L'ostéodensitométrie aux photons rayons X et gamma pour le diagnostique clinique Une revue
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L'ostéodensitométrie aux photons rayons X et gamma pour le diagnostique clinique
Une revue
Au sujet de l'auteur
Michel A. Périard, BAppSc (MedImaging), Dipl. T. (Physics), est Chef, Unité des inspections de la Division des rayons X du Bureau de la
protection contre les rayonnements des produits cliniques et de consommation, Santé Canada. Positions tenu antérieurement: Inspecteur en
radioprotection à la Section des rayons X, Santé Canada; Technologue en physique aux Services de dosimétrie nationaux, Santé Canada, où il
a participé à la recherche et au développement de dosimetres thermoluminescents; et, Technologue en physique au Centre de recherches pour
la défense d'Ottawa, Défense nationale, où il a travaillé à la recherche et au développement d'instruments de détection de radiation utilisés par
les Forces canadiennes.
Résumé
Depuis le début des années 1930, un certain nombre de techniques radiologiques non effractives ont été mises au point afin de déterminer
l'intégrité squelettique et de repérer les patients atteints d'ostéoporose. Les toutes premières méthodes qualitatives fondées sur la radiographie
conventionnelle ont évolué en des moyens plus rapides et plus fiables de quantifier la masse osseuse. Depuis les années 1960, le
développement de techniques qualitatives d'absorbtiométrie, d'abord au moyen de sources de photons gamma, puis de photons rayons X, a
largement contribué à la compréhension de la pathophysiologie de l'ostéoporose et d'autres troubles squelettiques. Ces modalités quantitatives
donnent au clinicien la capacité de détecter l'ostéopénie et d'en mesurer le degré, de porter sans délai un diagnostic exact et d'entreprendre le
traitement approprié. Les progrès continus aux plans de l'exactitude, de la précision et de la stabilité à long terme de l'équipement utilisé pour
mesurer la masse osseuse lui donnent aussi la possibilité de surveiller l'efficacité d'un traitement préventif et de prédire le risque de fracture.
Cet article présente certaines modalités non effractives, fondées sur la technologie à photons gamma et rayons X utilisée pour les diagnostics
cliniques, et en décrit les avantages et les limitations.
Introduction
L'ostéoporose est une maladie des os courante et invalidante associée à des facteurs de risque tels que le vieillissement, la ménopause et
certains troubles et traitements concomitants 1. Cette maladie se caractérise par une baisse de la teneur minérale de l'os (TMO) résultant d'une
rupture dans le cycle de remodelage de l'os (ostéopénie); elle entraîne une réduction de la solidité de l'os et un accroissement du risque de
fracture 2, 3. Les fractures se produisent le plus souvent à la hanche (col du fémur), au vertèbres ou à la portion distale du radius, après un
traumatisme mineur 4.
L'ostéoporose est un problème de santé important qui a de graves conséquences au plan médical et socioéconomique 4, 5. La perte osseuse liée
au vieillissement commence vers l'âge de 30 à 35 ans chez l'homme comme chez la femme; elle s'accélère chez la femme après la ménopause
et donne un risque de fracture à vie de 40% à l'âge de 50 ans 6, 7. Au Canada, 1,4 millions de personnes souffrent d'ostéoporose. Chez les
personnes âgées de plus de 50 ans, cette maladie frappe une femme sur quatre et un homme sur huit. Chaque année, on compte environ 17
500 fractures de la hanche liées à l'ostéoporose, qui peuvent causer la mort dans 20% des cas et l'invalidité de 50% des survivants. Le coût
total du traitement de la maladie, y compris les fractures dues à l'ostéoporose, est estimé à 1,3 milliard de dollars par an 8.
Pour obtenir un diagnostic précoce de la maladie, pour en surveiller l'évolution, pour assurer la gestion du traitement ou pour prédire le
risque de fracture, on a mis au point un certain nombre de méthodes non effractives d'évaluation de la TMO squelettique 9, 6, 10. Ces méthodes
donnent des résultats variables aux plans de leur exactitude, de leur précision (reproductibilité), de leur utilité pour la détection précoce de la
maladie, de leur capacité de prédire le risque de fracture et de leur disponibilité générale sur la base des ressource en soins de santé et de leur
rapport coût-efficacité 11, 3, 12.
Les méthodes sur film radiographique: Un certain nombre de méthodes radiologiques peu coûteuses ont été mises au point pour la
détection de l'ostéoporose sur film radiographique : la radiographie conventionnelle, la photodensitométrie, les techniques de classement
indiciaire et la radiogrammétrie. Bien que les méthodes radiagraphiques fassent usage de techniques d'exposition normalisées, la qualité de
l'image demeure sensible à plusieurs variables, dont les facteurs techniques de la radiographie, le traitement du film, l'épaisseur des tissus
sus-jacents et le repositionnement du patient, qui peuvent avoir un effet négatif sur l'exactitude et la précision des résultats 10.Figure 1: Radiographie
conventionnelle (Permission
10, 10a
de réimprimer )
La radiographie conventionnelle [figure 1 10] est une méthode très subjective (qualitative) qui dépend beaucoup de la qualité de l'image
ainsi que de la formation et de l'expérience de l'observateur 13. Les radiogrammes sont des indicateurs peu sensibles de la perte osseuse; leur
utilité se limite à la détection des maladies osseuses à un stade avancé, soit après une perte osseuse apparente d'environ 30 à 50%, et
habituellement après une fracture 9. Pour améliorer l'exactitude diagnostique, des méthodes semi-quantitatives et quantitatives ont été mises
au point afin de quantifier la perte osseuse apparente. Ce sont ces méthodes que nous allons maintenant examiner.
Figure 2: Evaluation électronique de la TMO
de la 3e phalange du 3e doigt et changements
de densité correspondants
14
(Permission de réimprimer ).
La photodensitométrie (absorptiométrie à rayons X), décrite en 1939, fut l'une des premières méthodes quantitatives servant à mesurer la
TMO périphérique à partir de radiogrammes 14. Cette technique consiste à employer un fantôme de tissu mou (de l'eau), dans lequel on
immerge la main, afin de compenser les variations d'épaisseur des tissus mous. On expose un coin sensitométrique discontinu avec
l'extrémité et on évalue l'image à l'aide d'un densitomètre optique 15. On rapporte une exactitude en deçà de 9 à 10%, qui peut aller jusqu'à
15%, pour les os recouverts d'une forte épaisseur de tissus. La précision est de l'ordre de 5 à 10% 11, 10. Des innovations récentes utilisant un
traitement numérique de l'image [figure 2 14] ont amélioré l'exactitude et la précision de la photodensitométrie 14.
Figure 3: Indice Singh
10, 10b
(Permission de réimprimer ).
Les techniques de classement indiciaire sont des méthodes semi-quantitatives qui servent à classer et à diagnostiquer l'ostéopénie à partir
de radiogrammes en fonction d'un indice vertébral ou fémoral, par exemple [figure 3 10]. Ces méthodes n'ont pas la sensibilité nécessaire à
une détection précoce de l'ostéoporose. Elles ne donnent pas non plus une bonne corrélation avec la véritable densité osseuse, et la variation
des interprétations d'un observateur à l'autre réduit de beaucoup leur utilité 13, 10Figure 4: Radiogrammétrie
10, 10c
(Permission de réimprimer ).
La radiogrammétrie [figure 4 10] est une méthode quantitative utilisée pour mesurer l'épaisseur corticale du squelette appendiculaire,
généralement au point médian du second métacarpien de la main non dominante. Cette méthode consiste elle aussi à obtenir une image
radiographique de qualité et à employer un pied à coulisse de précision à aiguille (exactitude à 0,1 mm), pour mesurer les diamètres
périostique et endostique 16. Bien que la qualité de l'image demeure sensible aux variables discutées plus haut, les erreurs de précision
peuvent atteindre les 10% en raison de difficultés inhérentes au repositionnement du patient et à la mesure du diamètre endostique à l'aide du
pied à coulisse 12. La dose de radiations efficaces sur la main est faible : < 10 uSv 17. Bien que les méthodes radiographiques soient peu
coûteuses et faciles d'accès, elles ne sont d'aucune utilité pour prendre des mesures axiales du squelette et n'ont ni la précision ni la sensibilité
nécessaire à une détection précoce de l'ostéoporose 13. En outre, ces techniques ne sont ni assez fiables pour permettre de suivre le cours de la
maladie, ni utiles pour prédire le risque de fracture 18. La radiographie conventionnelle joue quand même un rôle important pour le diagnostic
de l'ostéoporose, car elle est souvent capable de déceler des fractures qui en résultent. Toutefois, ses limitations rendent évidente la nécessité
de disposer de techniques de mesures exactes et précises permettant d'évaluer des sites multiples à faibles doses. Ce type d'équipement
offrant une capacité accrue de prédire le risque de fracture serait préférable pour une étude longitudinale 18, 19, 12.
L'absorptiométrie à photons rayons X et gamma : Les méthodes sur film radiographique sont maintenant remplacés pas des méthodes
quantitatives non effractives qui se servent de sources de photons gamma ou rayons X pour mesurer la TMO 19. Les valeurs individuelles de
la TMO sont comparées aux valeurs moyennes de la TMO dans un groupe-témoin de personnes normales. L'Organisation mondiale de la
santé définit respectivement l'ostéopénie et l'ostéoporose comme des valeurs de la TMO inférieures à 1 ayant une déviation par rapport à la
norme de [< 2,5] et de [≥2,5] respectivement, sous la valeur moyenne du groupe-témoin du même âge et du même sexe 17.
Figure 5:Schéma de l'absorptiométrie par
émission monophotonique (Permission
12
de réimprimer ).
L'absorptiométrie par émission monophotonique (AEM) sert couramment à mesurer la TMO apendiculaire depuis 1963 20. L'AEM
[figure 5 12] utilise une source de radionucléides monoénergétiques, soit généralement une source de rayons gamma au 125I (27,4 keV),
couplée à un détecteur de scintillation et à un mécanisme de balayage (scintigraphe) qui mesure l'atténuation relative d'un faisceau gamma
traversant l'os et les tissus mous 21. L'extrémité, généralement l'avant bras non dominant ou le calcanéum, est immergée dans un bain d'eau
pour compenser les variations de l'épaisseur du tissu sus-jacent 22. Elle est soumise à deux scintigraphes rectilignes à travers l'axe longitudinal
où (1) la transmission photonique est mesurée à travers l'os et les tissus mous et (2) à travers les tissus mous seulement 10, 23. Les équations des
deux transmissions 24 en fonction de l'emplacement de la scintigraphie sont les suivantes :os et tissus mous :
tissus mous seulement :
où :
Io = l'intensité du faisceau incident,
I = l'intensité du faisceau traversant l'os et les tissus mous,
I* = l'intensité du faisceau traversant les tissus mous,
μs/ρs = le coefficient d'atténuation de la masse des tissus mous
(en cm2/g),
μb/ρb = le coefficient d'atténuation de la masse minérale de l'os
(en cm2/g),
ms1 = la masse de tissus mous par unité d'aire (g/cm2) lors de la
scintigraphie de l'os et des tissus mous,
mb = la masse de minéraux osseux par unité d'aire (g/cm2) lors
de la scintigraphie de l'os et des tissus mous,
ms2 = la masse de tissus mous par unité d'aire (g/cm2) lors de la
scintigraphie des tissus mous seulement.
24
À partir de cette relation, on peut calculer la masse osseuse par unité d'aire (mb) au moyen de l'équation :
où :
ρs = la densité des tissus mous (g/cm2)
ρb = la densité des minéraux osseux (g/cm2)
µb , = respectivement, le coefficient d'atténuation de la masse
µs de l'os et des tissus mous (cm2/g)
Selon la technologie utilisée, le taux de comptage de l'émission résultante est relié à la TMO et s'exprime en termes de masse surfacique
(g/cm2) ou de densité volumique (g/cm3) 22. L'AEM a une exactitude en deçà de 4 à 6%; certains raffinements de l'équipement, tels la
géométrie à faisceaux étroits qui réduit la dispersion des radiations secondaires améliorant ainsi la résolution spatiale et permettant
d'effectuer une scintigraphie rectiligne, des axes de scintigraphie multiples échelonnés pas parts égales à 1 mm les uns des autres, le
positionnement de la lumière laser et l'emploi d'un algorithme pour le positionnement de l'image numérique, ont amené la précision en deçà
de 1 à 2% 25, 13, 26. L'équivalent de dose efficace est faible : < 1uSv 17.Figure 6: Absorptiométrie à rayon-X monoénergétique
et en double énergie (Courtoisie de Hologic Inc.,
19
Permission de réimprimer ).
L'absorptiométrie radiographique monoénergétique (SXA) a maintenant remplacé l'AEM [figure 6 19], c'est-à-dire que la source de
radionucléides monoénergétique a été remplacée par une source de rayons X et qu'on filtre la discontinuité d'atténuation de la couche K 19.
Cette innovation élimine les problèmes de décroissance et de remplacement des radionucléides, elle accroît le flux de photons, elle améliore
la résolution de l'image et la précision de l'équipement et elle fait passer la durée de la scintigraphie sous les 5 minutes par site 19. L'exactitude
de l'AEM et de la SXA est de l'ordre de 4 à 6%; la variation de l'épaisseur des tissus sus-jacents demeure le facteur le plus compromettant 21.
Bien que l'évaluation de la TMO du squelette périphérique serve à prédire le risque de fracture de la hanche ou des vertèbres, le manque de
corrélation entre les mesures de la TMO prises dans une région et dans d'autres parties du corps est préoccupant 10. À cette préoccupation
s'ajoute la difficulté de relocaliser avec exactitude l'axe de scintigraphie (ou la région d'intérêt) en raison de l'hétérogénéité des os, ce qui
limite la possibilité de réaliser une étude longitudinale 19, 27. L'équivalent de dose efficace pour la région balayée est faible : < 1uSv 17.
Figure 7: Schéma de l'absorptiométrie
12
bichromatique (Permission de réimprimer ).
L'absorptiométrie photonique bichromatique (APB) [figure 7 12] se fonde sur la mesure simultanée de l'absorption relative de deux
énergies photoniques différentes pas l'os et les tissus mous, comme par exemple des photons à 40 et à 100 keV provenant d'une source de
rayons gamma au 153 Gd 28. L'emploi simultané de deux énergies photoniques différentes permet de corriger les effets de la graisse et des
tissus mous, ce qui élimine la nécessité (1) de maintenir une épaisseur de tissus constante et (2) d'effectuer deux scintigraphies séparées,
comme nous l'avons décrit dans le cas de l'AEM 19. L'APB peut donc produire une mesure fiable et précise de la TMO par une scintigraphie
directe de tout le squelette, de la colonne vertébrale ou de la hanche. On peut obtenir respectivement une précision de 1%, 2% et 3% dans
l'évaluation de l'ensemble de l'organisme, de la colonne lombaire et du col du fémur, et une exactitude en deçà de 4% à 8% 29, 30. L'APB
permet de déterminer la masse de minéraux osseux par unité d'aire comme suit. Les équations 10 ci-dessous décrivent la transmission de deux
faisceaux d'énergie photonique E1 (source la plus faible) et E2 (source la plus forte) à travers l'os et les tissus mous en un point (x, y)
:
où :
= les énergies photoniques E1 et E2
transmises en (x, y),
= l'intensité du faisceau incident des énergies
E1 et E2,
= le coefficient d'atténuation de la masse des
tissus mous (cm2/g) aux énergies E1 et E2,
= le coefficient d'atténuation de la masse
minérale de l'os (cm2/g) aux énergies E1 et
E2,
= la masse de tissus mous par unité d'aire
(g/cm2),= la masse de minéraux osseux par unité
d'aire (g/cm2)
La résolution simultanée de ces deux équations donne la masse minérale de l'os par unité de surface 10 :
Bien que la précision à long terme de l'équipement soit en deçà de 1 à 2%, le remplacement annuel de la source de rayons gamma, s'il ne fait
pas l'objet de mesures de contrôle de la qualité approfondies, peut causer des variations de l'ordre de 2 à 5%, ce qui put avoir un effet négatif
sur les études longitudinales 23, 13. La dose effective est faible : de 3 à 5 uSv 21.
L'absorptiométrie à rayons X en double énergie (DEXA) utilise un tube à rayons X [figure 6 19] comme source de photons 19. Diverses
techniques sont employées pour séparer et optimiser deux crêtes d'énergie à partir du spectre polyénergétique des rayons X. Ces techniques
sont (1) la commutation rapide à haut voltage de 70 à 140 kVp à 60 cycles par seconde et (2) l'emploi d'un tube à rayons X à potentiels
constants avec filtration de la discontinuité d'atténuation de la couche K, produisant des photons à 40 keV et à 70 keV 19, 31. Un tube à rayons
X donne un flux de photons plus élevé et un faisceau de scintigraphie (faisceau-crayon) plus étroit (1,5 mm) que l'APB (de 5 à 8 mm), ce qui
améliore la précision ( de 2 à 1%) et la résolution de l'image (de 2 mm à 1 mm) tout en réduisant la durée de la scintigraphie (de 20 min à 2
min) 32, 21. Les nouvelles unités à faisceau en éventail donnent un flux de photons plus élevé et ont donc une vitesse de scintigraphie plus
rapide doublée d'une résolution spatiale améliorée 19. Selon les rapports, l'exactitude de la DEXA est en deçà de 5 à 10%, et la précision à
court terme comme à long terme est de l'ordre de 1 à 2%, ce qui est une caractéristique importante pour une étude longitudinale 33, 34, 25, 35.
Toutefois, pour réduire au minimum la variabilité entre les appareils et les variations de performance d'un même appareil, certains auteurs
prônent l'élaboration de protocoles de contrôle de la qualité normalisés pour le calibrage de l'équipement 36, 37. Pour les examens de la colonne
vertébrale et de la hanche, l'équivalent de dose de radiations effective est de 1 à 5 uSv pour les unités à faisceau-crayon et de 3 à 35 uSv
environ pour les unités à faisceau en éventail, selon le fabricant, le site de la scintigraphie et la méthode employée 38, 31, 39.
Figure 8: Tomographie quantitative par ordinateur
12
(Permission de réimprimer ).
La tomographie quantitative par ordinateur (TQO) : Les scintigraphes à tomographie par ordinateur (TO), utilisés couramment pour
produire des images radiographiques de l'organisme en section fine, peuvent aussi servir à quantifier la TMO à n'importe quel site de
l'organisme, soit généralement dans la colonne vertébrale et la partie proximale du fémur 11, 10. Les scintigraphes à TO conventionnels dotés
d'un logiciel spécial, ou les périphériques dédiés à la TO, comme la TO à rayons gamma monoénergétique, sont utilisés pour mesurer la
densité volumétrique véritable de l'os en g/cm3. Non seulement la sensibilité de la TQO permet de détecter l'ostéoporose de la colonne, mais
elle a une capacité de prédire le risque de fracture des vertèbres supérieure à celle de l'AEM, de l'APB, ou de la DEXA 18, 9 21. La méthode de
mesure utilise des éléments de calibrage exposés avec le patient [figure 8 12] et est indépendante de la substance corticale et des autres
calcifications qui entourent la région évaluée 17. Toutefois, cette méthode coûte plus cher que les autres méthodes décrites précédemment et
les erreurs d'exactitude peuvent être importantes, allant de 4 ou 5% jusqu'à 15 ou 20% selon qu'on utilise la TQO en énergie double ou
simple, à cause de la teneur en graisse de la moelle épinière 25, 12. Étant donné les difficultés de positionnement du patient et selon la méthode
de TO utilisée, la précision peut varier; par exemple, elle est respectivement de < 1, 2 et 6% pour la TO périphérique, en énergie double et
monoénergétique 11, 21, 25. L'équivalent de dose efficace peut être sensiblement plus élevé que pour les méthodes quantitatives décrites
précédemment, soit respectivement < 2, 50 et 100 uSv pour la TQO périphérique, énergie double et celle monoénergétique 11, 25
Sommaire
Cet article décrit certaines méthodes non effractives mises au point depuis le début des années 1930 afin de mesurer l'intégrité squelettique en
vue de fournir un diagnostic précoce de l'ostéoporose, d'entreprendre et de surveiller les traitements préventifs et de prédire le risque de
fracture. On y présente un examen de quelques méthodes radiologiques utilisées pour les diagnostics cliniques, dont les toutes premières
techniques qualitatives et semi-quantitatives d'évaluation de la perte osseuse à partir de films radiographiques conventionnels. Il manquait à
ces premières méthodes l'exactitude et la précision nécessaires pour mesurer les variations à long terme de la TMO afin de faire le suivi des
patients atteints d'ostéoporose. Ceci a mené au développement de modalités quantitatives à haut niveau d'exactitude et de précision, aumoyen d'absorptiométrie de photons gamma (AEM et APB) et de photons radiographiques (SXA et DEXA), ainsi que par la TQO. Bien que
cette dernière méthode soit plus coûteuse, c'est aussi la plus sensible pour la détection de l'ostéoporose de la colonne et la prédiction du
risque de fracture des vertèbres, alors que la SXA et la DEXA sont plus précises pour une étude longitudinale 9, 21. Cependant, les difficultés
de positionnement afin de relocaliser la région d'intérêt demeurent une préoccupation sérieuse qui limite la précision à long terme de
l'équipement employé pour évaluer la TMO 19, 11, 21, 25. Il faudra élaborer des protocoles de contrôle de la qualité pour corriger la variabilité d'un
appareil à l'autre et les variations à long terme de la performance de l'équipement 36, 37.
Remerciements
L'auteur tient à remercier M. P. Dvorak, Mme N. Martel et M. R.P. Bradley, du Bureau de la protection contre les rayonnement des produits
cliniques et de consommation (BPRPCC), ainsi que le Dr H. Swan, de l'université Charles Sturt d'Australie, d'avoir examiné cet article et de
m'avoir fait part de leurs commentaires et recommandations. L'aide apportée par D. Gillis et S.A. Harper, du BPRPCC, à la présentation des
illustrations, ainsi que celle du personnel du Réseau des bibliothèques de la Direction générale de la protection de la santé de Santé Canada,
en ce qui concerne la recherche documentaire et l'acquisition d'articles, ont été grandement appréciées. Les échanges avec les collègues de
l'auteur et les commentaires de ces derniers ont aussi été très appréciés.
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