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Scheda Tecnologica
Panoramica
Echolight ha sviluppato la prima soluzione non
invasiva per la valutazione e la diagnosi precoce
dell’osteoporosi. EchoS è un dispositivo ad
ultrasuoni che permette la caratterizzazione e la
valutazione della micro-architettura ossea attraverso
un approccio innovativo che consente la scansione
di siti di riferimento assiale (vertebre lombari e
femore prossimale). EchoS è l’unica soluzione in
grado di coniugare i vantaggi delle due principali
tecnologie esistenti (DXA e QUS): la nostra tecnica
permette di portare la densitometria ossea assiale in
ambito ambulatoriale, con un significativo impatto
positivo sugli attuali protocolli diagnostici e la
successiva gestione del paziente. Ciò apre nuove
prospettive per la futura standardizzazione globale
delle soglie di intervento, aumentando l’accuratezza
di diagnosi dell’ osteoporosi
EchoS rappresenta un approccio innovativo per la
diagnosi dell’osteoporosi basato sugli ultrasuoni
(US), che sfrutta integralmente tutte le
caratteristiche spettrali del segnale “grezzo” a
radiofrequenza (RF) acquisito durante una
scansione ecografica del sito anatomico target per
determinarne lo stato dell’architettura ossea interna.
L’analisi automatica combinata di immagini B-mode
e il relativo segnale RF fornisce due nuovi parametri:
l’Osteoporosis Score (O .S.), direttamente correlato
con la BMD, e il Fragility Score (F .S.) che quantifica
l’attuale robustezza ossea valutandone la fragilità
strutturale indipendentemente dalla BMD.
Risultati Diagnostici
VISUALIZZAZIONE INTERFACCE TARGET
ACQUISIZIONE ECOGRAFICA
SEGMENTAZIONE AUTOMATICA DELLE INTERFACCE
RICONOSCIMENTO AUTOMATICO DELLE ROI
ROI
ROI
ANALISI AUTOMATICA DEI SEGNALI
COMPARAZIONE SPETTRALE AUTOMATICA
RISULTATO DIAGNOSTICO
T-SCORE Z-SCORE BMD (g/cm²) FRAGILITY SCORE FRAX®
Per eseguire l’indagine diagnostica, l’operatore deve
preliminarmente visualizzare la prima interfaccia
ossea target (ovvero, l’interfaccia ossea della
vertebra L1 per acquisizioni lombari o il profilo
frontale del femore prossimale per le scansioni
all’anca) ed impostare la profondità di scansione e
la posizione del fuoco in modo da visualizzare
l’interfaccia
target
nella
parte
centrale
dell’immagine, in corrispondenza del fuoco.
Successivamente, si dà inizio all’acquisizione
ecografica assistita dal software. Durante la
scansione, l’algoritmo riconosce in modo
automatico le interfacce ossee (linee rosse in figura)
e calcola le ROI per l’analisi dei dati (aree verdi in
figura). Si avvia, infine, l’elaborazione automatica dei
dati che include l’analisi del segnale RF e la
comparazione spettrale con i modelli di riferimento
per il calcolo dei parametri diagnostici e la
generazione del relativo referto diagnostico.
La tecnologia di EchoS fornisce due nuovi parametri
numerici: O .S ., direttamente correlato con le
misurazioni della BMD (in g/cm2) e, di
conseguenza, con le valutazioni diagnostiche DXA
(BMD, T-Score e Z-Score), e F .S. che fornisce una
stima indipendente della fragilità ossea e il rischio di
frattura. Pertanto, il referto diagnostico di EchoS
riporta tutti i parametri classici per la diagnosi
dell’osteoporosi attraverso la valutazione della
densità ossea: BMD (g/cm2), T-Score, Z-Score.
Inoltre, il F .S. valuta la qualità della
microarchitettura del tessuto osseo interno. Infine, il
rischio a 10 anni di fratture osteoporotiche (generico
e riferito all’anca) è calcolato per mezzo del
software FRAX ® integrato. Ciascun paziente può
essere esaminato e diagnosticato in meno di 2
minuti, assicurando la conformità del protocollo nel
contesto dei vincoli temporali della routine clinica.
Approccio tecnologico
Le scansioni ecografiche sono eseguite con il
dispositivo ad ultrasuoni EchoS dotato di una sonda
convex operante a 3,5 MHz, consentendo
l’acquisizione simultanea di immagini B-mode e il
corrispondente segnale RF grezzo. L’acquisizione dura
circa 1 minuto. Il nostro approccio si basa sull’idea che
i segnali RF, acquisiti durante una scansione ecografica
di un distretto osseo target, possono essere utilizzati
per determinare lo stato di salute delle ossa
considerate per mezzo di confronti avanzati con
modelli spettrali precedentemente determinati dall’
analisi di condizioni patologiche o normali. Questo
metodo è integrato con l’imaging ad ultrasuoni, in
quanto le regioni di interesse (ROI) per i calcoli
diagnostici all’interno dell’osso esaminato sono
automaticamente identificate sfruttando sia i dettagli
morfologici che le caratteristiche spettrali del segnale
RF e, allo stesso tempo, l’acquisizione simultanea di
diverse linee di scansione RF per ogni frame fornisce
una base statistica solida ed affidabile per
l’elaborazione spettrale successiva. L’analisi dei dati
comprende il calcolo del valore di O .S . e del valore di
F .S., sulla base della correlazione tra gli spettri in
frequenza dei segnali RF acquisiti e i modelli di
riferimento per ossa, rispettivamente, “osteoporotiche”
e “fragili”. BMD, T-Score e Z-Score sono
successivamente derivati dal valore di O .S .
Analisi delle Immagini
Identificazione Automatica delle Interfacce Ossee Target: la prima operazione effettuata dall’algoritmo è
l’identificazione automatica delle interfacce ossee target all’interno della sequenza di immagini ecografiche
acquisite sul paziente in esame. Ciò si ottiene eseguendo su ciascun frame i seguenti step:
(a,b) Trasformazione delle immagini ecografiche settoriali originali in
matrici rettangolari: (a) esempio di un’immagine ecografica contenente
un’interfaccia vertebrale che verrà automaticamente identificata, (b)
esempio
di immagine “ecografica rumorosa” che verrà
automaticamente scartata perché non riporta interfacce vertebrali
idonee.
(c,d) Maschera di luminosità.
(e,f) Aumento del contrasto e smussamento dell’immagine .
(g,h) Equalizzazione dell’istogramma .
(I,j) Applicazione della soglia di segmentazione .
(k,l) Valutazioni morfologiche: (k) i cluster 4 e 5 sono esclusi in quanto
sono al di fuori del campo di dimensione prevista per un’interfaccia
vertebrale, mentre i cluster 1 - 3 vengono mantenuti e, dopo le
valutazioni morfologiche più fini, il cluster 2 è etichettato come
“possibile interfaccia vertebrale”, la cui reale natura sarà verificata per
mezzo di un’analisi spettrale dedicata; (l) tutti i cluster sono esclusi
perché sono fuori dal range atteso di dimensioni: il frame, infine, viene
scartato.
Analisi del segnale RF
Comparazione Spettrale
Osteoporosis Score and Fragility Score
Il calcolo dei parametri diagnostici è eseguito su
epoche di segnale RF corrispondenti a specifiche
ROI selezionate automaticamente a partire dalle
coordinate delle interfacce ossee identificate.
L’approccio generale prevede che gli spettri dei
segnali RF “grezzi” retro-diffusi dalle interfacce
ossee durante una scansione ecografica “in vivo”
contengano informazioni utili sullo stato delle ossa,
tra cui sia parametri quantitativi (ad esempio, BMD)
che qualitativi (ad esempio, elasticità). Il valore di O
.S ., quindi, misura il grado di somiglianza tra gli
spettri del segnale RF ottenuto dal paziente
considerato e i modelli spettrali precedentemente
derivati da soggetti con bassa BMD (T-Score ≤ 2.5),
rispetto a quelli derivati da soggetti normali (TScore ≥ -1.0); analogamente, il valore di F .S.
quantifica una somiglianza spettrale analoga a
soggetti che hanno riportato una frattura da fragilità
recente rispetto ai soggetti di controllo senza eventi
di frattura. In questo modo, si confrontano le
caratteristiche morfologiche di ogni spettro
calcolato dalle ROI individuate con le caratteristiche
delle due paia di modelli di riferimento di pari sesso,
razza ed età, calcolati da un database di soggetti
reali.
Analizzati tutti i frame del dataset ad ultrasuoni
appartenente al paziente, il sistema verifica che il
numero delle interfacce riconosciute sia sufficiente
per ottenere una diagnosi affidabile ed esegue i
calcoli diagnostici su ciascuno spettro di segnale RF
delle ROI identificate. Se la condizione del numero
minimo di frame non è rispettata (e ciò accade
raramente), il dataset è marcato come “rumoroso” e
si indica all’operatore di ripetere l’acquisizione
ecografica. Per il calcolo dell’O.S., il segnale RF
analizzato è classificato come “osteoporotico” se il
valore del coefficiente di correlazione di Pearson
con lo spettro del modello osteoporotico
appropriato è più alto del corrispondente valore
relativo allo spettro del modello sano, altrimenti è
classificato come “sano”. La percentuale di spettri
analizzati
classificati
come
“osteoporotici”
rappresenta il valore di O.S. della ROI analizzata. I
valori di O.S. di tutte le ROI appartenenti allo stesso
target osseo (cioè la stessa vertebra o la stessa
porzione di femore) sono quindi mediati per
ottenere il valore di O.S. della struttura ossea
considerata. Le stesse valutazioni sono ripetute per
ciascun target osseo identificato e l’O.S. finale è
calcolato come media di ciascun singolo valore. Una
procedura analoga è applicata simultaneamente
nella determinazione del valore di F .S., con la sola
differenza
che
i
modelli
di
riferimento
“osteoporotico” e “sano” sono sostituiti dai
corrispondenti modelli spettrali relativi a strutture
ossee “fragili” e “non-fragili”. Un importante aspetto
da evidenziare è l’estrema semplicità d’utilizzo del
sistema: gli operatori inesperti, che hanno preso
precedentemente parte a solo una sessione di
training specifico da 3 ore, hanno eseguito
acquisizioni di qualità idonea per il calcolo
diagnostico nel 96.3% dei casi (ovvero, l’incidenza
dei dataset “rumorosi” è stata limitata al 3.7% e tutti
i dataset sono risultati idonei alla seconda
scansione).
Analisi Statistica
La selezione delle coppie appropriate di modelli
spettrali dal database di riferimento è eseguita in
funzione delle seguenti caratteristiche del paziente:
sesso, razza, età e indice di massa corporea (body
mass index, BMI). L’attuale versione del database
comprende 7200 soggetti caucasici, uniformemente
distribuiti nella fascia di età da 30 a 90 anni e copre
tutto l’intervallo dei valori tipici di BMI, andando da
individui sotto-peso ad individui obesi. La
dimensione del database è funzione degli intervalli
di età considerati ed è stata stabilita in accordo con
quanto ampiamente riportato nelle linee guida
presenti in letteratura (Osteoporos Int 2008;19:71;
Osteoporos Int 2006;17:1283). I soggetti sono stati
raggruppati in intervalli di età di 5 anni e, per
ciascun intervallo, sono stati uniformemente
suddivisi in tre sottogruppi in base al loro indice di
massa corporea (ovvero, sotto-peso/peso normale,
sovrappeso, obesi). Per ciascun sottogruppo
ottenuto, i primi 100 individui sono stati inclusi nel
database di riferimento. I soggetti sono stati
reclutati attraverso uno studio clinico italiano
multicentrico che coinvolge gli ospedali e le cliniche
specializzate nella diagnosi dell’osteoporosi.
Tutti i soggetti sono stati sottoposti ai seguenti
esami diagnostici: scansione DXA del rachide
lombare e/o del femore prossimale, calcolo del TBS,
laddove fattibile, scansione ecografica dello stesso
distretto anatomico con il sistema EchoS e
compilazione del questionario FRAX® per il calcolo
del rischio di frattura. Pertanto, per ogni soggetto, il
database comprende: dati anonimi personali (età,
sesso, razza, BMI), risultati diagnostici DXA e risultati
di indagine TBS, set di dati relativi alla scansione US,
risposte del questionario FRAX®. In ogni
sottogruppo identificato, questi dati sono stati
utilizzati per calcolare le coppie corrispondenti di
modelli spettrali di riferimento per le seguenti
condizioni ossee: “osteoporotico/sano” per la
determinazione del valore di O.S. e “fragile/nonfragile” per ricavare il valore di F .S. La procedura
dedicata alla determinazione dei modelli spettrali di
riferimento è dettagliata in un recente articolo
scientifico riferito al caso di calcolo dell’O.S.
(Ultrasound Med. Biol. 2015;41:281). Tutti i modelli
ottenuti sono stati inclusi nel database ed associati
ai pertinenti sottogruppi.
Esempio di coppie di spettri dei modelli di riferimento per il calcolo del valore di O.S. su vertebre lombari.
Coppie di modelli spettrali “osteoporotico” e “sano” ottenute da due diversi sottogruppi di soggetti di sesso
femminile: (a) donne sotto - peso e normo - peso con età tra 51 e 55 anni; (b) donne sotto - peso e normo
- peso con età tra 56 e 60 anni.
Validazione Clinica
L’accuratezza diagnostica della tecnologia di EchoS è stata clinicamente testata su 989 pazienti di sesso
femminile in accordo con le predisposizioni scientifiche internazionali *(Osteoporos. Int. 2006;17:1449; Q. J.
Med. 2008;101:605). I pazienti sono stati reclutati sulla base dei seguenti criteri di iscrizione: etnia caucasica,
età compresa nell’intervallo tra 30 e 90 anni, prescrizione medica per un esame DXA vertebrale e/o
femorale, consenso informato. Ogni paziente è stato sottoposto alla/e scansione/i DXA prescritta/e,
all’acquisizione ecografica degli stessi distretti anatomici e alla compilazione del questionario FRAX® per la
valutazione del rischio di frattura. I valori di BMD derivati dal calcolo dell’O.S. sono stati confrontati con i
risultati delle misurazioni DXA, mentre i valori di F .S. sono stati valutati in riferimento alle previsioni del
questionario FRAX® circa la probabilità di avere una generica frattura osteoporotica a 10 anni (calcolata
con l’inclusione del T-Score ottenuto tramite DXA sul collo del femore).
BMD Vertebre Lombari
BMD Collo del Femore
VALUTAZIONE QUANTITATIVA
COLONNA
FEMORE
MINIMA DIFFERENZA APPREZZABILE (SDD) [g/cm2]
0.013
0.008
RIPETIBILITA’ INTRA-OPERATORE (RMS-CV) [%]
0.40%
0.30%
RIPETIBILITA’ INTER-OPERATORE (RMS-CV) [%]
0.54%
0.41%
CONCORDANZA DIAGNOSTICA CON DXA
93.1%
94.2%
Fragility Score
Concordanza tra Fragility
Score e valutazione del rischio
di
frattura
osteoporotica
tramite FRAX®
Il Fragility Score, ottenuto
dagli stessi dati US acquisiti
per la valutazione della
densità ossea del femore,
mostra una forte correlazione
con il rischio di frattura
calcolato per mezzo del
questionario FRAX ® e la
scansione DXA del collo del
femore.
Conclusioni
La caratteristica peculiare del metodo presentato è
lo sfruttamento dei segnali RF acquisiti durante una
scansione ecografia della struttura ossea target al
fine di determinare l’architettura ossea interna
attraverso il confronto dettagliato con modelli
spettrali di riferimento. Un’altra caratteristica
importante della tecnologia è la sua completa
automazione, che riduce al minimo la dipendenza
dall’esperienza dell’operatore. Infatti, l’algoritmo
implementato identifica e scarta in modo
automatico le acquisizioni “rumorose”, assicurando
che le valutazioni diagnostiche siano eseguite solo
su insiemi di dati ad ultrasuoni che raggiungano
una soglia di qualità predeterminata. E’ stata anche
dimostrata l’estrema facilità di utilizzo del sistema
descritto, insieme alla sua capacità di rispettare le
restrizioni temporali della routine clinica, poiché
ogni paziente può essere esaminato e diagnosticato
in meno di 2 minuti.
Grazie ai suoi alti livelli di precisione, in
combinazione con la completa assenza di radiazioni
ionizzanti e la facilità di utilizzo comprovata, questo
metodo può essere efficacemente impiegato per la
diagnosi precoce dell’osteoporosi attraverso uno
screening di massa della popolazione. Inoltre, la
valutazione della struttura ossea per mezzo degli
ultrasuoni non solo fornisce informazioni relative
alla BMD, ma permette anche di ottenere ulteriori
approfondimenti sulla qualità strutturale dell’osso e
la sua reale resistenza, ottenendo una previsione
simultanea, indipendente e accurata del rischio di
frattura. L’integrazione di tutte queste caratteristiche
fa di EchoS la tecnologia del futuro e lo stato
dell’arte per la diagnosi precoce dell’osteoporosi.
Contatti
Echolight è una azienda italiana ad alto contenuto
tecnologico basata sui risultati di ricerche condotte
nell’ultimo decennio in collaborazione con i
maggiori enti nazionali per lo sviluppo di tecnologie
innovative in ambito medicale. La nostra missione è
quella di fornire alla comunità medica mondiale la
prima soluzione per la diagnosi precoce
dell’Osteoporosi in assenza di radiazioni. Echolight
renderà la diagnosi dell’Osteoporosi più accurata e
di facile accesso per soddisfare le esigenze sia dei
pazienti che del personale sanitario.
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