快速千伏切換能譜CT與QCT測定羊椎體骨密度的相關性及一致性研究

陳民 張艷 袁慧書

北京大學第三醫院放射科，北京 100191

骨質疏松是中老年人常見疾病，以骨量下降和骨組織微觀結構的退變為特點[1]。目前，WHO推薦的骨質疏松診斷方法仍為雙能X線吸收法(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)測定的骨密度(bone mineral density，BMD)，美國放射學會也推薦定量CT(quantitative computed tomography，QCT)作為部分情況下(如嚴重退行性變、脊柱側彎等)骨密度測量的首選影像學診斷方法[2]。但DXA檢查需要特殊設備，且測量受到重疊因素的影響大，QCT測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可通過物質分離技術進行骨松質骨密度的測量，相較于QCT測量，該方法更簡便、更易推廣，近年來也逐漸受到關注。本研究旨在利用羊椎體標本評價快速千伏切換能譜CT物質分離技術測定的骨松質骨密度與QCT測定的骨密度的一致性，為能譜CT測定骨密度的進一步應用提供依據。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

從市場購買3副新鮮羊椎體，共23個椎體，帶少量椎旁軟組織。

1.2 檢查設備與掃描條件

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瞬時切換，固定管電流230 mAs，螺距0.516 mm，轉速0.8 s/r，探測器寬度40 mm，CTDIvol為14.06mGy。QCT掃描按標準QCT掃描條件進行，固定管電壓為120 kVp，管電流400 mAs，螺距0.984 mm，轉速0.5 s/r，探測器寬度40 mm，CTDIvol 為13.82mGy。掃描時將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掃描在同一天進行。

1.3 骨密度測量

圖1 QCT骨密度測量ROIFig.1 ROI of BMD measurements on QCT images

圖2 能譜掃描HAP(水)圖及測量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)進行QCT骨密度分析。分析區域為椎體中部骨松質，感興趣區(region of interest, ROI)為高度恒定(7 mm)的圓柱形區域，研究者在軸位圖像上手動繪制，并在冠狀位及矢狀位圖像上進行調整，注意避開椎體靜脈叢、骨島等區域，如圖1所示。利用GE AW4.6工作站GSI模塊中的物質分離方法進行能譜掃描圖像的骨密度測量，如圖2所示。選用HAP(水)基物質對羥基磷灰石(hydroxyapatite, HAP)關系，測量椎體骨松質的HAP含量(即骨密度[3])。能譜骨密度測量的ROI參照QCT測量的ROI進行繪制，并在連續十個軸位圖像上測量取平均值。兩次測量盡量保持感興趣區一致。1.4統計學處理

應用Pearson相關性檢驗分析兩種方法測量結果的相關性，應用配對樣本t檢驗分析兩種方法測量結果平均值是否有差異，并應用組內相關系數、Bland-Altman圖分析二者的一致性。所有統計學分析在SPSS 20.0統計學軟件上進行，P<0.05認為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩種方法骨密度測量結果及相關性

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

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

2.2 兩種方法骨密度測量結果的一致性評價

兩種方法測量骨密度的組內相關系數(interclass correlation coefficient, ICC)為0.974(P<0.001)，提示兩種測量測一致性好。

Bland-Altman法是評價兩種測量方法一致性的可靠方法[4]。由于兩種方法測量結果的差值與測量的平均值呈顯著正相關(r=0.747,P<0.001)，因此，對原始數據取對數后[4-5]，用Bland-Altman法對兩種方法的測量結果進行一致性分析。以每個椎體兩種方法測得的骨密度常用對數的平均值為橫坐標，以二者常用對數的差值為縱坐標，并以差值的均數±1.96倍差值的標準差(SD)為一致性界限，繪制Bland-Altman圖(圖3)。骨密度對數的差值均數為-0.0442，SD為0.03138，標準誤(SE)為0.00654，一致性區間(LoA)范圍為(-0.1057，0.0173)，LoA的95%置信區間為(-0.1289～0.0040)，通過反對數變換后，得到兩種方法骨密度測量LoA范圍為(-1.276～1.041)mg/cm3的置信區間為(-1.346～1.009)mg/cm3。如圖所示，兩種方法測得的骨密度對數的差值絕大部分位于一致性界限內，一致性界限的置信區間無臨床意義，提示二者測量一致性好。

圖3 快速千伏切換能譜掃描與QCT測量羊椎體骨密度對數變換后的一致性Bland-Altman圖(圖導出自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

骨質疏松是危害中老年人健康的常見疾病，其最嚴重的并發癥為骨折，極大影響老年人的生活質量。骨密度測量是骨質疏松診斷、骨折風險預測、治療效果評價的重要指標，因此，如何更準確便捷的進行骨密度測量是近年來的研究熱點。

能譜CT能將物質的X線吸收系數轉化為任意兩種基物質的吸收系數，并達到與該物質相同的衰減效應。因此，根據已知能量水平的某基物質吸收系數，就可評價出該基物質的密度及空間分布，從而實現物質組成成分的初步分析及物質分離[6]。因骨礦質的主要成分為HAP，因此，可以用HAP含量代表骨密度，并用HAP(水)作為基物質對進行骨HAP含量的測量。QCT在目前廣泛應用的在體骨密度測量方法中最為準確，因此，本研究將能譜CT測量的骨密度與QCT測量的骨密度進行比較。

本研究的測量結果中，能譜測得的骨密度值顯著低于QCT測得的相同骨松質區域的骨密度值，這與張進等[7]對羊骨標本的研究結果相反，即能譜測得的骨密度顯著高于QCT測得的骨密度值。這主要是因為本研究與張進等能譜分析使用的基物質對不同。本研究中采用GSI物質分離技術中HAP(水)這一基物質對進行骨密度的分析，而張進等的研究中采用Ca(水)作為基物質對，測得骨鈣含量后換算成HAP含量。筆者對本研究中能譜分析的骨松質區域的Ca(水)含量進行了記錄，并按照張進等的方法換算為HAP含量，得到的骨密度平均值為(338.2±122.6)mg/cm3，顯著高于QCT骨密度結果(t=-4.505，P<0.001)，與其研究結果一致。這也表明，通過Ca(水)基物質對換算得到的骨HAP含量與應用HAP(水)基物質對直接分析得到的HAP含量并不能相互替代。

本研究中能譜CT物質分離技術測得的骨密度值低于QCT相應區域的測量結果，這與Mei等[8]、Hofmann等[9]的測量結果一致。QCT骨密度的在體測量受到椎體脂肪含量的影響[10]。而能譜物質分離技術以HAP(水)為基物質進行骨密度的測量，但實際椎體成分較為復雜，不僅包括HAP、水，也包括脂肪、膠原基質等其他物質，能譜物質分離測定的HAP含量也受到椎體內其他物質的影響。因此，QCT與能譜CT測得的骨密度值均不是完全真實的骨密度值。張進等[7]將QCT骨密度測量結果、能譜骨密度測量結果分別與骨煅燒后的灰重密度進行比較，認為能譜CT測量的骨密度值更接近真實骨密度。二者對于骨質疏松診斷、骨折風險預測的價值仍需要進一步的對比研究。

能譜CT物質分離方法(HAP-水)測得的骨松質骨密度與QCT測得的骨密度呈高度線性相關，且兩種測量的組內相關系數高，與Mei等[8]的研究結果一致，表明快速千伏切換能譜物質分離方法測定的骨松質骨密度能夠進行骨密度的評價。但能譜CT測得的骨密度值與QCT測得的骨密度值不完全相同，表明QCT對骨質疏松的診斷標準不能直接應用于能譜CT測量的骨密度值，還需要在體、更大數量的研究。

本研究具有一定的局限性。第一，QCT測得的骨密度并非骨密度的真實值，因此，本研究不能判斷能譜CT測得的骨密度是否與骨密度的真實含量一致。第二，QCT測量與能譜CT測量的ROI均為手動放置，雖為同一研究者放置且盡量保持一致，但ROI并非絕對一致，這對兩種方法測量結果的一致性也會產生一定的影響。第三，羊骨標本的平均骨密度值明顯高于人椎體的骨密度值，因此，對羊骨標本應用兩種方法測量分析的結果與對人椎體進行測量分析的結果不一定完全一致，但仍需人椎體標本或在體研究進一步證實。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，降低能譜掃描測定骨密度的輻射劑量也是未來的研究方向之一。

4 小結

綜上所述，本研究通過對羊椎體標本進行能譜CT及QCT掃描，并分別測量同一部位骨松質的骨密度，發現快速千伏切換能譜CT物質分離技術測定的羊椎體骨密度與QCT測定的骨密度的一致性及相關性好，有望用于臨床患者骨密度的評價及隨訪。