Opportunistic screening for osteoporosis with CT performed before dose planning for radiation therapy

No Thumbnail Available

Date

2025-03-05

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Purpose: Radiotherapy can negatively impact bone health, affecting the activity of osteoblasts, osteoclasts, and osteocytes, leading to dysfunction in bone remodeling and reduced bone mineral density (BMD). This increases the risk of fractures in irradiated bone. Preexisting osteoporosis is a well-known risk factor of radiotherapy induced fractures. While Dual energy X-ray Absorptiometry (DXA) is the gold standard for diagnosing osteoporosis, it is not routinely performed before radiation therapy. This study aimed to develop and validate a method for opportunistic screening for osteoporosis by estimating the bone mineral density from computed tomography (CT) scans used for radiation treatment planning. The study also sought to categorize patients into low, moderate, or high risk for osteoporosis. Method: A total of 179 women (mean age 67.8 ± 8.6, range 35-85 years) treated for adjuvant breast cancer were included in the study. Of these, 101 patients underwent both DXA and CT scans within a four-month period. A spherical volume of interest (VOI) was used to extract HU values from the trabecular region of Th4-L1. BMD was estimated using two methods: a translation curve derived from known calcium content and HU values for fourteen reference bone tissues, and internal calibration. Eight additional patients treated for gynecological cancer were included to study how BMD varied in the spine and to develop thoracic BMD cutoff values. Validation was performed using a European Spine Phantom (ESP). Results: A translation curve from HU values to BMD was derived as BMD = 0.7161 · HU − 1.212. Using this equation, BMD estimates in the ESP showed good agreement with actual values. Thoracic BMD cutoff values for osteopenia and osteoporosis were derived as 91 mg/cm3 and 124 mg/cm3, respectively. A moderate correlation was found between BMD estimated using DXA, areal BMD (aBMD), and CT based BMD (r=0.51, p<0.001). The CT-based method detected more cases with low BMD compared to DXA. Conclusion: CT images acquired for radiotherapy planning can be used to assess BMD, with good agreement to phantom measurements and higher sensitivity compared to DXA. Further research is needed to evaluate the method at different anatomical sites and validate thresholds for low bone density. Future research should also identify and quantify the uncertainties related to the method.

Description

Strålterapi kan påverka benhälsan negativt genom att förändra aktiviteten hos osteoblaster, osteoklaster och osteofyter. Detta kan störa benremodelleringsprocessen, vilket ökar risken för frakturer i strålat område. Denna studie syftade till att utveckla och validera en metod för att uppskatta benmineraldensitet (BMD) från planeringsbilder med datortomografi (DT) före strålterapi, samt att undersöka gränser för benmineraldensitet för att kunna kategorisera patienter i låg, måttlig eller hög risk för osteoporos. I studien ingick 179 kvinnor behandlade för bröstcancer, varav 101 genomgick både en Dual energy X-ray Absorptiometry (DXA) undersökning och en planerings-DT över thoraxområdet på en Siemens scanner inom fyra månader. En sfärisk volym användes för att extrahera HU-värden i kota Th4-L1. BMD uppskattades med två metoder: en teoretiskt framtagen översättning från HU till BMD samt med intern kalibrering. Metoden validerades genom ett DT-scan och DXA-mätning av ett European Spine Phantom (ESP). Thorakala gränsvärden för osteopeni och osteoporos sattes till 91 mg/cm3 respektive 124 mg/cm3. Den DT-baserade BMD-analys upptäckte fler fall med låg BMD jämfört med DXA. Slutsatsen är att DT-bilder för dosplanering kan användas för att uppskatta BMD, men ytterligare forskning krävs för att tillämpa metoden på andra anatomiska områden och för att validera gränsvärden. Vidare bör även metodens osäkerheter identifieras och kvantifieras.

Keywords

Medical physics, Radiation therapy, Osteoporosis, Breast cancer, Bone mineral density (BMD), Dual energy X-ray Absorptiometry (DXA)

Citation