骨密度量值溯源系統(tǒng)設(shè)計研究

高明亮，李成偉，萬國慶，劉文麗

中國計量科學(xué)研究院 醫(yī)學(xué)與生物計量研究所，北京 100029

引言

骨密度（Bone Mineral Density，BMD）一般定義為單位體積內(nèi)的骨礦含量（Bone Mineral Content，BMC），是診斷骨質(zhì)疏松癥和評價骨折風(fēng)險的重要指標(biāo)。雙能X 射線骨密度儀（Dual Energy X-ray Absorptiometry，DEXA）通過測量兩種不同能量的X 射線穿透人體后吸收減弱結(jié)果并加以計算，降低或消除軟組織在射線吸收減弱中的貢獻(xiàn)，確定骨骼對X 射線的等效吸收，從而計算獲得相應(yīng)骨骼的等效面密度（areal BMD，aBMD，單位：g/cm2）。由于DEXA 測量骨密度技術(shù)成熟、輻射劑量低、設(shè)備價格較低，其已廣泛分布于各級醫(yī)院并被世界衛(wèi)生組織確定為骨質(zhì)疏松診斷的金標(biāo)準(zhǔn)。雖然DEXA 已成為骨質(zhì)疏松癥診斷的主流技術(shù)，但DEXA 測量結(jié)果的統(tǒng)一性和量值溯源問題尚未解決。在實際測量中，利用不同型號DEXA 或者不同醫(yī)生進行掃描，同一患者相同測量位置的骨密度值結(jié)果存在一定差異；不同廠商生產(chǎn)的DEXA 對同一病人的診斷結(jié)果也無法進行有效對比和驗證[1-2]。

針對上述問題，在中國計量科學(xué)研究院醫(yī)學(xué)與生物計量研究所承擔(dān)的國家質(zhì)量基礎(chǔ)NQI 專項子課題“骨質(zhì)疏松診斷設(shè)備計量溯源及中國人群骨密度數(shù)據(jù)平臺建立研究”中，研究團隊開展了相應(yīng)了研究工作。面對DEXA主要依賴進口、缺少有效溯源路徑、DEXA 內(nèi)置數(shù)據(jù)庫不完全符合中國人群生理特性等問題，本團隊開展了骨質(zhì)疏松診斷設(shè)備計量溯源研究工作，嘗試建立相應(yīng)計量檢測裝置，解決骨密度量值溯源問題，為臨床骨密度數(shù)據(jù)采集提供計量技術(shù)支撐[3-6]。

1 原理及方法

1.1 DEXA原理

DEXA 原理本質(zhì)上為射線吸收衰減系數(shù)的測量，射線吸收減弱采用Lambert-Beer 定律進行計算，其公式為：

式(1) (2)中，I0為射線初始信號強度，I 為射線穿透人體減弱后的強度，l 為人體厚度，μ 為衰減系數(shù)[10]。

當(dāng)l 為質(zhì)量厚度時，l=t×ρ，t 為厚度（單位：cm），ρ為密度（單位：g/cm3）。DEXA 測得的骨密度值為平均面密度，即質(zhì)量厚度。因此，骨密度值測量結(jié)果由骨礦含量與測量區(qū)域的厚度這兩個主要因素決定。

DEXA 利用人體組織對不同能量X 射線吸收減弱能力不同的原理，分別處理骨骼、肌肉等軟組織圖像數(shù)據(jù)，即利用肌肉等軟組織對低能量X 射線吸收減弱效果明顯、而對高能量X 射線減弱較少的現(xiàn)象強化骨骼部分圖像。采用公式(3)與(4)分別表征肌肉等軟組織和骨骼的質(zhì)量與射線吸收減弱特性的關(guān)系[11]。

RB為骨骼低能量和高能量X 射線吸收后的質(zhì)量衰減系數(shù)比值，即：

由于不同型號DEXA 采用的X 射線能量不盡相同、各生產(chǎn)商對質(zhì)量衰減系數(shù)的計算處理方法不同、骨密度算法中存在一定固有缺陷，因此不同廠商DEXA 測得同一患者的骨密度值不具有可比性，骨密度亦無有效溯源路徑。

值得我們注意的是，在可再生能源行業(yè)發(fā)展初期，固定的上網(wǎng)電價有效地激勵了企業(yè)和投資者的信心，促進了可再生能源的發(fā)展。然而基于政府命令的補貼手段常常引起爭議，增加了用電企業(yè)和消費者的負(fù)擔(dān)，并且歐債危機后可再生能源補貼給財政困境的歐盟帶來較大壓力，因此，歐盟正逐步取消可再生能源補貼。這可能會導(dǎo)致歐盟投資者熱情下降，消費者減少可再生能源使用，最終導(dǎo)致可再生能源發(fā)展目標(biāo)無法實現(xiàn)，而市場化驅(qū)動機制——可再生能源綠色電力證書交易制度(以下簡稱“綠證交易”)能降低取消補貼所帶來的不利影響。

1.2 骨密度溯源方法分析

1.2.1 質(zhì)量衰減系數(shù)的理論數(shù)據(jù)不可用

質(zhì)量衰減系數(shù)是重要的輻射劑量學(xué)參數(shù)，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院Hubbell 團隊專門從事質(zhì)量衰減系數(shù)的測量研究工作并定期發(fā)布相應(yīng)研究成果。歷經(jīng)半個多世紀(jì)的發(fā)展，不同物質(zhì)質(zhì)量衰減系數(shù)的測量不確定度可達(dá)到或優(yōu)于0.3%[12]。質(zhì)量衰減系數(shù)的測量結(jié)果有嚴(yán)格的測量條件要求，即射線穿過物質(zhì)后只有射線強度的減弱，而射線能量不發(fā)生變化——這就意味著此時物質(zhì)對射線只有“單純的吸收，沒有散射或次級輻射”，或者“雖有散射粒子和次級粒子產(chǎn)生，但他們并不被記錄”[10]。一般來說，只有單能γ 射線在窄束減弱條件下能夠近似滿足上述要求。

然而在實際應(yīng)用中，對于具有連續(xù)能譜的X 射線，其經(jīng)物質(zhì)減弱后的射線強度I 則不滿足單能窄束減弱條件。在寬束條件下，由于射線硬化和散射等因素的影響，射線強度I 由公式(7)描述。

公式(7)中，B 為積累因子，與X 射線的等效能量、穿透物質(zhì)的厚度、射線與物質(zhì)相互作用（如散射影響）等因素有關(guān)；Eeff為X 射線的等效能量。

如前文所述，已測定的質(zhì)量衰減系數(shù)或者衰減系數(shù)一般在窄束減弱條件下獲得。一般實際應(yīng)用中，由于射線硬化、散射等因素的影響，窄束減弱條件很難被滿足。因此，各DEXA 生產(chǎn)商需要根據(jù)自己的儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計進行計算過程中的合理簡化以及大量實驗擬合。故而，各廠商在骨密度計算過程中獲得的質(zhì)量衰減系數(shù)不盡相同，也無法對各廠商的骨密度計算過程進行驗證。

1.2.2 相同密度材料測得的骨密度數(shù)值隨等效厚度變化

由于質(zhì)量衰減系數(shù)與被測物質(zhì)的密度、厚度相關(guān)，因此相同密度、不同厚度材料對應(yīng)的骨密度值數(shù)值不同。DEXA 測量骨密度時，密度值的變化不是真實 密度變化，而反映的是射線穿透物質(zhì)的等效厚度變化。根據(jù)實驗，對用相同密度材料制成外形尺寸相同、骨腔尺寸不同的模型骨密度值進行測量，測量結(jié)果明顯受到骨骼所占比例的影響。相似研究也證實，采用aBMD 表達(dá)骨密度值時被測骨骼的厚度并沒有得到修正，即使是真實密度相同的受試者，當(dāng)他們的骨骼大小存在差異時，BMD 也會顯示差異[13]。骨骼較大、骨壁較厚者aBMD 值較高，而骨質(zhì)疏松檢出率較低；骨骼較小且骨壁較薄者aBMD 值較低，而骨質(zhì)疏松檢出率較高[13]。這些情況都說明aBMD 受骨壁厚度等影響較為明顯，其不能完全代表真實骨密度值。

1.2.3 DEXA測量骨密度結(jié)果的溯源技術(shù)

按照上述原理與分析，我們根據(jù)國際電工委員會IEC 60692 標(biāo)準(zhǔn)和中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB13980-2008 的要求[14-15]，進行分析研究后認(rèn)為：任何電離輻射密度計在經(jīng)過合理標(biāo)定后，都應(yīng)對同一被測對象測量的測量結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)保持一致，對于雙能X 射線骨密度儀同樣如此。前人研究成果也證明了這一點，使用固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)或提供能夠進行量值定值的骨密度模體，可以統(tǒng)一骨密度值測量結(jié)果[16]。而根據(jù)GB/T 13980-2008《電離輻射密度計》國家標(biāo)準(zhǔn)，通過已知密度的標(biāo)準(zhǔn)溶液或者標(biāo)準(zhǔn)固體樣品進行校準(zhǔn)溯源，使用電離輻射密度計測量普通物質(zhì)的密度，完全可以達(dá)到0.1%甚至更高的測量精度。盡管由于生理結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，人體骨密度測量相比普通物質(zhì)測量更加復(fù)雜，但是人體骨密度測量與普通物質(zhì)測量相比并無本質(zhì)區(qū)別[17-18]。

因此，對于一個確定的測量對象，任意DEXA 測得的骨密度值理論上在一定偏差范圍內(nèi)應(yīng)是一致的。由此可見，與電離輻射密度計類似，DEXA 可以通過標(biāo)準(zhǔn)骨密度模體進行校準(zhǔn)溯源，以達(dá)到統(tǒng)一骨密度量值的目的。只要生產(chǎn)商根據(jù)其采用的X 射線能量條件并配合使用骨密度模體進行相應(yīng)骨密度值的計算和修正，無論從理論還是應(yīng)用角度實現(xiàn)DEXA 測量骨密度值的統(tǒng)一都是可行的。

與電離輻射密度計有所不同的是，電離輻射密度計校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)溶液或標(biāo)準(zhǔn)固體樣品的密度可以通過其他密度測量方法精確得到，而如前所述，DEXA 測量得到的骨密度并不是嚴(yán)格意義上的物理密度，其與物理密度有關(guān)而又不等同于物理密度，因此骨密度模體的骨密度量值溯源需要通過準(zhǔn)確測量物質(zhì)減弱系數(shù)以計算出骨密度值的方法解決，因此我們研制了多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置。其目的不僅要模擬各廠家的能量條件，還需要研究標(biāo)準(zhǔn)化的檢測條件，用以給骨密度模體嚴(yán)格的定值。

2 多能量X射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置的研制

基于上述骨密度量值溯源技術(shù)的可行性分析，項目組設(shè)計并研制了一套多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置。該裝置的主要目標(biāo)是用于對市面上各種骨密度模體進行骨密度值的校準(zhǔn)檢測及量值溯源。其測量原理與一般的DEXA并無區(qū)別，都是利用射線的吸收減弱原理來獲得被測物體的各種信息，對本裝置來說，就是得到被測物的圖像與骨密度。為了研究不同的射線條件對骨密度值測量結(jié)果的影響，探索骨密度值與真實物理密度值之間的真實關(guān)系，并最終給出被測骨密度模體準(zhǔn)確的骨密度值。因此本裝置設(shè)計思路就是研制一臺標(biāo)準(zhǔn)的骨密度模體測量裝置，以解決骨密度模體的量值溯源問題[19]。

在具體的設(shè)計上，多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置采用錐形輻射束，可通過添加限束光闌模擬線束成像條件，額定電壓150 kV，工作電壓范圍60～140 kV，燈絲電流可調(diào)，系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于1%。該裝置可采用不同組合的高壓切換模式，也可以使用釤過濾、鈰過濾模仿各種DEXA 產(chǎn)品的雙能量條件進行骨密度值測量[20]。該裝置結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示，主要包括X 射線管、高壓發(fā)生器、成像板、自動控制單元等組成。該裝置于2018 年底完成加工，并于2019 年進行安裝調(diào)試，具體的硬件實物安裝效果，見圖2。

圖1 多能量X射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 多能量X射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置實物圖

該裝置的基本構(gòu)成包括：診斷級X 射線機輻射源系統(tǒng)、平板面陣探測器、雙能量線陣列探測器、掃描定位控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)以及定值校準(zhǔn)用骨密度模體組。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能。

（1）雙能量X 射線產(chǎn)生與控制。功能包括高壓的調(diào)整，DEXA 測量骨密度值時高壓自動切換，K 熒光過濾法產(chǎn)生雙能X 射線，自動進行X 射線機訓(xùn)機，自動進行開機后空氣校準(zhǔn)和探測器的歸一化處理，手動協(xié)助下進行水校準(zhǔn)與骨密度值校準(zhǔn)。

（2）掃描控制。功能包括自動定位、線陣列探測器的掃描控制、精細(xì)成像放大倍率設(shè)定與調(diào)整。

（3）圖像采集與處理。主要功能包括DR 圖像的數(shù)據(jù)采集及圖像重建，勾畫、復(fù)制圓形或矩形感興趣區(qū)域，顯示感興趣區(qū)域的信息（灰度值的最大值、最小值、平均值、感興趣區(qū)域的面積、統(tǒng)計噪聲標(biāo)準(zhǔn)差等），自動計算任意兩個灰度間的對比度；根據(jù)圖像的中心和四個固定對稱位置感興趣區(qū)域的灰度值，計算均勻性和噪聲標(biāo)準(zhǔn)差平均值；圖像的局部放大，手動設(shè)置改變窗寬（WW）、窗位（WL）；按照等灰度曲線自動勾畫目標(biāo)物輪廓；手動輪廓勾畫、擦除和修改。

（4）aBMD 測量與計算。在上述圖像功能基礎(chǔ)上，根據(jù)公式和實驗擬合的數(shù)據(jù)庫計算骨密度值。主要功能包括DR 與雙能量減影成像，輪廓識別與自動勾畫功能，根據(jù)灰度（或吸收系數(shù)）計算骨骼或其他器官密度，給出骨骼的骨礦含量、投影面積、骨密度值。

3 初步的測試結(jié)果與分析

多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置的軟硬件調(diào)試工作已初步完成，能夠采集DR 圖像并進行相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。因為最終的骨密度測量精度主要取決于射線穩(wěn)定性，研究團隊對該裝置的射線穩(wěn)定性進行了測試，使用的測試設(shè)備為經(jīng)過校準(zhǔn)的Raysafe X2 射線檢測裝置。在該裝置X 射線源開機穩(wěn)定5 min后，將探頭放置于面陣成像版幾何中心處（此時SSD=1000 mm）進行測量。固定管電流為10 mA、出射線時長為2.0 s，分別在80、100 和120 kV 激發(fā)電壓下重復(fù)曝光10 次，記錄電壓、射線劑量、劑量率、曝光時間并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差，測量結(jié)果如下表1～3。各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差即為其對應(yīng)的測量重復(fù)性。由表1～3 中數(shù)據(jù)可知，所有參數(shù)的測量重復(fù)性均優(yōu)于0.2%。

表1 激發(fā)電壓為80 kV時參數(shù)測量結(jié)果

表2 激發(fā)電壓為100 kV時參數(shù)測量結(jié)果

表3 激發(fā)電壓為120 kV時參數(shù)測量結(jié)果

4 總結(jié)與展望

上述測量結(jié)果均為原始值，尚未經(jīng)過校準(zhǔn)處理，初步的測試結(jié)果表明在常用條件下，電壓、射線劑量、劑量率D、曝光時間等參數(shù)的單次測量重復(fù)性最大值為0.11%。測試結(jié)果符合多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置設(shè)計時提出的X 射線機短期穩(wěn)定性、單次測量重復(fù)性好于1.0%的要求。同時，由于項目正在研究階段，大部分軟件功能尚未最終實現(xiàn)，大量的實驗測試工作也正在進行中，雖然初步的實驗結(jié)果表明設(shè)備完全滿足預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，但是對于本項目的主要研究內(nèi)容骨密度量值方面缺乏直接的數(shù)據(jù)支持，這也是我們下一步工作的主要內(nèi)容之一。

另一方面，研究團隊設(shè)計并研發(fā)了可進行準(zhǔn)確骨密度定值和溯源的骨密度定值模塊，多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置可以利用這些定值模塊進行溯源。未來DEXA 測量骨密度的量值溯源鏈條為，利用本團隊研發(fā)的可進行準(zhǔn)確骨密度值定值和溯源的骨密度定值模塊對多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置進行骨密度值測量結(jié)果的溯源，用多能量X 射線骨密度模體校準(zhǔn)裝置對市場在用的骨密度模體進行校準(zhǔn)檢測，利用經(jīng)校準(zhǔn)檢測的骨密度模體對DEXA 進行校準(zhǔn)檢測和量值溯源。通過實現(xiàn)并完善上述溯源鏈條，將能夠解決目前不同DEXA 測量同一患者獲得的結(jié)果不可比的問題，同時也可為骨質(zhì)疏松癥臨床診斷結(jié)果互認(rèn)提供技術(shù)支持[21-23]。