定量CT骨密度测量方法的研究 CT骨密度不均匀

　　[摘要] 目的 报告定量CT脊椎骨矿密度测定方法研制。方法 利用等效骨材料作成标准件同牛椎骨松质骨样品进行CT扫描测量，采用灰化分析方法进行验证。结果 标准件各标样的骨密度（mg/cm3）与其CT数（Hu）成很好的线性比例，其线性系数r≥0.9999；测量牛椎骨松质骨样品的准确性误差≤7.4%；精密性误差（扫描10次）≤0.15%；长期稳定性误差≤0.34%。结论 所研制的骨矿密度测量系统为CT扫描机增加了新功能，为骨质疏松症的诊断和药物疗效的观察提供了一种新的准确可靠的方法。
　　[关键词] 定量CT； 骨矿密度； 标准件
　　[中图分类号] R445.4[文献标识码] A[文章编号] 1005-0515（2011）-07-324-02
　　Quantitative CT Measurement Methods of Research of Bone Mineral Density
　　Kang XiaobingGan MaoFu Guangqiong
　　[Abstract] Objective To report quantitative CT vertebra mineral density measuring method developed. Methods Using equivalent bone material standard parts made with cow vertebrae cancellous bone samples by CT scan measurement, ashing analysis method is verified. Results The results of the standard parts bone mineral density (mg/cm3) and CT number(Hu)into a good linear scale, the linear coefficient racuity 0.9999;Measuring cow vertebrae cancellous bone samples; the accuracy≤7.4%,Exact error (scanning 10 times)≤0.15%;Long-term stability of the error≤0.34%. Conclusion The developed in bone mineral density measurement system for CT scanner added new features for osteoporosis diagnosis and treatment observation provides a new accurate and reliable method.
　　[Keywords] Quantitative CT; Bone mineral density; Standard parts
　　随着骨矿密度测定方法研究的多样化和各种方法的比较，定量CT骨矿密度测定技术以其能够分别精确地检测松质骨和皮质骨这一独具功能，成了骨质疏松症诊断技术中最为重要的方法。该技术由Genant等[1]于1977年首先采用，继后我国吴春营等[2]和徐均超等[3]也采用了这种方法，但他们使用的关键部件参考标准件为K2HPO4溶液制成，其主要缺点是骨等效性差和稳定性差。1987年Kalender等[4]针对这些缺点，作了重大改进，研制了羟磷酸钙（Ca5OH(PO4)3） 固体参考标准件，1998年国内张光等[5-6]也采用了这种技术。这种技术其标准件的制作比K2HPO4要复杂一点，但最大的优点是骨组织等效性好，且稳定性高。由于他们只采用了羟磷酸钙密度值为0mg/cm3和200 mg/cm3两种等效骨标样，其性能尚有不足，精确性和可靠性不高。随着研究的深入，此方法迅速发展，美国IA公司推出了三标样，四标样和五标样固体参考标准件，其中四标样线性固体参考标准件最为成熟完善，已发展成商品，成为定量CT骨矿测定系统的必备设备。目前，我国拥有CT扫描机的医院十分普遍，但大都没有从国外引进定量CT骨矿密度测定配套设备，我们根据临床和研究的需要，研制了适合国情的以线性四标样参考标准件为关键部的定量CT脊椎骨矿密度测定系统。为我国骨质疏松症的临床应用和研究提供了精密可靠的工具。
　　1 材料与方法
　　1.1 参考标准件的制作 用聚乙烯（PE）和少量MgO及CaCO3试剂，通过塑料机械加工，制成与人软组织辐射等效塑料。再用此等效塑料和羟磷酸钙通过塑料机械加工，制成与人骨组织辐射等效的骨等效材料。用此骨等效材料做成含羟磷酸钙50 mg/cm3，100 mg/cm3和200 mg/cm3三种不同密度的等效骨标样，每一种标样外形都是Φ20×290，将他们嵌入长290×宽148×厚30的等效塑料件中，等效塑料件可看成是含羟磷酸钙密度为0mg/cm3的骨标样。这样就制成了一件含四种不同Ca5OH(PO4)3密度值的等效骨标样的线性固体参考标准件（称CP测量标准件，见图1下部）。
　　图1CP标准件和QA标准件
　　1.2 质量保证标准件的制作（称QA标准件） 此标准件仍然由上述等效塑料和等效骨材料制成，其外部形状尺寸模拟了躯干腰部的一个截段，厚度为40。等效骨是一个Φ32×40的圆柱体，含羟磷酸钙的密度为100 mg/cm3，嵌入截段中相当于椎骨的位置，以模拟人椎骨（见图1上部）。
　　1.3 CT机 在以色列以信公司EXEL2000CT机上进行。条件：室温20℃，130KV，100mA，2.1S，层厚10mm。
　　1.4 新鲜牛椎骨7个新鲜牛椎骨切去附件，只剩椎体。
　　1.5 温控电炉 浙江电气设备厂生产WKD-2000型热电耦电炉。
　　1.6 电子天平 上海衡器厂生产TDW-223R型千分之一电子天平。
　　1.7 测量方法及项目 等效骨标样的线性比例：将QA标准件放于CP标准件上，它们都完全处于扫描范围之内，CT机对二者同时作横向扫描，得到CT图像，记录下CP标准件各骨标样的CT数，通过软件计算，得到四种骨标样的骨矿密度（BMD，mg/cm3）和CT数（Hu）之间的线性比例。
　　均匀性：类似上述操作，对CP标准件10个不同的位置检测，得到标准件标样线性方程斜率的平均值误差。用斜率来综合考察每一标样的均匀性。
　　精密性：对一个位置重复扫描10次，以每一次标样线性方程斜率的平均值误差来考察精密性。
　　准确性：将鲜牛椎骨切成大致圆柱形，外面裹以等效凝胶材料，紧密塞于专门用作试验的QA标准件中放置模拟椎体的位置，似类于前面操作，得到椎骨松质骨的BMD测量值，将牛椎骨切取约4cm3松质骨块，在控温电炉中进行灰化（600℃，8小时）。用测量值同灰化值比较，得到准确性误差。
　　稳定性：在10个月内，用QA质量保证标准件对系统作了四次检验，得到其稳定性误差。
　　骨密度的计算：线性参考标准件的优点是精确可靠。标准件各标样的线性方程为:Y = A + B X,1)式中：Y―骨标样的CT数（Hu）；X―骨标样的BMD（mg/cm3）；A―截距（Hu）；B―斜率[Hu /mg/cm3]。各标样的线性比例系数几乎等于1。这是该方法的重要原理之一。测量患者时，根据上述方程作回归计算：Xt =(Yt-A)/B, 2)式中:Xt―患者的骨矿密度BMD（mg/cm3，羟磷酸钙当量）；Y--扫描患者时从CT图上得到的CT数（Hu）；A和B―意义同1)式。
　　定量CT脊椎骨矿密度的测量操作方法：将CP标准件放于长1100×宽400×厚50的海棉软垫偏中间处的凹槽内，患者躺于上面，标准件下端靠近髂脊，并在患者与标准件之间铺垫一层5mm水等效凝胶块，以填满二者之间可能有的空隙，操作CT，让定位线分别穿过T12-L4中的3-4个椎骨的中间层面，与椎板平行扫描得到纵向CT图像。用尽量大的感兴趣区ROI测量和计算。
　　3 结果
　　3.1 CP测量标准件和QA质量保证标准件的物理性能
　　3.1.1 四种标样的总密度 分别为0.98(mg/cm3)，1.013(mg/cm3)，1.0465(mg/cm3)和1.113(mg/cm3)。
　　3.1.2 CP测量标准件 外形长290×宽148×厚30，下面两侧呈R16的圆弧形。
　　3.1.3 CP和QA标准件 外面光滑，棱角圆钝，接触舒适；内部：X透视或CT扫描，无明显空泡，分层，裂痕等缺陷。
　　3.1.4 重量 CP标准件1.2Kg，QA质量标准件1.6Kg。
　　3.2 定量CT系统的技术指标
　　3.2.1 CP测量标准件的线性比例 各等效骨标样的BMD给出值与CT数之间严格成比例，其线性系数r接近1。
　　3.2.2 CP标准件的均匀性 对10个不同位置检测，得到各线性方程的斜率平均值误差为±0.31%(表1)。
　　表110个不同位置的截距和斜率
　　3.2.3 定量CT系统的精密性 对同一位置重复扫描10次，得到各次斜率的平均值误差为±0.15%（表2）。
　　表2QCT系统的精密性
　　3.2.4 准确性 7个鲜牛椎骨灰化比较，准确性误差≤7.4%（表3）。
　　表3 测量值与灰化值的比较
　　3.2.5 稳定性 10个月内，用QA作了4次检验，稳定性误差为±0.34%(表4）。
　　表4QCT系统的稳定性
　　4 讨论与结论 定量CT方法是利用了CT扫描机精密的三维重建图像的处理能力，很容易把松质骨和皮质骨分开检测。对于椎体而言，检验松质骨比皮质骨更容易，简单方便，因为它的松质骨区域很大，且绝大部分是松质骨。由于松质骨的骨代谢率比皮质骨高得多，且普遍认为骨量丢失首先从松质骨开始，因此，测量松质骨的骨矿，就非常有意义，其他方法如目前较被看重的双X吸收法（DXA），只能测量皮质骨和松质骨的总和，不能分开检测。对于腰椎而言，它还包括了占总量绝大部分的椎弓等致密骨，因为致密骨的丢失十分缓慢，因而用测量以致密骨为主的方法来评价骨质疏松或药物疗效，也就不灵敏。松质骨由于表面-体积比率高，转换率是皮质骨的8倍[5]，对骨量变化十分敏感，因而对骨质疏松的诊断更有价值。
　　定量CT系统，由于是在相同条件下，对椎骨和参考标准件进行同时扫描，在同一个CT图像上对椎骨和标准件作比较，如同一般的CT影像分析技术一样，只是因为定量CT标准件的BMD是事先给出的，通过计算就可直接得到椎骨的BMD(mg/cm3)。在电压变动时，对测量值影响很小，以信2000CT机电压有120KV和130KV两档，改变电压，测量模拟椎体的变异系数为0.7%。牛椎骨只做了7个，平均灰值低于BMD，且有较大误差。
　　首先是例数较少，统计性不足；其次是用专门试验用的QA标准件进行试验，与牛椎骨的实际存在环境有一些差别；还有切取的骨块，与实际扫描的区域也存在差别。
　　对于不同的CT机扫描同一个CP标准件及QA标准件，其线性方程是不一样的，但计算得到的QA标准件中模拟椎体的BMD基本一样，误差＜2.6%（表5）。
　　表5不同型号CT用同一体模对同一模拟椎骨的测定
　　本标准件同绵阳第四人民医院的美国IA公司定量CT-3000骨密度系统的标准件作了比较，都在该院的西门子DRH CT机上进行，工作条件一样。得到二者的线性比例系数都接近于1，前者截距为－4.9，后者为6.9，即二者的等效软组织材料的CT数都在±10Hu以内，测量互相的模拟椎骨（标称值为100(mg/cm3)，在误差1.8%内符合。以上三点说明二者性能十分相近（表六）。定量CT技术中采用Ca5OH(PO4)3比K2HPO4等效性好，后者的质量衰减系数在50KeV-100KeV范围内比前者低6%左右，而Ca5OH(PO4)3就是人骨矿的主要成份。
　　表6 国产HK-2000体模同美国QCT-3000体模的比较
　　作定量CT骨密度检测时，扫描野要足够的大，必须将患者和标准件完全复盖在内，且应让标准件离扫描野边界2cm以上。
　　定量CT检测的对象以中老年患者居多，他们有较多的软组织，因此，一般情况下，让患者抬腿屈膝，尽量让腰背部紧贴标准件，其间没有间隙；当患者由于软组织较少而与标准件之间存在空隙时，需要在其间填塞水等效材料块，以排除空隙可能带来的影响。
　　QA质量保证标准件是定量CT系统必不可少的附件，用其作周期检验，以保证系统的精确性和稳定性。定量CT技术由于使用低mAS，其有效剂量是很低的，是安全剂量。
　　参考文献
　　[1] Genant HK,Cann CE.Quantitative bone mineral analysis using dual energy computed tomography[J].Invest Radiol,1977,12:545-548.
　　[2] 吴春营等.单能定量CT测定人体骨矿含量的准确性[J].中华放射学杂志，1990，24(6)，331-334.
　　[3] 徐均超等.正常人群的骨密度定量CT测量[J].中华放射学杂志,1993,25(6):325-329.
　　[4] Kalender WA,Suess C.A new calibration phantom for quantitative computed tomograhy. Med Phys,1987,14:863-866.
　　[5] 张光等.骨密度定量CT测量用固体标准件的研究[J].中华放射学杂志,1998,32(8):561-563.
　　[6]贾军宏,刘忠厚.QCT与pQCT在骨质疏松诊断中的临床应用[J].中国骨质疏松杂志,2003,9(2):172-176.

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