KEMİK- MİNERAL DANSİTOMETRESİ VE PİEZOELEKTRİK Prof. Dr. Mustafa Emre Ç.Ü. Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı

Piezoelektrik Piezoelektrik özelliği, belirli kristaller ve kemik gibi bazı malzemelere uygulanan mekanik basınç (stres) sonucunda, malzemenin elektriksel potansiyel değiştirme yeteneğidir. Bu etki, malzemenin içindeki polarizasyon yoğunluğundaki değişmeyle doğrudan ilişkilidir. Piezoelektrik basınç sensörleri Baryum titanat, kurşun zirkonat titanat ve potasyum sodyum niobat gibi bazı seramikler piezoelektrik olayı meydana getirecek özelliktedir. Bu seramikler çok kristalli malzemelerdır.

Piezoelektrik Materyaller Piezoelektrik malzemelerin kullanılan tipi çoğunlukla Kurşun-Zrkonyum-Titanyum (PZT) piezoseramiklerdir. Piezoseramik malzemeler elektriksel etkiyi mekanik büyüklüğe, mekanik etkiyi elektriksel büyüklüğe dönüştüren kristallerdir. Yaygın olarak kullanılan piezoseramik malzemeler ; ► Kuartz (SiO 2 ), ► Barium Titanate (BaTiO 3 ) ► Kurşun zirkonat - Kurşun titanat PbZrO 3 -PbTiO 3 alaşımı (PZT), ► (Pb,La)(Ti,Zr)O 3 alaşımı (PLZT)

S = s E T + dE D = ε T E + dT S = strain (m) s E = compliance of the material (m 2 /N) T = stress (N/m 2 ) ε T = permittivity under constant stress (F/m) E = electric field (V/m) d = piezoelectric constant (m/V or C/N) D = dielectric displacement (C/m 2 ) Characteristics of Piezoactive Materials

Piezoelektrik kristaller ve seramikler, mekanik titreşimlerin elektrik dalgasına,elektrik dalgalarının mekanik titreşimlerine çevrilmek istenen elektromanyetik çeviricilerde kullanılır. Bir kuvars levhasının genleşme ve sıkışması sonucu mekanik titreşim frekansı → f o olsun. Bu frekansın değeri : Burada V, titreşimin kuvarsta ilerleme hızı (3500 m/sn) ve e, levha kalınlığıdır. 1 mm 'lik kalınlık için: f o =3500/2x0,001=1750 kHz olur. Bir kuvars levhası f o frekansında titreşim yaptığında, bu levha üstüne uygun biçimde yerleştirilmiş iki elektrot arasında aynı f o frekansında değişen bir gerilim elde edilir. Dolayısıyla kuvars levhası salınan bir elektrik devresi gibi davranır. Piezoelektrik Rezonans Kristal ve seramiklere, D.C voltaj uygulamasıyla piezoelektrik özellik kazandırılır. f o =V/2e dir.

Kemik- Mineral Dansitometresi

Kemik mineral dansitometre cihazları, X-ışınları, γ- ışınları ya da ultra sesin kemiği geçerken bir kısmının kemik tarafından absorbe edilmesi ve kalan radyasyon miktarının hassas olarak ölçülmesi prensibine göre çalışır. Bu ölçüm sonucu yapılan hesaplamalarla kemiğin birim alanda ya da hacimde, absorbsiyona neden olan mineral içeriği tahmin edilir. Kemik mineral dansitometre cihazları ile yapılan ölçümlerde, belirli bir radyasyon miktarının kemik tarafından absorbe edilmesine neden olan mineral miktarının yorumlanması esasına dayanmaktadır. Kemik- Mineral Dansitometresi Günümüzde % 1 gibi düşük oranda ki kemik kayıpları bile, kemik yoğunluğu ölçümü ile teşhis edilebilmektedir. Omurga, kalça kemikleri, el ayak bileği genellikle incelenen bölgelerdir. Bazı durumlarda ise parmaklar ve topuk kemikleri de incelenebilir.

Single Photon Absorbsyiometri (SPA) Dual Photon Absorbsiyometri (DPA) Kantitatif Bilgisayarlı Tomografi (QCT) Ultrason Ölçümleri Single Energy X-Ray Absorbsiyometri (SEXA) Dual Energy X-Ray Absorbsiyometri (DEXA) Radyografik Absorbsiyometri (RA) Standart Radyografiler Kemik Yoğunluğu Ölçüm Metodları

Kemik- Mineral Dansitometre Cihazı Çeşitleri Kemik mineral ölçümlerinde birçok yöntem ve teknikler geliştirilmiştir. Kullanılan cihazlara göre ölçüm için farklı radyasyonlardan yararlanılmaktadır. Kantitatif BT trabeküler kemiğin dansitesini kortikal kemikten ayrı olarak ölçer. Çocuklarda KMD ile alınan sonuçları yorumlamak yaşlılara göre daha zordur.

Single foton absorpsiyometri (SPA) Düşük enerjili gamma ışın kaynağının kullanıldığı bir yöntemdir. SPA sisteminde radyasyon kaynağı olarak I 125 kullanılmakta olup, kaynaktan çıkan fotonların enerji düzeyleri sabittır. Bu nedenle de kemik-yumuşak doku ayrımı sağlıklı bir şekilde yapılamaz. Yumuşak dokular ile suyun fotonu absorbe etme derecesi aynıdır. SPA; ekonomik olması, radyasyon alımının az olması ve uygulama kolaylığı ve az zaman alması nedeniyle birçok merkezde kullanılmaya devam edilmektedir.

1. Single Enerji x-ray Absorpsiyometre (SXA) Kemik yoğunluğu ölçümünde X-ray kaynak olarak kullanılan bir sistemdir. SPA'dan farkı radyasyon kaynağı olarak radyoaktif iyot yerine röntgen tüpünün bulunmasıdır. Ancak SPA cihazları gibi bu sistemde de yumuşak dokunun yanılgıya yol açan etkisi değerlendirilmemektedir. Bu nedenle SXA cihazları da SPA gibi ancak yumuşak doku miktarının minimal olduğu önkol veya kalkaneus gibi periferik bölgelerden ölçüm yapabilmektedir. X -Işını Foton Absorpsiyometre

2. Kemik dansitometri ölçümünde Dual Enerji X-ray Absorpsiometri: (DEXA) DEXA özellikle son bir kaç yıldır yaygın olarak kullanım alanına giren en gelişmiş kemik dansitometre yöntemidir. Bu sistemde de radyasyon kaynağı olarak röntgen tüpü kullanılmıştır. Bu yönü ile Single Enerji x-ray Absorpsiyometre ( SXA)'ya benzer ancak ışın dual fotonludur. X ışınının giriciliği ve daha yüksek yoğunluğu nedeniyle radyoizotoplu sistemlere göre daha yüksek derecede doğruluk, kısa çekim süresi ve yüksek rezolüsyon sağlamıştır. X -Işını Foton Absorpsiyometre DEXA'nın tutarlılığı %1.3 olarak bildirilmiştir. DEXA sistemi ile çeşitli anatomik bölgelerdeki kemik mineral yoğunluğu trabeküler ve kortikal olarak ölçülebilmektedir. Ölçüm için sıklıkla kullanılan bölgeler; lomber vertebra (L2- L4) ve kalça (femur boynu)'dır. Ölçülen değerler gr olarak BMC (Bone Mineral Content) ya da gr/cm 2 olarak BMD (Bone Mineral Density) verilmektedir.

DEXA ile belirlenen KMY kemiğin gücünü bir miktar yansıtır. Ancak kemik kütlesinin üç boyutlu dağılımı, trabeküler ve kortikal kemik mimarisi ve kemik dokunun intrinsik özellikleri ile belirlenen kemik güçünu yansıtamaz. 2. Kemik dansitometri ölçümünde Dual enerji X-ray Absorpsiometri

Bone Mineral Density (BMD):DEXA yöntemiyle ölçülmüş, kesitsel, gr/cm 2 cinsinden kemik mineral (KMY) yoğunluğunu ifade eder. Bone Mineral Content(BMC): Kemikteki gram cinsinden mineral miktarını (KMM) belirtir. X -Işını Foton Absorpsiyometre

Kemik Mineral Dansitometre Cihazının (DEXA) Ana Ünite ve Elemanları Kemik mineral araştırması için verisi en yüksek, en kolay, en ucuz ve en zararsız olma gibi özelliklerin tümünü taşıyan ideal bir tanı yöntemi yoktur. Bununla birlikte DEXA yönteminin kemik mineral ölçümünde oldukça değerli olduğu görülmektedir. Vertebra ve kalça fraktür riskinde DEXA ile lateral vertebra taraması ve kalça taraması en iyi sonuç verir. Bu yöntem, kemik mineral kaybının takibinde de oldukça değerli bir yöntemdir. Bir DEXA cihazının ana ünite ve elemanları şunlardır: ● İnceleme masası ● Tarayıcı sistem ● X-ışını tüpü ● Detektör ● Foto multipliyer sistem (PMT) ● Amplifayerler ● Bilgisayar ● Görüntüleme ünitesi (monitör)

Bir DEXA cihazının ana ünite ve elemanları X-ışını tüpü ile detektör arasında hastanın yatırıldığı inceleme masası yer alır. DEXA cihazlarında tarayıcı sistem, X-ışını tüpü ve detektörü içeren C kol şeklindedir. Radyasyon kaynağı olarak kullanılan X-ışını tüpü, C kol sisteminin altında yer almaktadır.

Hastayı geçen X-ışınlarını algılayan detektörler cihazdaki C kolun üst bölümünde yer alır. Detektörlerin çapı 3mm, sayıları ise adet arasındadır. Detektörlerde sodyum iyodür (NaI) veya benzer özellikte sintilasyon kristali kullanılır. DEXA’da kesit alma süresi 2-5 dakika kadardır. Detektör tarafından algılanan X-ışınları sintilasyon kristaline çarparak görünen ışık fotonlarına dönüşür. Hastayı geçen X-ışınları sintilasyon kristalinde ışık fotonlarına dönüştükten sonra foto multipliyer tüpler tarafından elektrik sinyallerine çevrilip enerjileri yükseltilir. Bir DEXA cihazının ana ünite ve elemanları

Kemik mineral yoğunluğu kemik gücünün ölçülebilir biçimidir. Osteoporoz tanısı koymak, kırık riskini öngörmek ve tedavi takibi yapmak amacıyla ölçülür. Bir DEXA cihazının ana ünite ve elemanları

Görüntü şifrelerini taşıyan sinyaller elektronik devreler ve diğer ara elemanlarla formatlanarak bilgisayar ünitesine aktarılır. Bilgisayar ünitesi, kendisine aktarılan orijinal verileri işleyerek görüntüye dönüştürür. Bilgisayarda oluşturulan görüntü, görüntüleme ünitesine aktarılarak, monitörden izlenir. Kemik mineral değerleri, mineral miktarına göre farklı renklerde oluşturulur. Monitörde izlenen görüntüler renkli printer vasıtasıyla kağıt üzerine aktarılır. Bir DEXA cihazının ana ünite ve elemanları Foto multipliyer tüplerden gelen elektrik sinyalleri amplifiyer (yükselteç) elemanlarında yükseltilir.

StatusT-score Normal+2.5 to −1.0, inclusive OsteopeniaBetween −1.0 and −2.5 Osteoporosis≤−2.5 Severe osteoporosis≤−2.5 + fragility fracture Kemik- Mineral Ölçümü İle İlgili Skor

Screening Dual Energy X-Ray Absorbsiyometri (DEXA) DEXA of the proximal femur in a young woman, age 37, with unsuspected femoral- neck osteopenia (T score, -1.6). DEXA of the lumbar spine in a young woman, age 37, with unsuspected lumbar spine osteopenia (T = -1.8)

Kemik- Mineral Dansitometrede Ölçüm Bölgeleri L1-L4 Vertebralar ile femur kemik mineral yoğunluğu analizleri

Kantitatif Ultrasonda radyasyon alımının olmaması, ekonomik olması ve kolay uygulanabilmesi nedeniyle özellikle polikliniklerde, küçük yerleşim bölgelerinde, kadın-doğum uzmanları tarafından hamilelerde ve menapoz dönemindeki kadınlarda risk durumunun tespitinde ve çok merkezli tarama çalışmaları için kullanılmaktadır. Kantitatif Ultrason Kemik dansitesini ölçen bir yöntem olmamakla beraber, özellikle son birkaç yıldır sadece bir tarama yöntemi olarak kullanılmaya başlanılmıştır. Ultrasonik dalgaların kemik içinden geçerken uğradığı fiziksel değişimler esas alınarak geliştirilmiş bir yöntemdir. Ultrason dalgalarının kalkaneustan geçerken zayıflamasının ölçülmesi prensibine dayanır.

Osteoporozda görülen femur kırığı Osteoporoz en sık vücudun yükünü taşıyan ve trabeküler yapıda olan omurları etkiler. Tüm osteoporoz olgularının %47'si omurlarda, %20'si kalçada (femur baş kısmında), % 13'ü bileklerde ve %20'si diğer kemiklerde görülür. İleri yaşlarda omurlardaki çökme kırıklarına bağlı olarak boyda kısalma olur. Bir kadının ileri yaşlarda boyu santimetreye kadar kısalabilir.