Dual-Energy X-Ray Absorptiometry (DEXA) & Bone Mineral Density (BMD) 정해조, PhD. 연세대학교 방사선의과학연구소 2007 년 05 월 04 일 식품의약품안전청 전자의료기팀.

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1 Dual-Energy X-Ray Absorptiometry (DEXA) & Bone Mineral Density (BMD) 정해조, PhD. 연세대학교 방사선의과학연구소 2007 년 05 월 04 일 식품의약품안전청 전자의료기팀

2 골다공증 (Osteoporosis) 골다공증은 골 형성의 감소 및 골 흡수의 증가로 골 양 의 전반적인 감소를 일으키는 질환이다. 치밀골 얇아 지고 골 해면골의 수량과 크기가 감소되어 골의 약화 를 일으켜 골절 위험이 증가되는 질환이다. ( 치밀골 ) ( 해면골 )

3 Osteoporotic bone Normal bone Normal & Osteoporotic Bone Scanning electron micrograph Normal bone Osteoporotic bone

4 골다공증 영향 흉추, 요추 이외의 골에도 다공화가 진행되면, 가볍게 넘어지기만 하여도 쉽게 요골 하단 골절이나 대퇴골 경부 및 전자부 골절을 일으키게 된다. 또한 골의 손실은 다양한 뼈에 나타나서 모양의 변화 를 가져오게 되고 척추뼈에 나타날 경우는 나이가 들 어 키가 줄어드는 원인이 되기도 합니다.

5 일반적으로 골의 양은, 사춘기를 지나 30 대까지 골형 성이 증가되어 최고치에 달하고, 이후 골 형성과 골소 실의 비율이 비슷하여, 신체의 전반적인 골량이 일정 하게 유지된다. 그러나 40 세 이후에는 골 소실이 점차 증가하여 골 양이 감소되며, 특히 여성에게서는 폐경 기 후 감소가 현저하게 나타난다. 골밀도 변화

6 BMD 의 변화 BMD across the lifespan in Females BMD in Yong & old women

7 골밀도 검사방법 (SXA or SPA) Radiographic Absorptiometry: 단순 X 선 촬영을 통 해서 피질골의 두께를 측정하는 방법으로 주로 손의 metacarpal bone ( 장골 ) 에서 측정하는데 간단하기는 하나 예민하지는 못하다.

8 골밀도 검사방법 (QCT) Quantitative Computed Tomography: CT 영상에서 필요한 부분만을 선택해서 측정할 수 있기 때문에 순 수 해면골의 골밀도만을 얻을 수 있는 장점이 있으나 CT 라는 고가의 장비가 필요하고 x- 선의 피복량이 큰 단점이 있다. Bone mineral density analysis from human bones with peripheral quantitative computed tomography Philips’ Bone Mineral Analysis package

9 골밀도 검사방법 (US) Ultrasound Densitometry: Quantitative Ultrasound 라고도 하는데 이것은 골밀도 및 골의 질 적인 면도 파악할 수가 있으며 방사선의 노출이 없으 며 골절의 예측에 민감하다는 장점이 있는데 비해서 정밀도가 떨어지는 단점이 있고, 검사 부위가 한정되 어 있다. [SOS: Speed of Sound, BUA: Broadband Ultra-sound Attenuation]

10 골밀도 검사방법 (DEXA) Dual Energy X-ray Absorptiometry (DEXA): 국내외 적으로 가장 널리 사용되는 기종이다. 이것은 Dual Photon Absorptiometry 와 같은 원리로 ( 저와 고 ) 두 개의 에너지 선원을 이용하여 골밀도를 측정하는데 차 이점은 에너지원으로써 방사성 동위원소를 사용하지 않고 X- 선을 사용하기 때문에 에너지원을 교체할 필요 가 없고 검사 시간이 짧은 장점이 있으며 정확하다.

11 골밀도 검사방법 (In Vivo NAA) 인체 중성자 활성화 분석법 (in Vivo Neutron Activation Analysis): 252 Cf 과 같은 중성자 선원을 이용하여 방출되는 중성 자를 열중성자로 만든 후 인체의 측정 부위에 조사하 면 열중성자와 골격 속의 칼슘이 48 Ca(n,  ) 49 Ca 핵반응 을 일으킨다. 방사성 동위원소 49 Ca 에서 붕괴되는  를 측정하여 칼슘 함량을 통한 골밀도를 예측한다. 이 방법은 중성자선원과 특수한 보호 설비가 필요하고 기기가 비싸며 조작이 복잡하여 주로 실험실 연구용으 로 사용된다.

12 US vs. DEXA If results from an ultrasound test find low bone density, DEXA is recommended to confirm the results.

13 골밀도 측정 방법들의 비교

14 ModeSite Effective Dose Equivalent (  Sv) Precision (%) Single energy QCT Lumbar Spine 602-4 Dual energy QCT Lumbar Spine 1004-6 SPAForearm<11-2 DPA Spine52-4 Hip33-5 DEXA Spine<11 Hip<11-2 BUAHeelNone1-2 BUA: Broadband Ultrasonic Attenuation 골밀도 측정 방법들의 비교

15 X-ray Film Photodensitometry 일반 x- 선 영상 : 3 차원 물체에 x 선을 조사 / 투과한 x 선 을 필름 등의 2 차원으로 영상을 기록하기 때문에 많은 정보가 이 사이에 중첩되어 없어질 뿐만 아니라 미소 한 흡수차의 조직은 변별이 어렵고 산란선이 영상 형 성에 많은 영향을 준다.

16 DEXA 골밀도 측정 Dual Energy X-ray Absorptiometry (DEXA or DXA) 는 Bone Mineral Density (BMD) 를 측정하는 한 방법 이다. DEXA 골밀도 측정법은 1987 년 Hologic 사에 의하여 상품화되었다. 이 방법은 1960 년대 중반 의학물리학자 Dr. John R. Cameron 이 고안한 방사성동위원소 ( 153 Gd, which emits gamma rays at 44 and 100 keV ) 를 사용하는 Dual Photon Absorptiometry(DPA) 에 근거하고 있다.

17 X-ray Attenuation in a Matter I = I 0 e -  l x Photoelectric collision Compton Scattering Beer-Lambert law

18 DEXA 원리 Dual-energy x-ray Absorptiometry is based on exploiting the difference in the attenuation of tissue and bone at different X- ray energies. X- 선 감쇄 = f(x- 선 에너지, 투과 물질 )

19 Bone Tissue High Energy X-ray I 0(Hi) Low Energy X-ray I 0(Lo) μ tlo μ blo μ thi μ bhi xtxt xbxb I (Lo) I (Hi)

20 (A) (B)  t(Hi) (A) -  t(Lo) (B)

21 단순한 수학적 모델은 단일 에너지 방사선이 사용되고 산란은 없는 것으로 간주한다. 따라서 저 x- 선 에너지 가 조직과 뼈 지역을 통하여 투과되는 방사선 강도는 대수적 표현으로 다음과 같다. I Lo = μ t(Lo) x t + μ b(Lo) x b ----- (1) 여기서, μ t(Lo) : 저 x- 선 에너지에서 조직의 선형감쇠계수, x t : 조 직의 두께, μ b(Lo) : 저 x- 선 에너지에서 뼈의 선형감쇠 계수, x b : 뼈의 두께.

22 마찬가지로, 고 x- 선 에너지에서 얻어지는 영상의 같 은 지점에서 투과되는 방사선 강도는 다음과 같다. I Hi = μ t(Hi) x t + μ b(Hi) x b ----- (2) 여기서, μ t(Hi) : 고 x- 선 에너지에서 조직의 선형감쇠계 수 ; μ b(Hi) : 고 x- 선 에너지에서 뼈의 선형감쇠계수.

23 이 두 영상이 서로 다른 부가인자 (weighting factors) k Lo 와 k Hi 를 사용하여 곱하면, 그 결과 영상은 다음과 같다. I = k Lo I Lo + k Hi I Hi.  I = (k Lo μ tLo + k Hi μ tHi ) x t + (k Lo μ bLo + k Hi μ bHi ) x b, 이것은 x t 의 계수를 0 이 되도록 설정함으로써 조직에 의한 효과를 제거할 수 있다. 즉, k Lo μ tLo + k Hi μ tHi = 0. 따라서, k Lo μ tLo = - k Hi μ tHi, 그리고 0

24 Dual-Energy Subtraction Image

25 BMD (Bone Mineral Density) Density ( 밀도 ) = 질량 / 부피 (g/cm 3 ) BMD unit = (g/cm 2 ) Area Mass or Area thickness (g/cm 2 ) = Thickness (cm) x Density (g/cm 3 ) Mass Attenuation Coefficient (µ/  ) = Linear Attenuation Coefficient (µ) / Density (  )

26 DEXA Technology The University of Vermont nutrition.uvm.edu/bodycomp/dexa/dexa-toc.swf 검사 시간은 보통 척추만을 검사하면 5 분 이내이고 척추와 대퇴골을 같 이 측정하면 10 분 이내, 전신을 모두 검사하면 15 분 정도가 소요된다.

27 DEXA 데이터 분석

28 주요 골절 장소

29 DEXA 골밀도 측정 부위 Bone density tests are usually done on bones in the spine (vertebrae), hip, forearm, wrist, fingers and heel.

30 요추에서 골밀도 측정 & 분석 일반적으로 폐경기 여성에서 골밀도 측정은 해면골이 많은 부위에서 검사 가 이루어져야 하기 때문에 주로 대 퇴골과 척추, 요골의 원위부가 적절 하나 보통은 대퇴골과 요추부를 함께 측정하는 것이 권장된다. 요추부에서도 L1 은 골절률이 높고, L5 는 다른 요추에 비해 비교적 높은 골밀도를 보이기 때문에 오차의 범위 가 커지게 되므로 이 두 부위를 제외 하고 L2-4 까지의 평균 골밀도를 요 추 골밀도로 간주한다.

31 Figure 1 shows a bone mineral density (BMD) test of a healthy older woman. The X-ray shows a healthy spine. The BMD is determined by the X-ray. The graph shows the bone mineral density number in the green zone (normal). Figure 2 shows a BMD test of an older woman with osteoporosis. The X-ray shows weaker bones. The graph shows the bone mineral density number in the red zone (osteoporosis), placing her at much greater risk for broken bones (fractures). Example of DEXA Reports

32 Figure 1 shows a bone mineral density (BMD) test of a healthy older woman. The X-ray shows normal hipbones. The graph shows the bone mineral density number in the green zone (normal). Figure 2 shows a BMD test of an older woman with osteoporosis. The X-ray shows weaker hipbones. The graph shows the bone mineral density number in the red zone (osteoporosis), placing her at much greater risk for broken bones (fractures). Example of DEXA Reports

33 골다공증 환자의 골밀도를 DEXA 로 측정한 예

34 골다공증 진단법은 T 값을 해석하는 것으로, T 값은 젊 은 여성의 평균적인 최대 골밀도와 비교한 값이다. T 값이 음의 값일수록 골밀도는 더 감소한 것이며 골절 의 위험성은 증가한다. 골다공증 진단법 정상 : T-score > -1 골감소증 (Osteopenia): -2.5 < T < -1 골다공증 (Osteoporosis): T < -2.5 심한골다공증 (Severe osteoporosis) : T > -2.5 ※ 최대 골량의 젊은 여성의 골량을 1 로 가정 : 1 standard deviation 이하 면 골절 위험이 1.5 - 3 배 높아진다.

35 Gaussian (Normal) Distribution

36 골밀도 표현 방법 T score: The amount of bone you have compared with a young adult of the same gender with peak bone mass. Z score: The amount of bone you have compared with other people in your age group and of the same size and gender.

37 T score 의 의미

38 DEXA Manufactures GE Lunar NorlandHologic Dual Energy Peak (keV) GE Lunar4070 Hologic5085 Norland4580

39 Challenges to Comparability Methods for x-ray generation X-ray Energy levels Methods for acquisition Calibration Detector Algorithms to identify bone edge Region of interest Normative database BMD values from different Manufactures are not comparable

40 X-ray Generation & Energy Level (Hologic) Kilovoltage and filtration are switched rapidly during image acquisition e.g. from 70 kVp and 4 mm Al filtration to 140 kVp with an additional 3 mm Cu filter (GE Lunar and Norland) A single X-ray energy with two different filters is used, e.g. 80 kVp with alternatively no added filtration and a cerium (Lunar) or samarium (Norland) filter.

41 Different Methods of Acquisition Pencil Beam Narrow Angle Fan BeamWide Angle Fan Beam

42 Region of Interest

43 한국인의 정상 골밀도 제조사 GE LunarHologicNorland 30 대 1.181  0.6831.020  0.5861.022  0.660 40 대 1.128  0.1440.974  0.1240.971  0.139 50 대 0.989  0.1610.854  0.1380.837  0.155 60 대 0.862  0.1620.746  0.1390.741  0.157 의협신보 2002. 02. 10

44 한국 여성 표준 골밀도

45 DEXA Phantoms Instrument Quality Control DEXA QC 팬텀은 hydroxyapatite 로 조성되어 뼈를 반영하는 부 분과 물에 해당하는 epoxyresin 으로 연부조직을 반영하도록 되 어 있으며, 가능하면 매일 팬텀을 이용하여 QC 를 시행하는 것이 좋으며 ISCD 에서는 최소한 일주일에 1 회 이상을 권장하고 있다.

46 감사합니다 hjjung1@yumc.yonsei.ac.kr