陳民 張艷 袁慧書

北京大學(xué)第三醫(yī)院放射科，北京 100191

骨質(zhì)疏松是中老年人常見疾病，以骨量下降和骨組織微觀結(jié)構(gòu)的退變?yōu)樘攸c(diǎn)[1]。目前，WHO推薦的骨質(zhì)疏松診斷方法仍為雙能X線吸收法(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)測(cè)定的骨密度(bone mineral density，BMD)，美國(guó)放射學(xué)會(huì)也推薦定量CT(quantitative computed tomography，QCT)作為部分情況下(如嚴(yán)重退行性變、脊柱側(cè)彎等)骨密度測(cè)量的首選影像學(xué)診斷方法[2]。但DXA檢查需要特殊設(shè)備，且測(cè)量受到重疊因素的影響大，QCT測(cè)量也需要特定的體模及后處理軟件，因此，均具有一定的局限性。能譜CT可通過物質(zhì)分離技術(shù)進(jìn)行骨松質(zhì)骨密度的測(cè)量，相較于QCT測(cè)量，該方法更簡(jiǎn)便、更易推廣，近年來也逐漸受到關(guān)注。本研究旨在利用羊椎體標(biāo)本評(píng)價(jià)快速千伏切換能譜CT物質(zhì)分離技術(shù)測(cè)定的骨松質(zhì)骨密度與QCT測(cè)定的骨密度的一致性，為能譜CT測(cè)定骨密度的進(jìn)一步應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

從市場(chǎng)購(gòu)買3副新鮮羊椎體，共23個(gè)椎體，帶少量椎旁軟組織。

1.2 檢查設(shè)備與掃描條件

能譜掃描與QCT掃描均在64排能譜CT(Revolution CT, GE Healthcare, USA)進(jìn)行。能譜掃描使用Revolution能譜CT的GSI掃描模式，掃描條件為140 kVp和80 kVp瞬時(shí)切換，固定管電流230 mAs，螺距0.516 mm，轉(zhuǎn)速0.8 s/r，探測(cè)器寬度40 mm，CTDIvol為14.06mGy。QCT掃描按標(biāo)準(zhǔn)QCT掃描條件進(jìn)行，固定管電壓為120 kVp，管電流400 mAs，螺距0.984 mm，轉(zhuǎn)速0.5 s/r，探測(cè)器寬度40 mm，CTDIvol 為13.82mGy。掃描時(shí)將QCT體模(Mindways, Texas, USA)放置在羊椎體骨正下方。同一副羊椎體骨的能譜掃描與QCT掃描在同一天進(jìn)行。

1.3 骨密度測(cè)量

圖1 QCT骨密度測(cè)量ROIFig.1 ROI of BMD measurements on QCT images

圖2 能譜掃描HAP(水)圖及測(cè)量ROI示意圖Fig.2 ROI of HAP density measurements on HAP (water) images derived from the dual-energy scan

利用QCTpro軟件(Mindways Software Inc., USA)進(jìn)行QCT骨密度分析。分析區(qū)域?yàn)樽刁w中部骨松質(zhì)，感興趣區(qū)(region of interest, ROI)為高度恒定(7 mm)的圓柱形區(qū)域，研究者在軸位圖像上手動(dòng)繪制，并在冠狀位及矢狀位圖像上進(jìn)行調(diào)整，注意避開椎體靜脈叢、骨島等區(qū)域，如圖1所示。利用GE AW4.6工作站GSI模塊中的物質(zhì)分離方法進(jìn)行能譜掃描圖像的骨密度測(cè)量，如圖2所示。選用HAP(水)基物質(zhì)對(duì)羥基磷灰石(hydroxyapatite, HAP)關(guān)系，測(cè)量椎體骨松質(zhì)的HAP含量(即骨密度[3])。能譜骨密度測(cè)量的ROI參照QCT測(cè)量的ROI進(jìn)行繪制，并在連續(xù)十個(gè)軸位圖像上測(cè)量取平均值。兩次測(cè)量盡量保持感興趣區(qū)一致。1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

應(yīng)用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)分析兩種方法測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性，應(yīng)用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析兩種方法測(cè)量結(jié)果平均值是否有差異，并應(yīng)用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)、Bland-Altman圖分析二者的一致性。所有統(tǒng)計(jì)學(xué)分析在SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件上進(jìn)行，P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩種方法骨密度測(cè)量結(jié)果及相關(guān)性

QCT骨密度測(cè)量的平均ROI大小為(78.7±19.5)mm2，能譜掃描骨密度測(cè)量的平均ROI大小為(80.0±21.1)mm2，兩方法測(cè)量的ROI大小無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(t=-1.127,P=0.291)。QCT測(cè)得的椎體骨密度值范圍為(136～486)mg/cm3[(321.3±123.6) mg/cm3]，能譜掃描測(cè)得相應(yīng)區(qū)域骨密度值為(128～419)mg/cm3[(286.7±103.8) mg/cm3]，能譜CT測(cè)得的骨密度平均值顯著低于QCT(t=6.416,P<0.001)。能譜掃描測(cè)得的骨密度值與QCT掃描測(cè)得的骨密度值呈高度線性相關(guān)(r=0.989,P<0.001)。QCT與能譜CT骨密度測(cè)量結(jié)果及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析詳見表1。

表1 QCT與能譜CT骨密度測(cè)量結(jié)果比較(n=23)Table 1 Comparison between BMD measurements derived from QCT and dual-energy CT (n=23)

2.2 兩種方法骨密度測(cè)量結(jié)果的一致性評(píng)價(jià)

兩種方法測(cè)量骨密度的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(interclass correlation coefficient, ICC)為0.974(P<0.001)，提示兩種測(cè)量測(cè)一致性好。

Bland-Altman法是評(píng)價(jià)兩種測(cè)量方法一致性的可靠方法[4]。由于兩種方法測(cè)量結(jié)果的差值與測(cè)量的平均值呈顯著正相關(guān)(r=0.747,P<0.001)，因此，對(duì)原始數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)后[4-5]，用Bland-Altman法對(duì)兩種方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行一致性分析。以每個(gè)椎體兩種方法測(cè)得的骨密度常用對(duì)數(shù)的平均值為橫坐標(biāo)，以二者常用對(duì)數(shù)的差值為縱坐標(biāo)，并以差值的均數(shù)±1.96倍差值的標(biāo)準(zhǔn)差(SD)為一致性界限，繪制Bland-Altman圖(圖3)。骨密度對(duì)數(shù)的差值均數(shù)為-0.0442，SD為0.03138，標(biāo)準(zhǔn)誤(SE)為0.00654，一致性區(qū)間(LoA)范圍為(-0.1057，0.0173)，LoA的95%置信區(qū)間為(-0.1289～0.0040)，通過反對(duì)數(shù)變換后，得到兩種方法骨密度測(cè)量LoA范圍為(-1.276～1.041)mg/cm3的置信區(qū)間為(-1.346～1.009)mg/cm3。如圖所示，兩種方法測(cè)得的骨密度對(duì)數(shù)的差值絕大部分位于一致性界限內(nèi)，一致性界限的置信區(qū)間無臨床意義，提示二者測(cè)量一致性好。

圖3 快速千伏切換能譜掃描與QCT測(cè)量羊椎體骨密度對(duì)數(shù)變換后的一致性Bland-Altman圖(圖導(dǎo)出自SPSS，參考線為作者添加)Fig.3 Bland-Altman plot of log-transformed BMD measurements derived from Rapid-kilovoltage-switching dual-energy CT and QCT (Derived from SPSS software, with reference lines added by the authors)

3 討論

骨質(zhì)疏松是危害中老年人健康的常見疾病，其最嚴(yán)重的并發(fā)癥為骨折，極大影響老年人的生活質(zhì)量。骨密度測(cè)量是骨質(zhì)疏松診斷、骨折風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、治療效果評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，因此，如何更準(zhǔn)確便捷的進(jìn)行骨密度測(cè)量是近年來的研究熱點(diǎn)。

能譜CT能將物質(zhì)的X線吸收系數(shù)轉(zhuǎn)化為任意兩種基物質(zhì)的吸收系數(shù)，并達(dá)到與該物質(zhì)相同的衰減效應(yīng)。因此，根據(jù)已知能量水平的某基物質(zhì)吸收系數(shù)，就可評(píng)價(jià)出該基物質(zhì)的密度及空間分布，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)組成成分的初步分析及物質(zhì)分離[6]。因骨礦質(zhì)的主要成分為HAP，因此，可以用HAP含量代表骨密度，并用HAP(水)作為基物質(zhì)對(duì)進(jìn)行骨HAP含量的測(cè)量。QCT在目前廣泛應(yīng)用的在體骨密度測(cè)量方法中最為準(zhǔn)確，因此，本研究將能譜CT測(cè)量的骨密度與QCT測(cè)量的骨密度進(jìn)行比較。

本研究的測(cè)量結(jié)果中，能譜測(cè)得的骨密度值顯著低于QCT測(cè)得的相同骨松質(zhì)區(qū)域的骨密度值，這與張進(jìn)等[7]對(duì)羊骨標(biāo)本的研究結(jié)果相反，即能譜測(cè)得的骨密度顯著高于QCT測(cè)得的骨密度值。這主要是因?yàn)楸狙芯颗c張進(jìn)等能譜分析使用的基物質(zhì)對(duì)不同。本研究中采用GSI物質(zhì)分離技術(shù)中HAP(水)這一基物質(zhì)對(duì)進(jìn)行骨密度的分析，而張進(jìn)等的研究中采用Ca(水)作為基物質(zhì)對(duì)，測(cè)得骨鈣含量后換算成HAP含量。筆者對(duì)本研究中能譜分析的骨松質(zhì)區(qū)域的Ca(水)含量進(jìn)行了記錄，并按照張進(jìn)等的方法換算為HAP含量，得到的骨密度平均值為(338.2±122.6)mg/cm3，顯著高于QCT骨密度結(jié)果(t=-4.505，P<0.001)，與其研究結(jié)果一致。這也表明，通過Ca(水)基物質(zhì)對(duì)換算得到的骨HAP含量與應(yīng)用HAP(水)基物質(zhì)對(duì)直接分析得到的HAP含量并不能相互替代。

本研究中能譜CT物質(zhì)分離技術(shù)測(cè)得的骨密度值低于QCT相應(yīng)區(qū)域的測(cè)量結(jié)果，這與Mei等[8]、Hofmann等[9]的測(cè)量結(jié)果一致。QCT骨密度的在體測(cè)量受到椎體脂肪含量的影響[10]。而能譜物質(zhì)分離技術(shù)以HAP(水)為基物質(zhì)進(jìn)行骨密度的測(cè)量，但實(shí)際椎體成分較為復(fù)雜，不僅包括HAP、水，也包括脂肪、膠原基質(zhì)等其他物質(zhì)，能譜物質(zhì)分離測(cè)定的HAP含量也受到椎體內(nèi)其他物質(zhì)的影響。因此，QCT與能譜CT測(cè)得的骨密度值均不是完全真實(shí)的骨密度值。張進(jìn)等[7]將QCT骨密度測(cè)量結(jié)果、能譜骨密度測(cè)量結(jié)果分別與骨煅燒后的灰重密度進(jìn)行比較，認(rèn)為能譜CT測(cè)量的骨密度值更接近真實(shí)骨密度。二者對(duì)于骨質(zhì)疏松診斷、骨折風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的價(jià)值仍需要進(jìn)一步的對(duì)比研究。

能譜CT物質(zhì)分離方法(HAP-水)測(cè)得的骨松質(zhì)骨密度與QCT測(cè)得的骨密度呈高度線性相關(guān)，且兩種測(cè)量的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)高，與Mei等[8]的研究結(jié)果一致，表明快速千伏切換能譜物質(zhì)分離方法測(cè)定的骨松質(zhì)骨密度能夠進(jìn)行骨密度的評(píng)價(jià)。但能譜CT測(cè)得的骨密度值與QCT測(cè)得的骨密度值不完全相同，表明QCT對(duì)骨質(zhì)疏松的診斷標(biāo)準(zhǔn)不能直接應(yīng)用于能譜CT測(cè)量的骨密度值，還需要在體、更大數(shù)量的研究。

本研究具有一定的局限性。第一，QCT測(cè)得的骨密度并非骨密度的真實(shí)值，因此，本研究不能判斷能譜CT測(cè)得的骨密度是否與骨密度的真實(shí)含量一致。第二，QCT測(cè)量與能譜CT測(cè)量的ROI均為手動(dòng)放置，雖為同一研究者放置且盡量保持一致，但ROI并非絕對(duì)一致，這對(duì)兩種方法測(cè)量結(jié)果的一致性也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。第三，羊骨標(biāo)本的平均骨密度值明顯高于人椎體的骨密度值，因此，對(duì)羊骨標(biāo)本應(yīng)用兩種方法測(cè)量分析的結(jié)果與對(duì)人椎體進(jìn)行測(cè)量分析的結(jié)果不一定完全一致，但仍需人椎體標(biāo)本或在體研究進(jìn)一步證實(shí)。此外，本研究為體外研究，所使用的能譜CT掃描輻射劑量較高，降低能譜掃描測(cè)定骨密度的輻射劑量也是未來的研究方向之一。

4 小結(jié)

綜上所述，本研究通過對(duì)羊椎體標(biāo)本進(jìn)行能譜CT及QCT掃描，并分別測(cè)量同一部位骨松質(zhì)的骨密度，發(fā)現(xiàn)快速千伏切換能譜CT物質(zhì)分離技術(shù)測(cè)定的羊椎體骨密度與QCT測(cè)定的骨密度的一致性及相關(guān)性好，有望用于臨床患者骨密度的評(píng)價(jià)及隨訪。