قياس امتصاص الأشعة السينية ثنائي الطاقة

عندما يمر شعاع الأشعة السينية عبر مادة متجانسة، تكون شدة الإشعاع عند العمق${\displaystyle t}$يمكن وصف المادة باستخدام قانون بير-لامبرت : $${\displaystyle I(t)=I_{0}e^{-\mu t},}$$ أين${\displaystyle I_{0}}$هي شدة الشعاع الأولية و${\displaystyle \mu }$يمثل معامل التوهين الخطي . بالنسبة لتقنية امتصاص الأشعة السينية ثنائية الطاقة (DXA)، غالبًا ما تُعبّر المعادلة أعلاه بدلالة معامل التوهين الكتلي (معامل التوهين مقسومًا على كثافة المادة).${\displaystyle \rho }$): $${\displaystyle I(t)=I_{0}e^{-\mu t}=I_{0}e^{-({\frac {\mu }{\rho }})t\rho }=I_{0}e^{-({\frac {\mu }{\rho }})\sigma },}$$ أين${\displaystyle (\mu /\rho )}$هو معامل التوهين الكتلي، و${\displaystyle \sigma }$هي كثافة المساحة . بالنسبة لمادة غير متجانسة ذات${\displaystyle n}$المواد المنفصلة، ​​يتم إعطاء علاقة الامتصاص من خلال: ^{[ 4 ]}$${\displaystyle I=I_{0}e^{-\sum _{i=1}^{n}({\frac {\mu }{\rho }})_{i}\sigma _{i}},}$$ أين${\displaystyle (\mu /\rho )_{i}}$و${\displaystyle \sigma _{i}}$يمثلان معامل التوهين الكتلي وكثافة المساحة للمادة${\displaystyle i}$، على التوالى.

تختلف معاملات امتصاص الأشعة السينية بين الأنسجة الرخوة والعظام. ^{[ 5 ]} عند مرور شعاع واحد من الأشعة السينية عبر الجسم، فإنه يمتصّه كل من الأنسجة الرخوة والعظام، ولا يمكن تحديد مقدار الامتصاص الناتج عن العظام من شعاع واحد. مع ذلك، تتغير معاملات الامتصاص بتغير طاقة الأشعة السينية، ^{[ 5 ]} والأهم من ذلك، أن نسبة معاملات الامتصاص تتغير أيضًا.

لنفترض عينة تحتوي على خليط من العظام والأنسجة الرخوة. في الحالة المبسطة لشعاعين من الأشعة السينية أحادية اللون ، يُعطى امتصاص شعاعي الأشعة السينية ذوي الطاقة الأعلى والأدنى بالعلاقة التالية: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle I^{H}=I_{0}^{H}e^{-(({\frac {\mu }{\rho }})_{b}^{H}\sigma _{b}+({\frac {\mu }{\rho }})_{s}^{H}\sigma _{s})}}$،

المعادلة 1

${\displaystyle I^{L}=I_{0}^{L}e^{-(({\frac {\mu }{\rho }})_{b}^{L}\sigma _{b}+({\frac {\mu }{\rho }})_{s}^{L}\sigma _{s})}}$

المعادلة 2

حيث الأرقام المرتفعة${\displaystyle H}$و${\displaystyle L}$تشير إلى حزم الطاقة العالية والمنخفضة على التوالي، والرموز السفلية${\displaystyle b}$و${\displaystyle s}$يشير ذلك إلى العظام والأنسجة الرخوة، على التوالي.

يمكن الحصول على كثافة مساحة العظم عن طريق إعادة ترتيب المعادلتين أولاً لـ${\displaystyle I^{L}}$و${\displaystyle I^{H}}$، المعرّفة في المعادلتين 1 و 2 ، بدلالة${\displaystyle \sigma _{s}}$بجعلها متساوية مع بعضها البعض، وإعادة ترتيب المعادلة الناتجة لـ${\displaystyle \sigma _{b}}$[ ^{6 ]​}$${\displaystyle \sigma _{b}={\frac {R_{s}\ln(I^{H}/I_{0}^{H})-\ln(I^{L}/I_{0}^{L})}{(\mu /\rho )_{b}^{L}-R_{s}(\mu /\rho )_{b}^{H}}},}$$ أين${\displaystyle R_{s}}$هي نسبة معاملات امتصاص الكتلة للأنسجة الرخوة عند مستويي الطاقة $${\displaystyle R_{s}={\frac {(\mu /\rho )_{s}^{L}}{(\mu /\rho )_{s}^{H}}},}$$ كثافة مساحة العظام،${\displaystyle \sigma _{b}}$وبالتالي يمكن الحصول عليها عن طريق القياس${\displaystyle I^{H}}$و${\displaystyle I^{L}}$وباستخدام القيم المعروفة لـ${\displaystyle I_{0}^{H}}$و${\displaystyle I_{0}^{L}}$(يعتمد على الماسح الضوئي) والقيم المعروفة لمعاملات امتصاص الكتلة للعظام والأنسجة الرخوة عند مستويات الطاقة العالية والمنخفضة (المعروفة). كثافة الأنسجة الرخوة،${\displaystyle \sigma _{s}}$ويمكن الحصول عليها بطريقة مماثلة لما سبق. ^{[ 6 ]}

لنفترض عينة نسيج تحتوي على خليط من مادتين بنسب غير معروفة${\displaystyle f_{1}}$و${\displaystyle f_{2}}$بما أن هناك مادتين فقط، بحسب التعريف${\displaystyle f_{1}+f_{2}=1}$. من المعادلتين 1 و 2 (مع استبدال العظام والأنسجة الرخوة بالمعادلتين 1 و2 الأكثر عمومية) حدد النسبة $${\displaystyle R={\frac {\ln(I^{L}/I_{0}^{L})}{\ln(I^{H}/I_{0}^{H})}}.}$$ يمكن إثبات أن هذا معطى بواسطة: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle R={\frac {({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{L}f_{1}+({\frac {\mu }{\rho }})_{2}^{L}f_{2}}{({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{H}f_{1}+({\frac {\mu }{\rho }})_{2}^{H}f_{2}}}.}$

المعادلة 3

في الحالة الخاصة التي لا يوجد فيها سوى المادة 1 في العينة (أي${\displaystyle f_{1}=1,f_{2}=0}$)، ثم${\displaystyle R}$إنها ببساطة نسبة معاملات التوهين الكتلي عند مستويات الطاقة تلك $${\displaystyle R={\frac {({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{L}}{({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{H}}}=R_{1},}$$ وهي قيمة ثابتة${\displaystyle R_{1}}$يمكن حساب ذلك باستخدام القيم المعروفة لمعاملات امتصاص الكتلة للمادة 1 عند مستويي الطاقة. وبالمثل، القيمة الثابتة${\displaystyle R_{2}}$يمكن حسابها كنسبة معاملات امتصاص الكتلة للمادة 2 عند كلا مستويي الطاقة، وهو ما يمكن ملاحظته عن طريق الاستبدال.${\displaystyle f_{1}=0,f_{2}=1}$في المعادلة 3 .

في قياسات تكوين الجسم ، تُعتبر البكسلات في مناطق صورة DXA الخالية من العظام مزيجًا من الدهون والأنسجة الرخوة الخالية من الدهون. ^{[ 8 ]} عند مستويات طاقة أعلى (مثل 70 كيلو إلكترون فولت)، تكون معاملات امتصاص الكتلة لكل من الدهون والأنسجة الرخوة الخالية من الدهون متشابهة. ^{[ 7 ] [ 9 ] [ 10 ]} بافتراض أن

${\displaystyle ({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{H}\approx ({\frac {\mu }{\rho }})_{2}^{H}=({\frac {\mu }{\rho }})^{H}}$

المعادلة 4

وبالتعويض في المعادلة 3 نحصل على $${\displaystyle R\approx {\frac {({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{L}f_{1}+({\frac {\mu }{\rho }})_{2}^{L}f_{2}}{({\frac {\mu }{\rho }})^{H}(f_{1}+f_{2})}}={\frac {({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{L}f_{1}+({\frac {\mu }{\rho }})_{2}^{L}f_{2}}{({\frac {\mu }{\rho }})^{H}}}=R_{1}f_{1}+R_{2}f_{2},}$$ لأن ذلك بحكم التعريف${\displaystyle f_{1}+f_{2}=1}$الاستبدال${\displaystyle f_{2}=1-f_{1}}$بإضافة ما سبق وإعادة ترتيبه يعطي ^{[ 7 ]}$${\displaystyle f_{1}={\frac {R-R_{2}}{R_{1}-R_{2}}}}$$ و $${\displaystyle f_{2}=1-f_{1}={\frac {R_{1}-R}{R_{1}-R_{2}}}.}$$ وبالتالي، عندما يتحقق الافتراض الوارد في المعادلة 4، يمكن تقدير النسب النسبية للمادتين باستخدام القيمة المقاسة لـ${\displaystyle R}$والقيم المعروفة لـ${\displaystyle R_{1}}$و${\displaystyle R_{2}}$[ ^{7 ]​}

يستخدم أحد أنواع أجهزة قياس امتصاص الأشعة السينية ثنائية الطاقة (DXA) مرشحًا من السيريوم بجهد أنبوب يبلغ 80 كيلو فولت ، مما ينتج عنه طاقات فوتونية فعالة تتراوح بين 40 و70 كيلو إلكترون فولت . ^{[ 11 ]} بينما يستخدم نوع آخر مرشحًا من الساماريوم بجهد أنبوب يبلغ 100 كيلو فولت، مما ينتج عنه طاقات فعالة تتراوح بين 47 و80 كيلو إلكترون فولت. ^{[ 11 ]} كما يمكن التبديل المستمر لجهد الأنبوب بين قيمة منخفضة (على سبيل المثال 70 كيلو فولت) وقيمة عالية (على سبيل المثال 140 كيلو فولت) بالتزامن مع تردد التيار الكهربائي، مما ينتج عنه طاقات فعالة تتناوب بين 45 و100 كيلو إلكترون فولت. ^{[ 11 ]}

تعتمد تقنية الجمع بين قياس امتصاص الأشعة السينية المزدوج والليزر على استخدام الليزر لقياس سمك المنطقة الممسوحة ضوئياً، مما يسمح بالتحكم في النسب المتفاوتة للأنسجة الرخوة الخالية من الدهون والأنسجة الدهنية داخل الأنسجة الرخوة، وبالتالي تحسين الدقة. ^{[ 12 ]}

نظرًا لأن قياس كثافة المعادن في العظام باستخدام جهاز DXA يعتمد على المساحة، فإنه لا يُعد قياسًا دقيقًا لكثافة المعادن الحقيقية في العظام، والتي تُحسب بقسمة الكتلة على الحجم . ^{[ 13 ]} ولتمييز كثافة المعادن في العظام المقاسة بجهاز DXA عن كثافة المعادن الحجمية ، يُشير الباحثون أحيانًا إلى كثافة المعادن في العظام المقاسة بجهاز DXA باسم كثافة المعادن السطحية في العظام (aBMD). ^{[ 14 ]} ويعود تأثير اختلاف أحجام العظام إلى غياب قيمة العمق في حساب كثافة المعادن في العظام. ^{[ 15 ]} ومن نتائج القسمة على المساحة بدلًا من الحجم، المبالغة في تقدير كثافة المعادن في العظام لدى الأشخاص الأطول قامةً، أو ذوي العظام الأكبر حجمًا، والتقليل من شأنها لدى الأشخاص الأقصر قامةً، أو ذوي العظام الأصغر حجمًا. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

أظهرت تقنيات التصوير ثلاثية الأبعاد، مثل التصوير المقطعي المحوسب الكمي (QCT) الذي يقيس كثافة المعادن العظمية الحجمية (vBMD)، ارتباطًا أقوى بخطر الكسور مقارنةً بكثافة المعادن العظمية السطحية (aBMD)؛ ومع ذلك، يُظهر كلا المقياسين ارتباطًا وثيقًا بخطر الكسور، وهما قادران على التمييز بين الأفراد المصابين بالكسور وغير المصابين بها. ^{[ 18 ]} بالمقارنة مع التصوير المقطعي المحوسب الكمي، تُعد فحوصات امتصاص الأشعة السينية ثنائية الطاقة (DXA) أقل تكلفة، كما أنها تُعرّض المريض لجرعة أقل من الإشعاع المؤين. ^{[ 19 ]}

لتصحيح نقص معلومات العمق عند حساب كثافة المعادن في العظام (aBMD) عن طريق قسمة محتوى المعادن في العظام على المساحة، تم اقتراح طرق لتصحيح ذلك عن طريق حساب درجة كثافة المعادن الظاهرية في العظام (BMAD). ^{[ 20 ]} تحاول هذه الطرق مراعاة حجم العظام باستخدام افتراضات هندسية لمراعاة أحجام العظام المختلفة، على سبيل المثال عن طريق القسمة على${\displaystyle Area^{3/2}}$بالنسبة للفقرات العمود الفقري، و${\displaystyle Area^{2}}$لعظم الفخذ وعنق الفخذ والساعد. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

توصي فرقة العمل المعنية بالخدمات الوقائية في الولايات المتحدة بإجراء فحص كثافة العظام (DXA) للنساء فوق سن 65 عامًا. ^{[ 23 ]} أما السن المناسب لإجراء هذا الفحص للرجال فهو غير محدد، ^{[ 23 ]} لكن بعض المصادر توصي بسن 70 عامًا. ^{[ 24 ]} وينبغي على النساء المعرضات للخطر التفكير في إجراء الفحص عندما يكون مستوى الخطر لديهن مساويًا لمستوى الخطر لدى امرأة سليمة تبلغ من العمر 65 عامًا. ^{[ 23 ]}

يمكن تقدير خطر إصابة الشخص باستخدام حاسبة FRAX التابعة لجامعة شيفيلد ، والتي تأخذ في الاعتبار كسور الهشاشة السابقة، واستخدام الجلوكوكورتيكويدات ، والتدخين المفرط، والإفراط في تناول الكحول، والتهاب المفاصل الروماتويدي ، وتاريخ إصابة أحد الوالدين بكسر في الورك، وأمراض الكلى والكبد المزمنة ، وأمراض الجهاز التنفسي المزمنة، والاستخدام طويل الأمد للفينوباربيتال أو الفينيتوين ، ومرض السيلياك ، ومرض التهاب الأمعاء ، وعوامل الخطر السريرية الأخرى. ^{[ 25 ]}

تُذكر قيم كثافة المعادن في العظام (BMD) عادةً إما كدرجات T أو درجات Z. تُعرَّف درجة T بأنها الفرق في كثافة المعادن في عظام الشخص مقارنةً بمتوسط ​​كثافة المعادن في عظام مجموعة من الشباب البالغين من نفس الجنس، معبرًا عنها بالانحرافات المعيارية، بينما تُعرَّف درجة Z بأنها عدد الانحرافات المعيارية التي تقل عن متوسط ​​كثافة المعادن في عظام شخص من نفس العمر والجنس. ^{[ 26 ]}

في عام 1994، وضعت مجموعة دراسة تابعة لمنظمة الصحة العالمية معايير قائمة على درجة T لتشخيص هشاشة العظام لدى النساء بعد انقطاع الطمث: ^{[ 27 ]}

• ${\displaystyle T\geq -1.0}$: طبيعي
• ${\displaystyle -1.0>T>-2.5}$هشاشة العظام ( انخفاض طفيف في كثافة العظام)
• ${\displaystyle T\leq -2.5}$هشاشة العظام

تم تحديد هذه القيم باستخدام مجموعة مرجعية من الشابات البيضاوات الأصحاء. ^{[ 28 ]} توصي الجمعية الدولية لقياس كثافة العظام السريرية (ISCD) باستخدام قاعدة بيانات مرجعية موحدة للإناث البيضاوات (غير معدلة حسب العرق) لحساب درجات T للرجال والنساء من جميع المجموعات العرقية. ^{[ 29 ]} ثمة جدل حول ما إذا كان ينبغي استخدام مجموعات بيانات مرجعية منفصلة للمجموعات العرقية المختلفة، نظرًا لأن كثافة العظام نفسها تختلف باختلاف العرق، حيث تشير العديد من الدراسات إلى أن استخدام مجموعة بيانات مرجعية للبيضاوات يؤدي إلى تشخيص مفرط لهشاشة العظام في سكان شرق آسيا ^{[ 30 ]} والهند ^{[ 31 ]} . كما توصي الجمعية الدولية لقياس كثافة العظام السريرية (ISCD) باستخدام درجات Z، وليس درجات T، للنساء قبل انقطاع الطمث، والرجال دون سن الخمسين، والأطفال. ^{[ 32 ]}

في عام 2025، اعتمدت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية قياس كثافة العظام في مفصل الورك الكلي باستخدام جهاز قياس امتصاص الأشعة السينية ثنائي الطاقة (DXA) كمؤشر بديل معتمد لدعم التجارب السريرية للعلاجات التجريبية للنساء بعد انقطاع الطمث المصابات بهشاشة العظام والمعرضات لخطر الكسور. ^{[ 33 ]}

أُبلغ عن وجود اختلافات ذات دلالة إحصائية في قياسات كثافة العظام باستخدام أجهزة قياس امتصاص الأشعة السينية ثنائية الطاقة (DXA) المصنعة من قبل شركات مختلفة. ^{[ 34 ]} ولهذا السبب، يُوصى بمعايرة أجهزة المسح الضوئي في التجارب السريرية متعددة المراكز. ^{[ 35 ]} علاوة على ذلك، عند استبدال جهاز مسح ضوئي في مركز ما، يُوصى بمعايرة الجهاز القديم والجديد لضمان دقة التقييم الطولي. ^{[ 36 ]}

يؤدي تناول مكملات السترونتيوم إلى المبالغة في تقدير كثافة المعادن في العظام بواسطة جهاز DEXA، لأن السترونتيوم يمتص الأشعة السينية بشكل أقوى من الكالسيوم. ^{[ 37 ]}

يمكن أيضًا استخدام جهاز قياس امتصاص الأشعة السينية ثنائي الطاقة (DXA) لقياس درجة كثافة العظم التربيقي . ^{[ 38 ] [ 39 ]}

يُعدّ قياس كثافة المعادن في العظام بتقنية DXA، بلا منازع، التقنية الأكثر استخداماً على نطاق واسع لقياس كثافة المعادن في العظام، نظراً لكونها غير مكلفة نسبياً، ومتاحة، وسهلة الاستخدام، وتوفر تقديراً دقيقاً لكثافة المعادن في العظام لدى البالغين. ^{[ 40 ]}

ينص الموقف الرسمي للجمعية الدولية لقياس كثافة العظام السريرية (ISCD) على ضرورة فحص كثافة العظام (BMD) للمريض في حال وجود حالة صحية قد تؤدي إلى فقدان العظام، أو في حال وصف أدوية معروفة بتسببها في فقدان العظام، أو في حال خضوعه لعلاج يتطلب متابعة دورية. وتؤكد الجمعية أنه لا توجد علاقة واضحة بين كثافة العظام وخطر إصابة الطفل بالكسور؛ إذ لا يمكن تشخيص هشاشة العظام لدى الأطفال بناءً على معايير قياس كثافة العظام. ويُحظر استخدام مؤشر T-score مع الأطفال، ولا ينبغي حتى إدراجه في تقارير قياس كثافة العظام ثنائية الطاقة (DXA). وبالتالي، لا يمكن تطبيق تصنيف منظمة الصحة العالمية لهشاشة العظام ونقص كثافة العظام لدى البالغين على الأطفال، ولكن يمكن استخدام مؤشر Z-score للمساعدة في التشخيص. ^{[ 41 ]}

قد تُجري بعض العيادات فحوصات امتصاص الأشعة السينية ثنائية الطاقة (DXA) بشكل روتيني على المرضى الأطفال الذين يعانون من حالات مثل الكساح الغذائي ، والذئبة ، ومتلازمة تيرنر . ^{[ 42 ]} وقد ثبت أن فحص DXA يقيس نضج الهيكل العظمي ^{[ 43 ]} وتكوين دهون الجسم ^{[ 44 ]} ، كما يُستخدم لتقييم آثار العلاج الدوائي. ^{[ 45 ]} وقد يُساعد أيضًا أطباء الأطفال في تشخيص ومتابعة علاج اضطرابات اكتساب كتلة العظام في مرحلة الطفولة. ^{[ 46 ]}

مع ذلك، يبدو أن تقنية قياس امتصاص الأشعة السينية ثنائية الطاقة (DXA) لا تزال في مراحلها الأولى في طب الأطفال، وهناك قيود وعيوب معروفة على نطاق واسع لهذه التقنية. ويُشير رأي ^{[ 47 ]} إلى أنه لا ينبغي إجراء فحوصات DXA لأغراض التشخيص خارج المراكز المتخصصة، وإذا أُجري الفحص خارج هذه المراكز، فلا ينبغي تفسير نتائجه دون استشارة خبير في هذا المجال. ^{[ 47 ]} علاوة على ذلك، فإن معظم الأدوية المُخصصة للبالغين الذين يعانون من انخفاض كتلة العظام لا يُمكن إعطاؤها للأطفال إلا في إطار تجارب سريرية تخضع لمراقبة دقيقة.

تم التحقق من صحة قياس الكالسيوم في الجسم بالكامل باستخدام تقنية امتصاص الأشعة السينية ثنائية الطاقة (DXA) لدى البالغين باستخدام التنشيط النيوتروني الحيوي للكالسيوم الكلي في الجسم ^{[ 48 ] [ 49 ]} ، إلا أن هذه الطريقة غير مناسبة للأطفال، وقد أُجريت الدراسات على حيوانات بحجم الأطفال. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

تختلف كل ولاية أمريكية فيما يتعلق بالشهادات المطلوبة لتشغيل جهاز قياس كثافة العظام بالأشعة السينية (DXA). ^{[ 69 ]} على سبيل المثال، تشترط ولاية كاليفورنيا وجود مشرف ومشغل متخصصين في قياس كثافة العظام بالأشعة السينية، ^{[ 70 ]} بينما لا تشترط ولاية ماريلاند أي متطلبات لفنيي جهاز DXA. ^{[ 71 ]}

في أستراليا، تختلف اللوائح باختلاف الولاية أو الإقليم؛ ^{[ 72 ] [ 73 ]} على سبيل المثال، دورة قياس كثافة العظام السريرية التي تقدمها الجمعية الأسترالية والنيوزيلندية للعظام والمعادن مقبولة في جميع الولايات الأسترالية باستثناء جنوب أستراليا ، التي تشترط على المتقدمين اجتياز امتحان منفصل تجريه وكالة حماية البيئة في جنوب أستراليا . ^{[ 74 ]}