3D subject-specific shape and density modeling of the lumbar spine from 2D DXA images for osteoporosis assessment

Abstract

Osteoporosis is the most common bone disease, with a significant morbidity and mortality caused by the increase of bone fragility and susceptibility to fracture. Dual Energy X-ray Absorptiometry (DXA) is the gold standard technique for osteoporosis and fracture risk evaluation at the spine. However, the standard analysis of DXA images only provides 2D measurements and does not differentiate between bone compartments; neither specifically assess bone density in the vertebral body, which is where most of the osteoporotic fractures occur. Quantitative Computed Tomography (QCT) is an alternative technique that overcomes limitations of DXA-based diagnosis. However, due to the high cost and radiation dose, QCT is not used for osteoporosis management. In this thesis, a method providing a 3D subject-specific shape and density estimation of the lumbar spine from a single anteroposterior DXA image is proposed. The method is based on a 3D statistical shape and density model built from a training set of QCT scans. The 3D subject-specific shape and density estimation is obtained by registering and fitting the statistical model onto the DXA image. Cortical and trabecular bone compartments are segmented using a model-based algorithm. 3D measurements are performed at different vertebral regions and bone compartments. The accuracy of the proposed methods is evaluated by comparing DXA-derived to QCT-derived 3D measurements. Two case-control studies are also performed: a retrospective study evaluating the ability of DXA-derived 3D measurements at lumbar spine to discriminate between osteoporosis-related vertebral fractures and control groups; and a study evaluating the association between DXA-derived 3D measurements at lumbar spine and osteoporosis-related hip fractures. In both studies, stronger associations are found between osteoporosis-related fractures and DXA-derived 3D measurements compared to standard 2D measurements. The technology developed within this thesis offers an insightful 3D analysis of the lumbar spine, which could potentially improve osteoporosis and fracture risk assessment in patients who had a standard DXA scan of the lumbar spine without any additional examination.

La osteoporosis es la enfermedad ósea más común, con una morbilidad y mortalidad significativas causadas por el aumento de la fragilidad ósea y la susceptibilidad a las fracturas. La absorciometría de rayos X de energía dual (DXA, por sus siglas en inglés) es la técnica de referencia para la evaluación de la osteoporosis y del riesgo de fracturas en la columna vertebral. Sin embargo, el análisis estándar de las imágenes DXA solo proporciona mediciones 2D y no diferencia entre los compartimentos óseos; tampoco evalúa la densidad ósea en el cuerpo vertebral, que es donde se producen la mayoría de las fracturas osteoporóticas. La tomografía computarizada cuantitativa (QCT, por sus siglas en inglés) es una técnica alternativa que supera las limitaciones del diagnóstico basado en DXA. Sin embargo, debido al alto costo y la dosis de radiación, la QCT no se usa para el diagnóstico de la osteoporosis. En esta tesis, se propone un método que proporciona una estimación personalizada de la forma 3D y la densidad de la columna vertebral en la zona lumbar a partir de una única imagen DXA anteroposterior. El método se basa en un modelo estadístico 3D de forma y densidad creado a partir de un conjunto de entrenamiento de exploraciones QCT. La estimación 3D personalizada de forma y densidad se obtiene al registrar y ajustar el modelo estadístico con la imagen DXA. Se segmentan los compartimentos óseos corticales y trabeculares utilizando un algoritmo basado en modelos. Se realizan mediciones 3D en diferentes regiones vertebrales y compartimentos óseos. La precisión de los métodos propuestos se evalúa comparando las mediciones 3D derivadas de DXA con las derivadas de QCT. También se realizan dos estudios de casos y controles: un estudio retrospectivo que evalúa la capacidad de las mediciones 3D derivadas de DXA en la columna lumbar para discriminar entre sujetos con fracturas vertebrales relacionadas con la osteoporosis y sujetos control; y un estudio que evalúa la asociación entre las mediciones 3D derivadas de DXA en la columna lumbar y las fracturas de cadera relacionadas con la osteoporosis. En ambos estudios, se encuentran asociaciones más fuertes entre las fracturas relacionadas con la osteoporosis y las mediciones 3D derivadas de DXA en comparación con las mediciones estándar 2D. La tecnología desarrollada dentro de esta tesis ofrece un análisis en 3D de la columna lumbar, que podría mejorar la evaluación de la osteoporosis y el riesgo de fractura en pacientes que se sometieron a una exploración DXA estándar de la columna lumbar sin ningún examen adicional.