三種骨密度體模DXA一致性測(cè)試

方帥，顧加雨，夏勛榮

江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院 醫(yī)學(xué)所，江蘇 南京 210023

引言

骨質(zhì)疏松癥是一種以骨量降低和骨微結(jié)構(gòu)退化為特征，導(dǎo)致骨脆性增加和易發(fā)生骨折的代謝性全身疾病，是老年人的常見(jiàn)病。如何盡早、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)骨礦物質(zhì)含量的減少是個(gè)極其重要的醫(yī)學(xué)課題。

測(cè)量骨密度的方法多種多樣，從最早的單光子骨密度儀到雙光子骨密度儀，再到雙能X射線(xiàn)骨密度儀（Dual Energy X-ray Absorptiometry，DXA），以及定量CT骨密度測(cè)量和定量磁共振骨密度測(cè)量。其中，DXA因其輻射小、準(zhǔn)確度高、掃描時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)而被世界衛(wèi)生組織譽(yù)為診斷骨質(zhì)疏松最便捷、最有效的方法，也是目前臨床醫(yī)學(xué)診斷骨質(zhì)疏松、預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松性骨折風(fēng)險(xiǎn)的最佳方法[1-5]。美國(guó)Hologic、GE、Norland公司，法國(guó)Sopha公司，韓國(guó)Osteosys公司等的進(jìn)口設(shè)備占據(jù)了我國(guó)DXA市場(chǎng)的絕對(duì)份額。

不同廠家的DXA其原理基本相同，但雙能X射線(xiàn)的產(chǎn)生方式、掃描方式、探測(cè)器特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)計(jì)算、輪廓識(shí)別等功能略有差別，使各儀器的測(cè)量結(jié)果可能存在不同。為了使各品牌的骨密度儀檢測(cè)結(jié)果具有可比性，本研究采用一種模擬人體脊椎的體模來(lái)檢驗(yàn)DXA的主要計(jì)量特性，以期達(dá)到骨密度檢測(cè)值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一。目前，用于骨密度測(cè)量評(píng)價(jià)的體模有多種，有的采用羥磷酸鈣代替骨質(zhì)，有的采用動(dòng)物骨質(zhì)，還有的采用不同厚度的鋁材模擬骨質(zhì)，體模的材質(zhì)和原理不同導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的差異很大。本研究選用市場(chǎng)占有量最大的兩種品牌Hologic和GE DXA的骨密度儀分別對(duì)QC-2型骨密度體模（以下簡(jiǎn)稱(chēng)QC-2）、歐洲脊椎骨密度體模（European Spine Phantom，ESP）和美國(guó)仿真體模（Bone Fide Phantom，BFP）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，比較分析三種體模的數(shù)據(jù)差異及在Hologic和GE DXA上的通用性、適用性、一致性，為骨密度儀數(shù)據(jù)采集和建立適用于中國(guó)人群的骨密度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 三種實(shí)驗(yàn)體模性能指標(biāo)比較

三種骨密度體模（Bone Mineral Density，BMD）都是采用羥磷酸鈣模擬人體骨頭，因?yàn)樵贒XA使用的X射線(xiàn)能譜范圍內(nèi)，羥磷酸鈣對(duì)X射線(xiàn)的衰減吸收與人體骨頭等效。模擬人體軟組織的材質(zhì)雖然有所不同（表1），但它們對(duì)X射線(xiàn)的衰減、吸收系數(shù)相近，即X射線(xiàn)等效性相同[6-7]。

表1 三種體模的性能指標(biāo)

這三種體模都有骨密度的高、中、低值，覆蓋了人體骨密度變化范圍，既可以模擬正常人群的骨密度值，也可以模擬病理性人群的骨密度值，適用于整個(gè)臨床骨密度范圍的研究[8-9]。同時(shí)，三種體模的尺寸、重量相差不大，攜帶方便，操作簡(jiǎn)便。目前，大多數(shù)GE-Lunar DXA都采用筆形束掃描，該方式采用無(wú)散射狹窄線(xiàn)束和單一的探測(cè)器，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、前后移動(dòng)掃描架的方式來(lái)采集數(shù)據(jù)。而Hologic-Discovery DXA一般采用扇束掃描，通過(guò)線(xiàn)對(duì)線(xiàn)、轉(zhuǎn)動(dòng)掃描架的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[10]。這三種骨密度體模仿脊椎模塊都成直線(xiàn)排列，能很好地適應(yīng)這兩種掃描方式。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用兩種品牌DXA分別對(duì)QC-2、ESP和BFP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，比較分析三種體模所測(cè)得數(shù)據(jù)的差異，并計(jì)算測(cè)量值與體模標(biāo)稱(chēng)值的相對(duì)誤差。由于三種體模模擬骨骼都采用羥磷灰石[主要成分為Ca5OH(PO4)3]，各種骨密度儀在生產(chǎn)時(shí)定標(biāo)所用的人體骨骼或模擬骨骼其成分也是羥磷灰石，因此DXA測(cè)量體模時(shí)所得的測(cè)量值與體模標(biāo)稱(chēng)值理論上應(yīng)具有高度相關(guān)性。用最小二乘法對(duì)DXA測(cè)量值和相應(yīng)的體模標(biāo)稱(chēng)值做直線(xiàn)擬合，并驗(yàn)證各體模測(cè)量值與標(biāo)稱(chēng)值是否存在高度相關(guān)性[11]，見(jiàn)式(1)。

式中：Y為DXA對(duì)體模的測(cè)量值，g/cm2；X為與測(cè)量值相對(duì)應(yīng)的體模標(biāo)稱(chēng)值，g/cm2；a為截距，g/cm2；b為直線(xiàn)斜率。a和b一旦確定，方程即為已知，可得出DXA測(cè)量值的直線(xiàn)回歸方程[12]。

將三種體模的測(cè)量值代入所得到的線(xiàn)性回歸方程中進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，計(jì)算校正后的數(shù)據(jù)結(jié)果與對(duì)應(yīng)體模標(biāo)稱(chēng)值的相對(duì)誤差，分析各體模在Hologic和GE DXA上的通用性、一致性和適用性。

2 結(jié)果

2.1 三種體模在兩種DXA上的測(cè)量數(shù)據(jù)

三種體模在GE-Lunar和Hologic-Discovery骨密度儀上的測(cè)量數(shù)據(jù)如表2～3所示。QC-2和ESP體模低、中、高三種骨密度值分別對(duì)應(yīng)L2、L3、L4模擬腰椎骨，BFP體模有四種梯度的骨密度值，由低到高分別對(duì)應(yīng)L1、L2、L3、L4模擬腰椎骨。

表2 三種體模在GE-Lunar DXA上的測(cè)量數(shù)據(jù)

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，QC-2、ESP和BFP體模在GE DXA上測(cè)量誤差分別為1.6%～31.3%、7.5%～19.0%和-6.4%～2.0%，測(cè)量值大多高于各體模標(biāo)稱(chēng)值；在Hologic DXA上測(cè)量誤差分別為-9.1%～-7.1%、-6.2%～2.0%和-4.1%～3.0%，測(cè)量值大多低于各體模標(biāo)稱(chēng)值。這是由不同生產(chǎn)廠家的骨密度儀校正方式不同、正常人群參考值不同和自動(dòng)識(shí)別模擬椎骨輪廓的能力不同等多種因素造成的，故各儀器測(cè)量不同的體?；蛲N體模時(shí)，測(cè)量結(jié)果都存在較大的差異[13]。但是，只要DXA生產(chǎn)商根據(jù)其采用的X射線(xiàn)能量條件并配合使用BMD進(jìn)行骨密度值的計(jì)算和修正，骨密度值是可以形成統(tǒng)一的[14]。

2.2 BMD線(xiàn)性回歸方程的確定

將表2和表3中數(shù)據(jù)用最小二乘法做直線(xiàn)擬合后，按公式(1)計(jì)算，得到表4列出的直線(xiàn)回歸方程的a、b參數(shù)和相關(guān)系數(shù)r。

表3 三種體模在Hologic-Discovery DXA上的測(cè)量數(shù)據(jù)

表4 兩種DXA分別對(duì)應(yīng)三種體模的直線(xiàn)方程

從表4所列的線(xiàn)性回歸方程可以看出，GE、Hologic DXA對(duì)三種體模的測(cè)量值與標(biāo)稱(chēng)值之間的誤差都較大，這種誤差主要是由體模仿真程度即模擬軟組織的材料不同和兩種儀器出廠定標(biāo)誤差所造成的。這種誤差是系統(tǒng)誤差，造成線(xiàn)性方程中截距a不為0，斜率b不為1[15-16]。其中，在QC-2對(duì)于GE的直線(xiàn)回歸方程中，截距a=0.21 g/cm2，明顯大于其他直線(xiàn)回歸方程中的a值，這是因?yàn)镈XA對(duì)體模骨面積的測(cè)量會(huì)因體模等效軟組織的不同而使輪廓識(shí)別有差異造成的，GE-Lunar DXA無(wú)法自動(dòng)標(biāo)畫(huà)QC-2模擬椎骨輪廓，只能靠手動(dòng)標(biāo)畫(huà)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這會(huì)導(dǎo)致人為因素而帶來(lái)的系統(tǒng)誤差[17]。

2.3 測(cè)量值與標(biāo)稱(chēng)值的線(xiàn)性相關(guān)性

根據(jù)表4直線(xiàn)方程數(shù)據(jù)繪制線(xiàn)性相關(guān)性圖，見(jiàn)圖1～2。

圖1 GE DXA測(cè)量值與三種體模標(biāo)稱(chēng)值的線(xiàn)性相關(guān)性

圖2中的三條線(xiàn)分別是三種體模對(duì)Hologic DXA線(xiàn)性相關(guān)性的描繪，橫坐標(biāo)是體模BMD標(biāo)稱(chēng)值，縱坐標(biāo)表示骨密度儀測(cè)量出的BMD值，相關(guān)系數(shù)r都大于0.99，說(shuō)明Hologic DXA測(cè)量值與對(duì)應(yīng)三種體模標(biāo)稱(chēng)值呈高度相關(guān)[18-19]。同理，圖1中QC-2和ESP對(duì)GE DXA也呈高度相關(guān)，BFP相關(guān)系數(shù)r=0.9825小于0.99，說(shuō)明BFP體?；贕E DXA參考值的修正對(duì)于其本身標(biāo)稱(chēng)值是存在一定影響的。

圖2 Hologic DXA測(cè)量值與三種體模標(biāo)稱(chēng)值的線(xiàn)性相關(guān)性

2.4 測(cè)量結(jié)果的校正與分析

按照表4中的直線(xiàn)方程，將DXA測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸校正，得到校正后的BMD值如表5所示。

通過(guò)表5可以看出，QC-2、ESP和BFP體模在GE DXA上線(xiàn)性校正后的相對(duì)誤差為-1.9%～4.4%、-0.7%～0.3%和-2.5%～5.5%，在Hologic DXA上線(xiàn)性校正后的相對(duì)誤差為-2.2%～0.5%、-1.8%～1.7%和-2.0%～1.5%。與校正前相比，相對(duì)誤差都有了很大的改善，誤差范圍變窄，其中QC-2和ESP體模相對(duì)誤差變化幅度較大，BFP體模相對(duì)誤差變化幅度較小。這是由于BFP體模對(duì)于GE和Hologic DXA給出了不同的標(biāo)稱(chēng)值分別為（0.7～1.5）g/cm2和（0.6～1.2）g/cm2，其對(duì)GE和Hologic這兩種品牌的參考值進(jìn)行了一定程度的修正，因此再次經(jīng)過(guò)線(xiàn)性方程修正后，相對(duì)誤差的變化幅度不如前兩種體模明顯。

經(jīng)過(guò)線(xiàn)性校正后，兩臺(tái)DXA得出的三種體模測(cè)量校正值與相應(yīng)體模的標(biāo)稱(chēng)值相對(duì)誤差都很小，即校正后的測(cè)量值都與相應(yīng)體模標(biāo)稱(chēng)值基本相符。從表5均值及誤差列可以看出，三種體模分別在GE和Hologic DXA上的測(cè)量值經(jīng)校正后，取L1～L4的平均值與標(biāo)稱(chēng)值平均值相比，誤差都非常?。?0.1%～0.5%和-0.1%～-0.2%），經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)r=0.9987，大于α=1%，檢驗(yàn)表中相應(yīng)值，這6對(duì)數(shù)據(jù)具有高度顯著線(xiàn)性關(guān)系[20-21]。這也從另一個(gè)角度說(shuō)明，這三種體模對(duì)于DXA的檢定和測(cè)試具有很好的一致性和通用性。

表5 經(jīng)校正后的BMD值及相對(duì)標(biāo)稱(chēng)值的誤差（g/cm2，%）

3 討論

QC-2、ESP和BFP三種BMD具有主要材質(zhì)相同、對(duì)X射線(xiàn)衰減吸收等效性相近、測(cè)量范圍相近的通用性，用它們分別測(cè)試GE和Hologic DXA時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏高或偏低的誤差，但測(cè)量結(jié)果和相應(yīng)的體模標(biāo)稱(chēng)值具有高度的線(xiàn)性相關(guān)性。經(jīng)擬合直線(xiàn)方程并校正后，可得到與標(biāo)稱(chēng)值相符的測(cè)量結(jié)果，在一定的允許誤差范圍內(nèi)，均具有較好的一致性[22]，都可用于DXA的檢定和檢測(cè)試驗(yàn)。從測(cè)試適應(yīng)性來(lái)看，QC-2具有不能被GE-Lunar自動(dòng)識(shí)別模擬椎骨輪廓的局限性；BFP具有兩種標(biāo)稱(chēng)值的不便和因?yàn)閮煞N標(biāo)稱(chēng)值而對(duì)線(xiàn)性相關(guān)性的影響；ESP經(jīng)線(xiàn)性回歸校正后的數(shù)據(jù)與標(biāo)稱(chēng)值相對(duì)誤差最小，因此ESP體模適用性最佳。在骨密度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，ESP體?？勺鳛楦鞣NDXA質(zhì)量控制、檢測(cè)試驗(yàn)和穩(wěn)定性考察的首選體模。

4 結(jié)論

從GE和Hologic DXA對(duì)于三種體模的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，Hologic DXA能很好地適應(yīng)三種體模，同時(shí)其測(cè)試數(shù)據(jù)和體模標(biāo)稱(chēng)值的線(xiàn)性相關(guān)性及修正后的誤差都明顯優(yōu)于GE DXA。但是，是否在中國(guó)人群的骨密度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)采集中優(yōu)先使用Hologic DXA，還需要進(jìn)一步對(duì)正常人群進(jìn)行數(shù)據(jù)試驗(yàn)論證后決定。