能譜CT基物質成像技術測定骨密度及評估骨質狀態的可行性

趙明月，劉義軍，魏 巍，李貝貝，王 旭，范 勇，王詩耕，童小雨

(大連醫科大學附屬第一醫院放射科，遼寧 大連 116011)

骨密度(bone mineral density, BMD)是反映骨骼強度的重要指標[1-2]。目前雙能X線骨密度儀(dual X-ray absorptiometry, DXA)、定量CT(quantitative CT, QCT)和能譜CT等是測量BMD的主要手段[3]，前二者是常用且具備具體標準的技術。根據物質分離理論，利用能譜CT基物質成像技術可測量腰椎BMD[4]。本研究針對能譜CT腹部成像，以羥基磷灰石(hydroxyapatite, HAP)和碘(Iodine)基物質對密度值反映腰椎BMD，同時與QCT所測BMD進行對比，觀察能譜CT基物質成像技術測量BMD及評估骨質狀態的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 前瞻性納入2021年1月—2022年2月255例于大連醫科大學附屬第一醫院接受全腹部CT平掃及增強掃描患者，男161例，女94例，年齡25～86歲，平均(59.1±13.1)歲；其中6例<30歲(A組)，53例30～49歲(B組)，148例50～69歲(C組)，48例≥70歲(D組)。排除標準：①碘對比劑過敏或出現嚴重不良反應，無法配合完成檢查；②腰椎外傷史及手術史；③腰椎明顯增生、嚴重退行性變及畸形等；④影響BMD的疾病如風濕類疾病、內分泌疾病、長期使用激素或椎體腫瘤病變等。本研究經院倫理委員會批準，檢查前患者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Revolution CT掃描儀行全腹掃描，范圍自膈肌上緣至恥骨聯合下緣。平掃采用QCT掃描條件，管電壓120 kVp，3D自動mA，探測器寬度80 mm，轉速0.6 rot/s，層厚5 mm，螺距0.992，SFOV 50 cm；增強掃描采用寶石能譜成像(gemstone spectral imaging, GSI)模式，管電壓80～140 kVp瞬切，管電流400 mA，探測器寬度80 mm，轉速0.6 s/rot，螺距0.992，SFOV 50 cm，層厚5 mm。以Ulrich雙通道高壓注射器經右肘正中靜脈以4.0 m/s流率注射85 ml對比劑碘佛醇(320 mgI/ml)、以相同流率跟注20 ml生理鹽水后行三期增強掃描。

1.3 測量BMD

1.3.1 QCT 采用Mindways Model 4 QCT Pro V6.1骨密度分析系統。以標準算法重建平掃CT圖像，層厚1.25 mm、DFOV 50 cm，選取L1～L3椎體中間層面較均勻且無異常密度的骨松質作為測量區域，于軸位圖像中避開骨島及椎體后靜脈叢等區域自動生成高9 mm ROI，并適當調整，使其范圍小于骨皮質邊緣并包含盡可能多的骨松質[5-6](圖1)，之后計算機處理分析得出各腰椎椎體QCT BMD值(單位：mg/cm3)。根據QCT BMD將椎體分為骨質疏松(BMD<80 mg/cm3)、骨量減少(80 mg/cm3≤BMD≤120 mg/cm3)及骨量正常組(BMD>120 mg/cm3)[7]。

圖1 QCT測量L1～L3椎體中間層面骨松質BMD A～C.分別對應L1～L3椎體軸位(上圖)及矢狀位(下圖)平掃CT圖

1.3.2 能譜CT 重建層厚1.25 mm單能量圖像并傳至AW4.7工作站，在70 keV條件下重組三期增強HAP(Iodine)基物質對圖像。于各期L1～L3椎體中間層面密度較均勻且無異常的骨松質區域避開椎體靜脈叢和骨島等結構放置約100 mm2的ROI，使其與椎體邊緣距離>5 mm[8](圖2)，測量各椎體中間區域上下連續3個層面的HAP(Iodine)密度值，計算每一椎體三期測值的平均值(單位：2mg/cm3)。

圖2 L3椎體動脈期(A)、靜脈期(B)、延遲期(C)能譜CT HAP(Iodine)基物質對圖像 (黃色區域為椎體骨松質ROI)

1.4 統計學分析 采用SPSS 24.0統計分析軟件。以±s表示計量資料。對HAP(Iodine)密度值與QCT BMD值行Spearman相關性檢驗。采用單因素方差分析比較骨質疏松組、骨量減少組及骨量正常組椎體HAP(Iodine)密度值，并以LSD法行兩兩比較。繪制受試者工作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲線，分析椎體HAP(Iodine)密度值評估骨質狀態的效能。以單因素方差分析對比各年齡組間L3椎體的HAP(Iodine)密度值，建立HAP(Iodine)密度值與年齡的擬合曲線，并進行相關性分析。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

共765個腰椎納入研究；總體QCT BMD值為(116.81±42.41)mg/cm3，HAP(Iodine)密度值為(693.16±18.76)2mg/cm3，二者呈正相關(r=0.96，P<0.05，圖3)。

圖3 L1～L3椎體 (共765個腰椎)HAP(Iodine)密度值與QCT BMD的相關性散點圖

根據QCT診斷標準，162個腰椎骨質疏松、285個骨量減少、318個骨量正常，對應椎體HAP(Iodine)密度值分別為(669.84±6.58)、(686.57±6.69)及(710.95±12.33)2mg/cm3，總體(H=624.88，P<0.05)及兩兩比較差異均有統計學意義(P均<0.05)。

以695.92 2mg/cm3為HAP(Iodine)密度值截斷值鑒別骨量正常與骨量異常(骨質疏松+骨量減少)的敏感度為92.77%，特異度為95.97%，曲線下面積(area under the curve，AUC)為0.987[95%CI(0.982,0.993)](圖4A)；以677.34 2mg/cm3為HAP(Iodine)密度值的截斷值判斷骨質疏松與骨量減少的敏感度為92.63%，特異度為89.51%，AUC為0.963[95%CI(0.947,0.979)](圖4B)。

圖4 以L1～L3椎體HAP (Iodine)密度值判斷骨量正常與骨量異常(A)、骨量減少與骨質疏松(B)的ROC曲線

各年齡組L3椎體QCT BMD值及HAP(Iodine)密度值總體比較及兩兩比較差異均有統計學意義(P均<0.05)，見表1。

表1 各年齡組L3椎體HAP(Iodine)密度值及QCT BMD值比較(±s)

表1 各年齡組L3椎體HAP(Iodine)密度值及QCT BMD值比較(±s)

組別HAP(Iodine)密度值(2mg/cm3)QCT BMD(mg/cm3)A組(<30歲,n=6)718.80±18.45184.11±38.62B組(30～49歲,n=53)709.90±12.37159.67±27.73C組(50～69歲,n=148)683.75±13.6897.55±30.08D組(≥70歲,n=48)676.93±10.9083.31±25.59F值71.9781.90P值<0.05<0.05

A組L3椎體HAP(Iodine)密度值與年齡未見線性相關(P>0.05)，而B、C、D組HAP(Iodine)密度值與年齡均呈負相關(r=-0.467、-0.506、-0.426，P均<0.05，圖5)。≥30歲者L3椎體HAP(Iodine)密度值=-1.509×年齡+751.642(2mg/cm3)，與年齡呈負相關(r=-0.733，P<0.05，圖6)。

圖5 30～49歲(A)、50～69歲(B)、≥70歲(C)患者L3椎體HAP(Iodine)密度值與年齡的相關性散點圖

圖6 ≥30歲患者L3椎體HAP(Iodine)密度值與年齡的相關性散點圖

3 討論

能譜CT物質分離技術可通過按一定比例配對兩種基物質來表示任意物質[9]；選擇基物質對時，應盡可能與被測物質成分類似[10]，以相對定量表達組織相關指標[11]。利用能譜CT能排除骨皮質等影響，所測數值接近真實值，可作為評估三維體積BMD的替代方法[12-13]。

本研究針對接受全腹CT平掃及增強掃描患者，將QCT檢查與臨床常規CT檢查相結合，平掃采集圖像既可滿足影像學診斷需要，又可進行BMD測量分析[14]；以GSI模式行增強掃描，其所測HAP(Iodine)密度值等同于平掃測得的HAP(Iodine)密度值[13]，進而比較能譜CT BMD與HAP(Iodine)密度值(QCT BMD)，觀察能譜CT增強掃描評估BMD的價值。本研究結果顯示，HAP(Iodine)密度值與QCT BMD值呈線性相關，與ROSKI等[15]的結果相符。以QCT BMD診斷標準對L1～L3椎體進行分組，3種不同骨質狀態組間椎體HAP(Iodine)密度值差異具有統計學意義；BMD值越小則骨質內HAP含量越少、HAP(Iodine)密度值越低。目前對于能譜CT用于診斷骨質疏松、骨量減少的截斷值和標準尚無共識。本研究ROC曲線結果顯示，以695.92 2mg/cm3為HAP(Iodine)密度值的截斷值判斷骨量正常與骨量異常(骨質疏松+骨量減少)的敏感度為92.77%、特異度為95.97%，AUC為0.987；而以677.34 2mg/cm3診斷骨質疏松與骨量減少的敏感度為92.63%、特異度為89.51%，AUC為0.963。

L3是腰椎的中央部位，反映腰椎乃至全身骨量，用于評估骨質狀態較為敏感[16]。本研究利用L3椎體HAP(Iodine)密度值分析BMD與年齡之間的相關性，除患者年齡均小于30歲的A組外，B、C、D組HAP(Iodine)密度值與年齡均呈負相關；可能A組例數較少，導致線性相關分布趨勢不明顯；≥30歲者L3椎體HAP(Iodine)密度值與年齡的擬合曲線如下：HAP(Iodine)密度值=-1.509×年齡+751.642(2mg/cm3)。根據上述方程可推算得出相應年齡段的HAP(Iodine)密度值，再根據截斷值預測骨質狀態，為評估BMD提供了新方法。

本研究的局限性：①骨松質組成成分復雜，以骨松質HAP(Iodine)密度值代表BMD可能存在一定誤差；②年輕患者數量較少，且未按性別進行分組，有待后續進一步完善。

綜上，能譜CT基物質成像技術可用于測量BMD及評估骨質狀態。