THE POTENTIAL OF ULTRASOUND GRAPHIC TRACE ANALYSIS IN THE EVALUATION OF BONE STATUS

Abstract
In the last decade osteoporosis has become a major public health problem because of individual and social costs connected with the increased number of fractures and their later consequences. Bone mineral density (BMD) measured by DXA predicts only 50-70% of the variation in ultimate strength and explains less than 30% of the variance in fracture number. This fact suggests that other than BMD important factors, which influence bone strength, such as microarchitecture, geometry, cortical thickness and porosity, play a relevant role in determining fracture risk. Quantitative ultrasound (QUS) techniques may offer an attractive possible alternative to the central DXA assessment. In fact, many studies have reported that QUS parameters may reflect not only bone density, but also bone elasticity, structure, microarchitecture, which are strictly related to bone strength. In addition combined BMD and QUS evaluations improve the predictivity of fracture risk. The traditional QUS parameters are speed of sound (SOS) and broadband ultrasound attenuation (BUA). Some studies have reported that SOS is prevalently influenced by BMD, whereas BUA is more related to bone geometry, trabecular orientation and anisotropy. However, there is not yet a general agreement about this issue, and, despite numerous studies, clear and complete understanding of the interaction between bone tissue and ultrasound has yet to be achieved. Recently, there has been a growing interest on a new type of analysis of the US signal received after transmission through the bone tissue. In the last years we have studied the potential of ultrasound graphic trace analysis in the evaluation of bone status, namely in particular metabolic bone diseases, well known by an histological point view. The aim of our experiences, reviewed in this manuscript, was to understand whether some of several graphic trace analysis parameters could give accurate information on quality aspects of bone, which are not valuable by DXA. The conclusions which can be drawn by our experience is that US graphic trace analysis could be useful in the management of metabolic bone diseases, namely after an improvement of the present day instruments in the accuracy of the most promising graphic trace parameters.

Key words
Quantitative ultrasounds, graphic trace analysis, osteoporosis

Artículo completo
La osteoporosis se define como una enfermedad multifactorial caracterizada por disminución en la masa ósea y deterioro de la microarquitectura de la estructura ósea, que produce mayor susceptibilidad a fracturas por pequeños traumas.¹ En la última década la osteoporosis se ha convertido en uno de los principales problemas de salud pública debido a los costos individuales y sociales en conexión con el mayor número de fracturas y sus consecuencias posteriores; por lo tanto, la detección precoz de la fragilidad ósea es muy importante. Uno de los principales determinantes de fuerza ósea es la masa ósea, que se evalúa según la densidad mineral ósea (DMO) mediante absorciometría de rayos x de energía doble (DXA). Los valores de DMO obtenidos en el fémur proximal y en la columna lumbar se usan en el diagnóstico de la osteoporosis, de acuerdo con los criterios de la Organización Mundial de la Salud.²
Grandes estudios prospectivos documentaron que la DMO es una buena medida sustituta de fuerza muscular, tanto en hombres como en mujeres, y que hay una fuerte relación entre varias mediciones de DMO y probabilidad de fracturas. Por otra parte, varios estudios informaron que la DMO predice sólo 50% a 70% de la variación en la fuerza³ y explica menos del 30% de la varianza en el número de fracturas.⁴ Esas observaciones sugieren que hay otros factores importantes que influyen en la fuerza ósea, y que no son capturados por la DXA, como la arquitectura, la geometría, el espesor cortical y la porosidad, que pueden tener un papel importante en la determinación del riesgo de fracturas.^5,6
En la última década ha habido un interés creciente en la evaluación del estado óseo mediante técnicas de ecografía cuantitativa (ECOC), que pueden ofrecer una alternativa atractiva a la evaluación central por DXA, porque no utilizan radiaciones, son relativamente económicas y fácilmente transportables. Más aun, muchos estudios informaron que los parámetros de ECOC pueden no sólo reflejar la densidad ósea, sino también otras propiedades cualitativas del hueso, como elasticidad, estructura, microarquitectura, las cuales se relacionan estrictamente con la fuerza ósea.⁷ Algunos estudios prospectivos demostraron que la ECOC del calcáneo es predictora independiente de fracturas por fragilidad en las mujeres posmenopáusicas.^8,9 Un importante estudio multicéntrico de Wuster y col. demostró que los parámetros de ECOC en los dedos eran predictores significativos de fracturas osteoporóticas en las mujeres.¹⁰ Además, cuando se combinó la evaluación de DMO y ECOC mejoró significativamente la capacidad de predicción del riesgo de fracturas.¹¹ Esta información parece confirmar que la ECOC puede ser influida por algunos aspectos de la calidad ósea, diferentes de la DMO. Por otro lado, los estudios in vitro que investigan la relación entre los parámtetros ECOC tradicionales (velocidad del sonido [VDS] y atenuación del ultrasonido de banda ancha [AUB]) y el estado óseo no permiten alcanzar ninguna conclusión definitiva. De hecho, algunos estudios comunicaron que la VDS se ve predominantemente influida por la DMO, mientras que la AUB se relaciona más con la geometría ósea, orientación trabecular y anisotropía.^12,13 En cambio, un estudio reciente de Cavani y col.¹⁴ encontró que la VDS se correlaciona con la DMO sólo cuando la medición se realiza en forma paralela a las trabéculas óseas, mientras que cuando la medición se toma en dirección ortogonal la VDS se ve principalmente afectada por los espacios intertrabeculares. En otro estudio, parámetros no ECOC en el calcáneo proporcionaron información consistente acerca de la microarquitectura ósea, luego de ajustar a DMO.¹⁵ En conclusión, a pesar de los numerosos estudios, aún no se ha logrado la comprensión clara y completa de la interacción entre los tejidos óseos y la ecografía. Recientemente ha crecido el interés en un nuevo tipo de análisis de la señal ultrasónica recibida luego de la transmisión a través del tejido óseo, usando técnicas de procesamiento de señales eléctricas.^16,17 De hecho, estos estudios in vitro demostraron que algunos aspectos del trazado gráfico ecográfico están más influidos por el espesor del hueso cortical, mientras que otros lo están por la conectividad o por la elasticidad del hueso.^16,17
Nuestra primera experiencia en la aplicación del análisis de trazado gráfico en el estudio del estado del esqueleto es el resultado de una investigación realizada en pacientes hemodializados en que se midieron los parámetros ECOC a nivel de falanges, usando el equipo DBM Sonic 1200 (IGEA, Italia). Los principales resultados del estudio fueron que los parámetros ECOC estaban significativamente reducidos en los pacientes en comparación con los controles, y que la disminución de ECOC mostró una correlación negativa con los niveles de hormona paratiroidea. Este último resultado concordó con el hecho de que la falange tiene mayor cantidad de hueso cortical, que se ve más afectada por el incremento de la acción de la hormona paratoroidea. Un resultado secundario del estudio fue la diferencia en la calidad del análisis del trazado gráfico entre el brazo con fístula arteriovenosa y el que no tenía fístula, lo que sugiere que lo cambios óseos secundarios a lesión isquémica pueden ser evidenciados en forma genérica por alteraciones en las ondas ultrasónicas.¹⁸
Se pensó que el hiperparatiroidismo, cuyo efecto específico en el hueso cortical y trabecular es bien conocido (preservación de la conectividad trabecular y resorción del hueso cortical), puede representar un buen modelo para evaluar la capacidad de la ECOC para diferenciar cambios en la calidad del hueso. Debido a lo antes mencionado llevamos a cabo un estudio longitudinal en 22 pacientes con hiperparatiroidismo primario, realizamos mediciones de DMO (en el fémur y la columna lumbar) y ECOC (a nivel de falanges) antes y después de la paratiroidectomía. Todos los pacientes mostraron un aumento significativo en los parámetros densitométricos y ecográficos luego de dos años de la paratiroidectomía. Desafortunadamente, no fue posible evaluar en los mismos pacientes el cambio en las características del trazado gráfico ecográfico, ya que éstas fueron sintetizadas en un sólo parámetro llamado Indice Ecográfico de Perfil Oseo (IEPO), que sin embargo se relacionó en forma genérica con la calidad del hueso, sin poder distinguir entre las características cualitativas (es decir, espesor cortical, conectividad, espesor trabecular, elasticidad, etc.).
Esta cuestión fue el punto final de un estudio posterior realizado en 34 pacientes con hiperparatiroidismo primario (HPTP) y 35 mujeres posmenopáusicas con osteoporosis, comparados con un grupo de sujetos saludables. En este estudio analizamos sólo los parámetros ECOC en las falanges, pero a diferencia del estudio previo, el análisis del trazado gráfico ECOC se subdividió en tres parámetros diferentes (tiempo de transmisión ósea [TTO], amplitud de onda rápida [AOR] y dinámica de señal) (figura 1). Algunos estudios in vitro sugirieron una estrecha relación entre TTO y extensión cortical, mientras que la AOR parece ser dependiente de la elasticidad y homogeneidad del tejido óseo.¹⁷ Uno de los principales resultados del estudio fue que el análisis del trazado gráfico fue capaz de discriminar entre pacientes con osteoporosis y HPTP. En particular, con niveles similares de velocidad del sonido dependiente de amplitud [VDS-DA] (similar disminución en la masa ósea en comparación con sujetos saludables), los pacientes con HPTP mostraron niveles de TTO significativamente inferiores a las pacientes con osteoporosis y sujetos saludables, mientras que la AOR resultó normal en pacientes con HPTP y estaba significativamente disminuido en pacientes con osteoporosis. El estudio demostró que la relación TTO/AOR fue el mejor parámetro para discriminar entre osteoporosis y HPTP cuando los pacientes se caracterizan por similar reducción en la masa ósea.¹⁹

Figura 1. Representación esquemática del trazado gráfico ecográfico. FWA = amplitud de onda rápida; AD-SoS = velocidad del sonido dependiente de la amplitud; BT = tiempo de transmisión ósea.

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