Absorciometría de rayos X de doble energía

Cuando un haz de rayos X pasa a través de un material homogéneo, la intensidad en profundidad${\displaystyle t}$El material puede describirse mediante la ley de Beer-Lambert : $${\displaystyle I(t)=I_{0}e^{-\mu t},}$$ dónde${\displaystyle I_{0}}$es la intensidad inicial del haz y${\displaystyle \mu }$es el coeficiente de atenuación lineal . Para DXA, la ecuación anterior se suele expresar en términos del coeficiente de atenuación másica (el coeficiente de atenuación dividido por la densidad del material).${\displaystyle \rho }$): $${\displaystyle I(t)=I_{0}e^{-\mu t}=I_{0}e^{-({\frac {\mu }{\rho }})t\rho }=I_{0}e^{-({\frac {\mu }{\rho }})\sigma },}$$ dónde${\displaystyle (\mu /\rho )}$es el coeficiente de atenuación másica, y${\displaystyle \sigma }$es la densidad de área . Para un material no homogéneo con${\displaystyle n}$materiales separados, la relación de absorción viene dada por: ^{[ 4 ]}$${\displaystyle I=I_{0}e^{-\sum _{i=1}^{n}({\frac {\mu }{\rho }})_{i}\sigma _{i}},}$$ dónde${\displaystyle (\mu /\rho )_{i}}$y${\displaystyle \sigma _{i}}$son el coeficiente de atenuación másica y la densidad superficial del material${\displaystyle i}$, respectivamente.

Los tejidos blandos y los huesos presentan diferentes coeficientes de atenuación para los rayos X. ^{[ 5 ]} Un único haz de rayos X que atraviesa el cuerpo se atenúa tanto por los tejidos blandos como por los huesos, y no es posible determinar, a partir de un solo haz, cuánta atenuación se debe al hueso. Sin embargo, los coeficientes de atenuación varían con la energía de los rayos X, ^{[ 5 ]} y, lo que es crucial, la relación entre los coeficientes de atenuación también varía.

Consideremos una muestra que contiene una mezcla de hueso y tejido blando. En el caso simplificado de dos haces de rayos X monocromáticos , la absorción de los haces de rayos X de mayor y menor energía viene dada por: ^{[ 6 ]}

donde los superíndices${\displaystyle H}$y${\displaystyle L}$se refieren a los haces de alta y baja energía, respectivamente, y los subíndices${\displaystyle b}$y${\displaystyle s}$se refieren al hueso y al tejido blando, respectivamente.

La densidad de área del hueso se puede obtener reordenando primero las dos ecuaciones para${\displaystyle I^{L}}$y${\displaystyle I^{H}}$, definido en la ecuación 1 y la ecuación 2 , en términos de${\displaystyle \sigma _{s}}$, igualándolos entre sí y reordenando la ecuación resultante para${\displaystyle \sigma _{b}}$: ^{[ 6 ]}$${\displaystyle \sigma _{b}={\frac {R_{s}\ln(I^{H}/I_{0}^{H})-\ln(I^{L}/I_{0}^{L})}{(\mu /\rho )_{b}^{L}-R_{s}(\mu /\rho )_{b}^{H}}},}$$ dónde${\displaystyle R_{s}}$es la relación de los coeficientes de atenuación másica para el tejido blando en los dos niveles de energía. $${\displaystyle R_{s}={\frac {(\mu /\rho )_{s}^{L}}{(\mu /\rho )_{s}^{H}}},}$$ La densidad del área ósea,${\displaystyle \sigma _{b}}$, por lo tanto, se puede obtener midiendo${\displaystyle I^{H}}$y${\displaystyle I^{L}}$y utilizando valores conocidos de${\displaystyle I_{0}^{H}}$y${\displaystyle I_{0}^{L}}$(dependiendo del escáner) y valores conocidos de los coeficientes de atenuación de masa del hueso y los tejidos blandos en los niveles de energía altos y bajos (conocidos). La densidad de los tejidos blandos,${\displaystyle \sigma _{s}}$, se puede obtener de manera similar a la anterior. ^{[ 6 ]}

Consideremos una muestra de tejido que contiene una mezcla de dos materiales con fracciones desconocidas.${\displaystyle f_{1}}$y${\displaystyle f_{2}}$. Dado que solo hay dos materiales, por definición${\displaystyle f_{1}+f_{2}=1}$A partir de las ecuaciones 1 y 2 (sustituyendo hueso y tejido blando por las ecuaciones 1 y 2 más generales), defina la relación. $${\displaystyle R={\frac {\ln(I^{L}/I_{0}^{L})}{\ln(I^{H}/I_{0}^{H})}}.}$$ Se puede demostrar que esto viene dado por: ^{[ 7 ]}

En el caso especial en que solo el material 1 está presente en la muestra (es decir,${\displaystyle f_{1}=1,f_{2}=0}$), entonces${\displaystyle R}$es simplemente la relación de los coeficientes de atenuación másica en esos niveles de energía. $${\displaystyle R={\frac {({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{L}}{({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{H}}}=R_{1},}$$ que es un valor constante${\displaystyle R_{1}}$que se puede calcular utilizando valores conocidos de los coeficientes de atenuación másica del material 1 en los dos niveles de energía. Asimismo, el valor constante${\displaystyle R_{2}}$se puede calcular como la relación de los coeficientes de atenuación másica del material 2 en ambos niveles de energía, lo que se puede ver sustituyendo${\displaystyle f_{1}=0,f_{2}=1}$en la ecuación 3 .

En las mediciones de composición corporal , los píxeles en regiones de la imagen DXA sin hueso se consideran una mezcla de compartimentos de grasa y tejido blando magro. ^{[ 8 ]} A niveles de energía más altos (por ejemplo, 70 keV), los coeficientes de atenuación de masa de los compartimentos de grasa y tejido blando magro son similares. ^{[ 7 ] [ 9 ] [ 10 ]} Haciendo la aproximación de que

y sustituyendo en la ecuación 3 se obtiene $${\displaystyle R\approx {\frac {({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{L}f_{1}+({\frac {\mu }{\rho }})_{2}^{L}f_{2}}{({\frac {\mu }{\rho }})^{H}(f_{1}+f_{2})}}={\frac {({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{L}f_{1}+({\frac {\mu }{\rho }})_{2}^{L}f_{2}}{({\frac {\mu }{\rho }})^{H}}}=R_{1}f_{1}+R_{2}f_{2},}$$ puesto que por definición${\displaystyle f_{1}+f_{2}=1}$Sustituyendo${\displaystyle f_{2}=1-f_{1}}$En lo anterior y reordenando se obtiene ^{[ 7 ]}$${\displaystyle f_{1}={\frac {R-R_{2}}{R_{1}-R_{2}}}}$$ y $${\displaystyle f_{2}=1-f_{1}={\frac {R_{1}-R}{R_{1}-R_{2}}}.}$$ Por lo tanto, cuando se cumple la suposición en la ecuación 4, las fracciones relativas de los dos materiales se pueden estimar utilizando el valor medido de${\displaystyle R}$y valores conocidos de${\displaystyle R_{1}}$y${\displaystyle R_{2}}$. ^{[ 7 ]}

Un tipo de escáner DXA utiliza un filtro de cerio con un voltaje de tubo de 80 kV , lo que resulta en energías de fotones efectivas de aproximadamente 40 y 70 keV . ^{[ 11 ]} Otro tipo de escáner DXA utiliza un filtro de samario con un voltaje de tubo de 100 kV, que produce energías efectivas de 47 y 80 keV. ^{[ 11 ]} Además, el voltaje del tubo puede conmutarse continuamente entre un valor bajo (por ejemplo, 70 kV) y uno alto (por ejemplo, 140 kV) en sincronismo con la frecuencia de la red eléctrica, lo que resulta en energías efectivas que alternan entre 45 y 100 keV. ^{[ 11 ]}

La combinación de absorciometría dual de rayos X y láser utiliza el láser para medir el espesor de la región escaneada, lo que permite controlar las proporciones variables de tejido blando magro y tejido adiposo dentro del tejido blando y mejora la precisión. ^{[ 12 ]}

Debido a que la DXA calcula la DMO utilizando el área, no es una medida precisa de la verdadera densidad mineral ósea, que es la masa dividida por un volumen . ^{[ 13 ]} Para distinguir la DMO de la densidad mineral ósea volumétrica , los investigadores a veces se refieren a la DMO de la DXA como densidad mineral ósea areal (aBMD). ^{[ 14 ]} El efecto de confusión de las diferencias en el tamaño del hueso se debe al valor de profundidad faltante en el cálculo de la densidad mineral ósea. ^{[ 15 ]} Una consecuencia de dividir por área en lugar de volumen es que la DMO se sobreestima en sujetos más altos o con huesos más grandes, y se subestima en sujetos más bajos o con huesos más pequeños. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Se ha demostrado que las modalidades de imagen tridimensional, como la tomografía computarizada cuantitativa (TCQ), que miden la densidad mineral ósea volumétrica (DMOv), se correlacionan más fuertemente con el riesgo de fractura que la DMOa; sin embargo, ambas medidas presentan asociaciones significativas con el riesgo de fractura y son capaces de discriminar entre individuos con y sin fracturas. ^{[ 18 ]} En comparación con la TCQ, las exploraciones DXA son más económicas y administran una dosis menor de radiación ionizante al paciente. ^{[ 19 ]}

Para corregir la falta de información de profundidad al calcular la DMO dividiendo el contenido mineral óseo por el área, se han propuesto métodos para corregir esto calculando una puntuación de densidad mineral ósea aparente (BMAD). ^{[ 20 ]} Estos intentan tener en cuenta el tamaño del hueso utilizando supuestos geométricos para tener en cuenta varios tamaños de hueso, por ejemplo dividiendo por${\displaystyle Area^{3/2}}$para las vértebras espinales y${\displaystyle Area^{2}}$para el fémur, el cuello femoral y el antebrazo. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

El Grupo de Trabajo de Servicios Preventivos de EE. UU. recomienda que las mujeres mayores de 65 años se realicen una densitometría ósea (DXA). ^{[ 23 ]} La edad a la que los hombres deben someterse a la prueba es incierta, ^{[ 23 ]} pero algunas fuentes recomiendan los 70 años . ^{[ 24 ]} Las mujeres en riesgo deben considerar realizarse una densitometría cuando su riesgo sea igual al de una mujer normal de 65 años. ^{[ 23 ]}

El riesgo de una persona se puede estimar con la calculadora FRAX de la Universidad de Sheffield , que tiene en cuenta fracturas por fragilidad previas, uso de glucocorticoides , tabaquismo intenso, consumo excesivo de alcohol, artritis reumatoide , antecedentes de fractura de cadera en los padres, enfermedad renal y hepática crónica , enfermedad respiratoria crónica, uso prolongado de fenobarbital o fenitoína , enfermedad celíaca , enfermedad inflamatoria intestinal y otros factores de riesgo clínicos. ^{[ 25 ]}

Los valores de densidad mineral ósea (DMO) se suelen expresar como puntuaciones T o puntuaciones Z. La puntuación T representa la diferencia en la DMO de un sujeto con respecto al promedio de una población adulta joven del mismo sexo, expresada en desviaciones estándar, mientras que la puntuación Z se define como el número de desviaciones estándar por debajo de la DMO promedio de una persona de la misma edad y sexo. ^{[ 26 ]}

En 1994, un grupo de estudio de la Organización Mundial de la Salud estableció criterios basados ​​en la puntuación T para diagnosticar la osteoporosis en mujeres posmenopáusicas: ^{[ 27 ]}

• ${\displaystyle T\geq -1.0}$: normal
• ${\displaystyle -1.0>T>-2.5}$: osteopenia (densidad mineral ósea ligeramente reducida)
• ${\displaystyle T\leq -2.5}$: osteoporosis

Estos valores se determinaron utilizando una población de referencia de mujeres caucásicas jóvenes y sanas. ^{[ 28 ]} La Sociedad Internacional de Densitometría Clínica (ISCD) recomienda que se utilice una base de datos de referencia femenina caucásica uniforme (sin ajuste racial) para calcular las puntuaciones T para hombres y mujeres de todos los grupos étnicos. ^{[ 29 ]} Existe cierto debate sobre si se deben utilizar conjuntos de datos de referencia separados para diferentes grupos étnicos, ya que la DMO en sí misma varía con la etnia, y varios estudios sugieren que el uso de un conjunto de datos de referencia caucásico conduce al sobrediagnóstico de osteoporosis en poblaciones de Asia Oriental ^{[ 30 ]} e India ^{[ 31 ]} . La ISCD también recomienda que se utilicen puntuaciones Z, y no puntuaciones T, para mujeres premenopáusicas, hombres menores de 50 años y niños. ^{[ 32 ]}

En 2025, la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA ) calificó la DMO total de la cadera obtenida mediante DXA como un criterio de valoración sustituto validado para respaldar los ensayos clínicos de terapias experimentales para mujeres posmenopáusicas con osteoporosis en riesgo de fractura. ^{[ 33 ]}

Se han reportado diferencias estadísticamente significativas en las mediciones de DMO de máquinas DXA fabricadas por diferentes fabricantes. ^{[ 34 ]} Por ello, se recomienda la calibración entre escáneres para ensayos clínicos multicéntricos. ^{[ 35 ]} Además, cuando un centro reemplaza un escáner, se recomienda la calibración entre el escáner antiguo y el nuevo para permitir una evaluación longitudinal precisa. ^{[ 36 ]}

Tomar suplementos de estroncio hace que la DEXA sobreestime la densidad mineral ósea, porque el estroncio absorbe los rayos X con mayor eficacia que el calcio. ^{[ 37 ]}

La DXA también se puede utilizar para medir la puntuación del hueso trabecular . ^{[ 38 ] [ 39 ]}

La DXA es, con mucho, la técnica más utilizada para medir la densidad mineral ósea, ya que es relativamente económica, accesible, fácil de usar y proporciona una estimación precisa de la densidad mineral ósea en adultos. ^{[ 40 ]}

La postura oficial de la Sociedad Internacional de Densitometría Clínica (ISCD) es que se debe realizar una prueba de DMO a un paciente si presenta una afección que pueda precipitar la pérdida ósea, si se le van a recetar fármacos que se sabe que causan pérdida ósea o si está recibiendo tratamiento y necesita un seguimiento adecuado. La ISCD afirma que no existe una correlación claramente establecida entre la DMO y el riesgo de fractura en niños; el diagnóstico de osteoporosis en niños no puede basarse en criterios densitométricos. Las puntuaciones T están prohibidas en niños y ni siquiera deben aparecer en los informes de DXA. Por lo tanto, la clasificación de la OMS de osteoporosis y osteopenia en adultos no se puede aplicar a niños, pero las puntuaciones Z pueden utilizarse para ayudar al diagnóstico. ^{[ 41 ]}

Algunas clínicas pueden realizar densitometrías óseas (DXA) de forma rutinaria en pacientes pediátricos con afecciones como raquitismo nutricional , lupus y síndrome de Turner . ^{[ 42 ]} Se ha demostrado que la DXA mide la madurez esquelética ^{[ 43 ]} y la composición de grasa corporal ^{[ 44 ]} y se ha utilizado para evaluar los efectos de la terapia farmacológica. ^{[ 45 ]} También puede ayudar a los pediatras en el diagnóstico y seguimiento del tratamiento de trastornos de la adquisición de masa ósea en la infancia. ^{[ 46 ]}

Sin embargo, parece que la densitometría ósea (DXA) aún se encuentra en sus primeras etapas en pediatría, y existen limitaciones y desventajas ampliamente reconocidas. Existe la opinión ^{[ 47 ]} de que las exploraciones DXA con fines diagnósticos no deberían realizarse fuera de centros especializados, y, si se realiza una exploración fuera de uno de estos centros, no debería interpretarse sin consultar con un experto en la materia. ^{[ 47 ]} Además, la mayoría de los fármacos administrados a adultos con baja masa ósea solo pueden administrarse a niños en ensayos clínicos estrictamente controlados.

La medición del calcio corporal total mediante DXA se ha validado en adultos utilizando la activación neutrónica in vivo del calcio corporal total ^{[ 48 ] [ 49 ]} , pero esto no es adecuado para sujetos pediátricos y los estudios se han realizado en animales de tamaño pediátrico. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

Cada estado de EE. UU. difiere en cuanto a las certificaciones necesarias para operar una máquina DXA. ^{[ 69 ]} California , por ejemplo, requiere un permiso específico de supervisor y operador de densitometría ósea por rayos X, ^{[ 70 ]} mientras que Maryland no tiene requisitos para los técnicos de DXA. ^{[ 71 ]}

En Australia, las regulaciones difieren según el estado o territorio; ^{[ 72 ] [ 73 ]} por ejemplo, el curso de densiometría clínica ofrecido por la Sociedad Australiana y Neozelandesa de Hueso y Mineral es aceptado por todos los estados australianos excepto Australia Meridional , que requiere que los solicitantes realicen un examen separado administrado por la EPA de Australia Meridional . ^{[ 74 ]}