazu rentgenowskiego zależy od stopnia pochłaniania promieniowania jonizującego przez badany obiekt, a tym samym od gęstości tego obiektu. Gęstość ta jest odmienna w obrębie istoty zbitej i gąbczastej, stąd wykrywalność ubytków w kości zbitej jest wyższa niż w istocie gąbczastej, co sprawia, że nierzadko zmiany w istocie gąbczastej w momencie rozpoznania są już zaawansowane. Celem pracy było porównanie rozkładów gęstości optycznej ubytków istoty zbitej i gąbczastej trzonu żuchwy w modelu in vitro dla określenia ich udziału w tworzeniu obrazu rentgenowskiego. Materiał i metody Materiał stanowiły żuchwy dwuletnich świń domowych (Sus domesticus), pochodzących z uboju przemysłowego. W okolicy brzegu dolnego żuchwy oraz w istocie gąbczastej żuchwy nawiercano w tkance kostnej otwory o stałej śr. 1,5 mm o głębokości od 1 mm, co 1 mm, aż do całkowitego zniszczenia tkanki kostnej. Otwory stanowiły modele in vitro ubytków tkanki kostnej zbitej i gąbczastej. Przed rozpoczęciem destrukcji tkanki kostnej wykonywano przeglądowe cyfrowe zdjęcie rentgenowskie, a następnie kolejne zdjęcia po każdym etapie procesu niszczenia kości. Zdjęcia wykonywano aparatem do zdjęć wewnątrzustnych Planmeca Intra (Finlandia), a odbiornikiem obrazu był detektor systemu radiografii cyfrowej Dixi 2 (Planmeca, Finlandia). Zdjęcia archiwizowano korzystając z dostępnego na rynku firmowego oprogramowania Dimaxis w wersji pracującego w środowisku systemu Windows. Celem zapewnienia powtarzalności ustawienia i możliwości porównywania kolejnych zdjęć wykonywanych w danym regionie zainteresowania (ROI) badane żuchwy unieruchamiano w imadle. Do wykonywania zdjęć stosowano technikę kąta prostego z użyciem pierścieni do celowania z prowadnikami i bloczkami do zagryzania z zestawu do techniki kąta prostego firmy Rinn (USA) (1, 2), zaś położenie detektora zaznaczano markerem na powierzchni badanej żuchwy. Rozkłady gęstości tkanki kostnej (histogramy) uzyskiwano korzystając z możliwości oprogramowania Emago wersja 3.42 (Oral Diagnostic Systems, ACTA, Holandia) przeznaczonego do zaawansowanej analizy cyfrowych stomatologicznych zdjęć rentgenowskich. W obrębie ROI wykreślano koło o stałym polu powierzchni i położeniu, a następnie archiwizowano okno z wykreślonym histogramem. Następnie analizowano rozkłady gęstości skumulowane i dla poszczególnych przypadków. Wyniki Na rycinach 1 i 2 zamieszczono przykładowe histogramy ubytków tkanki kostnej gąbczastej i zbitej na kolejnych etapach destrukcji tkanki kostnej. Przedstawione na ryc. 1 rozkłady wartości gęstości optycznej w obrębie koła o stałym polu powierzchni i położeniu w obrębie ubytku tkanki kostnej gąbczastej wykazują ewolucję od wysokiego piku o dużej wartości średniej poprzez histogramy o nadal wysokiej średniej wartości, ale o poszerzonej podstawie, przesuwające się z każdym kolejnym etapem destrukcji kostnej w stronę niższych wartości gęstości optycznej. Na końcowych histogramach widać, że cienkie warstwy tkanki kostnej gąbczastej (ryc. 1. k. 2 mm i l. 1 mm) w bardzo małym stopniu osłabiają promieniowanie rentgenowskie, w związku z czym wartość średnia pomiaru jest bardzo niska, rozkład gęstości szeroki i o niskiej amplitudzie. Można na tej podstawie wnioskować, że skoro istota gąbczasta w tak niewielkim stopniu przyczynia się do tworzenia obrazu radiologicznego, jej ubytek o średnicy rzędu 1-2 mm może być całkowicie nieuchwytny w badaniu rentgenowskim. Przedstawione na ryc. 2 rozkłady wartości gęstości optycznej w obrębie koła o stałym polu powierzchni i położeniu w obrębie ubytku tkanki kostnej zbitej różnią się od przedstawionych powyżej histogramów dla tkanki kostnej gąbczastej. Można stwierdzić, że w przypadku istoty 594

3 2005, LVIII, 8 Gęstość optyczna ubytków istoty zbitej i gąbczastej trzonu żuchwy a b c d e f g h i j k l Ryc. 1. Rozkład gęstości w obrębie koła o stałym położeniu i wymiarach dotyczące kolejnych etapów tworzenia ubytków w tkance kostnej gąbczastej; a badanie referencyjne i badania ubytków głębokości: b 0,5 mm, c 1 mm, d 2 mm, e 3 mm, f. 4 mm, g 5 mm, h 6 mm, i 7 mm, j 8 mm, k 9 mm, l 10 mm. 595

4 I. Różyło-Kalinowska. Czas. Stomat., a b c d e f g h i j k l Ryc. 2. Rozkłady gęstości w obrębie koła o stałym położeniu i wymiarach dotyczące kolejnych etapów tworzenia ubytków w tkance kostnej zbitej brzegu dolnego żuchwy: a badanie referencyjne i badania ubytków głębokości: b 0,5 mm, c 1 mm, d 2 mm, e 3 mm, f 4 mm, g 5 mm, h 6 mm, i 7 mm; j 8 mm, k 9 mm, l 10 mm. 596

5 2005, LVIII, 8 Gęstość optyczna ubytków istoty zbitej i gąbczastej trzonu żuchwy zbitej histogramy o wysokim szczycie występują na każdym etapie tworzenia ubytku w tkance kostnej. Ponadto rozkłady te aż do ubytku o głębokości 5 mm mają bardzo wąskie podstawy, a w ubytkach o głębokości 6 i 7 mm nadal nie są szerokie. Świadczy to o dużej jednorodności istoty zbitej oraz o jej wysokim udziale w tworzeniu obrazu rentgenowskiego poprzez duże osłabianie wiązki promieniowania. Nawet istota zbita o grubości zaledwie 1 mm (ryc. 2 l.) ma rozkład gęstości o wysokiej wartości średniej w porównaniu z tkanką kostną gąbczastą o tej samej grubości. Dyskusja Zawartość minerałów w jednostce objętości tkanek twardych jest bardzo zmienna najwyższa jest w szkliwie, następnie w podokostnowej części warstwy zbitej, niższa w wewnętrznej powierzchni blaszki zbitej, zaś najniższa w istocie gąbczastej. Powstawanie tzw. cieni na zdjęciu rentgenowskim, a więc różnic w pochłanianiu promieniowania rentgenowskiego, zależy właśnie od zawartości minerałów. W badaniach własnych porównano histogramy tkanki kostnej zbitej i gąbczastej żuchwy. Stwierdzono, że rozkłady gęstości w obrębie istoty zbitej były wąskie i wysokie, co świadczy o dużej jednorodności jej budowy, zaś średnia gęstość przyjmowała wysokie wartości. Taki kształt histogramów obserwowano nawet na końcowych etapach destrukcji tkanki kostnej, gdy pozostała już jedynie warstwa istoty zbitej grubości 3 mm. Świadczy to o dużym udziale istoty zbitej w tworzeniu obrazu rentgenowskiego kości poprzez znaczne osłabienie wiązki promieniowania X. Przeciwnie, choć na zdjęciu przeglądowym histogram wykreślony dla istoty gąbczastej również cechował wysoki i wąski rozkład wartości, to obraz zmieniał się wyraźnie wraz z postępami destrukcji kości. Rozkłady gęstości otrzymane dla końcowych etapów tworzenia ubytku w tkance kostnej gąbczastej (1 lub 2 mm grubości tkanki gąbczastej) były szerokie i o niskiej amplitudzie. Różnice te wywodzą się z faktu, że taka sama objętość istoty gąbczastej ma znacznie mniejszą zawartość związków mineralnych ze względu na beleczkowatą budowę niż istota zbita. Jako że komputer przelicza średni poziom szarości wszystkich pikseli w obrębie zadanego obszaru zainteresowania (ROI), przekrój o danej grubości przechodzący przez istotę zbitą daje większą gęstość niż przekrój o takiej samej grubości przez istotę gąbczastą (2, 3). W okolicy wierzchołkowej korzenia przy wykonywaniu sztucznych ubytków usuwa się za każdym razem niewielką ilość istoty gąbczastej, podczas gdy ubytek o takiej samej głębokości wykonany w istocie zbitej spowoduje usunięcie dużej ilości tkanki kostnej (5). W piśmiennictwie nie znaleziono prac dotyczących zastosowania histogramów w analizie modeli in vitro, stąd brak możliwości konfrontacji wyników własnych z pracami innych autorów. Natomiast analizę rozkładów gęstości autorzy amerykańscy stosowali do badania możliwości różnicowania ziarniniaków okołowierzchołkowych i torbieli korzeniowych (6, 7). Materiał badań Shrouta i wsp. (6) stanowiły zdjęcia zębowe dolnych przedtrzonowców i trzonowców, a więc zębów z okolicy, która jest łatwo dostępna badaniu rentgenowskiemu. Konwencjonalne zdjęcia zostały zamienione na obrazy cyfrowe za pomocą skanera. Wokół każdej zmiany okołowierzchołkowej za pomocą myszki komputerowej wykreślano wielokątny obszar (ROI), obejmujący całe przejaśnienie wraz z 1-2 mm rąbkiem tkanki kostnej wokół zmiany. Następnie wykreślano histogram dla 256 poziomów szarości w obrębie ROI. Wykazano, że skumulowane histogramy torbieli korzeniowych i ziarniniaków okołowierzchołkowych różniły się. Histogramy torbieli były węższe i miały jedno maksimum, podczas gdy histogramy ziarniniaków były niższe niż torbieli i miały więcej niż jedno maksimum. Autorzy wnioskowali, że na podstawie analizy histogramów możliwe jest różnicowanie tych dwóch typów zmian patologicznych. Wadą badań Shrouta i wsp. (6) było wykorzy- 597

6 I. Różyło-Kalinowska. Czas. Stomat., stanie zdjęć rentgenowskich, które nie były standaryzowane pod względem techniki wykonania i wywołania. Miało to wpływ na różnice w jasności i kontraście pomiędzy poszczególnymi zdjęciami, przekładające się następnie na różnice w obrazie cyfrowym i wynikach analizy histogramów. W badaniach własnych nie stosowano więc skanowanych konwencjonalnych zdjęć rentgenowskich, których jakość zależy od wielu czynników, takich jak właściwości danego rodzaju filmu rentgenowskiego, parametry ekspozycji zdjęcia, obróbka ciemniowa ręczna bądź automatyczna oraz warunki przechowywania zdjęcia. Materiał własny składał się jedynie z cyfrowych zdjęć rentgenowskich, których wysycenie ma stałą jakość, gdyż system radiografii cyfrowej po wstępnej kalibracji automatycznie dokonuje korekcji obrazu, tak aby zawsze możliwe było otrzymanie zdjęcia o wysokiej jakości. White i wsp. (7) powtórzyli badania Shrouta (6) używając skanowanych konwencjonalnych zdjęć rentgenowskich, jednak z zastosowaniem korekcji obrazów cyfrowych w taki sposób, aby ich jasność i kontrast były porównywalne. Pomiary obszarów ROI wokół korzeni powtarzano trzykrotnie i wyciągano średnią. Mierzono pole powierzchni zmiany jako ilość składających się na nią pikseli, a następnie wartości te zamieniano na milimetry kwadratowe. Ustalano średni poziom szarości poszczególnych zmian na podstawie skumulowanych histogramów. Stwierdzono, że otrzymane wartości szarości nie były istotne statystycznie (p=0,530). Choć torbiele zwykle były większe niż ziarniniaki, to mimo to nie stwierdzono istnienia korelacji pomiędzy wielkością zmiany a jej średnią gęstością. Autorom cytowanej pracy nie udało się potwierdzić wniosków wstępnych badań Shrouta (6), że możliwe jest radiologiczne różnicowanie zmian o charakterze ziarniniaków i torbieli. Wnioski Odmienności w kształtach histogramów ubytków istoty gąbczastej i istoty zbitej świadczą o dużej jednorodności i gęstości istoty zbitej, a tym samym jej wysokim wpływie na powstawanie obrazu rentgenowskiego. Istota gąbczasta w niewielkim stopniu przyczynia się do tworzenia obrazu radiologicznego, a więc jej ubytki mogą być trudno uchwytne radiologicznie. Piśmiennictwo 1. 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, 3, Christgau M., Hiller K-A., Schmalz G., Kolbeck C., Wenzel A.: Accuracy of quantitative digital subtraction radiography for determining changes in calcium mass in mandibular bone: an in vitro study. J. Periodont. Res., 1998, 33, 3, Christgau M., Hiller K-A., Schmalz G., Kolbeck C., Wenzel A.: Quantitative digital subtraction radiography for the determination of small changes in bone thickness. An in vitro study. Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. Oral Radiol. Endod., 1998, 85, 4, 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, Kullendorff B., Gröndahl K., Rohlin M., Henrikson C. O.: Subtraction radiography for the diagnosis of periapical bone lesions. Endod. Dent. Traumatol., 1988, 4, 6, Shrout M. K., Hall J. M., Hildebolt C. E.: Differentiation of periapical granulomas and radicular cysts by digital radiometric analysis. Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol., 1993, 76, 3, White S. C., Sapp J. P., Seto B. G., Mankovich N. J.: Absence of radiometric differentiation between periapical cysts and granulomas. Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol., 1994, 78, 5, Otrzymano: dnia 28.II.2005 r. Adres autorki: Lublin, ul. Dudzińskiego rozylo.kalinowska@am.lublin.pl 598