快速千伏切换能谱CT与QCT测定羊椎体骨密度的相关性及一致性研究

陈民 张艳 袁慧书

北京大学第三医院放射科，北京 100191

骨质疏松是中老年人常见疾病，以骨量下降和骨组织微观结构的退变为特点[1]。目前，WHO推荐的骨质疏松诊断方法仍为双能X线吸收法(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)测定的骨密度(bone mineral density，BMD)，美国放射学会也推荐定量CT(quantitative computed tomography，QCT)作为部分情况下(如严重退行性变、脊柱侧弯等)骨密度测量的首选影像学诊断方法[2]。但DXA检查需要特殊设备，且测量受到重叠因素的影响大，QCT测量也需要特定的体模及后处理软件，因此，均具有一定的局限性。能谱CT可通过物质分离技术进行骨松质骨密度的测量，相较于QCT测量，该方法更简便、更易推广，近年来也逐渐受到关注。本研究旨在利用羊椎体标本评价快速千伏切换能谱CT物质分离技术测定的骨松质骨密度与QCT测定的骨密度的一致性，为能谱CT测定骨密度的进一步应用提供依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

从市场购买3副新鲜羊椎体，共23个椎体，带少量椎旁软组织。

1.2 检查设备与扫描条件

能谱扫描与QCT扫描均在64排能谱CT(Revolution CT, GE Healthcare, USA)进行。能谱扫描使用Revolution能谱CT的GSI扫描模式，扫描条件为140 kVp和80 kVp瞬时切换，固定管电流230 mAs，螺距0.516 mm，转速0.8 s/r，探测器宽度40 mm，CTDIvol为14.06mGy。QCT扫描按标准QCT扫描条件进行，固定管电压为120 kVp，管电流400 mAs，螺距0.984 mm，转速0.5 s/r，探测器宽度40 mm，CTDIvol 为13.82mGy。扫描时将QCT体模(Mindways, Texas, USA)放置在羊椎体骨正下方。同一副羊椎体骨的能谱扫描与QCT扫描在同一天进行。

1.3 骨密度测量

图1 QCT骨密度测量ROIFig.1 ROI of BMD measurements on QCT images

图2 能谱扫描HAP(水)图及测量ROI示意图Fig.2 ROI of HAP density measurements on HAP (water) images derived from the dual-energy scan

利用QCTpro软件(Mindways Software Inc., USA)进行QCT骨密度分析。分析区域为椎体中部骨松质，感兴趣区(region of interest, ROI)为高度恒定(7 mm)的圆柱形区域，研究者在轴位图像上手动绘制，并在冠状位及矢状位图像上进行调整，注意避开椎体静脉丛、骨岛等区域，如图1所示。利用GE AW4.6工作站GSI模块中的物质分离方法进行能谱扫描图像的骨密度测量，如图2所示。选用HAP(水)基物质对羟基磷灰石(hydroxyapatite, HAP)关系，测量椎体骨松质的HAP含量(即骨密度[3])。能谱骨密度测量的ROI参照QCT测量的ROI进行绘制，并在连续十个轴位图像上测量取平均值。两次测量尽量保持感兴趣区一致。1.4统计学处理

应用Pearson相关性检验分析两种方法测量结果的相关性，应用配对样本t检验分析两种方法测量结果平均值是否有差异，并应用组内相关系数、Bland-Altman图分析二者的一致性。所有统计学分析在SPSS 20.0统计学软件上进行，P<0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两种方法骨密度测量结果及相关性

QCT骨密度测量的平均ROI大小为(78.7±19.5)mm2，能谱扫描骨密度测量的平均ROI大小为(80.0±21.1)mm2，两方法测量的ROI大小无统计学差异(t=-1.127,P=0.291)。QCT测得的椎体骨密度值范围为(136～486)mg/cm3[(321.3±123.6) mg/cm3]，能谱扫描测得相应区域骨密度值为(128～419)mg/cm3[(286.7±103.8) mg/cm3]，能谱CT测得的骨密度平均值显著低于QCT(t=6.416,P<0.001)。能谱扫描测得的骨密度值与QCT扫描测得的骨密度值呈高度线性相关(r=0.989,P<0.001)。QCT与能谱CT骨密度测量结果及统计学分析详见表1。

表1 QCT与能谱CT骨密度测量结果比较(n=23)Table 1 Comparison between BMD measurements derived from QCT and dual-energy CT (n=23)

2.2 两种方法骨密度测量结果的一致性评价

两种方法测量骨密度的组内相关系数(interclass correlation coefficient, ICC)为0.974(P<0.001)，提示两种测量测一致性好。

Bland-Altman法是评价两种测量方法一致性的可靠方法[4]。由于两种方法测量结果的差值与测量的平均值呈显著正相关(r=0.747,P<0.001)，因此，对原始数据取对数后[4-5]，用Bland-Altman法对两种方法的测量结果进行一致性分析。以每个椎体两种方法测得的骨密度常用对数的平均值为横坐标，以二者常用对数的差值为纵坐标，并以差值的均数±1.96倍差值的标准差(SD)为一致性界限，绘制Bland-Altman图(图3)。骨密度对数的差值均数为-0.0442，SD为0.03138，标准误(SE)为0.00654，一致性区间(LoA)范围为(-0.1057，0.0173)，LoA的95%置信区间为(-0.1289～0.0040)，通过反对数变换后，得到两种方法骨密度测量LoA范围为(-1.276～1.041)mg/cm3的置信区间为(-1.346～1.009)mg/cm3。如图所示，两种方法测得的骨密度对数的差值绝大部分位于一致性界限内，一致性界限的置信区间无临床意义，提示二者测量一致性好。

图3 快速千伏切换能谱扫描与QCT测量羊椎体骨密度对数变换后的一致性Bland-Altman图(图导出自SPSS，参考线为作者添加)Fig.3 Bland-Altman plot of log-transformed BMD measurements derived from Rapid-kilovoltage-switching dual-energy CT and QCT (Derived from SPSS software, with reference lines added by the authors)

3 讨论

骨质疏松是危害中老年人健康的常见疾病，其最严重的并发症为骨折，极大影响老年人的生活质量。骨密度测量是骨质疏松诊断、骨折风险预测、治疗效果评价的重要指标，因此，如何更准确便捷的进行骨密度测量是近年来的研究热点。

能谱CT能将物质的X线吸收系数转化为任意两种基物质的吸收系数，并达到与该物质相同的衰减效应。因此，根据已知能量水平的某基物质吸收系数，就可评价出该基物质的密度及空间分布，从而实现物质组成成分的初步分析及物质分离[6]。因骨矿质的主要成分为HAP，因此，可以用HAP含量代表骨密度，并用HAP(水)作为基物质对进行骨HAP含量的测量。QCT在目前广泛应用的在体骨密度测量方法中最为准确，因此，本研究将能谱CT测量的骨密度与QCT测量的骨密度进行比较。

本研究的测量结果中，能谱测得的骨密度值显著低于QCT测得的相同骨松质区域的骨密度值，这与张进等[7]对羊骨标本的研究结果相反，即能谱测得的骨密度显著高于QCT测得的骨密度值。这主要是因为本研究与张进等能谱分析使用的基物质对不同。本研究中采用GSI物质分离技术中HAP(水)这一基物质对进行骨密度的分析，而张进等的研究中采用Ca(水)作为基物质对，测得骨钙含量后换算成HAP含量。笔者对本研究中能谱分析的骨松质区域的Ca(水)含量进行了记录，并按照张进等的方法换算为HAP含量，得到的骨密度平均值为(338.2±122.6)mg/cm3，显著高于QCT骨密度结果(t=-4.505，P<0.001)，与其研究结果一致。这也表明，通过Ca(水)基物质对换算得到的骨HAP含量与应用HAP(水)基物质对直接分析得到的HAP含量并不能相互替代。

本研究中能谱CT物质分离技术测得的骨密度值低于QCT相应区域的测量结果，这与Mei等[8]、Hofmann等[9]的测量结果一致。QCT骨密度的在体测量受到椎体脂肪含量的影响[10]。而能谱物质分离技术以HAP(水)为基物质进行骨密度的测量，但实际椎体成分较为复杂，不仅包括HAP、水，也包括脂肪、胶原基质等其他物质，能谱物质分离测定的HAP含量也受到椎体内其他物质的影响。因此，QCT与能谱CT测得的骨密度值均不是完全真实的骨密度值。张进等[7]将QCT骨密度测量结果、能谱骨密度测量结果分别与骨煅烧后的灰重密度进行比较，认为能谱CT测量的骨密度值更接近真实骨密度。二者对于骨质疏松诊断、骨折风险预测的价值仍需要进一步的对比研究。

能谱CT物质分离方法(HAP-水)测得的骨松质骨密度与QCT测得的骨密度呈高度线性相关，且两种测量的组内相关系数高，与Mei等[8]的研究结果一致，表明快速千伏切换能谱物质分离方法测定的骨松质骨密度能够进行骨密度的评价。但能谱CT测得的骨密度值与QCT测得的骨密度值不完全相同，表明QCT对骨质疏松的诊断标准不能直接应用于能谱CT测量的骨密度值，还需要在体、更大数量的研究。

本研究具有一定的局限性。第一，QCT测得的骨密度并非骨密度的真实值，因此，本研究不能判断能谱CT测得的骨密度是否与骨密度的真实含量一致。第二，QCT测量与能谱CT测量的ROI均为手动放置，虽为同一研究者放置且尽量保持一致，但ROI并非绝对一致，这对两种方法测量结果的一致性也会产生一定的影响。第三，羊骨标本的平均骨密度值明显高于人椎体的骨密度值，因此，对羊骨标本应用两种方法测量分析的结果与对人椎体进行测量分析的结果不一定完全一致，但仍需人椎体标本或在体研究进一步证实。此外，本研究为体外研究，所使用的能谱CT扫描辐射剂量较高，降低能谱扫描测定骨密度的辐射剂量也是未来的研究方向之一。

4 小结

综上所述，本研究通过对羊椎体标本进行能谱CT及QCT扫描，并分别测量同一部位骨松质的骨密度，发现快速千伏切换能谱CT物质分离技术测定的羊椎体骨密度与QCT测定的骨密度的一致性及相关性好，有望用于临床患者骨密度的评价及随访。