雙源CT雙能定量掃描測量骨密度的臨床研究

蔣寶國 黎秋菊 陳曉朝 宣 揚(yáng)

(中國醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽 110032)

骨密度(bone mineral density，BMD)是指單位體積骨組織內(nèi)骨礦物質(zhì)的含量，能夠準(zhǔn)確反映骨組織的數(shù)量，因此目前臨床上用于引起骨質(zhì)變化的相關(guān)疾病的診斷及評價(jià)治療效果〔1，2〕。目前臨床上常用的 BMD測量方法主要有雙能 X線BMD測量法(Dual Energy X-ray Absorptiometry，DEXA)及單能定量 CT 測量法(Single Energy Quantitative CT，SEQCT)〔3〕，但兩種方法均存在缺陷，其測量值與真實(shí)值之間存在較大的誤差。理論上最理想的BMD測量方法應(yīng)該是雙能定量CT法(Dual Energy quantitative CT，DEQCT)〔4〕，本研究在充分認(rèn)識雙能BMD測量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)出應(yīng)用于西門子雙源CT(dual source CT，DSCT)的雙能BMD測量軟件，對正常成人腰椎進(jìn)行DEQCT、SEQCT測量，對比這兩種測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 DSCT雙能軟件的設(shè)計(jì)開發(fā) 根據(jù)CT值測量的原理，按照椎體松質(zhì)骨五種組成成分(骨礦物質(zhì)，膠原，水，脂肪和紅骨髓)所占比例不同分別進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合不同成分對不同能量X線的衰減系數(shù)不同由東北大學(xué)中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院設(shè)計(jì)開發(fā)出應(yīng)用于西門子DSCT的雙能BMD測量軟件。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)對象 選取100例健康者(體檢正常，血鈣、磷、堿性磷酸酶及肝功正常，尿常規(guī)及尿糖正常，無甲旁亢、腎及腎上腺疾患，未服用類固醇激素)。男50例，女50例，年齡21～70歲。分為5個(gè)年齡組:21～30歲，31～40歲，41～50歲，51～60歲，61～70歲，每組男女各5例。

1.2 方法

1.2.1 CT掃描方法及掃描參數(shù) 使用西門子Somatom Definition 64層DSCT。雙能掃描參數(shù):A球管140 kV，70 mAs，B球管 80 kV，297 mAs，準(zhǔn)直器寬度 1.2 mm，螺距 0.9，融合參數(shù)0.3，重建層厚5 mm，重建函數(shù) D70f;單能掃描參數(shù):120 kV，120 mAs，準(zhǔn)直器寬度1.2 mm，重建層厚5 mm，重建函數(shù) D70f。

1.2.2 掃描方法 首先進(jìn)行單能方法掃描，將單能運(yùn)算體模(東北大學(xué)自行研制)置于志愿者腰部后方，同志愿者一起掃描;每一志愿者均只掃描第四腰椎，然后去除運(yùn)算體模，進(jìn)行雙能方法的掃描。掃描結(jié)束后將圖像統(tǒng)一重建厚度為3 mm，每一椎體重建圖像為5幅。

1.2.3 測量方法

1.2.3.1 DEQCT測量方法 將重建后的每一志愿者腰椎雙能掃描圖像載入自行設(shè)計(jì)的雙能BMD測量軟件中，分別測量椎體中心部的BMD，取平均值。見圖1。

1.2.3.2 SEQCT測量方法 將重建后的志愿者腰椎椎體與運(yùn)算體模同時(shí)掃描的單能掃描圖像載入東北大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)的單能BMD測量軟件中，記為單能體模法，分別測量目標(biāo)體模中心部的BMD值，然后取平均值。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 應(yīng)用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件，采用t檢驗(yàn)對以上兩種測量方法所得的各組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。

圖1 雙能軟件截圖

2 結(jié)果

應(yīng)用DEQCT及SEQCT測量法所測得正常成人BMD均與年齡明顯相關(guān)，其水平以21～30歲最高，且女性BMD高于男性;41～50歲后男性高于女性。另外從測量結(jié)果還可以看出，DEQCT與SEQCT測量法相比，其測得的數(shù)值較大，每一年齡組間所測均值的差別均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。見表1。

表1 兩種測量方法測量不同年齡段、不同性別第四腰椎BMD值比較(x ± s，mg/cm3)

3 討論

腰椎是骨質(zhì)疏松最早受累和最常見的部位，椎體的主體幾乎都是由松質(zhì)骨組成，其代謝轉(zhuǎn)換率是皮質(zhì)骨的8倍，骨量變化可早期出現(xiàn)，因此臨床上多測量腰椎BMD來判定是否存在骨質(zhì)疏松。目前臨床上應(yīng)用較為廣泛的測量BMD的方法主要是 DEXA 及 SEQCT，而兩者均存在一定的缺陷〔5，6〕。DEXA 所測得的骨礦物質(zhì)密度為掃描區(qū)內(nèi)所有骨的總和，是二維投影，X線所經(jīng)過的范圍內(nèi)所有結(jié)構(gòu)都包括在內(nèi)，因此容易造成誤差。QCT所測的是真正意義上的體積BMD(g/cm3)，完全排除了骨大小的影響，還可以區(qū)分松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的BMD，并且可以更加準(zhǔn)確地進(jìn)行幾何形態(tài)學(xué)參數(shù)的測量。松質(zhì)骨的主要組成成分為骨礦物質(zhì)、膠原、水、脂肪和紅骨髓，SEQCT方法不能分離出松質(zhì)骨中其他成分(主要是脂肪)對測量結(jié)果的影響〔6〕，即SEQCT將松質(zhì)骨中脂肪、膠原等同于水，而忽略了這兩種成分對BMD的影響。理論上骨內(nèi)脂肪、膠原基質(zhì)及骨周圍的軟組織導(dǎo)致SEQCT測量BMD的誤差可通過DEQCT掃描的方法補(bǔ)償。雙能方法早在九十年代就被提出，但由于CT設(shè)備的限制，單源CT進(jìn)行雙能掃描時(shí)需行2次掃描，因此受到圖像配準(zhǔn)的影響，而且操作較為繁瑣，同時(shí)也沒有開發(fā)出相應(yīng)的軟件，所以一直未能受到重視。2005年，西門子公司開發(fā)出新的雙源CT，這種CT采用兩種能量同時(shí)掃描的方式為BMD的測量開辟了新的方向〔7〕。

本次實(shí)驗(yàn)DEQCT法測量與SEQCT所測BMD值均與年齡具有明顯的相關(guān)性，即在21～30歲時(shí)為BMD的峰值年齡，隨著年齡的增長BMD值逐漸下降。但是，兩種測量方法在每一年齡段所測的BMD值卻存在一定的差異，DEQCT法所測值均高于SEQCT法。理論上，雙能方法的測量結(jié)果更接近人體椎體BMD的真實(shí)值。臨床上常用的SEQCT的基本原理是〔8，9〕:利用CT掃描層面內(nèi)的每個(gè)小單元(即體素)可獲得系列的X線吸收系數(shù)，經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算，可得到每一體素的X線吸收值，從而構(gòu)成一個(gè)數(shù)字矩陣，每一體素的吸收值(U)，與水的吸收值(U水)相減，再除以水的吸收系數(shù)所得的商乘以1 000，即為某物質(zhì)的CT值，故其CT值=〔(U－U水)/U水〕×1 000〔4〕。測量時(shí)，被測體與已知濃度的羥基磷灰石參考體模同時(shí)掃描，可得掃描層面上需要測量區(qū)域的CT值(設(shè)為Hb)和同時(shí)掃描的參考體模的CT值(設(shè)為HK)，參考體模內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)水的CT值(設(shè)為Hw)，則該測量區(qū)域的BMD(設(shè)為Db)的計(jì)算方法:Db=〔(Hb－Hw)/HK －Hw〕×Ck(g/cm3)〔5〕，其中 Ck為已知參考體模羥基磷灰石濃度。本文前期應(yīng)用DEQCT軟件進(jìn)行的離體豬脊骨及體模測量實(shí)驗(yàn)都證明DEQCT測量方法所測BMD值較SEQCT法更接近離體豬脊骨的灰重密度及體模的實(shí)際鈣鹽密度。盡管目前SEQCT臨床上應(yīng)用較多，但是由于其設(shè)計(jì)原理上的缺陷，必然會(huì)導(dǎo)致測量值不夠準(zhǔn)確。另外，SEQCT在測量時(shí)需要同時(shí)應(yīng)用運(yùn)算體模，而不同的廠家生產(chǎn)的運(yùn)算體模均不同程度存在誤差，即運(yùn)算體模制作過程中體模中的不同濃度的鈣鹽含量值不準(zhǔn)確，導(dǎo)致測量值的誤差。

DEQCT對BMD的測量考慮了松質(zhì)骨中各種成分對BMD的影響，而且不需要臨床常用的SEQCT必需的運(yùn)算體模，因此測量結(jié)果不受運(yùn)算體模的影響，測量結(jié)果更為穩(wěn)定可靠。同時(shí)，在軟件的設(shè)計(jì)過程中，考慮到CT掃描儀管球輸出功率可能存在偏倚，因此在測量每一幅圖像時(shí)，本文采用脂肪定標(biāo)的方法，即根據(jù)脂肪對X線的經(jīng)驗(yàn)衰減值，反過來計(jì)算出管球?qū)嶋H的輸出能量，這樣保證每次的測量結(jié)果不受管球輸出能量偏倚的影像。

雖然由于雙源CT設(shè)備的普及率較低，以及受檢者接受的輻射劑量較高，該方法尚不能向DEXA那樣適用于大量人群骨質(zhì)疏松的篩查，但是設(shè)想隨著設(shè)備的普及以及CT掃描方法的優(yōu)化，該方法定會(huì)受到臨床的廣泛重視。總之，DEQCT測量方法改進(jìn)了目前臨床上常用的測量方法的不足，能夠?yàn)榕R床提供較SEQCT方法更為精確的BMD測量值。

1 肖建德.實(shí)用骨質(zhì)疏松學(xué)〔M〕.北京:科學(xué)出版社，2004:3.

2 Nguyen TV，Pocock N，Eisman JA.Interpretation of bone mineral density measurement and its change〔J〕.J Clin Densitom，2000;3(2):107-19.

3 Gnudi W，Sitta E，F(xiàn)iumi N.Bone density and geometry in assessing hip fracture risk in post-menopausal women〔J〕.Br J Radiol，2007;80(959):893-7.

4 Nickoloff EL，F(xiàn)eldman F，Atherton JV.Bone mineral assessment:new dual-energy CT approach〔J〕.Radiology，1988;168:223-8.

5 段云波.骨量、骨大小、骨密度和骨結(jié)構(gòu)〔J〕.中國骨質(zhì)疏松雜志，2000;6(2):64-72.

6 Cann CE.Quantitative CT for determination of bone mineral density:a review〔J〕.Radiology，1988;166:509-22.

7 Flohr TG，McCollough CH，Bruder H，et al.First performance evaluation of a dual-source CT(DSCT)system〔J〕.Eur Radiol，2006;16:256-68.

8 顧本立，王志宏.定量CT測定骨礦物含量的雙能量方法〔J〕.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，1994;13(2):156-62.

9 徐均超.骨密度CT測量〔J〕.中國臨床醫(yī)學(xué)影像雜志，1993;4(1):8-11.