Analysis of Age Distribution of Bone Mineral Density by Dual-Energy X-Ray Absorptiometry

Objective: to conduct the study of age distribution of bone mineral density (BMD) by the database of dualenergy X-ray absorptiometry (DXA) and to compare it with datа of population NHANES study. Material and methods. We used data from the densitometry of three-zone (total hip (TH), femoral neck (FN), and lumbar spine) measured by DXA from two outpatient clinics. The obtained data were compared with NHANES III for TH and FN and with NHANES 2005-08 for lumbar spine. The BMD value was corrected with the calibration coefficient for each DXA scanner. Adjustments were also made for the population distribution by sex and age. Results. Compared with NHANES for FN and TH, the obtained BMD values were significantly decreased for patients aged less than 50 years (men and women). The BMD values for FN and TH were unsignificantly decreased in men older 50 years. In women older 50 years unsignificantly decreased BMD values for FN and a significantly increased BMD values for TH were observed. The BMD values were decreased for lumbar spine in men and women throughout this age interval (more than 50 years old). Conclusion. The population BMD distribution in men and women was assessed by DXA method. The obtained dependence of the BMD for FN in women older 50 years was in good agreement with the results given by Russian and foreign authors

Применение алгоритма искусственного интеллекта для оценки минеральной плотности тел позвонков по данным компьютерной томографии

Goal: To develop a method for automated assessment of the volumetric bone mineral density (BMD) of the vertebral bodies using an artificial intelligence (AI) algorithm and a phantom modeling method.Materials and Methods: Evaluation of the effectiveness of the AI algorithm designed to assess BMD of the vertebral bodies based on chest CT data. The test data set contains 100 patients aged over 50 y.o.; the ratio between the subjects with/without compression fractures (Сfr) is 48/52. The X-ray density (XRD) of vertebral bodies at T11-L3 was measured by experts and the AI algorithm for 83 patients (205 vertebrae). We used a recently developed QCT PK (Quantitative Computed Tomography Phantom Kalium) method to convert XRD into BMD followed by building calibration lines for seven 64-slice CT scanners. Images were taken from 1853 patients and then processed by the AI algorithm after the calibration. The male to female ratio was 718/1135.Results: The experts and the AI algorithm reached a strong agreement when comparing the measurements of the XRD. The coefficient of determination was R2=0.945 for individual vertebrae (T11-L3) and 0.943 for patients (p=0.000). Once the subjects from the test sample had been separated into groups with/without Сfr, the XRD data yielded similar ROC AUC values for both the experts – 0.880, and the AI algorithm – 0.875. When calibrating CT scanners using a phantom containing BMD samples made of potassium hydrogen phosphate, the following averaged dependence formula BMD =0.77*HU-1.343 was obtained. Taking into account the American College Radiology criteria for osteoporosis, the cut-off value of BMD<80 mg/ml was 105.6HU; for osteopenia BMD<120 mg/ml was 157.6HU. During the opportunistic assessment of BMD in patients aged above 50 years using the AI algorithm, osteoporosis was detected in 31.72% of female and 18.66% of male subjects.Conclusions: This paper demonstrates good comparability for the measurements of the vertebral bodies’ XRD performed by the AI morphometric algorithm and the experts. We presented a method and demonstrated great effectiveness of opportunistic assessment of vertebral bodies’ BMD based on computed tomography data using the AI algorithm and the phantom modeling.Цель работы: разработать методику автоматизированной оценки объемной минеральной плотности кости (МПК) тел позвонков с помощью алгоритма искусственного интеллекта (ИИ) и метода фантомного моделирования.Материалы и методы: Для оценки эффективности алгоритма ИИ, проводящего измерение МПК тел позвонков по данным КТ органов грудной клетки (ОГК), подготовлен набор данных: 100 пациентов старше 50 лет и отношением с/без компрессионных переломов (КП) 48/52. Из них у 83 алгоритмом ИИ и экспертами была измерена рентгеновская плотность (РП) тел позвонков на уровне Th11-L3 (205 позвонков). Для перевода РП (HU) в МПК применялась разработанная ранее методика ККТ ФК (Количественная компьютерная томография фантом калиевый) с построением калибровочных прямых для семи 64-срезовых КТ сканеров. После проведения калибровки были выполнены и обработаны алгоритмом ИИ КТ ОГК 1853 пациентов в соотношении мужчин и женщин составило 718/1135.Результаты: В ходе оценки эффективности алгоритма ИИ получено хорошее соответствие при сравнении измерений МПК по данным экспертов и алгоритма ИИ. Коэффициент детерминации составил R2= 0,945 для отдельных позвонков (Th11-L3) и 0,943 для пациентов (р=0,000). При разделении пациентов из тестовой выборки на группы с/без КП по данным РП были получены сходные показатели ROC AUC для экспертной разметки 0,880 и по данным алгоритма ИИ 0,875. При калибровке КТ сканеров с помощью фантома, содержащего образцы МПК на основе гидрофосфата калия, получена усредненная формула зависимости МПК=0,77*HU-1,343. С учетом критериев American College Radiology для остеопороза граничное значение МПК<80 мг/мл составило 105,6HU для остеопении МПК<120 мг/мл – 157,6HU. При оппортунистическом определении МПК у пациентов старше 50 лет по данным алгоритма ИИ было установлено, что остеопороз выявлен у 31,72% женщин и 18,66% мужчин.Вывод: Продемонстрирована хорошая сопоставимость результатов определения РП тел позвонков по данным морфометрического алгоритма ИИ и при экспертной разметке. Предложена методика и продемонстрирована эффективность оппортунистического определения МПК тел позвонков по данным КТ с помощью алгоритма ИИ и использования фантомного моделирования

Сравнение двух методик асинхронной КТ-денситометрии

Rationale. Quantitative CT (QCT) bone densitometry with asynchronous calibration not require a phantom during the scan procedure. Based on calibration data it converts X-ray density in HU to bone mineral density (BMD). Given the large number of CT studies performed on patients at risk of osteoporosis, there is a need for a hands-on method capable of assessing BMD in a short period of time without tailored software or protocols.Goal. To develop a method for QCT bone densitometry using an PHK (PHantom Kalium), to compare the volume BMD measurements with the QCT data with asynchronous calibration provided by software from a reputable developer.Methods. The studies were performed at 64-slice CT unit with body scanning parameters. The BMD was measured using two techniques: 1) QCT with asynchronous calibration using software from a reputable developer; 2) QCT using a PHK phantom (QCT-PHK). For convert the HU to BMD values, we scanned the PHK phantom and calculate correction factor. Phantom contains “vertebrae” filled with potassium hydrogen phosphate in different concentrations. In both methods, the BMD values measured for LI–II, and sometimes for ThXII, LIII.Results. The study enrolled 65 subjects (11 male and 54 female patients); median age 69.0 years. A comparison of the vertebrae BMD measured by QCT and QCT-PHK revealed a significant linear Pearson correlation r = 0.977 (p < 0.05). The Bland–Altman analysis demonstrated a lack of relationship between the difference in measurements and the average BMD and a systematic BMD; bias of +4.50 mg/ml in QCT vs. QCT-PHK. Differences in the division into groups osteoporosis / osteopenia / norm according to the ACR criteria for the two methods were not significant.Conclusion. The developed asynchronous QCT-PHK method measure BMD comparable to the widely used QCT with asynchronous calibration. This method can be used for opportunistic screening for osteoporosis.Обоснование. Количественная компьютерная томография (ККТ) с асинхронной калибровкой не требует фантома при сканировании пациента. На основе данных калибровки этот метод преобразует рентгенов- скую плотность (HU) в минеральную плотность кости (МПК). Учитывая большое количество КТ-исследований, проводимых у пациентов с риском остеопороза, существует потребность в практичном методе, позволяющем оценить МПК за короткий период времени без специального программного обеспечения.Цель. Разработать метод денситометрии кости QCT с использованием фантома РСК ФК2, сравнить измерения разработанного метода и результатами QCT с асинхронной калибровкой с использованием программного обеспечения от известного производителя.Методы. Исследования проводились на 64-срезовом КТ-сканере. МПК измеряли с использованием двух методов: 1) QCT с асинхронной калибровкой с использованием программного обеспечения от известного производителя; 2) QCT-ФК с использованием фантома РСК ФК2 (Разработка средств измерения, фантом калиевый вторая модификация). Для преобразования HU в значения МПК мы сканировали фантом РСК ФК2 и рассчитывали поправочный коэффициент. Фантом содержит “позвонки”, заполненные гидрофосфатом калия в разных концентрациях. В обоих методах значения BMD измеряли для позвонков LI–II (в ряде наблюдений для ThXII, LIII).Результаты. В исследование было включено 65 человек (11 мужчин и 54 женщины); медиана возраста 69,0 года Q1 60 лет, Q3 71 год. Сравнение МПК позвонков, измеренное с помощью методов QCT и QCT-ФК, выявило значимую линейную корреляцию Пирсона r = 0,977 (p < 0,05). Анализ по Бленду–Альтману показал отсутствие связи между разницей в измерениях показателях и средней BMD, также было отмечено достоверное систематическое смещение BMD +4,50 мг/мл в QCT по сравнению с QCT-ФК. С использованием непараметрического критерия Уилкоксона было показано, что различия в разбиении на группы: остео- пороз / остеопения / норма по критериям ACR (American College Radiology) для двух методов было недостоверным.Вывод. Разработанный асинхронный метод QCT-ФК измеряет МПК сравнимо с широко используемым методом QCT с асинхронной калибровкой. Этот метод может использоваться для оппортунистического скрининга остеопороза