ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΔΟΜΙΚΗΣ ΑΚΕΡΑΙΟΤΗΤΑΣ ΣΠΟΓΓΩΔΩΝ ΟΣΤΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ: ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΡΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ κ.σοφια ΠΑΝΤΕΛΙΟΥ ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΣΥΜΒΟΥΛΕΥΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ 1.ΠΑΝΤΕΛΙΟΥ ΣΟΦΙΑ, ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΡΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ 2.ΚΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ &ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ 3.ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΣ ΗΛΙΑΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΑΝΑΣΤΑΣΟΠΟΥΛΟΣ Θ.ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΠΑΤΡΑ 2008

2 ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΠΑΝΤΕΛΙΟΥ ΣΟΦΙΑ, ΑΝΑΠΛ.ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ, ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΣ ΗΛΙΑΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΚΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΔΕΛΗΓΙΑΝΝΗ ΔΕΣΠΟΙΝΑ,ΕΠΙΚ.ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ, ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΡΟΒΑΤΙΔΗΣ ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΟΣ, ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ, Ε.Μ.Π. ΒΑΡΑΚΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΚΑΡΑΜΑΝΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ 4 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 6 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ 6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 12 SUMMARY 12 ΣΚΟΠΟΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ 15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΔΟΜΙΚΗΣ ΑΚΕΡΑΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Μη καταστροφικός έλεγχος Γενικά Μη καταστροφικός έλεγχος Τεχνικές Οπτική επιθεώρηση (Visual inspection VI) Έλεγχος με διαπεραστικό υλικό (Liquid penetrant testing LT) Eλεγχος με χρήση μαγνητικών σωματιδίων (Magnetic Particle Testing MPT) Eλεγχος με χρήση ρευμάτων αυτεπαγωγής (Eddy current Testing ET) Eλεγχος με χρήση Υπερήχων (Ultrasonic testing UT) Ακτινογραφικός έλεγχος (Radiographic Testing RT) Μέθοδος ακουστικής εκπομπής (Acoustic emission monitoring AE) ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΔΟΜΙΚΗΣ ΑΚΕΡΑΙΟΤΗΤΑΣ ΟΣΤΩΝ Γενικά Ορισμός Οστεοπόρωσης Τεχνικές μέτρησης οστικής πυκνότητας DEXA QCT pdexa, RA QUS pqct Επίδραση της θέσης μέτρησης οστικής πυκνότητας ΠΡΟΣΘΕΤΕΣ ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΟΣΤΩΝ Βιοχημικοί Δείκτες Μεταβολισμού του Οστού Βιοχημικοί Δείκτες Παραγωγής Οστού 56

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Βιοχημικοί Δείκτες Απορρόφησης Οστού Raman Spectroscopy 58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΟΣΤΩΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΟΣΤΩΝ ΙΕΡΑΡΧΙΚΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΜΑΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΥΠΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΝΑΝΟ ΔΟΜΗΣ ΕΛΑΣΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΟΣΤΩΝ 74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ Τύποι φορτίου Ορισμός απόσβεσης με το βρόγχο υστέρησης Τύποι φαινομένων απόσβεσης Διάκριση ιδιοτήτων συστημάτων, στοιχείων και υλικών Μηχανισμοί απόσβεσης ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ Λογαριθμική μείωση (Logarithmic Decrement) Μέθοδος Ημιεύρους Ταλάντωσης (half power bandwidth) ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΕΠΙΜΥΕΣ Eπιλογή μοντέλου εργασίας Σχεδιασμός Πειραμάτων Μεθοδολογία Μέτρηση Βιοχημικών Δεικτών με Ανοσοενζυμική Μέθοδο Οστική Πυκνομετρία με τη μέθοδο pqct Ιστολογική Ιστομορφομετρική εξέταση Μέτρηση Επιπέδων Λεπτίνης Μετρήσεις με Φασματοσκοπία Raman (Raman Spectroscopy) Μετρήσεις Συντελεστή Απόσβεσης ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΓΥΝΑΙΚΕΣ Μετρήσεις οστικής πυκνότητας με τη μέθοδο pqct 152

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Μετρήσεις συντελεστή θερμοδυναμικής απόσβεσης 154 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΕΠΙΜΥΕΣ Φάση Α: Μετρήσεις σε υγιή πληθυσμό Φάση Β: Μετρήσεις σε ωοθηκεκτομηθέντες επίμυες Φάση Γ: Μετρήσεις σε ωοθηκεκτομηθέντες επίμυες με χορήγηση θεραπευτικής αγωγής Συγκριτική μελέτη των πειραμάτων στις τρεις φάσεις ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΓΥΝΑΙΚΕΣ 182 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΜΕ ΣΥΜΒΑΤΙΚΕΣ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΑΝΑΛΥΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 238 ΑΝΑΦΟΡΕΣ 243 ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ 256 ΣΥΝΕΔΡΙΑ (ΕΛΛΗΝΙΚΑ ΚΑΙ ΔΙΕΘΝΗ) 257

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 4 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1.1: Τυπικές εικόνες ελέγχου με υπερήχους 20 Εικόνα 1.2:Πειραματικές διατάξεις και αρχές λειτουργίας της μεθόδου 21 Εικόνα 1.3 Τυπικές μορφές εξόδου της μεθόδου 22 Εικόνα 1.4: Βασικές αρχές της μεθόδου ακουστικής εκπομπής 23 Εικόνα 1.5. Κίνδυνος κατάγματος και Τ score 30 Εικόνα 1.6. Κίνδυνος κατάγματος ανά θέση μέτρησης 32 Εικόνα 1.7. Μέτρηση DEXA και αποτελέσματα 34 Εικόνα 1.8. Τυπικές εικόνες της μεθόδου QCT 37 Εικόνα 1.9: Μετρητικά αποτελέσματα της μεθόδου pdexa 38 Εικόνα Συσκευή μέτρησης QUS 39 Εικόνα Φυσικές αρχές της μεθόδου QUS 41 Εικόνα Τυπική διάταξη pqct Βαθμοί ελευθερίας 44 Εικόνα 1.13.(Α)Scout View, (Β)Slice View 45 Εικόνα Μετρητικά αποτελέσματα 47 Εικόνα Κύριοι άξονες και αποστάσεις 50 Εικόνα 1.16: Τρισδιάστατη ανακατασκευή (Α) Σπονδύλου και (Β) Κνήμης με τη μέθοδο pqct _ 52 Εικόνα Σχηματική απεικόνιση του φαινομένου Raman. 59 Εικόνα Φάσμα Raman του CaCO3. 60 Εικόνα 2.1. Φλοιώδες (cortical) και σπογγώδες (cancellous or trabecular) τμήμα μηριαίου οστού. 65 Εικόνα 2.2. Τομή ανθρώπινου μηρού με διακριτές περιοχές σπογγώδους και φλοιώδους οστού (a). Λεπτομέρεια δοκιμίου 5.5 mm σπογγώδους οστού από την κεφαλή του μηριάιου οστού (b). 66 Εικόνα 2.3. Διαφοροποίηση αρχιτεκτονικής και πορώδους σε διαφορετικά σπογγώδη οστά. _ 67 Εικόνα 2.4. Διάκριση της διαφοροποίηση του πορώδους σε σπογγώδη οστά (σπόνδυλοι) από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. 69

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 5 Εικόνα 2.5. Τα ιεραρχικά επίπεδα της δομής του οστού. 70 Εικόνα 2.6. Σχηματική αναπαράσταση της Ανισοτροπίας του οστού 78 Εικόνα 2.7. Κατανομή Πυκνότητας στην κεφαλή μηριαίου οστού 80 Εικόνα 2.8: Θεωρητικές και πειραματικές καμπύλες συνάρτησης μέτρου ελαστικότητας(σε MPa) και πυκνότητας (σε g/cc) 81 Εικόνα 4.1. Τύποι Ανοσοενζυμικής Μεθόδου ELISA. Το αντίσωμα μπορεί να προσδιοριστεί με έμμεση ELISA (a), ενώ το αντιγόνο μπορεί να προσδιοριστεί τόσο με ELISA τύπου sandwich (b) ή με συναγωνιστική ELISA (c) (Kuby, 1997). 131 Εικόνα 4.2. Παράδειγμα Πρότυπης Καμπύλης για τον υπολογισμό των επιπέδων NTx στον ορό του αίματος των επίμυων. 133 Εικόνα 4.3. Παράδειγμα Πρότυπης Καμπύλης για τον υπολογισμό των επιπέδων Οστεοκαλσίνης στον ορό του αίματος των επίμυων. 135 Εικόνα 4.4. Μετρήσεις Επίμυων με τη μέθοδο pqct: Τελική θέση μέτρησης 137 Εικόνα 4.5. Μετρήσεις Επίμυων με τη μέθοδο pqct: Σύστημα έλξης 138 Εικόνα 4.6. Διάταξη τοποθέτησης των πειραματόζωων 138 Εικόνα 4.7. Φασματοφωτόμετρο FT Raman 146 Εικόνα 4.8. Φάσμα FT Raman ουσίας κρυσταλλικής ουσίας (CaCO 3, ασβεστίτης). 146 Εικόνα 4.9. Φασματοφωτόμετρο FT IR 147 Εικόνα Φάσμα FT IR ουσίας κρυσταλλικής ουσίας (CaCO 3, ασβεστίτης). 148 Εικόνα Σχηματική απεικόνιση διάταξης του περιθλασίμετρου κόνεως ακτίνων Χ. 149 Εικόνα Ακτινογράφημα κόνεως κρυσταλλικής ουσίας (CaCO 3, ασβεστίτης). 149 Εικόνα 4.13: Πειραματική Διάταξη Μέτρησης Συντελεστή Απόσβεσης 150 Εικόνα Μέτρηση Συντελεστή Απόσβεσης σε Επίμυες 152 Εικόνα Διάταξη Μέτρησης pqct (με ρύθμιση για μετρήσεις σε ανθρώπινες κνήμες) 153 Εικόνα Τυπική Μορφή Αποτελεσμάτων σε μετρήσεις pqct xct

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 6 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 3.1: Τύποι φορτίων : (a) Ανεστραμμένο ημιτονοειδές κύμα P=Pα sinωt, (b) Βασική ιδιομορφή και πρώτη αρμονική, (c) Πριονωτό κύμα (d) Μη ανεστραμμένο φορτίο P=Pm+Pα sinωt (e) Μη ανεστραμμένο τασικό κύμα (f) Φόρτιση τυχαίας μορφής. 83 Σχήμα 3.2.Τυπικοί γραμμικοί και μη γραμμικοί βρόγχοι υστέρησης (a) Γραμμικός βρόγχος, (b) (f) μη γραμμικοί βρόγχοι 85 Σχήμα 3.3. Απλοποιημένοι βρόγχοι υστέρησης (a) Rate dependent (b) Rate independent 88 Σχήμα 3.4: Σύστημα ενός βαθμού ελευθερίας 89 Σχήμα 3.5. Απόσβεση από εγκάρσια θερμικά ρεύματα σε ράβδο γερμανικού αργύρου 93 Σχήμα 3.6. Ελλειψοειδές έγκλεισμα 98 Σχήμα 3.7. Ορισμός Πλέγματος και κύρια χαρακτηριστικά 103 Σχήμα 3.8: Διάγραμμα ροής για τον υπολογισμό της Ελαστικής Ενέργειας 104 Σχήμα 3.9. Υδροστατική πίεση (b/a=0.5, c/b=0.1) 106 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.7, c/b=0.1) 107 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.7, c/b=0.1) 107 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.7, c/b=0.3) 108 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.9, c/b=0.3) 108 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.99, c/b=0.3) 109 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.1, c/b=0.5) 109 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.5, c/b=0.5) 110 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.7, c/b=0.5) 110 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.9, c/b=0.5) 111 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.99, c/b=0.5) 111 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.5, c/b=0.7) 112 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.9, c/b=0.7) 112 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.7, c/b=0.9) 113 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.9, c/b=0.9) 113

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 7 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.3, c/b=0.99) 114 Σχήμα Υδροστατική πίεση (b/a=0.99, c/b=0.99) 114 Σχήμα Τάση σ z στο σημείο Β (b/a=0.1) 116 Σχήμα Τάση σ z στο σημείο Β (b/a=0.3) 116 Σχήμα Τάση σ z στο σημείο Β (b/a=0.5) 117 Σχήμα Τάση σ z στο σημείο Β (b/a=0.7) 117 Σχήμα Τάση σ z στο σημείο Β (b/a=0.9) 118 Σχήμα Ελεύθερη ταλάντωση ενός συστήματος με απόσβεση 120 Σχήμα Μέθοδος Half Power Bandwidth 122 Σχήμα 4.1. Σχεδιασμός Πειραμάτων 129 Σχήμα 5.1. Ιστόγραμμα τιμών MDF σε φυσιολογικό πληθυσμό. 158 Σχήμα 5.2. Ιστόγραμμα τιμών QF σε φυσιολογικό πληθυσμό. 158 Σχήμα 5.3. Ιστόγραμμα τιμών MDF σε οστεοπορωτικό πληθυσμό. 161 Σχήμα 5.4. Ιστόγραμμα τιμών QF σε οστεοπορωτικό πληθυσμό. 161 Σχήμα 5.5. Μεταβολές μεγεθών MDF QF και total trabecular density (φάσεις Α, Β) 164 Σχήμα 5.6. MDF total density για όλες τις ομάδες. 166 Σχήμα 5.7. MDF Trabecular density για όλες τις ομάδες 166 Σχήμα 5.8. QF Trabecular Density για όλες τις ομάδες 167 Σχήμα 5.9. Επίπεδα NTx σε όλες τις ομάδες 167 Σχήμα Επίπεδα Οστεοκαλσίνης σε όλες τις ομάδες 168 Σχήμα Επίπεδα NTx (Α) και Οστεοκαλσίνης (Β) πριν και μετά την ωοθηκεκτομή (ovx) εξατομικευμένα για κάθε πειραματόζωο. Οι οριζόντιες ράβδοι απεικονίζουν το μέσο όρο τιμών (mean value) για κάθε πληθυσμό (n=25) 170 Σχήμα Μεταβολή Επιπέδων ΝΤx. 172 Σχήμα Μεταβολή Επιπέδων OC 175 Σχήμα Raman Φάσμα υδροξυαπατίτη (α) και κολλαγόνου (Β), υγιούς οστού (C) και οστεοπορωτικού οστού (D) 181

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 8 Σχήμα Φωτογραφίες από τις κνήμες ζώων που μετρήθηκαν με τη μέθοδο Raman. (Α) οστό από την υγιή ομάδα, (Β) οστό από την ομάδα που μετρήθηκε 145 ημέρες από την ωοθηκεκτομή. Μονάδες σε cm. 181 Σχήμα Σύγκριση MDF Συνολικής Πυκνότητας. 184 Σχήμα Σύγκριση MDF Σπογγώδους Πυκνότητας. 185 Σχήμα Συσχέτιση MDF Συνολικής Πυκνότητας για ασθενείς ηλικίας > Σχήμα Συσχέτιση MDF Σπογγώδους Πυκνότητας για ασθενείς ηλικίας > Σχήμα Συσχέτιση MDF Cortical Density στην τομή Σχήμα Συσχέτιση MDF Mass Σχήμα Συσχέτιση MDF0 Total Area Σχήμα Συσχέτιση MDF 0 Συνολικής Πυκνότητας Σχήμα Συσχέτιση MDF 0 Σπογγώδους Πυκνότητας Σχήμα Συσχέτιση MDF0 Mass2 191 Σχήμα Συσχέτιση MDF0 SSI Polar2 192 Σχήμα Συσχέτιση MDF0 Total Area Σχήμα Συσχέτιση MDF0 SSI Polar Σχήμα Συσχέτιση MDF0 Fracture Load X 193 Σχήμα Συσχέτιση MDF0 Fracture Load Y 194 Σχήμα Συσχέτιση MDF50 Μ1 195 Σχήμα Συσχέτιση MDF50 Total Area Σχήμα Συσχέτιση MDF50 Total Density Σχήμα Συσχέτιση MDF50 Trabecular Density Σχήμα Συσχέτιση MDF50 Mass Σχήμα Συσχέτιση MDF50 SSI Σχήμα 5.37 Συσχέτιση MDF50 Cortical Density Σχήμα Συσχέτιση MDF50 SSI Polar Σχήμα Συσχέτιση MDF50 Total Area 3 199

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 9 Σχήμα 5.40: Συσχέτιση MDF50 Cortical Density Σχήμα Συσχέτιση MDF50 Fracture Load X 200 Σχήμα Συσχέτιση MDF50 Fracture Load Y 201 Σχήμα Συσχέτιση MDF50 m 1 /m Σχήμα 5.44 Συσχέτιση MDF50 CrtArea2/Total Area1 202 Σχήμα Συσχέτιση MDF100 Μ1 203 Σχήμα Συσχέτιση MDF100 Total Density Σχήμα Συσχέτιση MDF100 Trabecular Density Σχήμα Συσχέτιση MDF50 BMD Spine, BMD neck, BMD Troch 205 Σχήμα Συσχέτιση MDF0, MDF 50. MDF 100 BMD Spine 205 Σχήμα Συσχέτιση BMD Spine BMD Trochanter 206 Σχήμα Συσχέτιση BMD Spine BMD Neck 206 Σχήμα Συσχέτιση Trabecular Density BMD Spine 207 Σχήμα Συσχέτιση Total Density BMD Spine 207 Σχήμα Συσχέτιση Total Density BMD Neck 208 Σχήμα Συσχέτιση Trabecular Density BMD Neck 208 Σχήμα Εξάρτηση του MDF από την ηλικία ανά ηλικιακή ομάδα 209 Σχήμα Εξάρτηση του MDF από την ηλικία για όλο τον μετρούμενο πληθυσμό 209 Σχήμα Εξάρτηση των Ιδιοσυχνοτήτων Ταλάντωσης από το μήκος της κνήμης 210 Σχήμα Εξάρτηση του MDF από το μήκος της κνήμης 210 Σχήμα Εξάρτηση του MDF από το λόγο Ύψος/Βάρος 211 Σχήμα 6.1. Συσχέτιση MDF NTx 218 Σχήμα 6.2. Συσχέτιση MDF NTx για όλες τις πειραματικές ομάδες 219 Σχήμα 6.3.Θεωρητικά ποσοστά πορώδους για υγιή και οστεοπορωτικό πληθυσμό 228 Σχήμα 6.4.Θεωρητικά ποσοστά πορώδους για οστεοπορωτικό και θεραπευμένο πληθυσμό 229 Σχήμα 6.6. Θωρητικά ποσοστά πορώδους για οστεοπορωτικό πληθυσμό 235 Σχήμα 6.7. Θωρητικά ποσοστά πορώδους για θεραπευμένο πληθυσμό 236

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 10 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1.1: Συγκριτική αξιολόγηση τεχνικών NDT 23 Πίνακας 1.2. Χαρακτηριστικά τεχνικών μέτρησης οστικής πυκνότητας. 28 Πίνακας 1.3. Δείκτες Οστικής Παραγωγής και Απορρόφησης 55 Πίνακας 2.1. Ιδιότητες σπογγώδους και φλοιώδους οστού. 67 Πίνακας 2.2. Τεχνικές Προσδιορισμού Μηχανικών ιδιοτήτων σπογγώδους ιστού. 74 Πίνακας 2.3. Συμβολισμοί τάσεων και παραμορφώσεων. 75 Πίνακας 2.4. Μηχανικές Σταθερές ανθρώπινων οστών (Τιμές σε GPa) 78 Πίνακας 2.5. Ελαστικές σταθερές οστού σε συνάρτηση με την πυκνότητα 79 Πίνακας 3.2. Τύποι εγκλεισμάτων για διαφορετικές τιμές του λόγου p 115 Πίνακας 5.1. Μετρήσεις MDF, QF σε υγιή πληθυσμό 156 Πίνακας 5.2: Μετρήσεις με συμβατικές μεθόδους. 159 Πίνακας 5.3. Μετρήσεις MDF QF σε οστεοπορωτικό πληθυσμό μετά την ωοθηκεκτομή 159 Πίνακας 5.4. Μετρήσεις με συμβατικές μεθόδους. 160 Πίνακας 5.5: Συγκριτική παρουσίαση των αποτελεσμάτων MDF pqct για τη Φάση Γ 162 Πίνακας 5.6. Μετρήσεις με συμβατικές μεθόδους Φάση Γ. 163 Πίνακας. 5.7 Ποσοστιαίες μεταβολές μετρουμένων μεγεθών 163 Πίνακας Ποσοστιαίες μεταβολές μέσων όρων μετρουμένων μεγεθών (φάσεις Α, Β). 164 Πίνακας 5.9. Συντελεστές συσχέτισης των μεγεθών MDF QF, total trabecular density (φάσεις Α, Β) 165 Πίνακας Συντελεστές συσχέτισης MDF, QF και SSI. 165 Πίνακας Συγκεντρωτικές μετρήσεις του NTx,της οστεοκαλσίνης, και της λεπτίνης στον ορρό του αίματος των επίμυων πριν την ωοθηκεκτομή (n=18) και σε χρονικά διαστήματα 20, 40 και 60 ημερών μετά την ωοθηκεκτομή (n=6 για κάθε χρονικό σημείο). 176 Πίνακας Αποτελέσματα ιστομορφομετρικής ανάλυσης 178 Πίνακας MDF, pqct, και Raman 180

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 11 Πίνακας Μετρούμενα μεγέθη με τη μέθοδο pqct 182 Πίνακας Μετρήσεις σε γυναίκες 183 Πίνακας Συντελεστές συσχέτισης MDF με αντιπροσωπευτικά μεγέθη της pqct 185 Πίνακας Συντελεστές Συσχέτισης MDF TotalArea Cortical Density για την τομή Πίνακας 6.1. Μεταβολές μεγεθών που μετρήθηκαν με τις μεθόδους ΜDF, pqct, Βιοχημικών Δεικτών. 214 Πίνακας 6.2. Παρουσίαση Αποτελεσμάτων Ιστομορφομετρίας 214 Πίνακας 6.3. Συσχετίσεις ΝΤx MDF 219 Πίνακας 6.4. Ο συντελεστής συσχέτισης Pearson s (r) μεταξύ των επιπέδων της λεπτίνης του NTx και της οστεοκαλσίνης στον ορρό επίμυων και του βάρους του σώματος πριν την ωοθηκεκτομή (n = 18) και σε χρονικά διαστήματα 20, 40, και 60 ημερών μετά την ωοθηκεκτομή, (n = 6 για κάθε πειραματικό χρονικό σημείο). 222 Πίνακας 6.5. Πειραματικές και θεωρητικές τιμές για τον Συντελεστή Απόσβεσης (υγιής πληθυσμός) 233 Πίνακας 6.6. Πειραματικές και θεωρητικές τιμές για τον Συντελεστή Απόσβεσης (οστεοπορωτικός πληθυσμός) 233 Πίνακας 6.7. Πειραματικές και θεωρητικές τιμές για τον Συντελεστή Απόσβεσης (θεραπευμένος πληθυσμός) 235 Πίνακας 6.8. Συντελεστές συσχέτισης για τις πειραματικές και τις θεωρητικές τιμές του Συντελεστή Απόσβεσης, της Πυκνότητας και του Πορώδους 237

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 12 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνεται το αποτέλεσμα εκτεταμένης συγκριτικής μελέτης των μεθόδων που χρησιμοποιούνται στη διάγνωση της εισαγωγής και της εξέλιξης της οστεοπόρωσης. Η οστεοπόρωση, όπως και όλες οι μεταβολικές νόσοι των οστών, αποτελούν ένα σημαντικό πρόβλημα της παγκόσμιας υγείας. Πολλές τεχνικές έχουν προταθεί και εφαρμόζονται για τη διάγνωση της οστεοπόρωσης αλλά και για την παρακολούθηση της εξέλιξής της, με ταυτόχρονη αξιολόγηση της επίδρασης των θεραπευτικών αγωγών. Η μέθοδος της μέτρησης του Μορφικού Συντελεστή Απόσβεσης αποτελεί μια τεχνική γνωστή στην παγκόσμια βιβλιογραφία για την εκτίμηση της ποιότητας των κατασκευών με μη καταστροφικό τρόπο. Η διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής της μεθόδου στην αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας των οστών με παράλληλη ανάπτυξη θεωρητικού μοντέλου το οποίο υποστηρίζει την ορθότητα των πειραματικών αποτελεσμάτων αποτέλεσε το βασικό στόχο της έρευνας. Ειδικότερα, περιλαμβάνεται αναλυτική έρευνα βιβλιογραφίας στην περιοχή του μη καταστροφικού ελέγχου συμβατικών κατασκευών και υλικών, και ανάπτυξη των κυριότερων τεχνικών που εφαρμόζονται στην καθημερινή κλινική πρακτική για τον διαγνωστικό έλεγχο της οστεοπόρωσης και γενικότερα των παθήσεων του μυοσκελετικού συστήματος [τεχνικές πυκνομετρίας (pqct, DEXA, QUS, κ.λ.π) αλλά και τεχνικές που ανιχνεύουν μεταβολές των οστών σε επίπεδο αρχιτεκτονικής (ιστομορφομετρία) και σε μοριακό επίπεδο (βιοχημικοί δείκτες), καθώς και φασματοσκοπία Raman] με τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε μεθόδου. Λόγω της πολυπλοκότητας του υλικού του οστού, παρατίθενται αναλυτικά οι μηχανικές του ιδιότητες. Στη συνέχεια αναπτύσσεται το θεωρητικό μοντέλο υπολογισμού του Μορφικού Συντελεστή Απόσβεσης και παρουσιάζεται το εκτεταμένο πειραματικό μοντέλο που εφαρμόστηκε σε επίμυες και γυναίκες. Από τη σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων της μεθόδου του Συντελεστή Απόσβεσης και των συμβατικών τεχνικών που χρησιμοποιούνται για τη διάγνωση

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 13 της οστεοπόρωσης με τις αναλυτικές τιμές υπολογισμού του Συντελεστή Απόσβεσης αναδεικνύεται η υψηλή ευαισθησία της προτεινόμενης μεθόδου και τεκμηριώνεται η ωριμότητά της για αποτελεσματική, επαναλήψιμη, έγκυρη και αξιόπιστη αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας των οστών.

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 14 SUMMARY Extended comparative study of the methods used in the diagnosis of osteoporosis is included in this thesis. Osteoporosis, as well as all metabolic diseases of bones, consist an important health problem. Many techniques have been proposed and are applied for monitoring of osteoporosis with simultaneous assessment of the effect of therapeutical treatment. Measurement of Modal Damping Factor is a worldwide known technique for the non destructive assessment of structural integrity. The potential of application of this method on the assessment of structural integrity of bones, in combination with development of theoretical model supporting the experimental results has been the main target of this research. Specifically, in the frame of the research, a thorough state of the art has been elaborated in the domain of non destructive testing of conventional structures and materials, as well as on the main techniques applied on everyday clinical practice for diagnosis of osteoporosis and of metabolic diseases of bones [bone density techniques (pqct, DEXA, QUS), techniques detecting architectural changes (histomorphometry), molecular changes (biochemical markers) and Raman Spectroscopy], accompanied by the advantages and disadvantages of each approach. Due to the complexity of bone structure, its mechanical properties are presented, accompanied by the theoretical model, from which the Modal Damping Factor is calculated, and the experimental model that was applied on osteoporotic rats and women. The comparison between experimental results of Modal Damping Factor and of data from conventional methods used for diagnosis of osteoporosis with the analytical values of Modal Damping Factor permits for elevating the high sensitivity of the proposed method and documenting its maturity for effective, repetitive, and accurate assessment of bone structural integrity.

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 15 ΣΚΟΠΟΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Πρωτεύοντα ρόλο στον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας των οστών διαδραματίζουν οι μέθοδοι μη καταστροφικού ελέγχου. Λόγω των μειονεκτημάτων κάθε μεθόδου προκύπτει αδυναμία χαρακτηρισμού οποιασδήποτε από αυτές σαν καταλληλότερης για την αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας των οστών. Τα μειονεκτήματα των διαφόρων τεχνικών συνοψίζονται κυρίως στα ακόλουθα: Μέτρια επαναληψιμότητα Υποκειμενικότητα, σε ό,τι αφορά στην αξιολόγηση και εκτίμηση των αποτελεσμάτων στην καθημερινή κλινική πρακτική, καθώς στις περισσότερες των περιπτώσεων διεξάγεται πλήθος συνδυαστικώνμετρήσεων. Υψηλό κόστος, στις περισσότερες τεχνικές. Για παράδειγμα η διάταξη DEXA χαρακτηρίζεται από υψηλό κόστος, τάξης μεγέθους που καθιστά απαγορευτική την εγκατάσταση και λειτουργία του σε ένα απλό ορθοπεδικό ιατρείο. Ακτινοβόληση του ασθενούς σε ποσότητα που δεν επιτρέπει τη διεξαγωγή επαναληπτικών μετρήσεων σε μικρό χρονικό εύρος. Για παράδειγμα, η μέθοδος DEXA δε μπορεί να επαναληφθεί σε ασθενή σε διάστημα μικρότερο του ενός έτους. Όλες οι τεχνικές απαιτούν ιδιαίτερα εξειδικευμένο προσωπικό το οποίο θα έχει την ευθύνη χειρισμού των διατάξεων και εξαγωγής των αποτελεσμάτων. Οικονομοτεχνικά, όλες οι αδυναμίες των συμβατικών μεθόδων, σε συνδυασμό με την παγκόσμια τάση της επιστημονικής κοινότητας να αντιμετωπίσει το πρόβλημα της οστεοπόρωσης και των μεταβολικών νόσων των οστών γενικότερα, αναδεικνύουν την ανάγκη για δημιουργία και εγκατάσταση νέων τεχνικών οι οποίες συμπληρωματικά-ή σε αντικατάσταση- των υπάρχουσων τεχνικών θα έχουν

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 16 τη δυνατότητα εξαγωγής συμπερασμάτων επαναλήψιμων και αντικειμενικών, με εύκολα αναπαράξιμα αποτελέσματα. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται μια μέθοδος αξιολόγησης της δομικής ακεραιότητας των οστών με χρήση του εσωτερικού συντελεστή απόσβεσης του οστού. Ο εσωτερικός συντελεστής απόσβεσης είναι μια φυσική ιδιότητα ποιοτικού χαρακτηρισμού συστημάτων και υλικών. Εφαρμογές του εσωτερικού συντελεστή απόσβεσης για εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικών με την ποιότητα της κατασκευής καταγράφονται από την αρχαιότητα. Έχει αναφερθεί ότι με συνεχόμενο χτύπημα στο σώμα της κατασκευής εξάγονταν πληροφορίες για σημεία ρωγμής ή ατελειών, με αξιολόγηση του παραγόμενου ήχου στα διάφορα σημεία. Ο εσωτερικός συντελεστής απόσβεσης και οι συνακόλουθες φυσικές αρχές έχουν οριστεί επιστημονικά με σαφήνεια. Η εφαρμογή ωστόσο σε ένα πεδίο όπως η ορθοπεδική αποτέλεσε μια πρωτότυπη πρόκληση που οδήγησε στην εκπόνηση της παρούσας διατριβής. Από την ανάλυση και τα πειράματα που διεξήχθησαν σε σειρές πειραματοζώων και σε γυναίκες in vivo και in vitro είναι φανερό ότι η μέθοδος αυτή μπορεί να αποτελέσει ένα αξιόπιστο, σύγχρονο εργαλείο παρακολούθησης της δομικής ακεραιότητας των οστών, συμβάλλοντας αποτελεσματικά στη διάγνωση και εξέλιξη της οστεοπόρωσης και αίροντας πολλά από τα προβλήματα που προκύπτουν από την εφαρμογή των συμβατικών μεθοδων. Η διερεύνηση αυτού του επιστημονικού πεδίου, δεδομένων των πολυπαραμετρικών και πολύπλοκων χαρακτηριστικών που περιγράφουν το σκελετικό σύστημα του ανθρώπινου σώματος και τις παθήσεις του μυοσκελετικού συστήματος, συνιστά διαρκή ερευνητικό στόχο.

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ Ο έλεγχος της ακεραιότητας των κατασκευών αποτελεί θεμελιώδη αρχή τόσο για τη σωστή λειτουργία τους όσο και για την έγκαιρη διάγνωση βλαβών που επιδρά έμμεσα ή άμεσα στο συνολικό κόστος μιας κατασκευής. Η κύρια κατηγοριοποίηση των μεθόδων ελέγχου της δομικής ακεραιότητας περιλαμβάνει διαχωρισμό σε επεμβατικές ή καταστροφικές μεθόδους και σε μη καταστροφικές. Κύριο αντικείμενο του κεφαλαίου αποτελεί η παρουσίαση των κυριότερων μεθόδων μη καταστροφικού ελέγχου της δομικής ακεραιότητας των κατασκευών, αλλά και των μεθόδων που χρησιμοποιούνται για τη διαγνωστική απεικόνιση της οστεοπόρωσης. 1.1 ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΔΟΜΙΚΗΣ ΑΚΕΡΑΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Μη-καταστροφικός έλεγχος-γενικά Ο μη καταστροφικός έλεγχος (Non Destructive Testing-NDT) είναι τεχνική επιθεώρησης των κατασκευών με την οποία προσδιορίζεται η δομική ακεραιότητα χωρίς να προκαλούνται μεταβολές στην κατασκευή. Κατά την κατασκευή ή παραγωγική διαδικασία ενός δομικού στοιχείου είναι δυνατόν να προκληθούν δομικές ατέλειες ικανές να το οδηγήσουν σε ολική αστοχία. Μια από τις κυριότερες εφαρμογές των μεθόδων μη καταστροφικού ελέγχου είναι ο έγκαιρος εντοπισμός αυτών των ατελειών. Επίσης, οι ταλαντώσεις και τάσεις που αναπτύσσονται κατά τη λειτουργία του δομικού στοιχείου σαν αποτέλεσμα των επιβαλλόμενων φορτίων είναι δυνατόν να εισαγάγουν νέες ατέλειες από τις οποίες να προκληθεί έναρξη και διάδοση ρωγμών στο σώμα του στοιχείου Μη καταστροφικός έλεγχος-τεχνικές

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 18 Στη βιβλιογραφία αναφέρεται πλήθος τεχνικών μη καταστροφικού ελέγχου, οι σπουδαιότερες από τις οποίες είναι: Οπτική επιθεώρηση (Visual inspection-vi) Οι μη καταστροφικές δοκιμές [1] ξεκινούν με οπτική επιθεώρηση και εξέταση, η οποία είναι η πιο απλή και κοινή τεχνική επιθεώρησης. Περιλαμβάνει εξέταση της περιοχής ενδιαφέροντος με το μάτι, με παράλληλη χρήση εργαλείων όπως μεγεθυντικοί φακοί, φωτεινές πηγές, κιάλια και άλλα. Αυτές οι συσκευές είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν και με τηλεοπτική κάμερα. Η μέθοδος συχνά χρησιμοποιείται σε επιθεώρηση συγκολλήσεων, όπου η γρήγορη ανίχνευση και διόρθωση της διαδικασίας μπορεί να επιδράσει σημαντικά στο κόστος. Απαιτεί καλή όραση, καλό φωτισμό και γνώση του πεδίου εφαρμογής του ελέγχου. Παρέχει τη δυνατότητα πρόβλεψης της θέσης πιθανής αστοχίας ή του σημείου αστοχίας. Χαρακτηρίζεται σαν μέθοδος απαιτούμενη ή συμπληρωματική των άλλων μεθόδων NDT Έλεγχος με διεισδυτικό υλικό (Liquid penetrant testing-lt) Χρησιμοποιείται [2] για την ανίχνευση μικρών ρωγμών ή ασυνεχειών στην επιφάνεια του υλικού, οι οποίες είναι δύσκολο να αξιολογηθούν με τον οπτικό έλεγχο. Αυτού του είδους η επιθεώρηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα περισσότερα μέρη μιας κατασκευής στα οποία είναι δυνατή η πρόσβαση. Η επιθεώρηση γίνεται με εφαρμογή ενός ρευστού το οποίο διαπερνά τις επιφανειακές ατέλειες του υλικού. Το επιπλέον ρευστό αφαιρείται και μετά την εφαρμογή κατάλληλου διαλύματος παραμένει ποσότητα ρευστού μόνο μέσα στα σημεία των ατελειών, επιτρέποντας τη χάραξη των περιγραμμάτων των ατελειών. Η ανίχνευση των ατελειών πραγματοποιείται είτε οπτικά από τη χρωματική διαφορά ή με χρήση μαύρου φωτός.

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Eλεγχος με χρήση μαγνητικών σωματιδίων (Magnetic Particle Testing- MPT) Η μέθοδος [2] χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό επιφανειακών ατελειών ή ατελειών που εμφανίζονται σε περιοχές κοντά στην εξωτερική επιφάνεια του στοιχείου. Υλοποιείται με χρήση σωματιδίων που μπορούν να μαγνητιστούν και εφαρμόζονται σε συναρμολογημένα ή μη συναρμολογημένα τμήματα μηχανών. Η δοκιμή επιτυγχάνεται με υποβολή του στοιχείου σε μαγνητικό πεδίο με παράλληλη εφαρμογή σκόνης ή υγρού αιωρήματος σωματιδίων οξειδίου του σιδήρου. Τοπικοί μαγνητικοί πόλοι δημιουργούνται από τις ατέλειες επάνω στο στοιχείο και έλκουν τα ρινίσματα, με αποτέλεσμα να είναι ανιχνεύσιμη η περιοχή εμφάνισης των ατελειών Eλεγχος με χρήση ρευμάτων αυτεπαγωγής (Eddy current Testing-ET) Με χρήση της μεθόδου [1] είναι δυνατόν να επιτευχθούν η ανίχνευση επιφανειακών ατελειών ή ατελειών σε περιοχές κοντά στην επιφάνεια του στοιχείου για τα περισσότερα μέταλλα, ο υπολογισμός του πάχους των επιστρώσεων και η ταξινόμηση των μετάλλων ανάλογα με τα κράματά τους αλλά και τη συμπεριφορά τους σε κάτω από θερμικά φορτία. Όταν ένα ενεργοποιημένο πηνίο τοποθετείται κοντά στην επιφάνεια ενός μεταλλικού στοιχείου, ρεύματα αυτεπαγωγής εισέρχονται σε αυτό. Αυτά τα ρεύματα εγκαθιστούν μαγνητικό πεδίο το οποίο τείνει να αντισταθεί στο αρχικό μαγνητικό πεδίο. Όταν τα ρεύματα αυτεπαγωγής διαταράσσονται από την παρουσία διαφοροποιήσεων στη δομή του στοιχείου, μεταβάλεται η εμπέδηση του πηνίου. Αυτή η μεταβολή είναι μετρήσιμη και εμφανίζεται με τρόπο που αντιστοιχεί στην κατάσταση του υλικού. Η μέθοδος βρίσκει εφαρμογή σε τομείς όπως αεροναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, ναυπηγική και κατασκευαστικές βιομηχανίες.

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Eλεγχος με χρήση Υπερήχων (Ultrasonic testing-ut) Ο έλεγχος με χρήση υπερήχων [2] είναι μέθοδος μη καταστροφικού ελέγχου κατάλληλη για τον έλεγχο τον περισσότερων μετάλλων, πλαστικών και κεραμικών υλικών. Χρησιμοποιεί ηχητικά σήματα μικρού μήκους κύματος και μεγάλης συχνότητας για τον εντοπισμό διαρροών και για τη μέτρηση του πάχους ενός υλικού. Με τη μέθοδο αυτή εντοπίζονται ατέλειες στην επιφάνεια ή σε ολόκληρη τη μάζα του υλικο. Συνήθως παλλόμενες δέσμες ηχητικού σήματος [1] υψηλής συχνότητας εφαρμόζονται μέσω κατευθυνόμενης με το χέρι συσκευής η οποία τοποθετείται επάνω στο στοιχείο. Ο παλμός επιστρέφει στη συσκευή σαν αντανάκλαση (ηχώ) και προβάλλεται σε οθόνη στη μορφή του εύρους του παλμού και του χρόνου επιστροφής. Οι ατέλειες του στοιχείου αντιστοιχούν στην επιστροφή του παλμού. Η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως στην αεροπορική βιομηχανία, σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας και σε συγκολλήσεις σε διϋλιστήρια πετρελαίου. Τυπικές εικόνες ελέγχου με τη μέθοδο των υπερήχων φαίνονται στην Εικόνα 1.1 [3]. Εικόνα 1.1: Τυπικές εικόνες ελέγχου με υπερήχους Ακτινογραφικός έλεγχος (Radiographic Testing-RT)

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 21 Με αυτό τον έλεγχο είναι δυνατή η εμφάνιση εσωτερικών και εξωτερικών λεπτομερειών της δομής όλων των τύπων υλικών και κατασκευών. Χρησιμοποιείται σε υλικά και κατασκευές μη προσβάσιμα με άλλες τεχνικές και επιτυγχάνεται με διοχέτευση ακτινών X ή ακτινών Gamma [1] διαμέσου του στοιχείου ώστε να αναπαραχθεί ένα ακτινογραφικό φιλμ. Οι ακτίνες Χ ή ακτίνες Gamma τοποθετούνται κοντά στο στοιχείο (Εικόνα 1.2) και το διαπερνούν, και στην έξοδο καταγράφονται σε φιλμ. Από την επεξεργασία του φιλμ και της εικόνας η οποία παρέχει αποχρώσεις άσπρου-μαύρου για το υλικό (Εικόνα 1.3), δίνονται πληροφορίες της αρχιτεκτονικής της περιοχής ενδιαφέροντος, ή αποκλίσεις στο πάχος του στοιχείου. Έτσι είναι δυνατή η ανίχνευση ατελειών ή βλαβών μέσα στην κατασκευή. Η επιλογή του είδους των ακτίνων που χρησιμοποιούνται εξαρτάται από το πάχος του υλικού που εξετάζεται. Εικόνα 1.2:Πειραματικές διατάξεις και αρχές λειτουργίας της μεθόδου

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 22 Εικόνα 1.3 Τυπικές μορφές εξόδου της μεθόδου Μέθοδος ακουστικής εκπομπής (Acoustic emission monitoring -AE) Οι ακουστικές εκπομπές [1] είναι τασικά κύματα που παράγονται από ξαφνικές κινήσεις μέσα σε υλικά που υποβάλλονται σε τάση. Οι κλασσικές πηγές ακουστικής εκπομπής είναι διαδικασίες παραμόρφωσης που σχετίζονται με ατέλειες της κατασκευής, όπως η ανάπτυξη ρωγμών και οι πλαστικές παραμορφώσεις. Η διαδικασία δημιουργίας και ανίχνευσης παρουσιάζεται στην Εικόνα 1.4. Μια απότομη μετακίνηση στην πηγή παράγει τασικό κύμα το οποίο εκπέμπει ακτινοβολία και διεγείρει έναν ευαίσθητο πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα. Καθώς αυξάνεται η τάση μέσα στο υλικό, δημιουργούνται πολλές από αυτές τις εκπομπές. Τα σήματα από εναν ή περισσότερους αισθητήρες ενισχύονται και καταγράφονται για την παραγωγή δεδομένων για εμφάνιση και ερμηνεία. Βασικό πλεονέκτημα της επιθεώρησης με τη μέθοδο της ακουστικής εκπομπής αποτελεί το γεγονός ότι επιτρέπει στο σύνολο της κατασκευής να επιθεωρηθεί με μια απλή λειτουργία φόρτισης. Δεν είναι απαραίτητο να εξεταστεί η κατασκευή για τοπικές παραμορφώσεις, αλλά αρκεί να συνδεθεί ένας ικανός αριθμός κατάλληλων αισθητήρων που συνήθως τοποθετούνται σε αποστάσεις 1 εώς 6 m μεταξύ τους.

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 23 Συνέπεια είναι η ελαχιστοποίηση του κόστους στον έλεγχο μεγάλων κατασκευών, για τις οποίες οι άλλες μέθοδοι απαιτούν αφαίρεση μονωτικών υλικών, απολυμάνσεις ή σαρώσεις μεγάλων περιοχών. Εικόνα 1.4: Βασικές αρχές της μεθόδου ακουστικής εκπομπής Στον Πίνακα 1.1 παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μη καταστροφικών τεχνικών. Συχνά η χρήση μιας μόνο από τις τεχνικές που παρουσιάστηκαν δεν είναι αρκετή. Λόγοι τεχνικής επάρκειας υπαγορεύουν συνδυασμό μεθόδων. Πίνακας 1.1: Συγκριτική αξιολόγηση τεχνικών NDT Οπτική ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 1. Κατάλληλη μόνο για 1. Χαμηλό κόστος ορατές επιφάνειες 2. Φορητός εξοπλισμός 2. Εντοπίζει μόνο 3. Άμεσα αποτελέσματα μεγάλες ατέλειες 4. Ελάχιστη 3. Παρερμηνεία ρωγμών προετοιμασία και παραμορφώσεων εξαρτήματος Διαπεραστικό ρευστό 1. Χαμηλό κόστος 2. Φορητός εξοπλισμός 3. Υψηλή ευαισθησία 4. Άμεσα αποτελέσματα 5. Σύντομη σε πολλαπλά κομμάτια 1. Κατάλληλη μόνο σε κομμάτια προσβάσιμα από τις συσκευές 2. Οι ατέλειες πρέπει να βρίσκονται στην επιφάνεια

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 24 Μαγνητικά σωματίδια Ρεύματα Αυτεπαγωγής 6. Μικρή απαιτούμενη δεξιότητα από τους χειριστές 1. Ημι-φορητός εξοπλισμός 2. Ευαίσθητη σε μικρές ενδείξεις 3. Εντοπίζει ατέλειες στην επιφάνεια και κοντά σε αυτήν 4. Ευαίσθητη σε ρωγμές 5. Σύντομη για μεμεονωμένα εξαρτήματα 6. Απαιτείται μέτρια δεξιότητα 1. Φορητός 2. Μέσο κόστος 3. Άμεσα αποτελέσματα 4. Ευαίσθητη σε μικρές αποκλίσεις 5. Μικρή προετοιμασία 6. Εύκολα καταγράψιμα 3. Απαιτείται προετοιμασία των κομματιών, π.χ λείανση 4. Όχι πάντα δυνατά αποτελέσματα 5. Απαιτείται απευθείας οπτική επαφή των αποτελεσμάτων 6. Απαιτεί υψηλό βαθμό καθαρότητας της επιφάνειας 7. Περίπλοκη 1. Κατάλληλη μόνο για φερρο-μαγνητικά υλικά 2. Το κομμάτι πρέπει να είναι φυσικά και οπτικά προσβάσιμο 3. Απαιτούνται διεργασίες αφαίρεσης επιστρώσεων 4. Δεν είναι πάντα δυνατή η παραγωγή μόνιμων αποτελεσμάτων 5. Μη πραγματοποιήσιμη όταν ο ισχυρός μαγνητισμός προκαλεί βλάβες 6. Το υλικό πρέπει να απομαγνητιστεί με το τέλος του ελέγχου 1. Ανιχνεύει ατέλειες στην επιφάνεια ή κοντά σε αυτήν 2. Η επιφάνεια πρέπει να είναι προσβάσιμη από τη συσκευή παροχής των ρευμάτων

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 25 μόνιμα αποτελέσματα 3. Ακατέργαστες 7. Πιθανός επιφάνειες επιδρούν στην αυτοματισμός ευαισθησία της μεθόδου 4. Κατάλληλη για επιθεώρηση μόνο αγώγιμων υλικών 5. Απαιτείται εμπειρία και δεξιότητα 6. Χρονοβόρα για εξέταση μεγάλων επιφανειών 1. Φορητός εξοπλισμός Υπέρηχοι 2. Κατάλληλη για επιφανειακές και υποεπιφανειακές ατέλειες 3. Ευαίσθητη σε μικρές ατέλειες 4. Άμεσα αποτελέσματα 5. Μικρή προετοιμασία κομματιού 6. Κατάλληλη για μεγάλου εύρους πάχη 7. Δεν περιορίζεται στα μέταλλα 8. Εύκολη η καταγραφή μονίμων αποτελεσμάτων 1. Η επιφάνεια πρέπει να είναι προσβάσιμη 2. Ακατέργαστες επιφάνειες επιδορύν στην ευαισθησία της μεθόδου 3. Απαιτείται ρεύμα 4. Είναι κατευθυντική μέθοδος 5. Απαιτείται υψηλή δεξιότητα 6. Λεπτά ή πολύπλοκα κομμάτια είναι δύσκολο να επιθεωρηθούν 1. Φορητός εξοπλισμός 1. Υψηλό κόστος 2. Ικανότητα για 2. Μεγάλος χρόνος εξέταση εξωτερικών και προετοιμασίας και έλεγχος- Ακτινογραφικός ακτίνες Χ εσωτερικών ατελειών 3. Ικανή να επιθεωρήσει καλυπτόμενα ή κρυμμένα εγκατάστασης 3. Επικίνδυνη ακτινοβολία από άλλα κομμάτια 4. Υψηλά τμήματα κατευθυνόμενη μέθοδος 4. Μόνιμα 5. Υψηλή δεξιότητα και

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 26 αποτελέσματα 5. Ελάχιστη προετοιμασία εμπειρία 6. Απαιτείται εξοπλισμός επεξεργασίας film

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΔΟΜΙΚΗΣ ΑΚΕΡΑΙΟΤΗΤΑΣ ΟΣΤΩΝ Γενικά Tα οστεοπορωτικά κατάγματα αναγνωρίστηκαν σαν ένα από τα πλέον σοβαρά προβλήματα της δημόσιας υγείας, την προηγούμενη δεκαετία. Για γυναίκες ηλικίας άνω των 50 ετών, ο κίνδυνος εμφάνισης κατάγματος στη σπονδυλική στήλη, το ισχίο ή την ωλένη, υπολογίζεται περίπου στο ποσοστό του 30%-40% που είναι συγκρίσιμο με το ποσοστό εμφάνισης καρδιαγγειακών παθήσεων (30%-40%) και το ποσοστό εμφάνισης καρκίνου του μαστού (9%-12%) [5]. Για τους άνδρες, ο κίνδυνος οστεοπορωτικού κατάγματος είναι περίπου ίσος με το ένα τρίτο του ποσοστού των γυναικών. Στις Η.Π.Α., το 1995, το συνολικό κόστος που σχετίζεται με τις οστεοπορωτικές θραύσεις ξεπερνά τα 13 δισεκατομμύρια δολάρια [6], αριθμός που αναμένεται να κυμανθεί από 30 έως 40 εκ. δολάρια μέχρι το 2020 [7]. Από τα κόστη αυτά, τα δύο τρίτα σχετίζονται άμεσα με κατάγματα του ισχίου, τα οποία επιπρόσθετα προκαλούν μεγάλους ρυθμούς αύξησης της νόσου αλλά και θνησιμότητα, συγκρινόμενα με άλλους τύπους καταγμάτων. Περίπου το ένα τέταρτο ασθενών με κατάγματα του ισχίου, πεθαίνουν μέσα σε ένα χρόνο από την εμφάνισή τους [8], ενώ οι υπόλοιποι συχνά εμφανίζουν κινησιακές δυσλειτουργίες [9]. Η προσπάθεια για την πλήρη κατανόηση των μηχανισμών της οστεοπόρωσης, αλλά και για ανάπτυξη νέων διαγνωστικών εργαλείων και θεραπευτικών προσεγγίσεων χαρακτηρίζει τη δεκαετία που διανύουμε ως «Δεκαετία των Οστών και των αρθρώσεων» (Bone and Joint decade). Την περασμένη δεκαετία καταβλήθηκε μεγάλη προσπάθεια ανάπτυξης νέων ραδιολογικών τεχνικών για τη μη επεμβατική αξιολόγηση της ακεραιότητας του σκελετού [10,11] (Πίνακας 1.2.), καθώς και νέες θεραπευτικές αγωγές για την επιβράδυνση και την πρόληψη της νόσου. Η τεχνική που είναι περισσότερο διαδεδομένη σήμερα και σχετίζεται με τη μέτρηση της πυκνότητας του οστού είναι η μέθοδος DEXA (Dual energy X-ray Absorptiometry) [12]. H μέθοδος DΕXA αναπτύχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1980 σαν εξέλιξη της μεθόδου DPA (

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 28 Dual Photon Absorptiometry), αντικαθιστώντας την πηγή ραδιονουκλιδίου 153 Gd με σωλήνα ακτίνων X. Λόγω των πλεονεκτημάτων της υψηλής ακρίβειας, των μικρών χρόνων σάρωσης, της χαμηλής δόσης ακτινοβολίας και της σταθερής βαθμονόμησης, η DEXA έχει καθιερωθεί ως η πλέον κατάλληλη για τη διάγνωση και την παρακολούθηση της οστεοπόρωσης. Η οστεοπόρωση γενικά μπορεί να οριστεί σαν «πάθηση του σκελετικού συστήματος που χαρακτηρίζεται από χαμηλή ποσότητα μάζας οστού και υποβαθμίσεις στη μικρο-αρχιτεκτονική του οστού, με συνέπεια την αύξηση της ευθραυστότητας του οστού (π.χ κατάγματα)» [13]. Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτός ο ορισμός προβάλλει τη συσχέτιση της χαμηλής ποσότητας μάζας με τον κίνδυνο κατάγματος. Έτσι, αν και γενικά δεν είναι δόκιμος ο ορισμός μιας νόσου με βάση έναν παράγοντα κινδύνου, όπως είναι η χαμηλή μάζα οστού, είναι επιθυμητή η αναγνώριση ομάδας ασθενών με υψηλό παράγοντα κινδύνου για εμφάνιση οστεοπόρωσης, με στόχο την έγκαιρη έναρξη θεραπείας ώστε να δημιουργηθούν συνθήκες αποφυγής καταγμάτων. Πίνακας 1.2. Χαρακτηριστικά τεχνικών μέτρησης οστικής πυκνότητας. Τεχνική Περιοχές ενδιαφέροντος Μονάδες μέτρησης Ακρίβεια (%CV) DEXA PA σπονδυλική στήλη BMD (g/cm 2 ) 1% Μηριαίο οστό Ολόκληρος ο σκελετός 1%-2% Απαιτούμενη δόση (μsv) % 3 QCT Σπονδυλική στήλη BMD (g/cm 3 ) 3% pdexa Πήχυς BMD (g/cm 2 ) 1%-2% 0.1 Πέλμα 1%-2% 0.1 pqct Πήχυς BMD (g/cm 3 ) 1%-2% 1-3 RA Φάλαγγες BMD (g/cm 2 ) 1%-2% 10 QUS Πέλμα BUA(dB/MHz) 2%-5% - Πέλμα SOS (m/s) 0.1%-1% - Κνήμη SOS (m/s) 1%-2% -

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 29 Πολλαπλά σημεία SOS (m/s) 1%-2% - PA=posteroanterior BUA=Broadband ultrasonic attenuation SOS=speed of sound Ορισμός Οστεοπόρωσης Τα τελευταία χρόνια, οι ραγδαίοι ρυθμοί ανάπτυξης συστημάτων και τεχνικών μέτρησης οστικής πυκνότητας, έχουν οδηγήσει σε ορισμούς εργασίας της οστεοπόρωσης, βασισμένους ακριβώς σε μετρήσεις BMD (Bone Mineral Density). Για παράδειγμα, το 1994 o Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (World Health Organization WHO) πρότεινε ορισμό της οστεοπόρωσης βασισμένο σε μετρήσεις BMD σε σπονδυλική στήλη, ισχίο και πήχυ σε μονάδες τυπικών αποκλίσεων (Standard Deviations SD) με την ονομασία Τ-score [14,15]. Ο ίδιος οργανισμός προτείνει και τη δημιουργία μιας ενδιάμεσης κατηγορίας που χαρακτηρίζεται από χαμηλή ποσότητα μάζας οστού, βρίσκεται μεταξύ του φυσιολογικού και του οστεοπορωτικού πληθυσμού και αναφέρεται ως κατηγορία «οστεοπενίας». Το Τ- score υπολογίζεται λαμβάνοντας τη διαφορά μεταξύ της μετρούμενης τιμής BMD ενός ασθενούς και της μέσης τιμής του BMD για ένα φυσιολογικό, υγιή ενήλικα, ίδιου φύλου και φυλής. Η διαφορά αυτών των τιμών ανάγεται στην τιμή της Τυπικής Απόκλισης (SD) του BMD ενός φυσιολογικού ενήλικα, σύμφωνα με τη σχέση: Τ-score=(Μετρούμενη BMD-Μέσος όρος BMD για φυσιολογικό ενήλικα)/ (Τυπική απόκλιση ΒΜD για φυσιολογικό ενήλικα-sd) Ο ορισμός της οστεοπόρωσης και της οστεοπενίας που παρουσιάζεται από τον WHO, βασίζεται στις τιμές του T-Score, και προτείνει την εξής κατηγοριοποίηση: -Οστεοπόρωση, για Τ-score -2.5 SD -Οστεοπενία, για -2.5SD< T-score <-1 SD

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Υγιής πληθυσμός, T-score > -1SD Μια τέταρτη κατηγορία που προτείνεται είναι η κατηγορία της «εγκατεστημένης οστεοπόρωσης», η οποία ορίζει την κατηγορία της οστεοπόρωσης σύμφωνα με τα παραπάνω, προσθέτοντας όμως και την παρουσία ενός ή περισσότερων ήδη παρουσιαζόμενων καταγμάτων, στον καρπό, τη σπονδυλική στήλη, ή το ισχίο. Η κατηγοριοποίηση WHO για τη διάκριση πληθυσμού με οστεοπόρωση ή οστεοπενία από το φυσιολογικό πληθυσμό σκοπεύει στην αναγνώριση ασθενών με υψηλή, μέση, και χαμηλή πιθανότητα κατάγματος (Εικόνα 1.5). Είναι αναγκαίο να σημειωθεί ότι το κριτήριο WHO αναφέρεται σε μετρήσεις BMD που διεξάγονται στη σπονδυλική στήλη, το ισχίο, και την ωλένη. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, αυτή η κατηγοριοποίηση δεν μπορεί να εφαρμοστεί αυτόματα για μετρήσεις BMD σε άλλες περιοχές ή για διαφορετικές τεχνικές μέτρησης, όπως είναι η QCT ή η QUS. (Πίνακας 1.2). Εικόνα 1.5. Κίνδυνος κατάγματος και Τ-score Στην Εικόνα 1.5 παρουσιάζεται η διαβάθμιση του κινδύνου ανάλογα με την πυκνότητα του οστού και τον κίνδυνο κατάγματος. H οστική πυκνότητα εκφράζεται με όρους SD στον άξονα T-score, σχετικά με το μέσο όρο και την

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 31 τυπική απόκλιση του υγιούς πληθυσμού. Ο ορισμός WHO σκοπό έχει να αναγνωρίζει ασθενείς με υψηλό, μέσο και χαμηλό κίνδυνο κατάγματος. Η μείωση του Τ-Score κατά μία μονάδα συνεπάγεται αύξηση του κινδύνου κατάγματος (Fracture Risk) κατά 2.5 μονάδες (Εικόνα 1.5) Αυτό προσεγγίζεται και στη σχέση μεταξύ μετρούμενης BMD ισχίου και του κινδύνου θραύσης του ισχίου (Εικόνα 1.6). Σύμφωνα με τα παραπάνω, ο ορισμός WHO για την οστεοπενία, περιλαμβάνει ένα υψηλό ποσοστό γυναικών στις οποίες θα μπορούσε να αξιοποιηθεί κλινικά η κατηγοριοποίηση WHO, κάτι που όμως πρακτικά δεν είναι αληθές σε κάθε πρίπτωση. Αντίθετα, ο ορισμός WHO για την κατηγορία της οστεοπόρωσης έχει σοβαρή εφαρμογή στην κλινική πρακτική, στη βάση του ότι το ερώτημα αν κάποιος ασθενής έχει οστεοπόρωση, είναι πλέον δυνατόν να απαντηθεί με κριτήριο το T-score. Συμπληρωματικά με το T-score, ένας άλλος τρόπος έκφρασης των μετρήσεων BMD είναι οι μονάδες του Z-score. [16]. Όπως και το T-score, το Z-score εκφράζεται σε μονάδες τυπικής απόκλισης SD του πληθυσμού. Ωστόσο, αντί η αναφορά να γίνεται στο φυσιολογικό ενήλικα, γίνεται σε σχέση με το μέσο όρο BMD για την ομάδα στην οποία ανήκει ο ασθενής (ηλικία, φύλο, εθνικότητα), με βάση την έκφραση: Z-score= (Μετρούμενη BMD- Μέση BMD ηλικιακής ομάδας)/ SD ηλικιακής ομάδας

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 32 Εικόνα 1.6. Συντελεστής κινδύνου κατάγματος ανάλογα με τη θέση μέτρησης Αν και δε χρησιμοποιούνται με τη συχνότητα των T-scores, τα Z-scores παραμένουν χρήσιμα καθώς εκφράζουν τον κίνδυνο ασθενούς να εμφανίσει κατάγματα, συγκρινόμενος με την ομάδα αναφοράς στην οποία ανήκει. Επιδημιολογικές μελέτες για τη σχέση μετρήσεων BMD και περιστατικών καταγμάτων, ερμηνεύονται χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο διαβάθμισης κινδύνου όπου ο κίνδυνος εμφάνισης κατάγματος αυξάνει εκθετικά με μείωση των τιμών BMD [17] (Εικόνα 1.6). Τα ευρήματα εκφράζονται σε όρους Σχετικού Κινδύνου (Relative Risk- RR), που εκφράζει τον αυξημένο παράγοντα κινδύνου (risk factor) για μείωση του BMD κατά μία τυπική απόκλιση SD. Στην Εικόνα 1.6 παρουσιάζονται οι μεταβολές του Σχετικού Κινδύνου Κατάγματος (Relative Risk of Fracture) σε σχέση με τη θέση που παρουσιάστηκε το κάταγμα, για μετρήσεις BMD σε διαφορετικές θέσεις [18]. Τυπικά, μείωση του BMD κατά 1 SD ισοδυναμεί με αύξηση της πιθανότητας κατάγματος κατά Αυτό συνεπάγεται ότι ασθενείς με Z-score < -1 χαρακτηρίζονται από υψηλό κίνδυνο εμφάνισης κατάγματος, σε σύγκριση πάντα με την ομάδα στην οποία ανήκουν Τεχνικές μέτρησης οστικής πυκνότητας

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 33 Στον Πίνακα 1.2 παρουσιάζονται οι μέθοδοι που είναι σήμερα διαθέσιμες για τη μη επεμβατική αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας του σκελετού με σκοπό τη διάγνωση και παρακολούθηση της οστεοπόρωσης και των καταγμάτων και την εκτίμηση του κινδύνου εμφάνισης κατάγματος. Αυτές οι τεχνικές διαφέρουν ως προς τις βασικές αρχές της μεθοδολογίας που ακολουθείται, την κλινική εφαρμογή τους και τη διαθεσιμότητα και κόστος τους.[10,11,19,20] DEXA Την περασμένη δεκαετία, η μέθοδος DEXA έχει αποδειχθεί ως η πιο ευρέως διαδεδομένη μέθοδος μέτρησης οστικής πυκνότητας λόγω της υψηλής της ακρίβειας, των μικρών χρόνων σάρωσης καθώς και της εύκολης βαθμονόμησης στην κλινική πρακτική. Ο εξοπλισμός DEXA (Εικόνα 1.7) επιτρέπει σάρωση της σπονδυλικής στήλης και του ισχίου (Εικόνες 1.7.Β, 1.7.C), που γενικά θεωρούνται ως τα μεγαλύτερης σπουδαιότητας σημεία μέτρησης, καθώς είναι περιοχές συχνής εμφάνισης καταγμάτων που έχουν σαν αποτέλεσμα μεγάλη θνησιμότητα και κινητικές δυσλειτουργίες. Μετρήσεις BMD στο ισχίο, έχουν αποδειχθεί να είναι ο πιο αξιόπιστος τρόπος εκτίμησης κινδύνου εμφάνισης καταγμάτων του ισχίου [18,21]. Η σπονδυλική στήλη, λόγω του ενεργού μεταβολικά σπογγώδους τμήματος των σπονδύλων, θεωρείται ως η βέλτιστη περιοχή για την παρακολούθηση της απόκρισης στην ακολουθούμενη θεραπευτική αγωγή [22].

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 34 Εικόνα 1.7. Μέτρηση DEXA και αποτελέσματα Η βασική αρχή στην οποία στηρίζεται η μέθοδος DEXA είναι η μέτρηση της διάδοσης μέσα στο σώμα ακτίνων Χ δύο διαφορετικού ενεργειακού επιπέδου φωτονίων [12]. Λόγω της εξάρτησης του συντελεστή απορρόφησης από τον ατομικό αριθμό και την ενέργεια του φωτονίου, η μέτρηση της διάδοσης σε δύο ενεργειακά επίπεδα παρέχει τις επιφανειακές πυκνότητες (μάζα / προβαλλόμενη επιφάνεια) των δύο διαφορετικών τύπου ιστού. Στις μετρήσεις DEXA, οι δύο τύποι αναφέρονται στην ανόργανη ύλη του οστού (hydroxyapatite) και στους μαλακούς ιστούς αντίστοιχα. H δόση ακτινοβολίας είναι χαμηλή (1-10 μsv) [23] και είναι

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 35 συγκρίσιμη με τη μέση φυσική ημερήσια ακτινοβολία των 7μSv στην οποία εκτίθεται ο μέσος άνθρωπος. Είναι ευρέως αναγνωρισμένο ότι η ακρίβεια των μετρήσεων DEXA περιορίζεται από τη διαφοροποίηση στη σύνθεση των μαλακών ιστών. Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του λίπους σε υδρογόνο, ο συντελεστής απορρόφησης του λίπους είναι διαφορετικός από το συντελεστή απορρόφησης των ιστών χωρίς λίπος. Οι διαφορές στη σύνθεση των μαλακών ιστών, στη διαδρομή που ακολουθούν οι ακτίνες στη διάρκεια της μέτρησης, συγκρινόμενες με τις γειτονικές επιφάνειες αναφοράς που απαιτεί η μέθοδος, καθιστούν την DEXA υποκείμενη σε σφάλματα, όπως έχουν δείξει διάφορες μελέτες [24,25]. Οι Svendsen et al [21] μελετώντας νεκροτομικό υλικό, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι παρατηρούνται σφάλματα της τάξης του 3% (στον πήχυ), 5% (σπονδυλική στήλη) και 6% (κεφαλή του μηριαίου, ισχίο) σε μετρήσεις DEXA, που οφείλονται στην ανομοιογένεια του λίπους των μαλακών ιστών. Η πρώτη γενιά σαρωτών DEXA χρησιμοποιούσε συσκευή δέσμης με πολύ μικρή οπή, που παρήγαγε μια λεπτή δέσμη σε σύζευξη με έναν ανιχνευτή σπινθήρων στο βραχίονα σάρωσης. Η πιο σημαντική βελτίωση από τότε είναι η εισαγωγή νέων συστημάτων που χρησιμοποιούν συσκευή δέσμης σωματιδίων με σχισμή, που παράγει δέσμη σε ζεύξη με μια γραμμική διάταξη ανιχνευτών στερεάς κατάστασης. Το αποτέλεσμα είναι να βελτιώνεται η ανάλυση της εικόνας, και να μειώνονται κατά πολύ οι χρόνοι σάρωσης (από 5-10 λεπτά σε δευτερόλεπτα). Το μειονέκτημα είναι ότι η ακτινοβολία είναι μεγαλύτερη, με συνέπεια την ανάγκη για μεγαλύτερη προφύλαξη από την έκθεση στην ακτινοβολία, ιδίως για το προσωπικό που χειρίζεται τη διάταξη [26] QCT H μέθοδος QCT (Quantitative Computed Tomography) έχει το πλεονέκτημα να παρέχει εκτιμήσεις για την πραγματική τρισδιάστατη (ογκομετρική) πυκνότητα του

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 36 οστού (σε μονάδες gr/cm 3 ), συγκρινόμενη με την επιφανειακή πυκνότητα που μετράται με τη μέθοδο DEXA. Χρησιμοποιείται συνήθως για μετρήσεις σπογγώδους οστού στα σώματα των σπονδύλων (Εικόνα 1.8) [27]. Η μέτρηση διεξάγεται σε διάταξη μέτρησης CT (Computed Tomography) όπου χρησιμοποιείται ένα εξωτερικό αντικείμενο αναφοράς για τη βαθμονόμηση των τομών που λαμβάνονται. Οι περισσότεροι κατασκευαστές μηχανών CT παρέχουν και λογισμικό για την αυτοματοποίηση του ορισμού της περιοχής ενδιαφέροντος μέσα στο σώμα του σπονδύλου. Δεδομένης της ορθότητας της εκτέλεσης της εξέτασης, η δόση ακτινοβολίας που λαμβάνει ο ασθενής είναι πολύ μικρότερη από τις τυπικές μετρήσεις CT [28]. Το πλεονέκτημα της QCT είναι ότι ανταποκρίνεται στις ηλικιακές και τις νοσολογικές μεταβολές [11,27]. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα της μεθόδου είναι το υψηλό κόστος εξοπλισμού.

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 37 Εικόνα 1.8. Τυπικές εικόνες της μεθόδου QCT pdexa, RA Παρά τη μεγάλη διάδοση της DEXA για μετρήσεις στο ισχίο και τη σπονδυλική στήλη, υπάρχει συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη νέων συσκευών ικανών να αξιολογήσουν τον περιφερειακό σκελετό [29]. Οι πρώτες συσκευές πυκνομέτρησης ήταν σαρωτές για τον πήχυ που χρησιμοποιούσαν την τεχνική SPA (single-photon absorptiometry) που βασιζόταν σε πηγή ραδιονουκλιδίου 125 Ι [30]. Μελέτες των τελευταίων 25 ετών στη μέθοδο SPA δείχνουν ότι η μέτρηση οστικής πυκνότητας του αντιβράχιου, αποδεικνύεται ικανή να προβλέψει την εμφάνιση

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 38 κατάγματος σε αυτήν την περιοχή. [31]. Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία έχει αναβαθμιστεί αντικαθιστώντας την πηγή ραδιονουκλιδίου με χαμηλής τάσης σωλήνα ακτίνων Χ (40-60 kv p ) ενώ χρησιμοποιούνται οι αρχές της DEXA για μετρήσεις BMD στην κερκίδα (Εικόνα 1.9) και την πτέρνα. Στα πλεονεκτήματα των συστημάτων περιφερειακής DEXA (pdexa) περιλαμβάνονται το μικρό αποτύπωμα των συσκευών, το σχετικά χαμηλό κόστος, και η εξαιρετικά χαμηλή δόση ακτινοβολίας (0.1 μsv) [32]. Εικόνα 1.9: Μετρητικά αποτελέσματα της μεθόδου pdexa H μέθοδος RA (Radiographic absorptiometry) είναι μια τεχνική που αναπτύχθηκε αρκετά χρόνια πριν, για την αξιολόγηση της οστικής πυκνότητας του χεριού, αλλά το ενδιαφέρον για τη μέθοδο ανανεώθηκε τα τελευταία χρόνια. [29]. Έχει το πλεονέκτημα της χρήσης παραδοσιακού εξοπλισμού ακτίνων Χ, συνήθως με την προσθήκη μιας μικρής σφήνας αλουμινίου στο πεδίο της εικόνας, για βαθμονόμηση. Το ραδιογράφημα επεξεργάζεται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή με ειδικό λογισμικό για μέτρηση BMD στις φάλαγγες των δακτύλων. Το βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου RA είναι η δυναμική της για γενικευμένη χρήση.