Opportunistic screening for osteoporosis with CT performed before dose planning for radiation therapy
No Thumbnail Available
Date
2025-03-05
Authors
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)