三種骨密度體模DXA一致性測試

方帥，顧加雨，夏勛榮

江蘇省計量科學研究院 醫學所，江蘇 南京 210023

引言

骨質疏松癥是一種以骨量降低和骨微結構退化為特征，導致骨脆性增加和易發生骨折的代謝性全身疾病，是老年人的常見病。如何盡早、準確地發現骨礦物質含量的減少是個極其重要的醫學課題。

測量骨密度的方法多種多樣，從最早的單光子骨密度儀到雙光子骨密度儀，再到雙能X射線骨密度儀（Dual Energy X-ray Absorptiometry，DXA），以及定量CT骨密度測量和定量磁共振骨密度測量。其中，DXA因其輻射小、準確度高、掃描時間短等優點而被世界衛生組織譽為診斷骨質疏松最便捷、最有效的方法，也是目前臨床醫學診斷骨質疏松、預測骨質疏松性骨折風險的最佳方法[1-5]。美國Hologic、GE、Norland公司，法國Sopha公司，韓國Osteosys公司等的進口設備占據了我國DXA市場的絕對份額。

不同廠家的DXA其原理基本相同，但雙能X射線的產生方式、掃描方式、探測器特點以及數據計算、輪廓識別等功能略有差別，使各儀器的測量結果可能存在不同。為了使各品牌的骨密度儀檢測結果具有可比性，本研究采用一種模擬人體脊椎的體模來檢驗DXA的主要計量特性，以期達到骨密度檢測值的準確和統一。目前，用于骨密度測量評價的體模有多種，有的采用羥磷酸鈣代替骨質，有的采用動物骨質，還有的采用不同厚度的鋁材模擬骨質，體模的材質和原理不同導致測量結果的差異很大。本研究選用市場占有量最大的兩種品牌Hologic和GE DXA的骨密度儀分別對QC-2型骨密度體模（以下簡稱QC-2）、歐洲脊椎骨密度體模（European Spine Phantom，ESP）和美國仿真體模（Bone Fide Phantom，BFP）進行數據采集，比較分析三種體模的數據差異及在Hologic和GE DXA上的通用性、適用性、一致性，為骨密度儀數據采集和建立適用于中國人群的骨密度基礎數據庫提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 三種實驗體模性能指標比較

三種骨密度體模（Bone Mineral Density，BMD）都是采用羥磷酸鈣模擬人體骨頭，因為在DXA使用的X射線能譜范圍內，羥磷酸鈣對X射線的衰減吸收與人體骨頭等效。模擬人體軟組織的材質雖然有所不同（表1），但它們對X射線的衰減、吸收系數相近，即X射線等效性相同[6-7]。

表1 三種體模的性能指標

這三種體模都有骨密度的高、中、低值，覆蓋了人體骨密度變化范圍，既可以模擬正常人群的骨密度值，也可以模擬病理性人群的骨密度值，適用于整個臨床骨密度范圍的研究[8-9]。同時，三種體模的尺寸、重量相差不大，攜帶方便，操作簡便。目前，大多數GE-Lunar DXA都采用筆形束掃描，該方式采用無散射狹窄線束和單一的探測器，通過點對點、前后移動掃描架的方式來采集數據。而Hologic-Discovery DXA一般采用扇束掃描，通過線對線、轉動掃描架的方式進行數據采集[10]。這三種骨密度體模仿脊椎模塊都成直線排列，能很好地適應這兩種掃描方式。

1.2 實驗方法

用兩種品牌DXA分別對QC-2、ESP和BFP進行數據采集，比較分析三種體模所測得數據的差異，并計算測量值與體模標稱值的相對誤差。由于三種體模模擬骨骼都采用羥磷灰石[主要成分為Ca5OH(PO4)3]，各種骨密度儀在生產時定標所用的人體骨骼或模擬骨骼其成分也是羥磷灰石，因此DXA測量體模時所得的測量值與體模標稱值理論上應具有高度相關性。用最小二乘法對DXA測量值和相應的體模標稱值做直線擬合，并驗證各體模測量值與標稱值是否存在高度相關性[11]，見式(1)。

式中：Y為DXA對體模的測量值，g/cm2；X為與測量值相對應的體模標稱值，g/cm2；a為截距，g/cm2；b為直線斜率。a和b一旦確定，方程即為已知，可得出DXA測量值的直線回歸方程[12]。

將三種體模的測量值代入所得到的線性回歸方程中進行數據校正，計算校正后的數據結果與對應體模標稱值的相對誤差，分析各體模在Hologic和GE DXA上的通用性、一致性和適用性。

2 結果

2.1 三種體模在兩種DXA上的測量數據

三種體模在GE-Lunar和Hologic-Discovery骨密度儀上的測量數據如表2～3所示。QC-2和ESP體模低、中、高三種骨密度值分別對應L2、L3、L4模擬腰椎骨，BFP體模有四種梯度的骨密度值，由低到高分別對應L1、L2、L3、L4模擬腰椎骨。

表2 三種體模在GE-Lunar DXA上的測量數據

通過以上數據可以看出，QC-2、ESP和BFP體模在GE DXA上測量誤差分別為1.6%～31.3%、7.5%～19.0%和-6.4%～2.0%，測量值大多高于各體模標稱值；在Hologic DXA上測量誤差分別為-9.1%～-7.1%、-6.2%～2.0%和-4.1%～3.0%，測量值大多低于各體模標稱值。這是由不同生產廠家的骨密度儀校正方式不同、正常人群參考值不同和自動識別模擬椎骨輪廓的能力不同等多種因素造成的，故各儀器測量不同的體模或同種體模時，測量結果都存在較大的差異[13]。但是，只要DXA生產商根據其采用的X射線能量條件并配合使用BMD進行骨密度值的計算和修正，骨密度值是可以形成統一的[14]。

2.2 BMD線性回歸方程的確定

將表2和表3中數據用最小二乘法做直線擬合后，按公式(1)計算，得到表4列出的直線回歸方程的a、b參數和相關系數r。

表3 三種體模在Hologic-Discovery DXA上的測量數據

表4 兩種DXA分別對應三種體模的直線方程

從表4所列的線性回歸方程可以看出，GE、Hologic DXA對三種體模的測量值與標稱值之間的誤差都較大，這種誤差主要是由體模仿真程度即模擬軟組織的材料不同和兩種儀器出廠定標誤差所造成的。這種誤差是系統誤差，造成線性方程中截距a不為0，斜率b不為1[15-16]。其中，在QC-2對于GE的直線回歸方程中，截距a=0.21 g/cm2，明顯大于其他直線回歸方程中的a值，這是因為DXA對體模骨面積的測量會因體模等效軟組織的不同而使輪廓識別有差異造成的，GE-Lunar DXA無法自動標畫QC-2模擬椎骨輪廓，只能靠手動標畫來實現，這會導致人為因素而帶來的系統誤差[17]。

2.3 測量值與標稱值的線性相關性

根據表4直線方程數據繪制線性相關性圖，見圖1～2。

圖1 GE DXA測量值與三種體模標稱值的線性相關性

圖2中的三條線分別是三種體模對Hologic DXA線性相關性的描繪，橫坐標是體模BMD標稱值，縱坐標表示骨密度儀測量出的BMD值，相關系數r都大于0.99，說明Hologic DXA測量值與對應三種體模標稱值呈高度相關[18-19]。同理，圖1中QC-2和ESP對GE DXA也呈高度相關，BFP相關系數r=0.9825小于0.99，說明BFP體模基于GE DXA參考值的修正對于其本身標稱值是存在一定影響的。

圖2 Hologic DXA測量值與三種體模標稱值的線性相關性

2.4 測量結果的校正與分析

按照表4中的直線方程，將DXA測量數據進行線性回歸校正，得到校正后的BMD值如表5所示。

通過表5可以看出，QC-2、ESP和BFP體模在GE DXA上線性校正后的相對誤差為-1.9%～4.4%、-0.7%～0.3%和-2.5%～5.5%，在Hologic DXA上線性校正后的相對誤差為-2.2%～0.5%、-1.8%～1.7%和-2.0%～1.5%。與校正前相比，相對誤差都有了很大的改善，誤差范圍變窄，其中QC-2和ESP體模相對誤差變化幅度較大，BFP體模相對誤差變化幅度較小。這是由于BFP體模對于GE和Hologic DXA給出了不同的標稱值分別為（0.7～1.5）g/cm2和（0.6～1.2）g/cm2，其對GE和Hologic這兩種品牌的參考值進行了一定程度的修正，因此再次經過線性方程修正后，相對誤差的變化幅度不如前兩種體模明顯。

經過線性校正后，兩臺DXA得出的三種體模測量校正值與相應體模的標稱值相對誤差都很小，即校正后的測量值都與相應體模標稱值基本相符。從表5均值及誤差列可以看出，三種體模分別在GE和Hologic DXA上的測量值經校正后，取L1～L4的平均值與標稱值平均值相比，誤差都非常小（-0.1%～0.5%和-0.1%～-0.2%），經顯著性檢驗，相關系數r=0.9987，大于α=1%，檢驗表中相應值，這6對數據具有高度顯著線性關系[20-21]。這也從另一個角度說明，這三種體模對于DXA的檢定和測試具有很好的一致性和通用性。

表5 經校正后的BMD值及相對標稱值的誤差（g/cm2，%）

3 討論

QC-2、ESP和BFP三種BMD具有主要材質相同、對X射線衰減吸收等效性相近、測量范圍相近的通用性，用它們分別測試GE和Hologic DXA時，測量結果會出現偏高或偏低的誤差，但測量結果和相應的體模標稱值具有高度的線性相關性。經擬合直線方程并校正后，可得到與標稱值相符的測量結果，在一定的允許誤差范圍內，均具有較好的一致性[22]，都可用于DXA的檢定和檢測試驗。從測試適應性來看，QC-2具有不能被GE-Lunar自動識別模擬椎骨輪廓的局限性；BFP具有兩種標稱值的不便和因為兩種標稱值而對線性相關性的影響；ESP經線性回歸校正后的數據與標稱值相對誤差最小，因此ESP體模適用性最佳。在骨密度基礎數據庫的數據采集過程中，ESP體模可作為各種DXA質量控制、檢測試驗和穩定性考察的首選體模。

4 結論

從GE和Hologic DXA對于三種體模的測試數據來看，Hologic DXA能很好地適應三種體模，同時其測試數據和體模標稱值的線性相關性及修正后的誤差都明顯優于GE DXA。但是，是否在中國人群的骨密度基礎數據庫的數據采集中優先使用Hologic DXA，還需要進一步對正常人群進行數據試驗論證后決定。