胸腹部平掃CT值用于機會性篩查骨質疏松的可行性

王旭,劉磊,劉義軍,童小雨 ,范勇,王詩耕

骨質疏松癥的是一種常見的進行性疾病[1],通過篩查早期發現和治療有助于預防骨質疏松相關疾病,因此骨密度評估變得越來越重要[2]。診斷骨疏松最主要的指標為骨礦物質密度(bone mineral density,BMD)[3],其含量的降低與骨質疏松直接相關。BMD的測量方法主要有雙能 X 線吸收法(dual-energy X-ray absorptiometry,DXA)和定量 CT(quantitative CT,QCT)。DXA結果受椎體及椎小關節骨質增生、韌帶鈣化的影響較大,易導致假陰性結果[4]。QCT對骨松質的細微變化具有高度敏感性,準確率高,但需要特定體模及配套的后處理軟件才能實現[5],與 DXA檢查相比,輻射劑量也相對較高,在一定程度上限制了該技術的應用。

隨著CT檢查的廣泛應用,機會性使用已有的成像數據受到了許多關注。常規胸腹CT掃描在疾病的診斷和治療中有著廣泛的應用,其掃描圖像均包含椎體,承載著有價值的骨質量信息[6]。本研究基于QCT探討胸部120 kVp平掃和腹部能譜成像(gemstone spectral imaging,GSI)平掃所獲得的椎體CT值在機會性篩查骨質疏松的應用價值。

材料與方法

1.一般資料

前瞻性收集2022年3月-2022年7月于本院接受胸腹部平掃的患者463例。納入標準:配合完成胸腹部平掃檢查者,且胸部為常規120 kVp、腹部為GSI平掃。排除標準:①椎體外傷史、手術史,體內有金屬植入物(n=11);②椎體明顯增生、嚴重退行性變、脊椎腫瘤及畸形等(n=12);③患有骨質代謝疾病(甲狀旁腺功能亢進、1型糖尿病等)及長期使用皮質激素等藥物(n=9)。最后共納入431例患者,男234例,女197例,年齡22～90歲,平均(53.2±16.1)歲。本研究經醫院倫理委員會批準,患者均簽署知情同意書。

2.儀器與方法

采用GE Revolution CT掃描儀對患者完成胸部和腹部平掃檢查。患者仰臥位,頭先進,雙手上舉過頭頂,于吸氣末屏氣進行掃描,胸部采用常規kVp掃描模式,腹部采用能譜GSI掃描模式。胸部掃描參數:管電壓120 kVp,3D智能mA(100～600 mA),掃描范圍為肺尖至肋膈角下緣水平。腹部掃描參數:管電壓80～140 kVp瞬切,采用GSI assist調制mA,掃描范圍為膈肌上到肝下緣或恥骨聯合水平。其余掃描參數相同:胸腹部噪聲指數(noise index,NI)均設置為11,ASIR-V 40%,探測器寬度80 mm,轉速0.6 s/r,螺距0.992:1,矩陣512×512,掃描層厚5 mm。所有圖像均采用標準算法stnd、1.25 mm層厚重建;腹部重建70 keV單能量圖像,重建圖像均傳送至AW4.7工作站用于椎體CT值測量。胸部重建圖像同時傳至QCT工作站(Model 4 QCT Pro V6.1,Mindways)用于測量椎體BMD。

圖1 QCT測量椎體BMD的VOI選取示意圖。a)T11;b)T12;c)L1。從上到下分別為對應椎體橫軸面、矢狀面、冠狀面圖像。

3.數據測量

每日患者檢查前按照質控標準對Mindways非同步QCT系統(Model4校準體模)進行校準。由兩名觀察者選取T11～L1椎體中間層面較均勻、無異常密度的骨松質作為測量區域進行BMD測量,軟件自動生成感興趣容積(volume of interest,VOI)區,在橫軸面上進行適當調整,橫截面積≥100 mm2,各VOI設定高度為9 mm,范圍應小于骨皮質邊緣,避開骨島及椎體后靜脈叢等區域,包含盡可能多的骨松質(圖1),按照步驟經計算機處理分析得出BMD。記錄各椎體BMD值(單位:mg/cm3)。

在矢狀面多平面重組圖像上選擇單椎體正中最大層面及相鄰上下層面,在三個層面對應橫軸面放置ROI(圖2),面積為(200±30) mm2,ROI盡可能多的包含椎體骨松質而不包括皮質骨、椎體靜脈叢、骨島、局灶性異常病變及偽影。取三個層面測量的平均值,作為單椎體的CT值。胸腹兩次掃描的T11～L1椎體使用AW4.7工作站compare功能實現同步測量,保證同一椎體測量層面的一致性。每一椎體的120 kVp-CT值和GSI-CT值均由兩名觀察者重復測量兩次。

4.統計學分析

采用SPSS 24.0和MedCalc 18.1統計分析軟件。組內相關系數(intra-class correlation coefficient,ICC)評估觀察者間數據測量的一致性,Kolmogorov-Smirnov檢驗行正態性分析,不符合正態分布的計量資料采用中位數(四分位間距)表示。以椎體作為研究對象,Spearman相關性檢驗用于分析椎體BMD值與CT值之間的相關性。不同椎體間CT值差異采用Friedman秩和檢驗,同椎體120 kVp和GSI下CT值采用Wilcoxon秩和檢驗。按照QCT診斷標準[7],先將單椎體分為骨質疏松、骨量減少和骨量正常組(BMD>120 mg/cm3為骨量正常,80 mg/cm3≤BMD≤120 mg/cm3為骨量減少,BMD<80 mg/cm3為骨質疏松),采用Kruskal-Wallis比較三組間及組內CT值差異,組內常規120 kVp和能譜GSI椎體CT值比較采用Wilcoxon秩和檢驗。以T11～L1椎體BMD均值行患者骨質狀態判斷,采用受試者操作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲線,依據Youden指數確定120 kVp-CT值和GSI-CT值判斷骨量減低、骨質疏松的最佳截斷值,求出相應的特異度和敏感度,DeLong檢驗比較其曲線下面積(area under curve,AUC)。以P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

1.觀察者間數據測量一致性

兩位觀察者測量的各椎體BMD、CT值一致性均良好(ICC:0.982～0.997,P<0.001)(表1)。

表1 觀察者數據測量一致性檢驗

2.BMD值與CT值的相關性

圖2 椎體CT值測量示意圖。a～c)矢狀面 ROI放置的三個層面;d～f)橫軸面圖像ROI勾畫。

BMD值與120 kVp-CT值和GSI-CT值均呈線性相關(r=0.976、0.963,P<0.001),120 kVp-CT值相關系數高于GSI-CT值(圖3)。

3.不同椎體間CT值比較

120 kVp和GSI下T11～L1不同椎體間CT值差異均有統計學意義(P<0.001),且均呈逐漸降低趨勢(表2)。同椎體GSI-CT值均高于kVp-CT值,差異有統計學意義(P<0.001,表2)。

表2 不同椎體間CT值比較

4.不同骨質狀態組組間及組內CT值比較

431例患者共1293個椎體,骨量正常組椎體496個、骨量減少組椎體415個、骨質疏松組椎體382個。120 kVp和GSI下椎體骨量正常組、骨量減少組和骨質疏松組CT值逐漸降低,不同骨質狀態組間椎體CT值差異有統計學意義(P<0.05),且骨量正常、骨量減少及骨質疏松組兩兩比較,CT值差異均有統計學意義(P<0.05)。各組組內椎體GSI-CT值均高于椎體120 kVp-CT值,差異有統計學意義(P<0.05,表3)。

表3 三組椎體CT值比較

5.CT值對骨質狀況判定的診斷效能

以T11～L1椎體BMD均值作為患者骨質狀態判斷標準,CT值診斷骨量減少、骨質疏松的的ROC曲線見圖4。診斷骨量減少與骨量正常的120 kVp-CT值最佳截斷值為145.3 HU,敏感度和特異度分別為92.82%、94.24%,AUC為0.976;GSI-CT值最佳截斷值為164.43 HU,敏感度和特異度分別為95.68%、88.48%,AUC為0.967。診斷骨質疏松與骨量正常120 kVp-CT值最佳截斷值116.27 HU,敏感度和特異度分別為100.00%、100.00%,AUC為1.000;GSI-CT值最佳截斷值為125.63 HU,敏感度和特異度分別為100.00%、100.00%,AUC為1.000。120 kVp-CT值、GSI-CT值診斷骨量減低與骨質疏松的AUC差異均無統計學意義(P=0.0937、1.000)。

討 論

CT值作為CT影像常用的定量指標,在目標區域勾畫ROI即可獲得該組織的CT值,簡單易得。骨組織密度越大,CT值越高,骨折的可能性越低,因此CT值有望成為一種新的骨質狀況判定工具[8],并且利用臨床常規CT胸部和腹部掃描圖像就可獲得椎體CT值信息,不會增加患者額外的輻射劑量和檢查費用,可用于機會性篩查骨質疏松。

目前推薦在L1和L2處進行椎體骨密度的測量用于反應患者的骨質狀態,但胸部CT聯合QCT在篩查肺癌的同時篩查骨質疏松一站式檢查逐漸得到應用推廣[9]。藤劍等[10]研究表明測量下段胸椎BMD診斷骨質疏松的敏感度和特異度高,診斷效能佳。本研究中,測量分析了T11～L1椎體,在胸部和腹部CT檢查中以上椎體均包括在內,而且胸腰段椎體是骨質疏松癥并發壓縮性骨折的常見部位[11],對高危人群進行T11～L1椎體CT值測量具有重要意義。同時Zhang等[12]研究表明在矢狀面、冠狀面和橫軸面上的CT測量值之間無顯著差異,本研究考慮到橫軸面為觀察胸腹部病變的常用方位,采用橫軸面進行CT值測量。

能譜CT為臨床診斷提供更加豐富的影像和數據信息,使得CT由形態學成像發展到定量及功能成像階段,臨床應用越來越廣泛[13]。能譜數據無法用于QCT BMD測量,先前研究多采用物質分離技術,選擇合適的基物質對來反應骨質狀態[5],GSI掃描模式下CT值評估椎體骨質狀態的研究較少。本研究利用了腹部能譜掃描的圖像,測得T11～L1椎體的GSI-CT值,并與常規胸部120 kVp掃描下椎體CT值進行了比較。能譜可提供40～140 keV的101種單能量圖像,本研究中采用的能級為70 keV,此能級能量點與120 kVp相對應,并且圖像質量更佳[14]。

為了更準確地說明BMD與CT值的關系,本研究先以單個椎體為研究對象,研究結果顯示BMD值與120 kVp-CT值和GSI-CT值均呈線性相關,但120 kVp-CT值相關系數高于GSI-CT值,是因為BMD測量的過程中CT值參與了轉化,此CT值是基于120 kVp條件獲得的。Wang等[15]分析了T10～L3椎體CT值與QCT BMD的相關性,結果顯示各椎體與BMD值相關性顯著,r值均>0.900,本研究結果與之相符。同時,本研究發現120 kVp和GSI下T11～L1不同椎體間CT值均呈逐漸降低趨勢,與以往報道的胸腰椎骨密度變化趨勢一致[11]。Li等[16]的研究中,骨量正常組、骨量減少組和骨質疏松組的椎體CT值差異具有統計學意義,本研究與其結果類似。本研究還發現不同骨質狀態下,椎體GSI-CT值均高于120 kVp-CT值,對于不同的骨質狀態,CT值升高幅度不一,骨質正常組、骨量減少組和骨質疏松組分別增加了10.00%、8.93%、6.32%,骨密度越高,增加幅度越大,這是因為CT值與X線射線能量和物質的密度有關。管電壓決定著X線能量,X線能量較低時,光電效應的比重較大,能譜為80～140 kVp瞬切,成像過程中80 kVp參與的權重更大,與120 kVp相比為低管電壓,由于光電效應,X線穿過被照物體時被吸收,探測器接收物質衰減系數μ值增大,所以椎體CT值升高[17];μ物也隨物質的密度的增加而增加,致密骨本身衰減系數高于疏松骨,所以骨量正常組CT值提高幅度最大。

本研究中120 kVp-CT值與GSI-CT值診斷骨量減低、骨質疏松的ROC曲線AUC均大于0.95,敏感度和特異度均在90%左右或以上,診斷試驗的真實性較好,符合疾病診斷試驗要求,這說明CT值可以準確地評估骨質狀態,其中120 kVp-CT值與GSI-CT值診斷骨質疏松的AUC均為1.000,即兩種掃描方式下的CT值診斷骨質疏松效能是等效的,而120 kVp-CT值診斷骨量減低AUC略大于GSI-CT值,這與高骨量椎體在能譜下CT值受影響較大對應。Zaidi等[18]總結了以往的文獻,推薦135 HU和110 HU作為在高危人群中診斷骨量減低和骨質疏松的截斷值。本研究中120 kVp-CT值診斷骨質減少和骨質疏松的截斷值分別為145.3 HU和116.27 HU,與以往研究中的截斷值接近,但有所不同,可能是因為納入了胸椎部分椎體。

本研究的不足:①為單中心研究,得出的最佳截斷值還需要多中心大數據的進一步驗證;②對70 keV下椎體CT值進行了測量分析,不同單能量下椎體CT值與BMD的關系需進一步探討。

綜上所述,CT值用于機會性篩查骨質疏松是可行的,可實現對低骨密度的椎體識別,從而盡早治療以預防重大脆性骨折,且不增加患者額外的檢查費用和輻射劑量。120 kVp-CT值和GSI-CT值均可用來進行骨質狀態判定,預測骨質疏松。