Trabecular bone: texture analysis in CT to improve osteoporosis diagnosis in Duchenne muscle distrophy patients

Abstract

In recent years, interest in bone mineral densitometry (BMD) for children has increased, mainly due to the varieties of disease that influence bone growth. Trabecular bone densitometry in CT from lumbar vertebra is usually used clinically as a good indicator of bone deterioration and fracture risk. Nevertheless, diagnosing osteoporosis in obese and Duchenne Muscle Distrophy (DMD) children by BMD has been difficult due to the attenuation of radiation dose by abdominal fat, which could lead to overestimation of the degree of bone deterioration. The present work is an effort to improve pediatric osteoporosis diagnostic efficacy by analyzing the trabecular bone texture via CT with two frequency based methods: fractal dimension with power spectrum (Dps) and wavelet packets (WP). Healthy young adults group in the peak bone mass was statistically compared (t-student) with osteoporotic women with either fractal dimension or the four WP energy bands, and the results suggested significant differences. Applying ANOVA to three DMD children groups classified by their z-score as having normal, low and very low bone mineral density, significant differences were also found. At last, when comparing the DMD pediatric groups with that osteoporotic women, great statistical significance was found for all texture indicators. Results shown that the introduced techniques for image texture analysis could quantify the trabecular bone deterioration; this may help to improve the osteoporosis diagnosis in overweight patients, in specific DMD children, where it is often a diagnostic challenge.

Translated abstract

En años recientes, el interés en el estudio de la densitometría mineral de hueso (DMH) para aplicaciones pediátricas se ha incrementado, debido principalmente a la variedad de enfermedades que influyen en el crecimiento del hueso. La densitometría del hueso trabecular en tomografía computada (TC) para vértebras lumbares se utiliza regularmente en la clínica como un buen indicador del deterioro del hueso y el riesgo de fractura. Sin embargo, el diagnóstico de la osteoporosis en pacientes pediátricos obesos y la distrofia muscular de Duchenne (DMD) por el método de DMH ha sido difícil debido a la atenuación de la dosis de radicación por la grasa abdominal, la cual puede producir la sobre estimación del grado de deterioro del hueso. El presente trabajo es un esfuerzo para mejorar la eficiencia del diagnóstico de la osteoporosis pediátrica a través del análisis de la textura del hueso trabecular utilizando la TC con dos métodos basados en frecuencia: la dimensión fractal con el espectro de potencia (DEP) y paquetes wavelet (PW). Un grupo de pacientes adultos jóvenes en la masa pico del hueso fue estadísticamente comparada (prueba de t-student) con mujeres con osteoporosis que presentaban ya sea una dimensión fractal o las cuatro bandas de energía de los PW. Los resultados mostraron diferencias significativas. El método de ANOVA fue aplicado a los tres grupos de niños con DMH utilizando sus índices Z teniendo densidad mineral del hueso normal, baja y muy baja, mostrando diferencias significativas. Finalmente, cuando se compararon los grupos pediátricos afectados por DMH con mujeres afectadas por osteoporosis, una diferencia muy significativa fue encontrada para todos los indicadores de textura. Los resultados mostraron que las técnicas introducidas en este estudio para el análisis de imágenes de textura puede cuantificar el deterioro del hueso trabecular. Esto podría ayudar para mejorar el diagnóstico de la osteoporosis en pacientes con sobrepeso, en niños específicos con DMH que en general es un reto médico importante.