雙源CT雙能定量掃描測量骨密度的臨床研究

蔣寶國 黎秋菊 陳曉朝 宣 揚

(中國醫科大學附屬第四醫院放射科，遼寧 沈陽 110032)

骨密度(bone mineral density，BMD)是指單位體積骨組織內骨礦物質的含量，能夠準確反映骨組織的數量，因此目前臨床上用于引起骨質變化的相關疾病的診斷及評價治療效果〔1，2〕。目前臨床上常用的 BMD測量方法主要有雙能 X線BMD測量法(Dual Energy X-ray Absorptiometry，DEXA)及單能定量 CT 測量法(Single Energy Quantitative CT，SEQCT)〔3〕，但兩種方法均存在缺陷，其測量值與真實值之間存在較大的誤差。理論上最理想的BMD測量方法應該是雙能定量CT法(Dual Energy quantitative CT，DEQCT)〔4〕，本研究在充分認識雙能BMD測量原理的基礎上，設計開發出應用于西門子雙源CT(dual source CT，DSCT)的雙能BMD測量軟件，對正常成人腰椎進行DEQCT、SEQCT測量，對比這兩種測量方法的優缺點。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 DSCT雙能軟件的設計開發 根據CT值測量的原理，按照椎體松質骨五種組成成分(骨礦物質，膠原，水，脂肪和紅骨髓)所占比例不同分別進行計算，并結合不同成分對不同能量X線的衰減系數不同由東北大學中荷生物醫學與信息工程學院設計開發出應用于西門子DSCT的雙能BMD測量軟件。

1.1.2 實驗對象 選取100例健康者(體檢正常，血鈣、磷、堿性磷酸酶及肝功正常，尿常規及尿糖正常，無甲旁亢、腎及腎上腺疾患，未服用類固醇激素)。男50例，女50例，年齡21～70歲。分為5個年齡組:21～30歲，31～40歲，41～50歲，51～60歲，61～70歲，每組男女各5例。

1.2 方法

1.2.1 CT掃描方法及掃描參數 使用西門子Somatom Definition 64層DSCT。雙能掃描參數:A球管140 kV，70 mAs，B球管 80 kV，297 mAs，準直器寬度 1.2 mm，螺距 0.9，融合參數0.3，重建層厚5 mm，重建函數 D70f;單能掃描參數:120 kV，120 mAs，準直器寬度1.2 mm，重建層厚5 mm，重建函數 D70f。

1.2.2 掃描方法 首先進行單能方法掃描，將單能運算體模(東北大學自行研制)置于志愿者腰部后方，同志愿者一起掃描;每一志愿者均只掃描第四腰椎，然后去除運算體模，進行雙能方法的掃描。掃描結束后將圖像統一重建厚度為3 mm，每一椎體重建圖像為5幅。

1.2.3 測量方法

1.2.3.1 DEQCT測量方法 將重建后的每一志愿者腰椎雙能掃描圖像載入自行設計的雙能BMD測量軟件中，分別測量椎體中心部的BMD，取平均值。見圖1。

1.2.3.2 SEQCT測量方法 將重建后的志愿者腰椎椎體與運算體模同時掃描的單能掃描圖像載入東北大學設計開發的單能BMD測量軟件中，記為單能體模法，分別測量目標體模中心部的BMD值，然后取平均值。

1.3 統計學分析 應用SPSS13.0統計軟件，采用t檢驗對以上兩種測量方法所得的各組數據進行統計學處理。

圖1 雙能軟件截圖

2 結果

應用DEQCT及SEQCT測量法所測得正常成人BMD均與年齡明顯相關，其水平以21～30歲最高，且女性BMD高于男性;41～50歲后男性高于女性。另外從測量結果還可以看出，DEQCT與SEQCT測量法相比，其測得的數值較大，每一年齡組間所測均值的差別均具有統計學意義(P＜0.05)。見表1。

表1 兩種測量方法測量不同年齡段、不同性別第四腰椎BMD值比較(x ± s，mg/cm3)

3 討論

腰椎是骨質疏松最早受累和最常見的部位，椎體的主體幾乎都是由松質骨組成，其代謝轉換率是皮質骨的8倍，骨量變化可早期出現，因此臨床上多測量腰椎BMD來判定是否存在骨質疏松。目前臨床上應用較為廣泛的測量BMD的方法主要是 DEXA 及 SEQCT，而兩者均存在一定的缺陷〔5，6〕。DEXA 所測得的骨礦物質密度為掃描區內所有骨的總和，是二維投影，X線所經過的范圍內所有結構都包括在內，因此容易造成誤差。QCT所測的是真正意義上的體積BMD(g/cm3)，完全排除了骨大小的影響，還可以區分松質骨和皮質骨的BMD，并且可以更加準確地進行幾何形態學參數的測量。松質骨的主要組成成分為骨礦物質、膠原、水、脂肪和紅骨髓，SEQCT方法不能分離出松質骨中其他成分(主要是脂肪)對測量結果的影響〔6〕，即SEQCT將松質骨中脂肪、膠原等同于水，而忽略了這兩種成分對BMD的影響。理論上骨內脂肪、膠原基質及骨周圍的軟組織導致SEQCT測量BMD的誤差可通過DEQCT掃描的方法補償。雙能方法早在九十年代就被提出，但由于CT設備的限制，單源CT進行雙能掃描時需行2次掃描，因此受到圖像配準的影響，而且操作較為繁瑣，同時也沒有開發出相應的軟件，所以一直未能受到重視。2005年，西門子公司開發出新的雙源CT，這種CT采用兩種能量同時掃描的方式為BMD的測量開辟了新的方向〔7〕。

本次實驗DEQCT法測量與SEQCT所測BMD值均與年齡具有明顯的相關性，即在21～30歲時為BMD的峰值年齡，隨著年齡的增長BMD值逐漸下降。但是，兩種測量方法在每一年齡段所測的BMD值卻存在一定的差異，DEQCT法所測值均高于SEQCT法。理論上，雙能方法的測量結果更接近人體椎體BMD的真實值。臨床上常用的SEQCT的基本原理是〔8，9〕:利用CT掃描層面內的每個小單元(即體素)可獲得系列的X線吸收系數，經數學運算，可得到每一體素的X線吸收值，從而構成一個數字矩陣，每一體素的吸收值(U)，與水的吸收值(U水)相減，再除以水的吸收系數所得的商乘以1 000，即為某物質的CT值，故其CT值=〔(U－U水)/U水〕×1 000〔4〕。測量時，被測體與已知濃度的羥基磷灰石參考體模同時掃描，可得掃描層面上需要測量區域的CT值(設為Hb)和同時掃描的參考體模的CT值(設為HK)，參考體模內的標準水的CT值(設為Hw)，則該測量區域的BMD(設為Db)的計算方法:Db=〔(Hb－Hw)/HK －Hw〕×Ck(g/cm3)〔5〕，其中 Ck為已知參考體模羥基磷灰石濃度。本文前期應用DEQCT軟件進行的離體豬脊骨及體模測量實驗都證明DEQCT測量方法所測BMD值較SEQCT法更接近離體豬脊骨的灰重密度及體模的實際鈣鹽密度。盡管目前SEQCT臨床上應用較多，但是由于其設計原理上的缺陷，必然會導致測量值不夠準確。另外，SEQCT在測量時需要同時應用運算體模，而不同的廠家生產的運算體模均不同程度存在誤差，即運算體模制作過程中體模中的不同濃度的鈣鹽含量值不準確，導致測量值的誤差。

DEQCT對BMD的測量考慮了松質骨中各種成分對BMD的影響，而且不需要臨床常用的SEQCT必需的運算體模，因此測量結果不受運算體模的影響，測量結果更為穩定可靠。同時，在軟件的設計過程中，考慮到CT掃描儀管球輸出功率可能存在偏倚，因此在測量每一幅圖像時，本文采用脂肪定標的方法，即根據脂肪對X線的經驗衰減值，反過來計算出管球實際的輸出能量，這樣保證每次的測量結果不受管球輸出能量偏倚的影像。

雖然由于雙源CT設備的普及率較低，以及受檢者接受的輻射劑量較高，該方法尚不能向DEXA那樣適用于大量人群骨質疏松的篩查，但是設想隨著設備的普及以及CT掃描方法的優化，該方法定會受到臨床的廣泛重視。總之，DEQCT測量方法改進了目前臨床上常用的測量方法的不足，能夠為臨床提供較SEQCT方法更為精確的BMD測量值。

1 肖建德.實用骨質疏松學〔M〕.北京:科學出版社，2004:3.

2 Nguyen TV，Pocock N，Eisman JA.Interpretation of bone mineral density measurement and its change〔J〕.J Clin Densitom，2000;3(2):107-19.

3 Gnudi W，Sitta E，Fiumi N.Bone density and geometry in assessing hip fracture risk in post-menopausal women〔J〕.Br J Radiol，2007;80(959):893-7.

4 Nickoloff EL，Feldman F，Atherton JV.Bone mineral assessment:new dual-energy CT approach〔J〕.Radiology，1988;168:223-8.

5 段云波.骨量、骨大小、骨密度和骨結構〔J〕.中國骨質疏松雜志，2000;6(2):64-72.

6 Cann CE.Quantitative CT for determination of bone mineral density:a review〔J〕.Radiology，1988;166:509-22.

7 Flohr TG，McCollough CH，Bruder H，et al.First performance evaluation of a dual-source CT(DSCT)system〔J〕.Eur Radiol，2006;16:256-68.

8 顧本立，王志宏.定量CT測定骨礦物含量的雙能量方法〔J〕.中國生物醫學工程學報，1994;13(2):156-62.

9 徐均超.骨密度CT測量〔J〕.中國臨床醫學影像雜志，1993;4(1):8-11.