王旭,劉磊,劉義軍,李貝貝,童小雨,陳安良

脆性骨折是骨質疏松癥的主要并發(fā)癥,可直接致殘,嚴重影響患者的生活和工作質量。流行病學調整顯示50歲以上人群中骨質疏松癥的患病率高達19.2%[1]。肺癌為肺部最常見的惡性腫瘤,發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢[2]。不論是需要接受骨質疏松癥還是肺癌篩查的患者,多為50歲及以上年齡的人群,且在很大程度上存在重疊。而高達70%的符合條件的患者未接受骨密度(bone mineral density,BMD)篩查,使得僅有10%～22%的骨質疏松癥患者接受了適當?shù)闹委焄3]。一站式胸部低劑量(low dose,LD)CT掃描聯(lián)合定量CT(quantitative computed tomography,QCT)骨密度篩查是近年來的研究熱點,可改善目前我國骨質疏松癥檢出率低下的困境,已有相關研究報道[4,5]。

人體骨密度隨時間呈相對緩慢的變化,它是監(jiān)測骨質疏松的重要指標,因此獲得準確的BMD測量結果具有重要的臨床意義。圖像采集參數(shù)和重建方法的選擇都可能影響骨密度測量的準確性,已有學者對于層厚、重建算法和卷積核等參數(shù)對BMD測量的的影響進行了研究[6]。QCT標準檢查方案中推薦常規(guī)采用矩陣512×512進行圖像重建,而對于胸部則建議采用1024×1024的大重建矩陣以利于對肺結節(jié)的顯示和觀察,但目前對矩陣變化是否會影響B(tài)MD測量值尚未見報道。因此,本研究中基于具有BMD標定值的標準歐洲脊柱體模(European spine phantom,ESP),分析不同重建矩陣對 QCT骨密度測量準確性的影響,并通過臨床數(shù)據(jù)進行驗證,旨在探討大重建矩陣LDCT圖像用于骨密度測量的可行性。

材料與方法

1.基于體模的研究方法

采用仿真ESP(編號145,德國ORM公司),此標準體模主要由環(huán)氧樹脂和羥基磷灰石(hydroxyapatite,HAP)等成分構成,其對X射線的衰減相當于水和HAP的混合物。ESP內包含3種密度(50、100和200 mg/cm3)的仿真松質骨插件,分別記作V1、V2和V3(圖1)。校準體模使用Mindways公司的Model 4(圖2)。

使用聯(lián)影uCT760掃描機,分別采用常規(guī)劑量(150 mAs)和低劑量(30 mAs)對ESP進行掃描,其它掃描參數(shù):120 kVp,準直寬度40 mm,螺距0.9875,轉速0.5 s/r,層厚5 mm,矩陣512×512,視野500 mm×500 mm,Karl 5級(keep artifact really low)迭代重建算法,床高的設置,使得ESP中心位于掃描野的中心為準。每一劑量水平對ESP重復掃描10次。同時掃描QCT校準體模Model 4,對骨密度測量工作站上的QCT Pro軟件進行校準,保證測量數(shù)據(jù)的準確性。圖像重建:重建層厚及層間距均為1 mm,卷積核B_SOFT_B,顯示視野同掃描視野,重建矩陣分別采用512×512(同掃描矩陣)、768×768和1024×1024。

3.骨密度測量

將2個劑量組的6組重建圖像傳輸至骨密度測量工作站(Model 4 QCT pro v6.1),在橫軸面圖像中分別選取3個仿真椎體的中間層面(密度較均勻處),于椎體骨松質前2/3的區(qū)域內勾畫ROI,并設定容積感興趣區(qū)(volume of interest,VOI)的高度為9 mm(圖3)。每一椎體的骨密度值測量3次,計算均值作為該椎體的骨密度值。按照公式(1)計算相對誤差(relative error,RE)來評價測量的準確性[7]:

圖3 QCT骨密度測量VOI示意圖。a)V1橫軸面圖像;b)V2橫軸面圖像;c)V3橫軸面圖像;d)V1矢狀面圖像;e)V2矢狀面圖像;f)V3矢狀面圖像。

(1)

2.臨床研究

回顧性分析 2022年1～6月在本院行胸部CT檢查患者的90例患者的臨床和CT資料。其中,行胸部HRCT和LDCT檢查的患者各45例。HRCT組:男28例、女17例,年齡42～80歲,平均60.6歲;LDCT組:男24例、女21例,年齡29～69歲,平均45.4歲。

納入標準:①胸部CT檢查資料完整;②檢查時患者配合較好,胸部CT圖像上無明顯呼吸和運動偽影。排除標準:①胸部有金屬植入物;②椎體有明顯骨質增生、嚴重退行性變或畸形;③有骨質代謝性疾病,如風濕類疾病和內分泌疾病等。

本研究為回顧性分析,經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準,免除了患者知情同意書。

使用聯(lián)影uCT760掃描機完成胸部HRCT和LDCT掃描,掃描范圍為胸廓入口水平至膈肌水平,于吸氣末屏氣完成掃描。HRCT掃描參數(shù):120 kVp,150 mAs,關閉自動劑量調節(jié);LDCT掃描參數(shù):120 kVp,自動管電流,劑量調制1級(最低,參考管電流65 mAs);其它掃描參數(shù)同ESP掃描。圖像重建:重建層厚及層間隔均為1 mm,卷積核B_SOFT_B,顯示視野500 mm×500 mm,重建矩陣分別為512×512(同掃描矩陣)和1024×1024。

將重建圖像傳至骨密度測量工作站(Model 4 QCT pro v6.1),由兩位醫(yī)師分別獨立完成椎體BMD的測量。選取Th12和L1椎體中間層面上密度較均勻、無異常密度的骨松質區(qū)域作為測量區(qū)域,VOI高度為9 mm,以包含盡可能多的骨松質,同時需注意避開骨島及椎體后靜脈叢等區(qū)域。測量完成后,參考骨質疏松診斷標準(<80 mg/cm3為骨質疏松,80～120 mg/cm3為骨量減低,>120 mg/cm3為骨量正常)對患者的骨質狀態(tài)進行判定。

3.統(tǒng)計學分析

使用SPSS 24.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析和比較。計量資料采用均數(shù)±標準差來表示,采用單因素方差分析比較不同重建矩陣之間ESP內各椎體骨密度測量值的RE;相同矩陣下150 mAs和30 mAs之間椎體骨密度值的RE的比較采用配對樣本t檢驗。兩位醫(yī)師測量的患者椎體骨密度值的一致性分析采用組內相關系數(shù) (intraclass correlation coefficient,ICC),若一致性較好,則采用標準差較小的一組數(shù)據(jù)用于后續(xù)的統(tǒng)計分析。不同矩陣下測量的患者椎體骨密度值的比較采用配對樣本t檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

1.體模研究

150 mAs和30 mAs兩種劑量水平下不同重建矩陣圖像上V1、V2、V3及V平均骨密度RE值的差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05);所有椎體骨密度值的RE均為正值,誤差范圍為3%～8%,詳見表1。相同重建矩陣150 mAs與30 mAs之間骨密度值RE的差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05),見表2。

表1 兩種劑量水平下不同重建矩陣之間ESP椎體骨密度RE值的比較

表2 相同重建矩陣150mAs 組與30mAs 組ESP椎體骨密度值RE的比較

2.臨床研究

兩位醫(yī)師在各組圖像(2種矩陣、2個椎體)上測量的椎體骨密度值的一致性均較好(ICC值=0.978～0.990>0.75)。

重建矩陣分別為512×512和1024×1024的HRCT圖像上,Th12、L1椎體和椎體平均BMD值的差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05),詳見表3和圖4。

表3 HRCT和LDCT圖像上不同重建矩陣下各椎體BMD值的比較 /mg/cm3

圖4 HRCT和LDCT圖像上大、小重建矩陣(512×512 vs.1024×1024)下測量的患者Th12和L1椎體的BMD值及Th12與L1椎體平均BMD值的箱式圖。A、B組分別代表大、小矩陣下Th12椎體BMD測量值;C、D組分別代表大、小矩陣下L1椎體BMD測量值,E、F組分別代表大、小矩陣下Th12與L1椎體的平均BMD值。a)HRCT圖像;b)LDCT圖像。

重建矩陣分別為512×512和1024×1024的LDCT圖像上,Th12、L1和椎體平均BMD值的差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05),詳見表3和圖4。

HRCT中骨質疏松患者占比為8.88%(4/45),LDCT中骨質疏松患者占比為2.22%(1/45)。

討 論

骨密度的主要測量方法為雙能X射線吸收測量法(dual energy X-ray,DXA)和定量CT(quantitative computed tomography,QCT),但QCT為容積掃描數(shù)據(jù),可以消除DXA骨密度測量中解剖結構重疊等因素的影響,使得骨密度測量的準確性更高,同時可對椎體形態(tài)進行三維立體觀察[8]。與DXA相比,QCT掃描的輻射劑量偏高,除調整掃描參數(shù)降低單次檢查的輻射劑量外,機會性利用影像數(shù)據(jù)進行骨密度QCT檢查可減少患者輻射暴露,是另一可行的方向。隨著LDCT在肺癌篩查中的應用越來越多,國內外均有研究表明低劑量胸部CT聯(lián)合QCT骨密度測量一站式檢查具有良好的應用前景,為在高危人群中篩查骨量減少和骨質疏松提供了一種經(jīng)濟和安全的替代策略[9,10]。

但胸部CT檢查除需對結節(jié)檢出外,還需要結合形態(tài)學征象對結節(jié)良惡性進行評估,臨床常采用大矩陣以實現(xiàn)高空間分辨率圖像的重建[11]。而矩陣的變化對骨密度測量結果是否存在影響,尚不可知。因此本研究中基于常用于骨密度測量儀器標準化和相互校準的專業(yè)體模ESP(其內含有不同密度的椎體模擬插件,其密度的設定兼顧了所有年齡組骨松質及骨皮質的生理特點),來探討不同重建矩陣對骨密度測量的影響,并進一步利用患者胸部影像數(shù)據(jù)進行驗證。

體模掃描采用150 mAs和30 mAs兩種劑量水平,盡可能地模擬臨床應用環(huán)境。其中,150 mAs與臨床上胸部HRCT掃描時的管電流值一致;30 mAs為中華醫(yī)學會推薦的肺癌篩查的掃描參數(shù)[12]。但在臨床工作中,因患者的個體差異較大,而且為了保證肺尖等部位能獲得與肺部其它部位基本相同的圖像質量,通常在LDCT掃描時采用自動管電流調制技術。對ESP進行掃描時,由于其內插件的密度為已知值,因此采用RE來評估測量值與真實值之間的差異。本研究結果顯示兩種劑量水平下,采用不同重建矩陣時V1、V2、V3及V平均骨密度值RE的差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05),表明重建矩陣的變化不會影響骨密度的測量。筆者分析原因為矩陣的增大只是使像素減小,圖像的空間分辨率提高,但組織的CT值并未發(fā)生改變,而骨密度的測量和計算是基于椎體CT值來換算的。本研究中椎體測量的相對誤差范圍為3%～8%,在允許的偏差范圍之內,甚至更低[13],表明不同重建矩陣的圖像均可獲得較準確的骨密度測量結果,均可滿足臨床的需求。相同重建矩陣不同劑量水平下,ESP內V1、V2、V3及V平均骨密度測量值的RE的差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05),說明管電流的改變不會影響骨密度測量的準確性,與蔣耀軍等[14]的研究結果基本一致,這也表明HRCT和LDCT數(shù)據(jù)均可用于骨密度的測量,在臨床實踐中均可應用于機會性骨質疏松癥的篩查。

目前推薦在L1和L2椎體處進行骨密度的測量來反映患者的骨質狀態(tài)[15],但當L1或L2椎體出現(xiàn)骨折、腫瘤、硬化癥或囊腫等病變時,Th12椎體的骨密度也可作為參考值[5]。姜文蓁等[16]研究表明測量下段胸椎的骨密度也可用于診斷骨質疏松,Th12和L1椎體的BMD對骨質疏松診斷效能最高。因此本研究中測量了患者T12和L1椎體的骨密度值來驗證體模研究的結果,臨床研究結果與體模研究結果一致。由于1024×1024矩陣的像素點數(shù)目是512×512矩陣的4倍,也明顯高于768×768,因而能更清楚地顯示肺組織的精細結構,對肺內結節(jié)的診斷準確性更高,故其在臨床實踐中的應用也更為廣泛。也因此,本研究中并未選取768×768矩陣進行分析和研究。同時本研究結果顯示,HRCT圖像上測量的椎體平均骨密度值明顯低于LDCT,這可能與兩組患者的年齡有關,因接受HRCT掃描的多為肺內疑似惡性結節(jié)的而需進行隨診復查的患者,年齡偏大,相應的存在骨質疏松的患者占比也更高。本研究中兩種掃描方式下均篩查出骨質疏松癥患者,提示利用胸部影像數(shù)據(jù)開展骨質疏松癥篩查是非常有必要的。

本研究的局限性:同一臺CT設備的掃描矩陣是固定不變的,僅對單一設備的不同重建矩陣進行了分析,不同設備間掃描矩陣的橫向比較需進一步分析。

綜上所述,重建矩陣的改變并不會影響椎體骨密度的測量。胸部不同劑量水平下常規(guī)重建矩陣和大重建矩陣獲得的圖像均可用于機會性骨質疏松癥的篩查,臨床上行HRCT掃描的患者骨質疏松癥的患病率較高,應重點關注該類人群。