不同劑量下重建矩陣對(duì)定量CT椎體骨密度測(cè)量值的影響

王旭,劉磊,劉義軍,李貝貝,童小雨,陳安良

脆性骨折是骨質(zhì)疏松癥的主要并發(fā)癥,可直接致殘,嚴(yán)重影響患者的生活和工作質(zhì)量。流行病學(xué)調(diào)整顯示50歲以上人群中骨質(zhì)疏松癥的患病率高達(dá)19.2%[1]。肺癌為肺部最常見(jiàn)的惡性腫瘤,發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢(shì)[2]。不論是需要接受骨質(zhì)疏松癥還是肺癌篩查的患者,多為50歲及以上年齡的人群,且在很大程度上存在重疊。而高達(dá)70%的符合條件的患者未接受骨密度(bone mineral density,BMD)篩查,使得僅有10%～22%的骨質(zhì)疏松癥患者接受了適當(dāng)?shù)闹委焄3]。一站式胸部低劑量(low dose,LD)CT掃描聯(lián)合定量CT(quantitative computed tomography,QCT)骨密度篩查是近年來(lái)的研究熱點(diǎn),可改善目前我國(guó)骨質(zhì)疏松癥檢出率低下的困境,已有相關(guān)研究報(bào)道[4,5]。

人體骨密度隨時(shí)間呈相對(duì)緩慢的變化,它是監(jiān)測(cè)骨質(zhì)疏松的重要指標(biāo),因此獲得準(zhǔn)確的BMD測(cè)量結(jié)果具有重要的臨床意義。圖像采集參數(shù)和重建方法的選擇都可能影響骨密度測(cè)量的準(zhǔn)確性,已有學(xué)者對(duì)于層厚、重建算法和卷積核等參數(shù)對(duì)BMD測(cè)量的的影響進(jìn)行了研究[6]。QCT標(biāo)準(zhǔn)檢查方案中推薦常規(guī)采用矩陣512×512進(jìn)行圖像重建,而對(duì)于胸部則建議采用1024×1024的大重建矩陣以利于對(duì)肺結(jié)節(jié)的顯示和觀察,但目前對(duì)矩陣變化是否會(huì)影響B(tài)MD測(cè)量值尚未見(jiàn)報(bào)道。因此,本研究中基于具有BMD標(biāo)定值的標(biāo)準(zhǔn)歐洲脊柱體模(European spine phantom,ESP),分析不同重建矩陣對(duì) QCT骨密度測(cè)量準(zhǔn)確性的影響,并通過(guò)臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,旨在探討大重建矩陣LDCT圖像用于骨密度測(cè)量的可行性。

材料與方法

1.基于體模的研究方法

采用仿真ESP(編號(hào)145,德國(guó)ORM公司),此標(biāo)準(zhǔn)體模主要由環(huán)氧樹(shù)脂和羥基磷灰石(hydroxyapatite,HAP)等成分構(gòu)成,其對(duì)X射線的衰減相當(dāng)于水和HAP的混合物。ESP內(nèi)包含3種密度(50、100和200 mg/cm3)的仿真松質(zhì)骨插件,分別記作V1、V2和V3(圖1)。校準(zhǔn)體模使用Mindways公司的Model 4(圖2)。

使用聯(lián)影uCT760掃描機(jī),分別采用常規(guī)劑量(150 mAs)和低劑量(30 mAs)對(duì)ESP進(jìn)行掃描,其它掃描參數(shù):120 kVp,準(zhǔn)直寬度40 mm,螺距0.9875,轉(zhuǎn)速0.5 s/r,層厚5 mm,矩陣512×512,視野500 mm×500 mm,Karl 5級(jí)(keep artifact really low)迭代重建算法,床高的設(shè)置,使得ESP中心位于掃描野的中心為準(zhǔn)。每一劑量水平對(duì)ESP重復(fù)掃描10次。同時(shí)掃描QCT校準(zhǔn)體模Model 4,對(duì)骨密度測(cè)量工作站上的QCT Pro軟件進(jìn)行校準(zhǔn),保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖像重建:重建層厚及層間距均為1 mm,卷積核B_SOFT_B,顯示視野同掃描視野,重建矩陣分別采用512×512(同掃描矩陣)、768×768和1024×1024。

3.骨密度測(cè)量

將2個(gè)劑量組的6組重建圖像傳輸至骨密度測(cè)量工作站(Model 4 QCT pro v6.1),在橫軸面圖像中分別選取3個(gè)仿真椎體的中間層面(密度較均勻處),于椎體骨松質(zhì)前2/3的區(qū)域內(nèi)勾畫(huà)ROI,并設(shè)定容積感興趣區(qū)(volume of interest,VOI)的高度為9 mm(圖3)。每一椎體的骨密度值測(cè)量3次,計(jì)算均值作為該椎體的骨密度值。按照公式(1)計(jì)算相對(duì)誤差(relative error,RE)來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量的準(zhǔn)確性[7]:

圖3 QCT骨密度測(cè)量VOI示意圖。a)V1橫軸面圖像;b)V2橫軸面圖像;c)V3橫軸面圖像;d)V1矢狀面圖像;e)V2矢狀面圖像;f)V3矢狀面圖像。

(1)

2.臨床研究

回顧性分析 2022年1～6月在本院行胸部CT檢查患者的90例患者的臨床和CT資料。其中,行胸部HRCT和LDCT檢查的患者各45例。HRCT組:男28例、女17例,年齡42～80歲,平均60.6歲;LDCT組:男24例、女21例,年齡29～69歲,平均45.4歲。

納入標(biāo)準(zhǔn):①胸部CT檢查資料完整;②檢查時(shí)患者配合較好,胸部CT圖像上無(wú)明顯呼吸和運(yùn)動(dòng)偽影。排除標(biāo)準(zhǔn):①胸部有金屬植入物;②椎體有明顯骨質(zhì)增生、嚴(yán)重退行性變或畸形;③有骨質(zhì)代謝性疾病,如風(fēng)濕類疾病和內(nèi)分泌疾病等。

本研究為回顧性分析,經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn),免除了患者知情同意書(shū)。

使用聯(lián)影uCT760掃描機(jī)完成胸部HRCT和LDCT掃描,掃描范圍為胸廓入口水平至膈肌水平,于吸氣末屏氣完成掃描。HRCT掃描參數(shù):120 kVp,150 mAs,關(guān)閉自動(dòng)劑量調(diào)節(jié);LDCT掃描參數(shù):120 kVp,自動(dòng)管電流,劑量調(diào)制1級(jí)(最低,參考管電流65 mAs);其它掃描參數(shù)同ESP掃描。圖像重建:重建層厚及層間隔均為1 mm,卷積核B_SOFT_B,顯示視野500 mm×500 mm,重建矩陣分別為512×512(同掃描矩陣)和1024×1024。

將重建圖像傳至骨密度測(cè)量工作站(Model 4 QCT pro v6.1),由兩位醫(yī)師分別獨(dú)立完成椎體BMD的測(cè)量。選取Th12和L1椎體中間層面上密度較均勻、無(wú)異常密度的骨松質(zhì)區(qū)域作為測(cè)量區(qū)域,VOI高度為9 mm,以包含盡可能多的骨松質(zhì),同時(shí)需注意避開(kāi)骨島及椎體后靜脈叢等區(qū)域。測(cè)量完成后,參考骨質(zhì)疏松診斷標(biāo)準(zhǔn)(<80 mg/cm3為骨質(zhì)疏松,80～120 mg/cm3為骨量減低,>120 mg/cm3為骨量正常)對(duì)患者的骨質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行判定。

3.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示,采用單因素方差分析比較不同重建矩陣之間ESP內(nèi)各椎體骨密度測(cè)量值的RE;相同矩陣下150 mAs和30 mAs之間椎體骨密度值的RE的比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。兩位醫(yī)師測(cè)量的患者椎體骨密度值的一致性分析采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù) (intraclass correlation coefficient,ICC),若一致性較好,則采用標(biāo)準(zhǔn)差較小的一組數(shù)據(jù)用于后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析。不同矩陣下測(cè)量的患者椎體骨密度值的比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.體模研究

150 mAs和30 mAs兩種劑量水平下不同重建矩陣圖像上V1、V2、V3及V平均骨密度RE值的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);所有椎體骨密度值的RE均為正值,誤差范圍為3%～8%,詳見(jiàn)表1。相同重建矩陣150 mAs與30 mAs之間骨密度值RE的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見(jiàn)表2。

表1 兩種劑量水平下不同重建矩陣之間ESP椎體骨密度RE值的比較

表2 相同重建矩陣150mAs 組與30mAs 組ESP椎體骨密度值RE的比較

2.臨床研究

兩位醫(yī)師在各組圖像(2種矩陣、2個(gè)椎體)上測(cè)量的椎體骨密度值的一致性均較好(ICC值=0.978～0.990>0.75)。

重建矩陣分別為512×512和1024×1024的HRCT圖像上,Th12、L1椎體和椎體平均BMD值的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),詳見(jiàn)表3和圖4。

表3 HRCT和LDCT圖像上不同重建矩陣下各椎體BMD值的比較 /mg/cm3

圖4 HRCT和LDCT圖像上大、小重建矩陣(512×512 vs.1024×1024)下測(cè)量的患者Th12和L1椎體的BMD值及Th12與L1椎體平均BMD值的箱式圖。A、B組分別代表大、小矩陣下Th12椎體BMD測(cè)量值;C、D組分別代表大、小矩陣下L1椎體BMD測(cè)量值,E、F組分別代表大、小矩陣下Th12與L1椎體的平均BMD值。a)HRCT圖像;b)LDCT圖像。

重建矩陣分別為512×512和1024×1024的LDCT圖像上,Th12、L1和椎體平均BMD值的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),詳見(jiàn)表3和圖4。

HRCT中骨質(zhì)疏松患者占比為8.88%(4/45),LDCT中骨質(zhì)疏松患者占比為2.22%(1/45)。

討 論

骨密度的主要測(cè)量方法為雙能X射線吸收測(cè)量法(dual energy X-ray,DXA)和定量CT(quantitative computed tomography,QCT),但QCT為容積掃描數(shù)據(jù),可以消除DXA骨密度測(cè)量中解剖結(jié)構(gòu)重疊等因素的影響,使得骨密度測(cè)量的準(zhǔn)確性更高,同時(shí)可對(duì)椎體形態(tài)進(jìn)行三維立體觀察[8]。與DXA相比,QCT掃描的輻射劑量偏高,除調(diào)整掃描參數(shù)降低單次檢查的輻射劑量外,機(jī)會(huì)性利用影像數(shù)據(jù)進(jìn)行骨密度QCT檢查可減少患者輻射暴露,是另一可行的方向。隨著LDCT在肺癌篩查中的應(yīng)用越來(lái)越多,國(guó)內(nèi)外均有研究表明低劑量胸部CT聯(lián)合QCT骨密度測(cè)量一站式檢查具有良好的應(yīng)用前景,為在高危人群中篩查骨量減少和骨質(zhì)疏松提供了一種經(jīng)濟(jì)和安全的替代策略[9,10]。

但胸部CT檢查除需對(duì)結(jié)節(jié)檢出外,還需要結(jié)合形態(tài)學(xué)征象對(duì)結(jié)節(jié)良惡性進(jìn)行評(píng)估,臨床常采用大矩陣以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率圖像的重建[11]。而矩陣的變化對(duì)骨密度測(cè)量結(jié)果是否存在影響,尚不可知。因此本研究中基于常用于骨密度測(cè)量?jī)x器標(biāo)準(zhǔn)化和相互校準(zhǔn)的專業(yè)體模ESP(其內(nèi)含有不同密度的椎體模擬插件,其密度的設(shè)定兼顧了所有年齡組骨松質(zhì)及骨皮質(zhì)的生理特點(diǎn)),來(lái)探討不同重建矩陣對(duì)骨密度測(cè)量的影響,并進(jìn)一步利用患者胸部影像數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

體模掃描采用150 mAs和30 mAs兩種劑量水平,盡可能地模擬臨床應(yīng)用環(huán)境。其中,150 mAs與臨床上胸部HRCT掃描時(shí)的管電流值一致;30 mAs為中華醫(yī)學(xué)會(huì)推薦的肺癌篩查的掃描參數(shù)[12]。但在臨床工作中,因患者的個(gè)體差異較大,而且為了保證肺尖等部位能獲得與肺部其它部位基本相同的圖像質(zhì)量,通常在LDCT掃描時(shí)采用自動(dòng)管電流調(diào)制技術(shù)。對(duì)ESP進(jìn)行掃描時(shí),由于其內(nèi)插件的密度為已知值,因此采用RE來(lái)評(píng)估測(cè)量值與真實(shí)值之間的差異。本研究結(jié)果顯示兩種劑量水平下,采用不同重建矩陣時(shí)V1、V2、V3及V平均骨密度值RE的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),表明重建矩陣的變化不會(huì)影響骨密度的測(cè)量。筆者分析原因?yàn)榫仃嚨脑龃笾皇鞘瓜袼販p小,圖像的空間分辨率提高,但組織的CT值并未發(fā)生改變,而骨密度的測(cè)量和計(jì)算是基于椎體CT值來(lái)?yè)Q算的。本研究中椎體測(cè)量的相對(duì)誤差范圍為3%～8%,在允許的偏差范圍之內(nèi),甚至更低[13],表明不同重建矩陣的圖像均可獲得較準(zhǔn)確的骨密度測(cè)量結(jié)果,均可滿足臨床的需求。相同重建矩陣不同劑量水平下,ESP內(nèi)V1、V2、V3及V平均骨密度測(cè)量值的RE的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),說(shuō)明管電流的改變不會(huì)影響骨密度測(cè)量的準(zhǔn)確性,與蔣耀軍等[14]的研究結(jié)果基本一致,這也表明HRCT和LDCT數(shù)據(jù)均可用于骨密度的測(cè)量,在臨床實(shí)踐中均可應(yīng)用于機(jī)會(huì)性骨質(zhì)疏松癥的篩查。

目前推薦在L1和L2椎體處進(jìn)行骨密度的測(cè)量來(lái)反映患者的骨質(zhì)狀態(tài)[15],但當(dāng)L1或L2椎體出現(xiàn)骨折、腫瘤、硬化癥或囊腫等病變時(shí),Th12椎體的骨密度也可作為參考值[5]。姜文蓁等[16]研究表明測(cè)量下段胸椎的骨密度也可用于診斷骨質(zhì)疏松,Th12和L1椎體的BMD對(duì)骨質(zhì)疏松診斷效能最高。因此本研究中測(cè)量了患者T12和L1椎體的骨密度值來(lái)驗(yàn)證體模研究的結(jié)果,臨床研究結(jié)果與體模研究結(jié)果一致。由于1024×1024矩陣的像素點(diǎn)數(shù)目是512×512矩陣的4倍,也明顯高于768×768,因而能更清楚地顯示肺組織的精細(xì)結(jié)構(gòu),對(duì)肺內(nèi)結(jié)節(jié)的診斷準(zhǔn)確性更高,故其在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用也更為廣泛。也因此,本研究中并未選取768×768矩陣進(jìn)行分析和研究。同時(shí)本研究結(jié)果顯示,HRCT圖像上測(cè)量的椎體平均骨密度值明顯低于LDCT,這可能與兩組患者的年齡有關(guān),因接受HRCT掃描的多為肺內(nèi)疑似惡性結(jié)節(jié)的而需進(jìn)行隨診復(fù)查的患者,年齡偏大,相應(yīng)的存在骨質(zhì)疏松的患者占比也更高。本研究中兩種掃描方式下均篩查出骨質(zhì)疏松癥患者,提示利用胸部影像數(shù)據(jù)開(kāi)展骨質(zhì)疏松癥篩查是非常有必要的。

本研究的局限性:同一臺(tái)CT設(shè)備的掃描矩陣是固定不變的,僅對(duì)單一設(shè)備的不同重建矩陣進(jìn)行了分析,不同設(shè)備間掃描矩陣的橫向比較需進(jìn)一步分析。

綜上所述,重建矩陣的改變并不會(huì)影響椎體骨密度的測(cè)量。胸部不同劑量水平下常規(guī)重建矩陣和大重建矩陣獲得的圖像均可用于機(jī)會(huì)性骨質(zhì)疏松癥的篩查,臨床上行HRCT掃描的患者骨質(zhì)疏松癥的患病率較高,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該類人群。