非同步校準(zhǔn)QCT測(cè)量腰椎骨密度的長(zhǎng)期體內(nèi)可重復(fù)性評(píng)估

楊潔 溫磊 張玉巧 程曉光 王玲 高波 宋玲玲 冉利梅 黃曌殊 朱霞 焦俊 杜霞*

1.貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院影像科，貴州 貴陽(yáng) 550004 2.貴州醫(yī)科大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025 3.北京積水潭醫(yī)院放射科，北京 100035 4.貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院婦科，貴州 貴陽(yáng) 550004

骨質(zhì)疏松癥是一種常見疾病，以骨密度(bone mineral density，BMD)減低和骨組織微結(jié)構(gòu)退化為特征，隨之帶來(lái)高骨折風(fēng)險(xiǎn)、高發(fā)病率、高死亡率和巨大的醫(yī)療經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，威害人民健康[1-2]。骨質(zhì)疏松癥的早期診斷主要依賴BMD檢查，其中，定量計(jì)算機(jī)斷層掃描(quantitative computed tomography，QCT)能分別測(cè)量皮質(zhì)骨和小梁骨，不受測(cè)量部位退行性改變、椎體畸形、周圍軟組織鈣化的影響，具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。非同步校準(zhǔn)QCT(asynchronous calibration QCT)是基于傳統(tǒng)QCT新開發(fā)的一種BMD測(cè)量工具，其也利用了同步QCT所用的體模標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量保證(quality assurance，QA)掃描。因其校準(zhǔn)方程從QA掃描中獲得，故不需要在患者進(jìn)行CT掃描的同時(shí)掃描體模，對(duì)常規(guī)腹部和(或)肺部CT掃描的圖像也能進(jìn)行BMD評(píng)估，使BMD檢查實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)性篩查，減少不必要的電離輻射，也有助于識(shí)別有骨折風(fēng)險(xiǎn)的患者，在我國(guó)應(yīng)用前景廣闊[4-6]。精密度是指診斷技術(shù)的可重復(fù)性或再現(xiàn)性，臨床上，對(duì)BMD連續(xù)變化的監(jiān)測(cè)是決策骨質(zhì)疏松病人治療時(shí)機(jī)及療效評(píng)估的主要指標(biāo)，確定其實(shí)際精密度至關(guān)重要[7-8]。目前，針對(duì)QCT短期精密度誤差( precision error，PE)的研究在國(guó)內(nèi)外已有較多報(bào)道，大部分研究[9-11]結(jié)果顯示，QCT測(cè)量BMD的短期精密度誤差值較小，可重復(fù)性好。然而，與其他醫(yī)學(xué)參數(shù)相比，BMD隨時(shí)間的可量化變化很小，臨床隨訪監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間較長(zhǎng)，BMD測(cè)量系統(tǒng)必須在長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)保持穩(wěn)定，其結(jié)果才更適合反映臨床實(shí)踐中的真實(shí)情況[9,12]。然而國(guó)內(nèi)外針對(duì)QCT長(zhǎng)期體內(nèi)可重復(fù)性及其長(zhǎng)期隨訪價(jià)值的研究較少，故本研究旨在通過比較526名患者在大約1年的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行兩次非同步校準(zhǔn)QCT檢查的腰椎BMD值，以評(píng)估非同步校準(zhǔn)QCT測(cè)量腰椎BMD的長(zhǎng)期體內(nèi)可重復(fù)性，并探討其臨床意義。

1 材料與方法

1.1 樣本資料

共有526名來(lái)自貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院體檢中心的健康體檢者(其中女性225名，男性301名)納入本研究，年齡29～59歲，平均年齡(50.6±5.4)歲。從2018年6月至2019年12月約1年的時(shí)間內(nèi)，所有受試者均自愿接受了2次腰椎QCT骨密度檢查，并簽署知情同意書，僅對(duì)受試者的CT圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡小于60歲的成年人；②在同一臺(tái)CT機(jī)上接受了2次非同步校準(zhǔn)QCT骨密度檢查，時(shí)間間隔≥1年。排除標(biāo)準(zhǔn)：①暴力創(chuàng)傷或骨質(zhì)疏松所致椎體骨折者；②患有可能影響B(tài)MD及代謝的慢性疾病者；③服用過可能影響B(tài)MD及代謝的藥物或激素者；④有內(nèi)固定手術(shù)史者。根據(jù)國(guó)際臨床骨密度學(xué)會(huì)(International Society for Clinical Densitometry，ISCD)及美國(guó)放射學(xué)會(huì)(American College of Radiology，ACR)QCT骨質(zhì)疏松診斷標(biāo)準(zhǔn)[13]，按BMD絕對(duì)值>120 mg/cm3、80～120 mg/cm3、< 80 mg/cm3將受試者分為3組，即骨量正常組、低骨量組、骨質(zhì)疏松組，兩次測(cè)量BMD值分組不一致時(shí)按其平均值分組。

1.2 方法

1.2.1掃描方法及設(shè)備：采用日本日立32排Supria螺旋CT掃描儀，在掃描床中心位置放置美國(guó)Mindways公司的QCT Model 4非同步校準(zhǔn)體模，開機(jī)掃描前使用校準(zhǔn)體模在掃描儀定位線引導(dǎo)下調(diào)整QCT體模位置并由此確定床高，掃描體模為參照；因非同步QCT掃描與胸部CT掃描同時(shí)進(jìn)行，故掃描條件遵守胸部CT掃描協(xié)議。被檢查者除去所有金屬異物及高密度物體，仰臥于掃描床正中間、雙手抬高放置于額頭，掃描參數(shù)及模式一致，掃描范圍為肺尖至第三腰椎(L3)上緣，采取吸氣末單次屏氣掃描。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，mAs自動(dòng)，像素0.78 mm2，F(xiàn)OV400 mm，螺距0.8 mm，矩陣512×512。掃描后將原始數(shù)據(jù)采用B30 medium smooth軟組織算法進(jìn)行重建，將層厚1.25 mm、層間隔1.25 mm的重建圖像Dicom格式傳輸至QCT Pro后處理工作站(Mindways Software Inc., Austin, TX, USA) 進(jìn)行腰椎BMD測(cè)量，所有患者的2次BMD測(cè)量均由同1名接受培訓(xùn)后的影像科住院醫(yī)師完成。

1.2.2設(shè)備質(zhì)控：每周在QCT Pro后處理工作站進(jìn)行相應(yīng)測(cè)量前均用QA進(jìn)行常規(guī)校準(zhǔn)，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量控制操作后再進(jìn)行BMD測(cè)量。CT掃描設(shè)備由技術(shù)人員按照CT機(jī)操作手冊(cè)按周期進(jìn)行常規(guī)質(zhì)量控制，2次掃描間隔期間未更換CT掃描儀或任何硬件設(shè)備，CT機(jī)未進(jìn)行大檢修。

1.2.3BMD測(cè)定方法：將掃描結(jié)果傳送至QCT Pro后處理工作站，應(yīng)用QCT PRO Version 6.1 軟件中“New 3 D Spine Exam Analysis”工具進(jìn)行BMD測(cè)量，根據(jù)軟件自動(dòng)程序分別對(duì)腰1、腰2(L1、L2)椎體中央松質(zhì)骨區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，將黃色十字鍵分別于橫軸位、矢狀位、冠狀位放置于椎體中央(圖1)，感興趣區(qū)(region of interest，ROI)由軟件自動(dòng)勾畫，必要時(shí)，測(cè)量者可根據(jù)受試者椎體形態(tài)手動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將ROI盡可能放置于椎體中間層面，避開骨皮質(zhì)、椎后靜脈叢、骨島等(圖2)。各椎體BMD值均由軟件自動(dòng)算出(單位mg/cm3)，并取L1、L2椎體平均值作為BMD參考值。

圖1 QCT后處理軟件QCT Pro對(duì) L1椎體進(jìn)行BMD測(cè)量示意圖(黃色十字鍵放置于椎體中央)Fig.1 The QCT post-processing software QCT Pro measures the bone density of the L1 vertebral body(The yellow cross key is placed in the center of the vertebral body)注：A：橫軸位；B：矢狀位；C：冠狀位。

圖2 QCT后處理軟件QCT Pro對(duì) L1椎體進(jìn)行BMD測(cè)量示意圖(紅圈為ROI)Fig.2 The QCT post-processing software QCT Pro measures the bone density of the L1 vertebral body注：A：橫軸位；B：矢狀位。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)公式1、2分別計(jì)算每位受試者的標(biāo)準(zhǔn)差(SD)、變異系數(shù)(CV)；總體PE用標(biāo)準(zhǔn)差的均方根(RMS-SD)和變異系數(shù)的均方根(RMS-% CV)表示(公式3、4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中Z’為預(yù)計(jì)達(dá)到的可信度水平，PE為精密度誤差，n1為初診測(cè)量次數(shù)，n2為隨訪測(cè)量次數(shù)[12,14]。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及圖表制作。采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)分析計(jì)量資料的正態(tài)性，計(jì)量資料用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 研究對(duì)象基本情況及腰椎BMD年變化率

研究對(duì)象基本情況見表1。將研究對(duì)象以5歲為一個(gè)年齡段分組后對(duì)BMD值隨增齡的變化進(jìn)行計(jì)算，BMD峰值出現(xiàn)在40～44歲、29～39歲組時(shí)，腰椎BMD每年增加約0.15 %，40歲以后平均每年下降約1.44 %(表2)。

表1 研究對(duì)象基本情況及BMD值Table.1 The basic situation and BMD value of the study

表2 腰椎每年BMD變化Table.2 BMD changes of lumbar spine every year

2.2 非同步校準(zhǔn)QCT測(cè)量腰椎BMD精密度誤差分析

使用非同步校準(zhǔn)QCT測(cè)量腰椎BMD的PE結(jié)果見表3，因骨質(zhì)疏松組樣本量較少(n=15)，不能滿足PE分析中最小自由度30[14]，故不對(duì)骨質(zhì)疏松組PE進(jìn)行分析。因本次精密度分析間隔時(shí)間較長(zhǎng)，而人體BMD值隨增齡有所變化，故整體PE結(jié)果經(jīng)年變化率對(duì)BMD值進(jìn)行校正后計(jì)算，RMS-% CV=2.57 %，RMS-SD=3.14 mg/cm3。低骨量組PE值較骨量正常組高，整體PE值介于兩者之間(圖3)。組間比較結(jié)果顯示，不同組間變異系數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而不同組間標(biāo)準(zhǔn)差差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表4)。

圖3 不同組別及總體的標(biāo)準(zhǔn)差均方根(RMS-SD)及變異系數(shù)均方根(RMS-%CV)Fig.3 The standard deviation root mean square (RMS-SD) and root mean square coefficient of variation (RMS-%CV) in different groups

表3 非同步校準(zhǔn)QCT測(cè)量腰椎BMD精密度誤差分析Table.3 Precision errors of lumbar spine measured by asynchronous calibration

表4 不同組間標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的比較Table.4 Comparison of standard deviation and coefficient of variation in different

3 討論

本研究采用526例健康體檢者的2次腰椎BMD測(cè)量值分析了非同步QCT測(cè)量腰椎BMD在較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)(約1年)的精密度誤差，初步評(píng)價(jià)了非同步QCT測(cè)量腰椎BMD的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可以為臨床醫(yī)師提供監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)程及評(píng)估療效的重要參考依據(jù)。

精密度是指以相同的方式重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在沒有實(shí)際生物發(fā)生變化的情況下再現(xiàn)相同數(shù)值結(jié)果的能力。與其他醫(yī)學(xué)參數(shù)相仿，BMD隨增齡有所變化，25歲以后，腰椎松質(zhì)骨BMD每年減少1%～2%[8]，本研究結(jié)果與之一致。因本次研究時(shí)間間隔較長(zhǎng)，對(duì)研究結(jié)果經(jīng)年變化率進(jìn)行校正，可排除BMD隨增齡變化量對(duì)PE的影響。隨后對(duì)BMD測(cè)量工具進(jìn)行長(zhǎng)期體內(nèi)可重復(fù)性評(píng)估，可初步評(píng)價(jià)其長(zhǎng)時(shí)間間隔的隨訪價(jià)值。

本研究結(jié)果(RMS-% CV=2.57%)與既往針對(duì)非同步QCT短期精密度的研究結(jié)果(RMS-% CV<3%)一致[4,15-16]，表明非同步QCT測(cè)量腰椎BMD在較長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)(約1年)具有良好的可重復(fù)性。本研究結(jié)果顯示在BMD≥ 80 mg/cm3時(shí)，隨著BMD值增高，RMS-% CV呈降低趨勢(shì)，且組間CV差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示低骨量人群BMD測(cè)量值變異度更大，因此在評(píng)價(jià)LSC時(shí)，BMD較低的椎體會(huì)有更顯著的變化，與大部分研究結(jié)果一致[9,17-18]；然而與部分結(jié)論相反[9,18]，本研究結(jié)果顯示在BMD≥ 80 mg/cm3時(shí)，RMS-SD隨著BMD值的增高而降低，但組間SD差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示SD值可能在較大的BMD值范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，用RMS-SD評(píng)價(jià)LSC時(shí)不同骨量的椎體間變異度差異可能并不顯著。

對(duì)于傳統(tǒng)QCT短期PE，本研究結(jié)果與大部分針對(duì)體內(nèi)短期PE的研究結(jié)果(RMS-% CV為1.8%～4.0%)一致[10,19-20]，較使用歐洲腰椎體模的短期精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果(大部分RMS-% CV<1%)高[9,17,21]，其原因可能包括本次研究基于人體，而25歲后椎體BMD會(huì)緩慢降低[8]；將本次PE值與基于歐洲腰椎體模得出的結(jié)果比較時(shí)，部分掃描參數(shù)如X射線管電壓和電流、螺距、機(jī)架轉(zhuǎn)速、探測(cè)器配置、床高及重建算法等不一致，造成PE結(jié)果出現(xiàn)差異。據(jù)Michael Bligh等[21]報(bào)道，當(dāng)不對(duì)掃描參數(shù)進(jìn)行控制時(shí)，包括探測(cè)器配置不同、患者重新定位、掃描床高度及速度的變化、X射線管電流和轉(zhuǎn)數(shù)的變化、重建算法的不同等都會(huì)引起PE的變異。ISCD指出，QCT測(cè)量脊柱松質(zhì)骨的PE值范圍為1.3%～2.4%[8]。本研究結(jié)果誤差稍大的原因可能包括在一年的間隔時(shí)間內(nèi)，局部溫濕度對(duì)儀器的影響、探測(cè)器的漂移、設(shè)備機(jī)械損耗等因素。既往研究[21]報(bào)道，在X線管溫度較低時(shí)測(cè)得的CV值幾乎是在較高溫度時(shí)測(cè)量的3倍。

LSC指發(fā)生真正生物學(xué)改變的最小BMD變化量，臨床醫(yī)師可以通過LSC值判斷初診BMD值與隨訪BMD值之間差異是否具有臨床生物學(xué)意義，從而判斷患者的治療成效[11]。本研究以RMS-SD=3.14 mg/cm3計(jì)算得到的LSC-SD=8.70 mg/cm3，提示只有當(dāng)BMD變化量超過(增加或減少)8.70 mg/cm3時(shí)，其變化才具有意義，據(jù)此可評(píng)估治療療效。

當(dāng)然，本研究也存在一定的不足之處。納入樣本范圍為60歲以下成年人，處于骨質(zhì)疏松組的樣本量較少(n=15),僅占本次所有樣本量的2.9 %。且較多既往研究[22-23]指出，骨質(zhì)疏松病人的BMD年變化率較低骨量及正常骨量者高，骨量低的人群較骨量高的人群精密度誤差大，故本研究結(jié)果可能會(huì)在一定程度被低估，在未來(lái)研究中可增加骨質(zhì)疏松組樣本量進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。

綜上所述，本研究觀察的非同步校準(zhǔn)QCT測(cè)量腰椎骨密度的長(zhǎng)期體內(nèi)可重復(fù)性好，精密度高，可用于臨床隨訪觀察；低骨量人群骨密度變異度較骨量正常的人群高，骨密度較高的人群具有更好的可重復(fù)性。