雙能CT虛擬平掃定量評估骨質(zhì)疏松的可行性研究

王 昕,薄明琪,紀(jì) 捷,王傳彬,董江寧,,王震寰

骨質(zhì)疏松癥是一種好發(fā)于老年人群、癌癥病人和絕經(jīng)后女性的代謝性骨病，在日常診療過程中常被忽視，易導(dǎo)致骨折風(fēng)險增加、癌癥病人預(yù)后不良。定量CT(quantitative computed tomography，QCT)是一種基于常規(guī)平掃的數(shù)據(jù)挖掘方法，常作為骨密度(bone mineral density,BMD)測量的參照標(biāo)準(zhǔn)，但目前QCT專用體模和軟件尚未完全普及[1-2]。利用高低兩組電壓瞬切技術(shù)實現(xiàn)的雙能CT成像(dual-energy CT,DECT)可以提供更多的物質(zhì)定量信息。DECT虛擬平掃技術(shù)去除增強(qiáng)圖像中的碘來獲取與真實常規(guī)平掃(true non-contrast scan,TNC)相當(dāng)?shù)奶摂M平掃(virtual non-contrast scan,VNC)圖像[3]，虛擬平掃技術(shù)由于減少了CT平掃在達(dá)到相似的診斷效能同時，還可以降低X線輻射劑量，因此在腹部病變檢查中獲得良好應(yīng)用。既往研究以雙能X線吸收法(dual-energy X-ray absorptiometry，DXA)為參照標(biāo)準(zhǔn)來驗證DECT虛擬平掃用于BMD測量的可行性，但方法繁瑣，BMD測量值誤差較大。本研究探討DECT虛擬平掃在無QCT體膜條件下定量測量椎體BMD與評估骨質(zhì)疏松與骨量減少的可行性及其應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性收集100例于安徽省立醫(yī)院行腹部DECT常規(guī)模式平掃與能譜模式三期增強(qiáng)掃描的腫瘤病人，并隨機(jī)分為訓(xùn)練集和驗證集各50例。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)有完整的腹部DECT TNC和能譜模式增強(qiáng)掃描圖像資料；(2)腹部CT圖像包括完整的L1椎體。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)椎體骨折和手術(shù)病史；(2)椎體良、惡性腫瘤或惡性腫瘤骨轉(zhuǎn)移者；(3)椎體存在囊性、硬化性病變；(4)嚴(yán)重肝腎功能不全及心功能不全者。本研究所有病人均簽署知情同意書，并經(jīng)我院倫理委員會審核批準(zhǔn)。訓(xùn)練集與驗證集病人性別、年齡和體質(zhì)量差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)(見表1)，具有可比性。

表1 訓(xùn)練集和驗證集病人一般資料比較

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery CT 750HD(GE Healthcare,Milwaukee,WI,USA)掃描儀。病人取仰臥位，掃描范圍自膈肌上緣至恥骨聯(lián)合下緣。(1)TNC參數(shù)：管電壓120 kV，自動管電流，噪聲指數(shù)(NI,noise index) 9，探測器寬度40 mm。螺距1.375∶1，球管轉(zhuǎn)速0.7 s/rot，DFOV 50 cm×50 cm，掃描層厚和層距均為5 mm，重建層厚與層間距均為1.25 mm，掃描結(jié)束后采用50% ASIR-V迭代技術(shù)獲得重建圖像。采用異步QCT技術(shù)，每日掃描一次體膜進(jìn)行校準(zhǔn)。(2)GSI模式增強(qiáng)掃描參數(shù)：采用經(jīng)外周靜脈團(tuán)注非離子的對比劑碘佛醇(350 mg/mI)，流速3.0 mL/s，對比劑用量(1.2 mL/kg)。應(yīng)用prep smart技術(shù)觸發(fā)掃描，監(jiān)測點(diǎn)位于T12/L1椎體水平腹主動脈，觸發(fā)閾值為120 HU，達(dá)到閾值5 s后觸發(fā)掃描，在動脈期結(jié)束后29 s行門靜脈期掃描，并在門靜脈期結(jié)束后110 s進(jìn)行延遲期掃描。管電壓80/140 kVp(0.25 ms瞬時切換)，管電流375 mA，其他參數(shù)及重建方式與常規(guī)平掃一致。

1.3 數(shù)據(jù)測量

1.3.1 QCT BMD測量 將常規(guī)平掃1.25 mm數(shù)據(jù)上傳至QCT Pro工作站。于L1椎體中心層面放置感興趣區(qū)(region of interesting,ROI)，大小10 cm3，避開皮質(zhì)骨及椎體后中央靜脈溝，盡量包括更多的松質(zhì)骨(見圖1)。所有數(shù)據(jù)測量均由一名高年資主治醫(yī)師和一名住院醫(yī)師獨(dú)立完成。

1.3.2 TNC、VNC、虛擬平掃的椎體CT值測量 將TNC和門靜脈期1.25 mm數(shù)據(jù)上傳至GE AW4.6工作站，運(yùn)用GSI Volume Viewer軟件獲得VNC圖像。分別在TNC和VNC圖像中于L1椎體中心層面放置ROI(10 cm3)，大小和范圍盡量與QCT測量保持一致。測量TNC、VNC圖像中的L1椎體CT值及其標(biāo)準(zhǔn)差SD(見圖2、3)。盡量避開皮質(zhì)骨及椎體后中央靜脈溝，并包括更多的松質(zhì)骨。

1.3.3 圖像質(zhì)量客觀指標(biāo) 分別測量計算TNC、VNC圖像的圖像噪聲、信噪比(signal noise ratio,SNR)，以豎脊肌為參照，計算圖像的對比噪聲比(contrast noise ratio,CNR)。

分別記錄掃描結(jié)束后生成的TNC和增強(qiáng)掃描劑量長度乘積(dose length product,DLP)，有效輻射劑量(effective dose,ED)計算方法：ED=DLP×k(歐盟委員會推薦成人腹部k值為0.015)。

1.4 預(yù)測椎體BMD值的回歸模型的建立與骨質(zhì)疏松診斷標(biāo)準(zhǔn) 通過logistic多元線性回歸分析建立預(yù)測椎體BMD值的回歸模型，比較該模型測量的BMD與QCT測量的BMD的診斷效能。骨質(zhì)疏松的診斷采用的標(biāo)準(zhǔn)如下：骨量正常(BMD>120 mg/cm3)；骨量減少(BMD為80～120 mg/cm3)；骨質(zhì)疏松(BMD<80 mg/cm3)[4]。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 16.0(IBM，Armonk，NY)和MedCalc 15.2.2(Ostend，Belgium)統(tǒng)計分析軟件。采用ICC評價2名醫(yī)師測量數(shù)據(jù)的一致性，ICC>0.75位一致性良好。若一致性良好選擇高年資主治醫(yī)師測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，采用t檢驗和χ2檢驗。在訓(xùn)練集中采用VNC椎體CT值與椎體BMD值間的相關(guān)性采用Spearman相關(guān)分析。通過logistic回歸分析建立預(yù)測椎體BMD值的回歸模型。在驗證集中采用Bland-Altman法分析驗證集椎體BMD回歸與BMD實際間數(shù)據(jù)的一致性，并通過ROC曲線分析VNC椎體CT值對骨質(zhì)疏松和骨量減少的診斷價值。

2 結(jié)果

2.1 訓(xùn)練集與驗證集病人圖像質(zhì)量比較 100例病人TNC、VNC圖像的豎脊肌CT值、椎體和豎脊肌的噪聲SD差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)(見表2)。TNC、VNC圖像的SNR和CNR差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。TNC的ED為(9.44±2.15)mSv，DLP為(629.23±143.66)mGy·cm；VNC的DLP為(531.14±100.74)mGy·cm；總DLP為(2 867.96±127.69)mGy·cm。在減去常規(guī)平掃后，行增強(qiáng)CT檢查的病人總輻射劑量減少了21.94%。

表2 TNC、VNC圖像質(zhì)量比較

2.2 VNC圖像L1椎體CT值與BMD值相關(guān)性 訓(xùn)練集VNC的L1椎體CT值較TNC低46.90%，兩者差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。VNC的L1椎體CT值與QCT測量的BMD呈顯著正相關(guān)(r=0.974,P<0.01)(見圖4)。

多元線性回歸分析結(jié)果顯示病人年齡、身高、VNC椎體CT值與QCT測量的BMD值相關(guān)，病人性別、體質(zhì)量與其BMD值間不存在線性關(guān)系(P>0.05)。經(jīng)擬合，得到的BMD多元線性回歸方程為：BMD=102.375+1.349×CT值-0.321×年齡-0.433×身高(R2=0.979)(見表3)。

表3 VNC椎體CT值與QCT測量的BMD間的多元線性回歸分析

2.3 驗證回歸模型 驗證集的BMD回歸與BMD實際差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。通Bland-Altman散點(diǎn)圖顯示除個別異常值以外，驗證集BMD回歸與BMD實際之間的差值均勻的分布95%的一致性界限范圍內(nèi)(95%CI：-14.201～20.523,P>0.05)(見圖5)。

2.4 VNC椎體CT值預(yù)測BMD的多元線性回歸方程與QCT對骨質(zhì)疏松診斷效能的比較 VNC椎體CT值診斷骨質(zhì)疏松、骨量減少的曲線下面積分別為AUC骨松=0.976(95%CI：0.922～0.997)、AUC骨少=0.964(95%CI：0.913～0.991)，并根據(jù)約登指數(shù)確定骨質(zhì)疏松、骨量減少最佳診斷界值分別為54.35 HU(敏感性：87.53%;特異性：92.31%)、64.51 HU(敏感性：84.78%;特異性：89.42%)(見圖6、7)。

3 討論

隨著老年人口的增加，骨質(zhì)疏松的發(fā)病率及致殘率逐年升高，有研究發(fā)現(xiàn)因骨質(zhì)疏松導(dǎo)致的髖部骨折，1年內(nèi)的死亡率高達(dá)20%，因此早期診斷并及時采取相關(guān)治療是骨質(zhì)疏松防治的有效手段[5]。QCT測量BMD是基于常規(guī)平掃的數(shù)據(jù)挖掘，其精確性已取得一致認(rèn)可，并已作為診斷骨質(zhì)疏松的可靠標(biāo)準(zhǔn)[4]，但QCT專用體膜和軟件還未廣泛普及[6]。已有研究發(fā)現(xiàn)VNC技術(shù)具有取代常規(guī)平掃的可行性[7-8]，但使用DECT NNC技術(shù)進(jìn)行BMD定量分析和診斷骨量減少、骨質(zhì)疏松的的研究則鮮有報道。本研究采用DECT VNC，探討其在無體模狀態(tài)下定量測量BMD、評估骨量減少與骨質(zhì)疏松的可行性與可靠性。

既往研究[9]指出，常規(guī)平掃椎體CT值與QCT測量的BMD之間具有良好的相關(guān)性。本研究中VNC椎體CT值同樣與QCT測量的BMD具有良好的相關(guān)性，可通過數(shù)據(jù)校正與建立回歸模型來測量椎體的BMD，TNC和VNC二者CT值的差異對骨質(zhì)疏松診斷并無影響。本研究還發(fā)現(xiàn)VNC圖像中L1椎體CT值低于常規(guī)平掃，筆者推測是由于椎體松質(zhì)骨為含鈣組織，其密度與碘的密度接近，在能譜虛擬平掃去碘的過程中也去除了部分鈣組織所含的CT值，從而導(dǎo)致VNC圖像中的椎體CT值有所降低。

研究[10]提示肥胖病人會增加骨骼的載重負(fù)荷來影響B(tài)MD和骨強(qiáng)度。另外人體內(nèi)脂聯(lián)素水平與體重和BMD呈負(fù)相關(guān)，脂聯(lián)素可以促進(jìn)成骨細(xì)胞生成和抑制破骨細(xì)胞生成，而肥胖病人體內(nèi)的脂聯(lián)素水平較低，因此促進(jìn)骨吸收并導(dǎo)致成骨減少[11]。ZHANG等[12]的研究提示不同性別的病人QCT測量的BMD會受其體型、身高的影響，并會隨年齡增長發(fā)生變化。而MEI等[13]通過在腹部仿真模型外放置不同厚度的脂肪環(huán)來模擬不同程度的肥胖病人，采用DECT通過體模轉(zhuǎn)換來測量BMD，結(jié)果顯示在不同的掃描條件下，DECT測量的BMD與QCT測量的BMD均具有良好的相關(guān)性，提示腹部脂肪厚度對BMD測量結(jié)果無明顯影響。本研究為了避免上述因素的影響，將病人性別、年齡、身高和體質(zhì)量等影響因素一并納入回歸分析的結(jié)果顯示BMD與體質(zhì)量、性別間無明顯相關(guān)性，而BMD與年齡、身高之間存在相關(guān)性，得出VNC椎體CT值、年齡和身高預(yù)測BMD的回歸模型，由此獲得的BMD更接近真實，也是本研究與既往研究的不同之處。由此可見，通過VNC椎體CT值可在無體膜的情況下可以用于定量地測量椎體BMD。

DING等[14]的研究以TNC椎體CT值低于110 HU作為骨質(zhì)疏松的診斷標(biāo)準(zhǔn)，得出VNC圖像中鑒別骨質(zhì)疏松和非骨質(zhì)疏松的閾值為52 HU(AUC=0.978)，但該研究未涉及骨量減少的診斷，且無法定量測量椎體BMD來評估病人的骨健康情況。本研究結(jié)果顯示在虛擬平掃椎體L1椎體CT值診斷骨質(zhì)疏松和骨量減少的閾值分別為54.35 HU和64.51 HU，AUC值分別為0.976和0.964，并均具有良好的特異性和敏感性，其診斷效能和QCT相仿。相對于DING等的研究，本研究采用QCT作為參照標(biāo)準(zhǔn)，其測量結(jié)果不易受脊柱側(cè)彎、主動脈鈣化和病人體型影響，使本研究結(jié)果可信度更高，同時表明DECT VNC不僅可以診斷骨質(zhì)疏松，也可以診斷骨量減少。

既往研究[15-16]發(fā)現(xiàn)DECT的VNC圖像質(zhì)量與TNC圖像相比具有一定差異。本研究中VNC圖像的L1椎體噪聲值略高于TNC圖像，而SNR值和CNR值略低于TNC圖像，說明DECT虛擬平掃技術(shù)獲得的腰椎圖像質(zhì)量略低于TNC圖像質(zhì)量。但鑒于楊琰昭等[17]研究發(fā)現(xiàn)TNC和動、靜脈期的VNC 3組圖像的主觀評分差異無統(tǒng)計學(xué)意義，說明VNC圖像質(zhì)量的差異不足以影響病灶檢出，VNC圖像可代替TNC圖像進(jìn)行疾病診斷和骨質(zhì)疏松評估。

本研究為了保證圖像質(zhì)量能夠滿足診斷需求，同時能減少病人的X線輻射劑量，腹部增強(qiáng)時采用能譜模式掃描，管電流固定為375 mA。在省去常規(guī)平掃并應(yīng)用迭代重建算法后，病人的腹部CT檢查由四期掃描變?yōu)槿趻呙?，其總輻射劑量減少了21.94%。對于因腹部疾病需要進(jìn)行DECT檢查的病人，在GSI模式增強(qiáng)掃描基礎(chǔ)上，利用VNC不僅可以提供腹部疾病的診斷信息，還可以提供病人的骨健康信息并判斷有無骨量減少和骨質(zhì)疏松，而且省去常規(guī)平掃，降低了總X射線劑量。

本研究的局限性：(1)僅探討了門脈期VNC圖像對骨質(zhì)疏松的診斷價值，未與動脈期VNC圖像對比分析。(2)納入的樣本數(shù)量較少，今后需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量深入研究。(3)關(guān)于不同期相VNC參數(shù)對骨質(zhì)疏松的診斷價值，未來還需要進(jìn)開展大樣本、多中心的研究加以驗證。

綜上所述，對于在各級醫(yī)院接受DECT腹部增強(qiáng)檢查的病人，在無QCT體模的狀況下，DECT VNC技術(shù)不僅可以提供腹部疾病的診斷信息，還可提供BMD等骨健康的信息，準(zhǔn)確診斷骨質(zhì)疏松和骨量減少，是QCT技術(shù)的有益補(bǔ)充，具有一定臨床應(yīng)用價值。