高明亮，李成偉，萬(wàn)國(guó)慶，劉文麗

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 醫(yī)學(xué)與生物計(jì)量研究所，北京 100029

引言

骨密度（Bone Mineral Density，BMD）一般定義為單位體積內(nèi)的骨礦含量（Bone Mineral Content，BMC），是診斷骨質(zhì)疏松癥和評(píng)價(jià)骨折風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。雙能X 射線骨密度儀（Dual Energy X-ray Absorptiometry，DEXA）通過(guò)測(cè)量?jī)煞N不同能量的X 射線穿透人體后吸收減弱結(jié)果并加以計(jì)算，降低或消除軟組織在射線吸收減弱中的貢獻(xiàn)，確定骨骼對(duì)X 射線的等效吸收，從而計(jì)算獲得相應(yīng)骨骼的等效面密度（areal BMD，aBMD，單位：g/cm2）。由于DEXA 測(cè)量骨密度技術(shù)成熟、輻射劑量低、設(shè)備價(jià)格較低，其已廣泛分布于各級(jí)醫(yī)院并被世界衛(wèi)生組織確定為骨質(zhì)疏松診斷的金標(biāo)準(zhǔn)。雖然DEXA 已成為骨質(zhì)疏松癥診斷的主流技術(shù)，但DEXA 測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)一性和量值溯源問(wèn)題尚未解決。在實(shí)際測(cè)量中，利用不同型號(hào)DEXA 或者不同醫(yī)生進(jìn)行掃描，同一患者相同測(cè)量位置的骨密度值結(jié)果存在一定差異；不同廠商生產(chǎn)的DEXA 對(duì)同一病人的診斷結(jié)果也無(wú)法進(jìn)行有效對(duì)比和驗(yàn)證[1-2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院醫(yī)學(xué)與生物計(jì)量研究所承擔(dān)的國(guó)家質(zhì)量基礎(chǔ)NQI 專(zhuān)項(xiàng)子課題“骨質(zhì)疏松診斷設(shè)備計(jì)量溯源及中國(guó)人群骨密度數(shù)據(jù)平臺(tái)建立研究”中，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了相應(yīng)了研究工作。面對(duì)DEXA主要依賴(lài)進(jìn)口、缺少有效溯源路徑、DEXA 內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)不完全符合中國(guó)人群生理特性等問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了骨質(zhì)疏松診斷設(shè)備計(jì)量溯源研究工作，嘗試建立相應(yīng)計(jì)量檢測(cè)裝置，解決骨密度量值溯源問(wèn)題，為臨床骨密度數(shù)據(jù)采集提供計(jì)量技術(shù)支撐[3-6]。

1 原理及方法

1.1 DEXA原理

DEXA 原理本質(zhì)上為射線吸收衰減系數(shù)的測(cè)量，射線吸收減弱采用Lambert-Beer 定律進(jìn)行計(jì)算，其公式為：

式(1) (2)中，I0為射線初始信號(hào)強(qiáng)度，I 為射線穿透人體減弱后的強(qiáng)度，l 為人體厚度，μ 為衰減系數(shù)[10]。

當(dāng)l 為質(zhì)量厚度時(shí)，l=t×ρ，t 為厚度（單位：cm），ρ為密度（單位：g/cm3）。DEXA 測(cè)得的骨密度值為平均面密度，即質(zhì)量厚度。因此，骨密度值測(cè)量結(jié)果由骨礦含量與測(cè)量區(qū)域的厚度這兩個(gè)主要因素決定。

DEXA 利用人體組織對(duì)不同能量X 射線吸收減弱能力不同的原理，分別處理骨骼、肌肉等軟組織圖像數(shù)據(jù)，即利用肌肉等軟組織對(duì)低能量X 射線吸收減弱效果明顯、而對(duì)高能量X 射線減弱較少的現(xiàn)象強(qiáng)化骨骼部分圖像。采用公式(3)與(4)分別表征肌肉等軟組織和骨骼的質(zhì)量與射線吸收減弱特性的關(guān)系[11]。

RB為骨骼低能量和高能量X 射線吸收后的質(zhì)量衰減系數(shù)比值，即：

由于不同型號(hào)DEXA 采用的X 射線能量不盡相同、各生產(chǎn)商對(duì)質(zhì)量衰減系數(shù)的計(jì)算處理方法不同、骨密度算法中存在一定固有缺陷，因此不同廠商DEXA 測(cè)得同一患者的骨密度值不具有可比性，骨密度亦無(wú)有效溯源路徑。

值得我們注意的是，在可再生能源行業(yè)發(fā)展初期，固定的上網(wǎng)電價(jià)有效地激勵(lì)了企業(yè)和投資者的信心，促進(jìn)了可再生能源的發(fā)展。然而基于政府命令的補(bǔ)貼手段常常引起爭(zhēng)議，增加了用電企業(yè)和消費(fèi)者的負(fù)擔(dān)，并且歐債危機(jī)后可再生能源補(bǔ)貼給財(cái)政困境的歐盟帶來(lái)較大壓力，因此，歐盟正逐步取消可再生能源補(bǔ)貼。這可能會(huì)導(dǎo)致歐盟投資者熱情下降，消費(fèi)者減少可再生能源使用，最終導(dǎo)致可再生能源發(fā)展目標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而市場(chǎng)化驅(qū)動(dòng)機(jī)制——可再生能源綠色電力證書(shū)交易制度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“綠證交易”)能降低取消補(bǔ)貼所帶來(lái)的不利影響。

1.2 骨密度溯源方法分析

1.2.1 質(zhì)量衰減系數(shù)的理論數(shù)據(jù)不可用

質(zhì)量衰減系數(shù)是重要的輻射劑量學(xué)參數(shù)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院Hubbell 團(tuán)隊(duì)專(zhuān)門(mén)從事質(zhì)量衰減系數(shù)的測(cè)量研究工作并定期發(fā)布相應(yīng)研究成果。歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，不同物質(zhì)質(zhì)量衰減系數(shù)的測(cè)量不確定度可達(dá)到或優(yōu)于0.3%[12]。質(zhì)量衰減系數(shù)的測(cè)量結(jié)果有嚴(yán)格的測(cè)量條件要求，即射線穿過(guò)物質(zhì)后只有射線強(qiáng)度的減弱，而射線能量不發(fā)生變化——這就意味著此時(shí)物質(zhì)對(duì)射線只有“單純的吸收，沒(méi)有散射或次級(jí)輻射”，或者“雖有散射粒子和次級(jí)粒子產(chǎn)生，但他們并不被記錄”[10]。一般來(lái)說(shuō)，只有單能γ 射線在窄束減弱條件下能夠近似滿(mǎn)足上述要求。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于具有連續(xù)能譜的X 射線，其經(jīng)物質(zhì)減弱后的射線強(qiáng)度I 則不滿(mǎn)足單能窄束減弱條件。在寬束條件下，由于射線硬化和散射等因素的影響，射線強(qiáng)度I 由公式(7)描述。

公式(7)中，B 為積累因子，與X 射線的等效能量、穿透物質(zhì)的厚度、射線與物質(zhì)相互作用（如散射影響）等因素有關(guān)；Eeff為X 射線的等效能量。

如前文所述，已測(cè)定的質(zhì)量衰減系數(shù)或者衰減系數(shù)一般在窄束減弱條件下獲得。一般實(shí)際應(yīng)用中，由于射線硬化、散射等因素的影響，窄束減弱條件很難被滿(mǎn)足。因此，各DEXA 生產(chǎn)商需要根據(jù)自己的儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算過(guò)程中的合理簡(jiǎn)化以及大量實(shí)驗(yàn)擬合。故而，各廠商在骨密度計(jì)算過(guò)程中獲得的質(zhì)量衰減系數(shù)不盡相同，也無(wú)法對(duì)各廠商的骨密度計(jì)算過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2.2 相同密度材料測(cè)得的骨密度數(shù)值隨等效厚度變化

由于質(zhì)量衰減系數(shù)與被測(cè)物質(zhì)的密度、厚度相關(guān)，因此相同密度、不同厚度材料對(duì)應(yīng)的骨密度值數(shù)值不同。DEXA 測(cè)量骨密度時(shí)，密度值的變化不是真實(shí) 密度變化，而反映的是射線穿透物質(zhì)的等效厚度變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)用相同密度材料制成外形尺寸相同、骨腔尺寸不同的模型骨密度值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果明顯受到骨骼所占比例的影響。相似研究也證實(shí)，采用aBMD 表達(dá)骨密度值時(shí)被測(cè)骨骼的厚度并沒(méi)有得到修正，即使是真實(shí)密度相同的受試者，當(dāng)他們的骨骼大小存在差異時(shí)，BMD 也會(huì)顯示差異[13]。骨骼較大、骨壁較厚者aBMD 值較高，而骨質(zhì)疏松檢出率較低；骨骼較小且骨壁較薄者aBMD 值較低，而骨質(zhì)疏松檢出率較高[13]。這些情況都說(shuō)明aBMD 受骨壁厚度等影響較為明顯，其不能完全代表真實(shí)骨密度值。

1.2.3 DEXA測(cè)量骨密度結(jié)果的溯源技術(shù)

按照上述原理與分析，我們根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC 60692 標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB13980-2008 的要求[14-15]，進(jìn)行分析研究后認(rèn)為：任何電離輻射密度計(jì)在經(jīng)過(guò)合理標(biāo)定后，都應(yīng)對(duì)同一被測(cè)對(duì)象測(cè)量的測(cè)量結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)保持一致，對(duì)于雙能X 射線骨密度儀同樣如此。前人研究成果也證明了這一點(diǎn)，使用固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)或提供能夠進(jìn)行量值定值的骨密度模體，可以統(tǒng)一骨密度值測(cè)量結(jié)果[16]。而根據(jù)GB/T 13980-2008《電離輻射密度計(jì)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)已知密度的標(biāo)準(zhǔn)溶液或者標(biāo)準(zhǔn)固體樣品進(jìn)行校準(zhǔn)溯源，使用電離輻射密度計(jì)測(cè)量普通物質(zhì)的密度，完全可以達(dá)到0.1%甚至更高的測(cè)量精度。盡管由于生理結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，人體骨密度測(cè)量相比普通物質(zhì)測(cè)量更加復(fù)雜，但是人體骨密度測(cè)量與普通物質(zhì)測(cè)量相比并無(wú)本質(zhì)區(qū)別[17-18]。

因此，對(duì)于一個(gè)確定的測(cè)量對(duì)象，任意DEXA 測(cè)得的骨密度值理論上在一定偏差范圍內(nèi)應(yīng)是一致的。由此可見(jiàn)，與電離輻射密度計(jì)類(lèi)似，DEXA 可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)骨密度模體進(jìn)行校準(zhǔn)溯源，以達(dá)到統(tǒng)一骨密度量值的目的。只要生產(chǎn)商根據(jù)其采用的X 射線能量條件并配合使用骨密度模體進(jìn)行相應(yīng)骨密度值的計(jì)算和修正，無(wú)論從理論還是應(yīng)用角度實(shí)現(xiàn)DEXA 測(cè)量骨密度值的統(tǒng)一都是可行的。

與電離輻射密度計(jì)有所不同的是，電離輻射密度計(jì)校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)溶液或標(biāo)準(zhǔn)固體樣品的密度可以通過(guò)其他密度測(cè)量方法精確得到，而如前所述，DEXA 測(cè)量得到的骨密度并不是嚴(yán)格意義上的物理密度，其與物理密度有關(guān)而又不等同于物理密度，因此骨密度模體的骨密度量值溯源需要通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量物質(zhì)減弱系數(shù)以計(jì)算出骨密度值的方法解決，因此我們研制了多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置。其目的不僅要模擬各廠家的能量條件，還需要研究標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)條件，用以給骨密度模體嚴(yán)格的定值。

2 多能量X射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置的研制

基于上述骨密度量值溯源技術(shù)的可行性分析，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)并研制了一套多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置。該裝置的主要目標(biāo)是用于對(duì)市面上各種骨密度模體進(jìn)行骨密度值的校準(zhǔn)檢測(cè)及量值溯源。其測(cè)量原理與一般的DEXA并無(wú)區(qū)別，都是利用射線的吸收減弱原理來(lái)獲得被測(cè)物體的各種信息，對(duì)本裝置來(lái)說(shuō)，就是得到被測(cè)物的圖像與骨密度。為了研究不同的射線條件對(duì)骨密度值測(cè)量結(jié)果的影響，探索骨密度值與真實(shí)物理密度值之間的真實(shí)關(guān)系，并最終給出被測(cè)骨密度模體準(zhǔn)確的骨密度值。因此本裝置設(shè)計(jì)思路就是研制一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的骨密度模體測(cè)量裝置，以解決骨密度模體的量值溯源問(wèn)題[19]。

在具體的設(shè)計(jì)上，多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置采用錐形輻射束，可通過(guò)添加限束光闌模擬線束成像條件，額定電壓150 kV，工作電壓范圍60～140 kV，燈絲電流可調(diào)，系統(tǒng)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于1%。該裝置可采用不同組合的高壓切換模式，也可以使用釤過(guò)濾、鈰過(guò)濾模仿各種DEXA 產(chǎn)品的雙能量條件進(jìn)行骨密度值測(cè)量[20]。該裝置結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示，主要包括X 射線管、高壓發(fā)生器、成像板、自動(dòng)控制單元等組成。該裝置于2018 年底完成加工，并于2019 年進(jìn)行安裝調(diào)試，具體的硬件實(shí)物安裝效果，見(jiàn)圖2。

圖1 多能量X射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 多能量X射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖

該裝置的基本構(gòu)成包括：診斷級(jí)X 射線機(jī)輻射源系統(tǒng)、平板面陣探測(cè)器、雙能量線陣列探測(cè)器、掃描定位控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)以及定值校準(zhǔn)用骨密度模體組。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能。

（1）雙能量X 射線產(chǎn)生與控制。功能包括高壓的調(diào)整，DEXA 測(cè)量骨密度值時(shí)高壓自動(dòng)切換，K 熒光過(guò)濾法產(chǎn)生雙能X 射線，自動(dòng)進(jìn)行X 射線機(jī)訓(xùn)機(jī)，自動(dòng)進(jìn)行開(kāi)機(jī)后空氣校準(zhǔn)和探測(cè)器的歸一化處理，手動(dòng)協(xié)助下進(jìn)行水校準(zhǔn)與骨密度值校準(zhǔn)。

（2）掃描控制。功能包括自動(dòng)定位、線陣列探測(cè)器的掃描控制、精細(xì)成像放大倍率設(shè)定與調(diào)整。

（3）圖像采集與處理。主要功能包括DR 圖像的數(shù)據(jù)采集及圖像重建，勾畫(huà)、復(fù)制圓形或矩形感興趣區(qū)域，顯示感興趣區(qū)域的信息（灰度值的最大值、最小值、平均值、感興趣區(qū)域的面積、統(tǒng)計(jì)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差等），自動(dòng)計(jì)算任意兩個(gè)灰度間的對(duì)比度；根據(jù)圖像的中心和四個(gè)固定對(duì)稱(chēng)位置感興趣區(qū)域的灰度值，計(jì)算均勻性和噪聲標(biāo)準(zhǔn)差平均值；圖像的局部放大，手動(dòng)設(shè)置改變窗寬（WW）、窗位（WL）；按照等灰度曲線自動(dòng)勾畫(huà)目標(biāo)物輪廓；手動(dòng)輪廓勾畫(huà)、擦除和修改。

（4）aBMD 測(cè)量與計(jì)算。在上述圖像功能基礎(chǔ)上，根據(jù)公式和實(shí)驗(yàn)擬合的數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算骨密度值。主要功能包括DR 與雙能量減影成像，輪廓識(shí)別與自動(dòng)勾畫(huà)功能，根據(jù)灰度（或吸收系數(shù)）計(jì)算骨骼或其他器官密度，給出骨骼的骨礦含量、投影面積、骨密度值。

3 初步的測(cè)試結(jié)果與分析

多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置的軟硬件調(diào)試工作已初步完成，能夠采集DR 圖像并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。因?yàn)樽罱K的骨密度測(cè)量精度主要取決于射線穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該裝置的射線穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，使用的測(cè)試設(shè)備為經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的Raysafe X2 射線檢測(cè)裝置。在該裝置X 射線源開(kāi)機(jī)穩(wěn)定5 min后，將探頭放置于面陣成像版幾何中心處（此時(shí)SSD=1000 mm）進(jìn)行測(cè)量。固定管電流為10 mA、出射線時(shí)長(zhǎng)為2.0 s，分別在80、100 和120 kV 激發(fā)電壓下重復(fù)曝光10 次，記錄電壓、射線劑量、劑量率、曝光時(shí)間并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，測(cè)量結(jié)果如下表1～3。各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差即為其對(duì)應(yīng)的測(cè)量重復(fù)性。由表1～3 中數(shù)據(jù)可知，所有參數(shù)的測(cè)量重復(fù)性均優(yōu)于0.2%。

表1 激發(fā)電壓為80 kV時(shí)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

表2 激發(fā)電壓為100 kV時(shí)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

表3 激發(fā)電壓為120 kV時(shí)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

4 總結(jié)與展望

上述測(cè)量結(jié)果均為原始值，尚未經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)處理，初步的測(cè)試結(jié)果表明在常用條件下，電壓、射線劑量、劑量率D、曝光時(shí)間等參數(shù)的單次測(cè)量重復(fù)性最大值為0.11%。測(cè)試結(jié)果符合多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)提出的X 射線機(jī)短期穩(wěn)定性、單次測(cè)量重復(fù)性好于1.0%的要求。同時(shí)，由于項(xiàng)目正在研究階段，大部分軟件功能尚未最終實(shí)現(xiàn)，大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作也正在進(jìn)行中，雖然初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)備完全滿(mǎn)足預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，但是對(duì)于本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容骨密度量值方面缺乏直接的數(shù)據(jù)支持，這也是我們下一步工作的主要內(nèi)容之一。

另一方面，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并研發(fā)了可進(jìn)行準(zhǔn)確骨密度定值和溯源的骨密度定值模塊，多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置可以利用這些定值模塊進(jìn)行溯源。未來(lái)DEXA 測(cè)量骨密度的量值溯源鏈條為，利用本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的可進(jìn)行準(zhǔn)確骨密度值定值和溯源的骨密度定值模塊對(duì)多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置進(jìn)行骨密度值測(cè)量結(jié)果的溯源，用多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置對(duì)市場(chǎng)在用的骨密度模體進(jìn)行校準(zhǔn)檢測(cè)，利用經(jīng)校準(zhǔn)檢測(cè)的骨密度模體對(duì)DEXA 進(jìn)行校準(zhǔn)檢測(cè)和量值溯源。通過(guò)實(shí)現(xiàn)并完善上述溯源鏈條，將能夠解決目前不同DEXA 測(cè)量同一患者獲得的結(jié)果不可比的問(wèn)題，同時(shí)也可為骨質(zhì)疏松癥臨床診斷結(jié)果互認(rèn)提供技術(shù)支持[21-23]。