非同步校準QCT測量腰椎骨密度的長期體內可重復性評估

楊潔 溫磊 張玉巧 程曉光 王玲 高波 宋玲玲 冉利梅 黃曌殊 朱霞 焦俊 杜霞*

1.貴州醫科大學附屬醫院影像科，貴州 貴陽 550004 2.貴州醫科大學，貴州 貴陽 550025 3.北京積水潭醫院放射科，北京 100035 4.貴州醫科大學附屬醫院婦科，貴州 貴陽 550004

骨質疏松癥是一種常見疾病，以骨密度(bone mineral density，BMD)減低和骨組織微結構退化為特征，隨之帶來高骨折風險、高發病率、高死亡率和巨大的醫療經濟負擔，威害人民健康[1-2]。骨質疏松癥的早期診斷主要依賴BMD檢查，其中，定量計算機斷層掃描(quantitative computed tomography，QCT)能分別測量皮質骨和小梁骨，不受測量部位退行性改變、椎體畸形、周圍軟組織鈣化的影響，具有明顯優勢[3]。非同步校準QCT(asynchronous calibration QCT)是基于傳統QCT新開發的一種BMD測量工具，其也利用了同步QCT所用的體模標準質量保證(quality assurance，QA)掃描。因其校準方程從QA掃描中獲得，故不需要在患者進行CT掃描的同時掃描體模，對常規腹部和(或)肺部CT掃描的圖像也能進行BMD評估，使BMD檢查實現機會性篩查，減少不必要的電離輻射，也有助于識別有骨折風險的患者，在我國應用前景廣闊[4-6]。精密度是指診斷技術的可重復性或再現性，臨床上，對BMD連續變化的監測是決策骨質疏松病人治療時機及療效評估的主要指標，確定其實際精密度至關重要[7-8]。目前，針對QCT短期精密度誤差( precision error，PE)的研究在國內外已有較多報道，大部分研究[9-11]結果顯示，QCT測量BMD的短期精密度誤差值較小，可重復性好。然而，與其他醫學參數相比，BMD隨時間的可量化變化很小，臨床隨訪監測間隔時間較長，BMD測量系統必須在長時間間隔內保持穩定，其結果才更適合反映臨床實踐中的真實情況[9,12]。然而國內外針對QCT長期體內可重復性及其長期隨訪價值的研究較少，故本研究旨在通過比較526名患者在大約1年的時間間隔內進行兩次非同步校準QCT檢查的腰椎BMD值，以評估非同步校準QCT測量腰椎BMD的長期體內可重復性，并探討其臨床意義。

1 材料與方法

1.1 樣本資料

共有526名來自貴州醫科大學附屬醫院體檢中心的健康體檢者(其中女性225名，男性301名)納入本研究，年齡29～59歲，平均年齡(50.6±5.4)歲。從2018年6月至2019年12月約1年的時間內，所有受試者均自愿接受了2次腰椎QCT骨密度檢查，并簽署知情同意書，僅對受試者的CT圖像數據進行分析。納入標準：①年齡小于60歲的成年人；②在同一臺CT機上接受了2次非同步校準QCT骨密度檢查，時間間隔≥1年。排除標準：①暴力創傷或骨質疏松所致椎體骨折者；②患有可能影響BMD及代謝的慢性疾病者；③服用過可能影響BMD及代謝的藥物或激素者；④有內固定手術史者。根據國際臨床骨密度學會(International Society for Clinical Densitometry，ISCD)及美國放射學會(American College of Radiology，ACR)QCT骨質疏松診斷標準[13]，按BMD絕對值>120 mg/cm3、80～120 mg/cm3、< 80 mg/cm3將受試者分為3組，即骨量正常組、低骨量組、骨質疏松組，兩次測量BMD值分組不一致時按其平均值分組。

1.2 方法

1.2.1掃描方法及設備：采用日本日立32排Supria螺旋CT掃描儀，在掃描床中心位置放置美國Mindways公司的QCT Model 4非同步校準體模，開機掃描前使用校準體模在掃描儀定位線引導下調整QCT體模位置并由此確定床高，掃描體模為參照；因非同步QCT掃描與胸部CT掃描同時進行，故掃描條件遵守胸部CT掃描協議。被檢查者除去所有金屬異物及高密度物體，仰臥于掃描床正中間、雙手抬高放置于額頭，掃描參數及模式一致，掃描范圍為肺尖至第三腰椎(L3)上緣，采取吸氣末單次屏氣掃描。掃描參數：管電壓120 kV，mAs自動，像素0.78 mm2，FOV400 mm，螺距0.8 mm，矩陣512×512。掃描后將原始數據采用B30 medium smooth軟組織算法進行重建，將層厚1.25 mm、層間隔1.25 mm的重建圖像Dicom格式傳輸至QCT Pro后處理工作站(Mindways Software Inc., Austin, TX, USA) 進行腰椎BMD測量，所有患者的2次BMD測量均由同1名接受培訓后的影像科住院醫師完成。

1.2.2設備質控：每周在QCT Pro后處理工作站進行相應測量前均用QA進行常規校準，系統運轉質量控制操作后再進行BMD測量。CT掃描設備由技術人員按照CT機操作手冊按周期進行常規質量控制，2次掃描間隔期間未更換CT掃描儀或任何硬件設備，CT機未進行大檢修。

1.2.3BMD測定方法：將掃描結果傳送至QCT Pro后處理工作站，應用QCT PRO Version 6.1 軟件中“New 3 D Spine Exam Analysis”工具進行BMD測量，根據軟件自動程序分別對腰1、腰2(L1、L2)椎體中央松質骨區域進行測量，將黃色十字鍵分別于橫軸位、矢狀位、冠狀位放置于椎體中央(圖1)，感興趣區(region of interest，ROI)由軟件自動勾畫，必要時，測量者可根據受試者椎體形態手動進行適當調整，將ROI盡可能放置于椎體中間層面，避開骨皮質、椎后靜脈叢、骨島等(圖2)。各椎體BMD值均由軟件自動算出(單位mg/cm3)，并取L1、L2椎體平均值作為BMD參考值。

圖1 QCT后處理軟件QCT Pro對 L1椎體進行BMD測量示意圖(黃色十字鍵放置于椎體中央)Fig.1 The QCT post-processing software QCT Pro measures the bone density of the L1 vertebral body(The yellow cross key is placed in the center of the vertebral body)注：A：橫軸位；B：矢狀位；C：冠狀位。

圖2 QCT后處理軟件QCT Pro對 L1椎體進行BMD測量示意圖(紅圈為ROI)Fig.2 The QCT post-processing software QCT Pro measures the bone density of the L1 vertebral body注：A：橫軸位；B：矢狀位。

1.3 評價指標

根據公式1、2分別計算每位受試者的標準差(SD)、變異系數(CV)；總體PE用標準差的均方根(RMS-SD)和變異系數的均方根(RMS-% CV)表示(公式3、4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中Z’為預計達到的可信度水平，PE為精密度誤差，n1為初診測量次數，n2為隨訪測量次數[12,14]。

1.4 統計學方法

采用SPSS 25.0統計軟件進行數據分析及圖表制作。采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗分析計量資料的正態性，計量資料用平均值±標準差表示，組間比較采用Kruskal-Wallis檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 研究對象基本情況及腰椎BMD年變化率

研究對象基本情況見表1。將研究對象以5歲為一個年齡段分組后對BMD值隨增齡的變化進行計算，BMD峰值出現在40～44歲、29～39歲組時，腰椎BMD每年增加約0.15 %，40歲以后平均每年下降約1.44 %(表2)。

表1 研究對象基本情況及BMD值Table.1 The basic situation and BMD value of the study

表2 腰椎每年BMD變化Table.2 BMD changes of lumbar spine every year

2.2 非同步校準QCT測量腰椎BMD精密度誤差分析

使用非同步校準QCT測量腰椎BMD的PE結果見表3，因骨質疏松組樣本量較少(n=15)，不能滿足PE分析中最小自由度30[14]，故不對骨質疏松組PE進行分析。因本次精密度分析間隔時間較長，而人體BMD值隨增齡有所變化，故整體PE結果經年變化率對BMD值進行校正后計算，RMS-% CV=2.57 %，RMS-SD=3.14 mg/cm3。低骨量組PE值較骨量正常組高，整體PE值介于兩者之間(圖3)。組間比較結果顯示，不同組間變異系數差異有統計學意義，而不同組間標準差差異無統計學意義(表4)。

圖3 不同組別及總體的標準差均方根(RMS-SD)及變異系數均方根(RMS-%CV)Fig.3 The standard deviation root mean square (RMS-SD) and root mean square coefficient of variation (RMS-%CV) in different groups

表3 非同步校準QCT測量腰椎BMD精密度誤差分析Table.3 Precision errors of lumbar spine measured by asynchronous calibration

表4 不同組間標準差和變異系數的比較Table.4 Comparison of standard deviation and coefficient of variation in different

3 討論

本研究采用526例健康體檢者的2次腰椎BMD測量值分析了非同步QCT測量腰椎BMD在較長時間間隔內(約1年)的精密度誤差，初步評價了非同步QCT測量腰椎BMD的長期穩定性，可以為臨床醫師提供監測疾病進程及評估療效的重要參考依據。

精密度是指以相同的方式重復進行試驗時，在沒有實際生物發生變化的情況下再現相同數值結果的能力。與其他醫學參數相仿，BMD隨增齡有所變化，25歲以后，腰椎松質骨BMD每年減少1%～2%[8]，本研究結果與之一致。因本次研究時間間隔較長，對研究結果經年變化率進行校正，可排除BMD隨增齡變化量對PE的影響。隨后對BMD測量工具進行長期體內可重復性評估，可初步評價其長時間間隔的隨訪價值。

本研究結果(RMS-% CV=2.57%)與既往針對非同步QCT短期精密度的研究結果(RMS-% CV<3%)一致[4,15-16]，表明非同步QCT測量腰椎BMD在較長的時間間隔內(約1年)具有良好的可重復性。本研究結果顯示在BMD≥ 80 mg/cm3時，隨著BMD值增高，RMS-% CV呈降低趨勢，且組間CV差異有統計學意義，提示低骨量人群BMD測量值變異度更大，因此在評價LSC時，BMD較低的椎體會有更顯著的變化，與大部分研究結果一致[9,17-18]；然而與部分結論相反[9,18]，本研究結果顯示在BMD≥ 80 mg/cm3時，RMS-SD隨著BMD值的增高而降低，但組間SD差異無統計學意義，提示SD值可能在較大的BMD值范圍內相對穩定，用RMS-SD評價LSC時不同骨量的椎體間變異度差異可能并不顯著。

對于傳統QCT短期PE，本研究結果與大部分針對體內短期PE的研究結果(RMS-% CV為1.8%～4.0%)一致[10,19-20]，較使用歐洲腰椎體模的短期精密度實驗結果(大部分RMS-% CV<1%)高[9,17,21]，其原因可能包括本次研究基于人體，而25歲后椎體BMD會緩慢降低[8]；將本次PE值與基于歐洲腰椎體模得出的結果比較時，部分掃描參數如X射線管電壓和電流、螺距、機架轉速、探測器配置、床高及重建算法等不一致，造成PE結果出現差異。據Michael Bligh等[21]報道，當不對掃描參數進行控制時，包括探測器配置不同、患者重新定位、掃描床高度及速度的變化、X射線管電流和轉數的變化、重建算法的不同等都會引起PE的變異。ISCD指出，QCT測量脊柱松質骨的PE值范圍為1.3%～2.4%[8]。本研究結果誤差稍大的原因可能包括在一年的間隔時間內，局部溫濕度對儀器的影響、探測器的漂移、設備機械損耗等因素。既往研究[21]報道，在X線管溫度較低時測得的CV值幾乎是在較高溫度時測量的3倍。

LSC指發生真正生物學改變的最小BMD變化量，臨床醫師可以通過LSC值判斷初診BMD值與隨訪BMD值之間差異是否具有臨床生物學意義，從而判斷患者的治療成效[11]。本研究以RMS-SD=3.14 mg/cm3計算得到的LSC-SD=8.70 mg/cm3，提示只有當BMD變化量超過(增加或減少)8.70 mg/cm3時，其變化才具有意義，據此可評估治療療效。

當然，本研究也存在一定的不足之處。納入樣本范圍為60歲以下成年人，處于骨質疏松組的樣本量較少(n=15),僅占本次所有樣本量的2.9 %。且較多既往研究[22-23]指出，骨質疏松病人的BMD年變化率較低骨量及正常骨量者高，骨量低的人群較骨量高的人群精密度誤差大，故本研究結果可能會在一定程度被低估，在未來研究中可增加骨質疏松組樣本量進行總體評價。

綜上所述，本研究觀察的非同步校準QCT測量腰椎骨密度的長期體內可重復性好，精密度高，可用于臨床隨訪觀察；低骨量人群骨密度變異度較骨量正常的人群高，骨密度較高的人群具有更好的可重復性。