腰椎體積CT值對診斷骨質疏松癥的應用價值

周鳳云 閆東 王玲 耿健 張雯雙 劉艷東 馬康康 顧大龍 張薇 程曉光*

1. 陜西中醫藥大學醫學技術學院,陜西 咸陽 712083;

2. 北京積水潭醫院放射科,北京 100035

骨質疏松屬于一種骨量下降,骨微結構破壞,進而導致骨脆性增加,骨折風險增加的系統性骨代謝疾病,最常見的表現形式是無癥狀的下腰痛[1-2]。隨著老齡化人口增多,骨密度評估變得越來越重要,尤其是對于骨質疏松性骨折的預防治療[3]。盡管在早期高風險人群中診斷骨質疏松付出了很多努力,但是仍然診斷不足,許多患者在骨折發作晚期才被診斷出骨質疏松[4]。

目前,雙能X線骨密度儀(dual-energy X-ray absorptiometry, DXA)是測量骨密度(bone mineral density,BMD)和診斷骨質疏松的金標準,但是越來越多研究表明僅使用DXA進行骨質疏松篩查和骨折風險評估存在一定的局限性,如英國臨床指南不建議單獨使用DXA進行骨質疏松篩查[5]。鑒于定量CT(quantitative computed tomography,QCT)技術和CT技術的快速發展,近年來,QCT和CT值在各國的骨質疏松研究和臨床應用越來越受到重視[6-7]。QCT測量的椎體小梁骨體積BMD可以避免椎體退變的影響,測得的BMD結果相比DXA更加精確[7],而CT設備已經在全國各級醫療機構普及,因此,使用QCT和CT值進行骨質疏松預測和診斷適合我國國情,具有良好的應用前景。根據定量CT骨質疏松癥診斷指南將骨密度值>120 mg/cm3診斷為骨密度正常,骨密度值于80～120 mg/cm3范圍內診斷為低骨量,骨密度值<80 mg/cm3診斷為骨質疏松[8]。本研究基于此診斷標準將進一步探討HU值診斷和預測骨質疏松在臨床的應用價值。

盡管之前的許多研究已經證明椎體HU值(Hounsfield units)可以診斷骨質疏松或檢測骨折[9-11]。但是大部分研究集中在單層椎體HU值和DXA測量的面積BMD之間的關系。有趣的是,關于體積HU預測骨質疏松的價值以及和QCT測量的體積骨密度之間的關系極少有相關研究報道。基于此,本研究的目的是探討基于雙層光譜CT掃描獲得的體積HU值進行預測骨質疏松的價值。

1 材料和方法

1.1 研究對象

本研究通過北京積水潭醫院倫理委員會批準,由于本研究是一個回顧性研究,因此知情同意被豁免。我們納入2022年10月至2023年3月在北京積水潭醫院進行雙層光譜CT腰椎掃描的脊柱外科門診患者91例,其中男性42名,女性49名。納入標準如下:①年齡18歲以上;②患者經歷雙層光譜CT掃描,包括4代QCT。排除標準如下:①患者超過3個椎體骨折;②腰椎術后的患者。

1.2 CT和QCT技術

患者在雙層光譜CT(Philips Healthcare, Best, Netherlands)腰椎掃描中采用仰臥位,足先進的方式。掃描參數如下:管電壓120 kV,管電流125 mAs,螺距:1,層厚:1 mm,所有檢查都沒有注射造影劑。在本研究中使用4代QCT校準體模,該體模不需要墊放在患者腰下,可以回顧性獲得QCT數據,QCT相關參數如下:管電壓120 kV,管電流125 mAs,螺距:1,層厚:1 mm,床高90 cm。

1.3 體積HU值和體積BMD值的測量

所有圖像都從影像數據管理系統(picture archiving and communication system, PACS)中獲取,所有椎體的體積HU值都使用開源軟件3D slicer (版本 5.0.3)通過放置多個圓形感興趣區域(region of interest, ROI)進行測量;ROI勾畫的大小應盡可能大,盡可能包括椎體小梁骨,但要避免與皮質骨、骨島、靜脈叢以及局灶性病變等因素相交,其高度約為整個椎體的2/3。體積BMD使用QCT pro軟件(Mindways, Software, Inc.)評估,該方法可以自動分析ROI得出體積BMD值,但是有時候識別錯誤需要自己手動調整,ROI大小和上述保持一致,見圖1。另外,如果L1和L2椎體發生骨折,則使用相鄰椎體替代。所有測量都由一名經過專業訓練的放射科醫生進行,每個椎體都測量兩遍,最終取平均值。

圖1 使用QCT pro (a)和3D slicer (b)進行測量L1和L2體積BMD值和體積HU值

1.4 統計學處理

2 結果

2.1 受試者基本信息分析

經過納入排除標準,最終納入91例患者,其中根據QCT診斷標準將研究對象分為骨量正常組(42例)、低骨量組(25例)和骨質疏松組(24例)。本研究表明骨量正常組年齡顯著低于低骨量組和骨質疏松組;體積HU值高于QCT測量的體積BMD值,見表1。

表1 三組患者一般資料比較[M(P25,P75)]

2.2 3組患者之間體積HU值比較以及同一組別下男性和女性之間差異性比較

骨量正常組體積HU值>低骨量組體積HU值>骨質疏松組體積HU值,3組平均體積HU值均有統計學差異(P<0.05);使用兩樣本非參數檢驗比較同一組別下男性和女性之間體積HU值的差異,發現男性和女性之間差異并無統計學意義(P>0.05),見圖2。

圖2 c表示3組之間體積HU值的差異;d表示男性和女性之間體積HU值的差異

2.3 體積HU值和體積BMD值的相關性分析

采用Spearman相關性分析,L1體積HU值和L1體積BMD值、L2體積HU值和L2體積BMD值以及L1～L2平均體積HU值和L1-L2平均體積BMD值均有極好的相關性,見圖3。

圖3 L1、L2體積HU值和兩個椎體的平均體積HU值分別與QCT測量的體積BMD值之間的相關性

2.4 體積HU值預測骨質疏松的效能

采用L1～L2的平均體積HU值繪制ROC曲線進行預測骨量減少和骨質疏松,ROC曲線下面積為0.945(P<0.001);使用約登指數查找最佳閾值,發現當體積HU值取值為154.73 HU時,其預測骨量減少具有較好的準確性,靈敏度為92.9 %,特異性為90.9 %,當體積HU值取值為106.52HU 時,其預測骨骨質疏松具有較好的準確性,靈敏度和特異性均為86.6 %,見圖4。

圖4 采用L1和L2平均體積HU值繪制的ROC曲線(e);體積HU值診斷骨量減少和骨質疏松的最佳閾值分別為154.73 HU(f)和106.52 HU(g)

2.5 分析性別、年齡和體積HU值與骨質疏松發生的關系

使用邏輯回歸分析表明性別與骨質疏松發生沒有關系;年齡增加對骨質疏松發生是一個顯著的危險因素(OR= 1.172,95 %CI:1.103～1.245,P<0.001);體積HU值增加對骨質疏松發生是一個顯著的保護因素(OR= 0.928,95 %CI:0.894～0.962,P<0.001),見表2。

表2 使用邏輯回歸分析性別、年齡和體積HU值與骨質疏松發生之間的關系

3 討論

隨著年齡的增長,椎體BMD呈下降的趨勢,相關文獻認為骨量維持與人體內激素分泌密切相關[12-13]。本研究結果也表明骨質疏松和骨質減少組的年齡顯著高于骨質正常組,提示早期對骨質疏松的篩查十分必要。當前的研究評估了基于雙層光譜CT獲取的體積HU值和QCT測量的體積BMD值之間的相關性以及體積HU值評估骨質疏松的診斷效能。我們的結果表明基于雙層光譜CT測量的體積HU值可以作為辨別骨質疏松患者的有力工具。HU值利用大量現有的臨床數據進行骨密度評估和骨質疏松篩查,對患者并沒有額外的成本和輻射劑量,在臨床中易于普及[14-17]。

雖然之前有大量研究報道HU值和DXA測量的BMD之間的關系,也證明HU值可作為補充手段[18-22],但是這些研究獲取的是一種面積HU值和基于DXA測量的面積BMD值,并沒有從體積BMD角度進行評估,因此本研究使用了體積HU值和體積BMD值進行了相關研究。本研究根據QCT測量的體積BMD將患者分為骨量正常組、低骨量組和骨質疏松組,并測量L1和L2椎體體積HU值,3組之間體積HU值差異具有統計學意義,同 Yang等[23]的研究結果一致。另外,L1、L2和平均體積HU值與QCT測量的體積BMD值之間有較好的相關性,與Buenger等[14]的研究結果類似,證明了體積HU值在預測骨質疏松癥方面的價值。之前也有相關研究使用腹部增強CT、胸部CT和QCT進行相關性分析[24-27],但是這些研究HU值也僅僅在單個橫斷面測量或者選取一個椎體的3個橫斷面進行測量。事實上,這種測量方法并不能代表整個脊柱的骨質,可能會因為椎體解剖結構變化和退行性改變造成假陰性或假陽性結果。

一個大隊列研究報道HU值診斷骨質疏松的閾值為110 HU,特異性高于90 %[28],其他一些小樣本研究表明HU值診斷骨量減少和骨質疏松閾值為136 HU[29]和99 HU[30]。另外,一項對于高于65歲患者進行6年左右隨訪研究表明,HU值為90或者更低時可能有較高的骨折風險[31]。本研究表明當HU值低于154.73 HU時,預示患者可能出現骨量減少的情況,而當HU值低于106.52 HU時,則預示患者可能有患骨質疏松的風險,與上述研究得出的結論類似,證明了體積HU值預測骨質疏松發生的有效性。另外,本研究使用邏輯回歸證實了基于雙層光譜CT測量的體積HU值和年齡與骨質疏松發生之間呈強相關。體積HU值增加對骨質疏松發生是一種保護因素,而年齡增加對骨質疏松發生是一種危險因素,且年齡每增加1歲,骨質疏松發生的可能性增加17.2 %。因此,使用體積HU值對早期機會性骨質疏松篩查十分重要。

本研究存在一些限制:①本研究為回顧性的單中心研究,因此可能存在選擇偏倚,另外,由于回顧性分析,患者部分基線信息缺失,因此本研究沒有分析身高和體重對結果的影響;②本研究只討論了腰椎體積HU值對骨量減少和骨質疏松的預測效能,并沒有討論體積HU值預測骨折的性能;③本研究并沒有納入增強掃描的患者或者其他部位椎體的患者,需要進一步納入并討論;④本研究只納入一臺設備測量的體積HU值,可能得到的結果并不適用于其他設備。

綜上所述,基于雙層光譜CT測量的體積HU值與QCT測量的體積BMD值有較好的相關性,體積HU值對預測骨質疏松癥是一種可靠的機會性篩查手段。椎體HU值是預測老年人骨質疏松的重要指標,HU值越低,患者可能有骨質疏松發生甚至骨折發生。本研究提供了預測骨質疏松的體積HU相對水平值,可為臨床識別骨質疏松患者時提供一個參考。