智能放射吸收法的臨床應用
——人體手臂骨骨密度的測量及其骨質疏松的評估

陳建鋒，范運洲，李鵬，黃松正

1.西北大學醫學院 放射科，美國 伊利諾州 芝加哥 60611；2.浙江康源醫療器械有限公司 研發部，浙江 杭州 310051

引言

骨質疏松癥是一種常見、多發病，它嚴重地威脅著中老年人的身體健康，由此引發的骨折等并發癥，除了給患者本人造成極大的痛苦外，對社會和家庭帶來了沉重的負擔。骨質疏松癥最初是由歐洲病理學家Pommer[1]于1885年提出，但是直到1993年“共識發展會議”上[2]，骨質疏松癥才有一個明確的定義：原發性骨質疏松癥是以骨量減少、骨的微觀結構退化為特征的，致使骨的脆性增加以及容易發生骨折的一種全身性骨代謝性疾病。

診斷骨質疏松癥的主要依據是測量骨骼的骨密度值（Bone Mineral Density，BMD）的下降，以及/或低能量外傷出現的骨折（脆性骨折）[3-7]。骨密度值是直接對骨骼的量化診斷指標，常用于診斷骨質疏松癥、預測骨折風險和評定治療效果。由于受不同地域、不同種族、不同測量部位的影響，在骨量上表現各有不同，再加上臨床所使用的骨密度測量儀器也有可能不盡相同[8-9]，因此，臨床骨密度的測量值往往各有差異。為了統一評估診斷標準，世界衛生組織（WHO）于1994年發布以雙能量X-射線吸收法（Dual X-ray Absorptiometry，DXA）為基礎的T-值作為診斷骨質疏松癥的診斷標準[10]。臨床上通常采用T-值來判斷人體的骨骼是否正常，這里T-值是一個相對的數值，是被檢測者的骨密度值與健康年輕人的骨密度值作比較，以得出高出（+）或低于（-）健康年輕人的標準方差數（表1）。

表1　依據T-值，世界衛生組織對骨質疏松診斷進行以下標準分級

目前市場上已有多種多樣的骨密度檢測方法及產品[6,9,11]，按原理分類主要有單光子吸收法（Single Photon Absorptiometry，SPA）、雙光子吸收法（Dual Photon Absorptiometry，DPA）、放射吸收法（Radiographic Absorptiometry，RA）、DXA、定量CT法（Quantitative Computed Tomography，QCT）、定量磁共振法（Quantitative Magnetic Resonance Imaging，QMRI）和定量超聲法（Quantitative Ultrasound，QUS），其中DXA是WHO建議的已用于臨床診斷骨質疏松的金標準方法，但是其存在著設備相對昂貴、維修成本高、需要經過專門培訓的專業人士操作的等諸多弱點。在這種情況下，人工智能與傳統檢測技術的結合，使得其他新的檢測技術不斷地被人們所關注、開發。本文介紹一種新的骨密度測量方法，稱為智能放射吸收測量法（簡稱i-RA測量法），通過普通的數字X-射線影像設備（Digital Radiography，DR）來采集人體非優勢側前臂骨投影的圖像，然后采用智能計算與X-射線放射吸收原理[12]相結合的方法來對該前臂骨的圖像進行定量分析處理，計算出該前臂橈骨感興趣的骨骼區域的骨密度值。由于它與傳統的DXA方法相比較，具有測量精度高、便于操作等優點，因此它有望成為最具有發展前景的診斷骨質疏松癥的技術之一。

1　材料與方法

1.1　測量方法

智能RA測量法是以普通數字X-射線影像設備為圖像采集平臺，見圖1。首先采集被測量的非優勢側前臂骨（橈骨、尺骨）投影的圖像（圖2），接下來將該圖像輸入到圖像處理工作站進行降噪預處理，并采用GVF Snake自動分割算法[13]將預處理后的手臂骨骼圖像進行分割處理，有效地分割出感興趣的骨骼和其周圍的軟組織區域。Snake模型是由一組控制點首尾以曲線相連構成輪廓線。

其中s是描述邊界的自變量s∈[0,1]。在Snake的控制點上定義能量函數，其公式如下:

圖1　采用i-RA法測量骨密度值的算法流程圖

圖2　DR所獲取的典型前臂骨（橈骨+尺骨）圖像

依據X-射線的衰減特性，透過被照骨骼區域后，探測器接收到的圖像灰度信號I(x,y)可表示為：

或

其中m(x,y)是人體被照部位的骨骼衰減因子，I0(x,y)是X-射線探測器在沒有經過任何物體衰減所接受到的圖像信號強度，S(x,y)是射線錐形束散射修正因子，通常該修正因子大于1.0，ms=lnS(x,y)是射線散射修正值，m0則是軟組織吸收的修正值。最后，我們采用參考模塊法，把上述m(x,y)值與一個已知等效骨密度值的參考模塊（該參考模塊包含有一系列不同等效骨密度值的規則區域）所成的影像中具有相同的m(x,y)值的區域相對應，對應的參考模塊區域的等效骨密度值為我們被測骨骼部位的骨密度值。為了能與金標準測量結果進行直接比較，我們選取距離非優勢側前臂超遠端（稱為Ultra-Distal，UD）1/3橈骨長處的橈骨區域（簡稱1/3區域）為我們測量骨密度的區域[14]。進一步地我們可以依據中國人人群非優勢側前臂橈骨1/3部分處的骨密度值數據庫，得出高出（+）或低于（-）健康年輕人的標準方差數作為骨質疏松癥診斷的參數，即T-值。

1.2　臨床試驗設計

臨床試驗分別在浙江省人民醫院和浙江邵逸夫醫院進行，臨床試驗方案分別得到這兩家醫院倫理委員會的審查和批準。我們分別采用DXA法和i-RA測量法對包含不同年齡段的228位男女受試者的非優勢手前臂橈骨1/3部位處進行骨密度測量（其中浙江省人民醫院、浙江邵逸夫醫院分別有127位和101位受試者參加），他們的年齡范圍是在23～87歲之間，平均年齡為62歲，其中男性98人，女性130人。兩家醫院分別采用美國GE Healthcare公司生產的DXA Prodigy骨密度儀（GE Healthcare，Madison，WI），分析軟件為13.31版本。在進行臨床測試之前，依據設備使用的要求，操作醫師首先采用廠家所提供的質控模塊分別對各自的DXA設備進行設備的矯正測量，以確保DXA設備處于正常的臨床工作運行狀態，并且確認所使用的DXA設備的測量偏差小于1%。類似地，在采用i-RA法進行臨床骨密度測量之前，我們也需要對我們的工作站測量系統做相應的圖像矯正和系統矯正，在確認矯正結果準確的前提下，再進行具體的臨床測試。

1.3　統計學分析

準確度[11]是反映實際骨密度測量值與骨密度真值之間的差異，準確度可用相對偏差表示，其定義為：

而精確度[11]則是指骨密度測量值的可重復性[9]，精確度可以用變異系數來定量描述：

其中xi是第i次骨密度測量值，則是總共為n次測量的平均值，μ是骨密度真值。只有在檢測結果滿足即準確又精確的條件下，臨床專家、醫生才能基于單次測量的結果來作為臨床診斷的依據，并且進一步地通過分析同一病人隨時間變化的骨密度檢測結果，來有效地分析、跟蹤骨質疏松病情的演化。

Pearson相關系數[11]是用來反映DXA測量法和i-RA測量方法所測得的骨密度值之間的線性相關程度的統計量，r定義為：

其中xi是采用i-RA法的第i次骨密度測量值，yi則是采用DXA法的第i次骨密度測量值，，則分別是它們n次測量的平均值。r描述的是兩個變量間線性相關強弱的程度。r的絕對值越大表明相關性越強。

受試者工作特征曲線（Receiver Operating Characteristic Curve，ROC曲線）[11]是根據一系列不同的二分類方式（分界值或決定閾），以真陽性率（靈敏度）為縱坐標，假陽性率（1-特異度）為橫坐標繪制的曲線。這里我們以DXA測量法所獲得的結果來定義受試者為陽性或陰性，以i-RA測量法所獲得的結果來定義受試者為真性或假性。ROC曲線越靠近左上角，試驗的準確性就越高。最靠近左上角的ROC曲線的點是錯誤最少的最好閾值，其假陽性和假陰性的總數最少。亦可通過分別計算各個試驗的ROC曲線下的面積（AUC）來進行定量評估試驗的診斷價值。ROC曲線下的面積值在1.0和0.5之間。在AUC＞0.5的情況下，AUC越接近于1，說明診斷效果越好，結果越接近DXA的測量結果。AUC在0.5～0.7時有較低準確性，AUC在0.7～0.9時有一定準確性，AUC在0.9以上時有較高準確性。

2　結果

2.1　模塊測量精確度、準確度分析

i-RA測量法是以浙江康源醫療器械有限公司的DR6000C數字X-射線影像設備為圖像采集平臺，采用對已知等效骨密度值的手臂骨模塊進行10次重復測量的實驗來對i-RA測量法的準確度和精度進行分析[15]，同時對比Hologic和GE的DXA測量儀對歐洲脊椎骨模塊的測量結果[16]，見表2。這結果表明，相對于傳統DXA骨密度儀的測量，采用i-RA法所測得的骨密度值的精確度和準確度更高，而且測量所需的時間也更為短。

表2　i-RA法與DXA法的測量結果的精確度和準確度、及測量所需時間的比較

2.2　臨床測量結果的相關性、ROC分析

分別采用DXA法和i-RA法所測得的骨密度值和T-值的結果顯示，見表3。參加兩家醫院臨床試驗的受試者的非優勢側前臂1/3部位處的橈骨具有類似的骨密度值和T-值特征。具體測得的骨密度值和T-值的結果分別見圖3、圖4。我們還對采用這兩種方法所獲得的骨密度值和T-值分別進行Pearson相關性計算，得出它們的相關系數分別是：r=0.984（基于BMD值），及r =0.979（基于T-值）。統計結果表明，對于人體非優勢側前臂1/3部位處的橈骨，這兩種方法所測得的骨密度值及其T-值都具有非常強的相關性。

表3　受試者的骨密度值和T-值測量的結果 (±s)

表3　受試者的骨密度值和T-值測量的結果 (±s)

浙江省人民醫院浙江邵逸夫醫院合計DXA法BMD值(g/cm2)0.774±0.1790.758±0.1840.767±0.181 DXA法T-值-1.4±1.6-1.5±1.7-1.4±1.6 i-RA法BMD值(g/cm2)0.732±0.2070.707±0.2220.721±0.214 i-RA法T-值-1.4±1.6-1.6±1.6-1.4±1.6

圖3　分別采用i-RA法與DXA法的所獲得的骨密度值具體測量結果

圖4　分別采用i-RA法與DXA法的所獲得的T-值具體測量結果

我們接下來采用ROC曲線分析方法來進一步評估i-RA測量法用于臨床診斷的有效性[11]，其中以GE Lunar Prodigy的DXA骨密度儀測得的測量結果作為金標準來定義受試者的陰陽性。對于i-RA測量法用于診斷骨質疏松的有效性分析，我們以T≤-2.5定義骨質疏松為陽性，T ＞-2.5定義骨質疏松為陰性，具體測量結果，見表4及圖5。結果顯示i-RA測量法的靈敏度為98.5%，同時特異度為98.2%，ROC曲線下的面積為0.998。類似地，我們也可以對i-RA測量法用于診斷骨質疏松或骨量減少的有效性來進行分析。

表4　對于228位受試者，分別采用i-RA法和DXA法所獲得的骨質疏松的陰陽性結果（例）

圖5　采用ROC曲線分析法，對i-RA法用于診斷骨質疏松癥有效性的統計分析

這時，我們以T＜-1.0定義骨質疏松或骨量減少為陽性，T≥-1.0定義骨質疏松或骨量減少為陰性，具體測量結果，見表5和圖6。結果顯示i-RA測量法的靈敏度為99.1%，同時特異度為96.5%，ROC曲線下的面積為0.999。這些統計分析的結果進一步表明，對于人體非優勢側前臂橈骨1/3部位處，采用i-RA骨密度測量方法和DXA測量儀測得的骨密度值具有極高的統計相關性，i-RA測量法可替代傳統的雙能X-射線吸收法DXA的骨密度儀，來對人體非優勢側前臂橈骨1/3部位處骨密度進行臨床檢測。

2.3　射線輻射安全

i-RA測量法是采用數字X-射線影像設備來拍攝并獲取前臂骨的圖像。由于前臂部位所接受的射線輻射劑量遠低于輻射的確定效應的臨界值，因此這里我們只分析、評估輻射的隨機效應[17-18]。例如，采用i-RA骨密度測量方法來對前臂骨部位進行拍片（拍片的曝光技術參數設置為：55 kVp、10 mAs、射線源到平板探測器表面的距離SID=108 cm），拍攝一次的平均前臂入射表面輻射劑量約為DT,R=200～250 μGy，所對應的輻射有效劑量為：

表5　對于228位受試者，分別采用i-RA法和DXA法，所獲得的骨密度值和T-值結果的統計分析

這里WR=1，為X-射線的輻射權重因數；WT≈0.005，為人體四肢的組織權重因數[17-18]。由于其輻射的有效劑量只是一次常規體檢X-射線胸片的輻射有效劑量的2%（常規X-射線胸片的平均輻射的有效劑量約為50 μSv），因此采用i-RA測量方法對前臂骨進行骨密度測量，在不考慮射線散射影響的假設條件下，被檢測者所接受到的輻射的有效劑量將是在常規影像檢測的允許劑量范圍內，他們的輻射安全能得到有效地保障。

圖6　采用ROC曲線分析法，對i-RA測量法用于診斷骨質疏松癥或骨量減少的有效性的統計分析

3　討論

臨床試驗結果顯示，i-RA測量法具有以下幾個主要特點：

（1） 對于人體非優勢側前臂橈骨1/3部位處的骨密度測量，i-RA法的測量精確度和準確度均優于傳統的DXA法。

（2） 采用i-RA法測量前臂橈骨骨密度，被檢測者所接受到輻射的有效劑量只是常規胸片所接受到的平均輻射的有效劑量的2%左右。

（3） i-RA法具有操作簡捷的特點，測量所需的時間從5～10 min減少到1～2 min。由于在選取、定位相關骨骼圖像區域的操作過程中采用了自動分割算法，少量的人工干預，使得人為操作誤差被降到了最低。同時由于優質的DR圖像的采集通常是采用一次瞬間的錐形束曝光的方式來完成的，而傳統的DXA骨密度儀則是采用一系列扇形或筆形線掃描曝光的方式來實現，因此i-RA測量法能有效地防止在采集圖像的過程中人體手臂本身的移動所產生的測量錯誤，從而提高了檢測的成功率和臨床檢測的效率。

（4） 由于醫院無需投資采購、維護測量骨密度所需的專業設備、專門的場地、配備專業的技師，而只需利用醫院已有的DR影像設備，配上本文所介紹的骨密度測量軟件系統，就可以完成精準的骨密度的臨床診斷服務，因此降低了檢測成本。

4　結論

通過對上述采用i-RA法與DXA法對人體非優勢側前臂橈骨1/3部位處所測得的骨密度值，以及所對應的T-值的一系列統計分析，我們得出結論，采用這兩種方法的所獲得的測量結果具有很強的統計相關性，對于人體前臂橈骨1/3部位處的骨密度的臨床測量和骨質疏松的評估，我們可用本文所介紹的i-RA測量法來替代傳統的DXA測量法。

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