Оценка плотности распределения элементов губчатого вещества тел поясничных позвонков методом текстурного анализа

doi:

ORIGINAL ARTICLE doi:

Современные методы изучения медицинских изображений в большей мере предполагают их объективную, численную оценку.

Одним из таких методов является текстурный анализ – метод, основанный на определении численных характеристик исследуемой области [1]. Термин «текстура» в данном контексте отображает морфологический субстрат зоны интереса, соответственно, характеристика текстуры изображения тождественна характеристике морфологического субстрата.

Метод текстурного анализа предполагает изучение свойств зоны интереса согласно пространственным зависимостям полутонов: каждый пиксель или воксель обладает рядом численных характеристик, соответственно, их анализ позволяет получить объективные количественные данные, характеризующие изображение в целом [2].

На сегодняшний день и при текущем уровне прогресса методов медицинской визуализации наиболее ценным для диагностики остеопороза, который является медицинской и социальной проблемой современности, представляется углубленный пиксельный и воксельный анализ строения губчатого вещества тел поясничных позвонков, основанный на изучении их медицинских изображений [3]. Среди базовых характеристик зоны интереса и, как следствие, морфологической основы изображения выделяется интенсивность сигнала [4].

Данный параметр – специфический биомаркер, применяемый для оценки структуры трабекулярной кости в норме и при ее рарефикации.

Ранее ученые исследовали возможность применения характеристики интенсивности сигнала для диагностики первичных и вторичных изменений в структуре костей, в том числе для проведения дифференциальной диагностики между остеобластическими и остеолитическими метастатическими очагами, а также для оценки структуры костной ткани в целом.

Использование описанного параметра представляется нам перспективным в связи с тем, что некое изменение морфологического субстрата (трабекулярной кости вследствие различных патологических процессов) влечет за собой предсказуемые колебания интенсивности сигнала от исследуемой зоны.

Статистические показатели сигнальных характеристик исследуемого изображения – отличный инструмент, который должен войти в стандартный набор диагностических средств, поскольку его можно использовать как для дифференциальной диагностики уже существующих изменений, так и для своевременного обнаружения ранних, доклинических изменений минеральной плотности костей [5].

Закономерно предположить, что при уменьшении минеральной плотности губчатого вещества кости несколько изменится интенсивность сигнала данного изображения (signal intensity – SI здесь и далее) [6].

В связи с тем, что на данном этапе отсутствуют эталоны нормы обсуждаемого параметра в зависимости от пола и возрастной группы, внедрение характеристик интенсивности сигнала в повседневную практику врачей-диаг-ностов не представляется возможным. Однако эти ограничения задают вектор для досконального статистического и математического изучения численных показателей, которые могут стать количественным критерием нормальной структуры губчатого вещества тел поясничных позвонков у лиц разных периодов зрелого возраста.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Установить значения интенсивности сигнала губчатого вещества тел поясничных позвонков лиц I и II периодов зрелости в норме.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Дизайн исследования предполагал три этапа выполнения работы:

• 1.    Выделение зоны интереса, а именно – губчатого вещества тел позвонков L I –L V на медицинском изображении. При этом использовались МР-томограммы поясничного отдела позвоночника лиц мужского и женского пола, первого и второго периодов зрелого возраста, выполненные в срединно-сагиттальной проекции. Выборка представлена 35 снимками без выраженных изменений структуры.

• 2.    Фиксация и сбор таких параметров, как: среднее значение SI, ее максимальное и минимальное значения, площадь изучаемой области, стандартное квадратичное отклонение SI. Важно подчеркнуть, что в связи с отсутствием морфометрической метки на исследуемых томограммах было невозможно вычислить абсолютное значение проекционной площади губчатого вещества тел позвонков L I –L V , однако, учитывая, что снимки имеют одинаковый масштаб, можно говорить о достоверности различий проекционной площади исследуемой зоны интереса. Для сегментации применялся инструмент выделения Open poligone, позволяющий детальнее обрисовать зону сегментации.

• 3.    Статистическая обработка полученных данных при помощи компьютерной программы StatMed. Для статистической обработки использовались как параметрические, так и непараметрические критерии. Их выбор обусловливался соответствием или несоответствием полученных данных нормальному закону распределения частот величин. Для определения соответствия нормальному закону распределения частот применялся критерий Д´Агостино-Пирсона. В случае если уровень значимости при критерии оказывался >0,05, распределение оценивалось как нормальное.

Сегментация производилась в интерактивной среде ПО RadiAnt DICOM Viewer.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯИ ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На первом этапе работы определялось наличие статистически значимых отличий между величинами проекционной площади губчатого вещества тел поясничных позвонков. Не было выявлено таковых между величинами указанной переменной в телах LI и LII, LII и LIII, LIV и LV (p* > 0,05, где р* – уровень значимости при коэффициенте Вилкоксона). Однако данный показатель оказался статистически значимо больше в теле LIV, нежели в теле LIII (р* = 0,036).

В общей выборке медиана значений SI области интереса в теле LI составила 1 730,28 + 12,32 абсолютных безразмерных единиц (а. б. е. здесь и далее), в теле LII – 1 687,19 + 16,73 а. б. е., в теле LIII – 1 736,68 + 14,01 а. б. е. Среднее значение изучаемой переменной в теле LIV эквивалентно 1 722 + 8,89 а. б. е., медиана значении изучаемой переменной в теле LV оказалась равна 1 689,93 + 17,12 а. б. е.

В табл. 1 приведены другие статистические критерии, характеризующие интенсивность сигнала от губчатого вещества тел поясничных позвонков.

Таблица 1

Статистические характеристики величины SI губчатого вещества тел поясничных позвонков по данным магнитно-резонансной томографии ( n = 35)

Переменная	Поясничные позвонки
	I	II	III	IV	V
M	–	–	–	1 722	–
Ме	1 730,28	1 687,19	1 736,68	–	1 689,93
m	–	–	–	9,624	–
m*	12,24	16,22	14,11		17,01
С. К. О.	–	–	–	86,52	–
min	1 542,77	1 471,03	1 530,21	1 540,59	1 467,68
max	1 875,21	1 943,98	1 956,43	1 875,13	1 944,67
Левый ДИ (95 %)	1 680,54	1 653,27	1 692,69	1 704	1 662,34
Правый ДИ (95 %)	1 743,97	1 732,89	1 770,59	1 729	1 733,61

Примечание: M – среднее значение, Me – медиана значений, m – ошибка среднего, m* – ошибка медианы, С. К. О. – среднее квадратичное отклонение, min – минимальное значение, max – максимальное значение, n – количество исследованных томограмм поясничных позвонков, ДИ – доверительный интервал.

Проведение пар сравнений статистических параметров центров двух выборок, не зависимых друг от друга, не выявило достоверных различий между значениями SI от тел L I и L II , а также L II и L III ( р * = 0,372, р * = 0,061 соответственно). В то же время величина данного критерия была статистически значимо больше в губчатом веществе тел L III , нежели L IV ( р = 0,034, где р – уровень значимости при коэффициенте Стьюдента). В теле L IV значение SI было достоверно больше, чем в губчатом веществе тела L V ( p * = 0,023). Исходя из указанных результатов, в общей выборке значение интенсивности сигнала от тел поясничных позвонков без учета возрастной группы остается стабильным от первого до третьего поясничного позвонка, после чего от третьего к пятому позвонку уменьшается.

Корреляционные связи между значениями изучаемой переменной и возрастом всех обследуемых либо отсутствуют, либо выражены слабо, имеют линейный характер и положительную направленность (коэффициент корреляции Спирмена r ≤ 0,04, уровень значимости при данном коэффициенте р > 0,05). Полученные результаты нуждаются в уточнении при анализе отдельных групп, дифференцированных по возрасту.

Далее рассчитывались величины описательной статистики показателя SI от губчатого вещества тел поясничных позвонков в различных возрастных группах. Так, в группе обследуемых первого периода зрелого возраста медиана значений изучаемой переменной в губчатом веществе тел L I равнялась (2 121 ± 9,87) а. б. е.; среднее значение SI от губчатого вещества тел L II составило (1 697 ± 15,85) а. б. е., от тел L III – (1 736 ± 13,45) а. б. е., от тел L IV – (1 771 ± 13,73) а. б. е, от губчатого вещества тел L V – (1 704 ± 16,61) а. б. е.

Проанализировав магнитно-резонансные томограммы лиц второго периода зрелого возраста, нам удалось получить следующие данные: среднее значение SI от губчатого вещества тел L I составило (1 729,75 ± 15,64) а. б. е., от тел L II – (1 708 ± 29,01) а. б. е., в области интереса тел L III медиана SI составила (1 728 ± 10,15) а. б. е., в губчатом веществе тел L IV среднее значение исследуемой переменной соответствовало (1 724 ± 17,09) а. б. е, медиана SI от тел L V составила (1 698 ± 21,04) а. б. е.

Не удалось установить достоверных отличий между численными значениями SI от губчатого вещества у лиц первого периода зрелого возраста при проведении парных сравнений: в L I и L II ( р = 0,324), L II и L III ( р = 0,213), L III и L IV ( р = 0,057),

L IV и L V ( р = 0572). Из чего можно сделать вывод, что в первом периоде зрелого возраста отсутствуют статистические связи между номером позвонка и значением SI.

Удалось установить статистически значимые различия у лиц второго периода зрелого возраста между значениями исследуемой переменной в LIII и LIV (р = 0,043), LIV и LV (р = 0,013), а именно более выраженную интенсивность сигнала от третьего поясничного позвонка, чем от четвертого, а от четвертого – чем от пятого. Полученные данные могут быть связаны с закономерным уменьшением минеральной плотности губчатого вещества тел поясничных позвонков, происходящих в данном возрастном периоде. Сравнение значений изучаемой переменной у лиц разных возрастных групп не выявило статистически значимых отличий между SI в первом и втором периодах зрелого возраста во всех позвонках поясничного отдела (р > 0,05 и р* > 0,05). Корреляционная связь между значениями SI и возрастом представителей обеих групп или отсутствовала, или интерпретировалась как линейная, слабая по силе, отрицательная – следовательно, статистически не значимая (r < 0,4, p ≥ 0,05).

Значения минимальных и максимальных показателей величины SI от губчатого вещества тел поясничных позвонков представлены в табл. 2.

Таблица 2

Величины, характеризующие показатель SI от губчатого вещества тел поясничных позвонков у лиц первого и второго периода зрелого возраста в норме

Переменная	Период зрелого возраста
	I                                            1                                           II                                          1		III                      1	IV             1	V
Первый
M	1 721	1 697	1 736	1 771	1 704
min	1 109	1 110	1 119	1 132	1 111
max	2 315	2 322	2 335	2 311	2 332
Второй
M	1 729,75	1 708	1 728	1 724	1 698
min	1 112	1 106	1 126	1 135	1 110
max	2 321	2 320	2 330	2 314	2 334

Примечание: M – медиана значений или среднее значение, min – минимальное значение, max – максимальное значение, I–V – поясничные позвонки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Были установлены численные значения одного из показателей текстурного анализа магнитно-резонансных томограмм поясничного отдела позвоночника – показателя интенсивности сигнала от губчатого вещества тел поясничных позвонков в норме у представителей первого и второго периодов зрелого возраста, которые могут быть использованы при изучении и оценке костной структуры тел поясничных позвонков.

В ходе исследования было установлено, что значения SI от губчатого вещества тел поясничных позвонков статистически значимо не отличались во всех позвонках у представителей первого периода зрелого возраста, а у обследуемых второго периода зрелого возраста – в первом-втором, втором-третьем позвонках.

Таким образом, у представителей первого периода зрелого возраста одно и то же эталонное значение SI может использоваться без учета номера позвонка, а во втором периоде зрелого возраста для оценки структуры губчатого вещества тел разных поясничных позвонков должны использоваться разные эталонные значения.

Показатель интенсивности сигнала может использоваться не только для диагностики патологических состояний костной ткани, но и в качестве предиктора ее рарефикации. Перспективным направлением развития данной области математической морфологии является определение значений других текстурных характеристик костной ткани в норме и внедрение их в практическую деятельность врача-диагноста.