双源CT双能定量扫描测量骨密度的临床研究

蒋宝国 黎秋菊 陈晓朝 宣 扬

(中国医科大学附属第四医院放射科，辽宁 沈阳 110032)

骨密度(bone mineral density，BMD)是指单位体积骨组织内骨矿物质的含量，能够准确反映骨组织的数量，因此目前临床上用于引起骨质变化的相关疾病的诊断及评价治疗效果〔1，2〕。目前临床上常用的 BMD测量方法主要有双能 X线BMD测量法(Dual Energy X-ray Absorptiometry，DEXA)及单能定量 CT 测量法(Single Energy Quantitative CT，SEQCT)〔3〕，但两种方法均存在缺陷，其测量值与真实值之间存在较大的误差。理论上最理想的BMD测量方法应该是双能定量CT法(Dual Energy quantitative CT，DEQCT)〔4〕，本研究在充分认识双能BMD测量原理的基础上，设计开发出应用于西门子双源CT(dual source CT，DSCT)的双能BMD测量软件，对正常成人腰椎进行DEQCT、SEQCT测量，对比这两种测量方法的优缺点。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 DSCT双能软件的设计开发 根据CT值测量的原理，按照椎体松质骨五种组成成分(骨矿物质，胶原，水，脂肪和红骨髓)所占比例不同分别进行计算，并结合不同成分对不同能量X线的衰减系数不同由东北大学中荷生物医学与信息工程学院设计开发出应用于西门子DSCT的双能BMD测量软件。

1.1.2 实验对象 选取100例健康者(体检正常，血钙、磷、碱性磷酸酶及肝功正常，尿常规及尿糖正常，无甲旁亢、肾及肾上腺疾患，未服用类固醇激素)。男50例，女50例，年龄21～70岁。分为5个年龄组:21～30岁，31～40岁，41～50岁，51～60岁，61～70岁，每组男女各5例。

1.2 方法

1.2.1 CT扫描方法及扫描参数 使用西门子Somatom Definition 64层DSCT。双能扫描参数:A球管140 kV，70 mAs，B球管 80 kV，297 mAs，准直器宽度 1.2 mm，螺距 0.9，融合参数0.3，重建层厚5 mm，重建函数 D70f;单能扫描参数:120 kV，120 mAs，准直器宽度1.2 mm，重建层厚5 mm，重建函数 D70f。

1.2.2 扫描方法 首先进行单能方法扫描，将单能运算体模(东北大学自行研制)置于志愿者腰部后方，同志愿者一起扫描;每一志愿者均只扫描第四腰椎，然后去除运算体模，进行双能方法的扫描。扫描结束后将图像统一重建厚度为3 mm，每一椎体重建图像为5幅。

1.2.3 测量方法

1.2.3.1 DEQCT测量方法 将重建后的每一志愿者腰椎双能扫描图像载入自行设计的双能BMD测量软件中，分别测量椎体中心部的BMD，取平均值。见图1。

1.2.3.2 SEQCT测量方法 将重建后的志愿者腰椎椎体与运算体模同时扫描的单能扫描图像载入东北大学设计开发的单能BMD测量软件中，记为单能体模法，分别测量目标体模中心部的BMD值，然后取平均值。

1.3 统计学分析 应用SPSS13.0统计软件，采用t检验对以上两种测量方法所得的各组数据进行统计学处理。

图1 双能软件截图

2 结果

应用DEQCT及SEQCT测量法所测得正常成人BMD均与年龄明显相关，其水平以21～30岁最高，且女性BMD高于男性;41～50岁后男性高于女性。另外从测量结果还可以看出，DEQCT与SEQCT测量法相比，其测得的数值较大，每一年龄组间所测均值的差别均具有统计学意义(P＜0.05)。见表1。

表1 两种测量方法测量不同年龄段、不同性别第四腰椎BMD值比较(x ± s，mg/cm3)

3 讨论

腰椎是骨质疏松最早受累和最常见的部位，椎体的主体几乎都是由松质骨组成，其代谢转换率是皮质骨的8倍，骨量变化可早期出现，因此临床上多测量腰椎BMD来判定是否存在骨质疏松。目前临床上应用较为广泛的测量BMD的方法主要是 DEXA 及 SEQCT，而两者均存在一定的缺陷〔5，6〕。DEXA 所测得的骨矿物质密度为扫描区内所有骨的总和，是二维投影，X线所经过的范围内所有结构都包括在内，因此容易造成误差。QCT所测的是真正意义上的体积BMD(g/cm3)，完全排除了骨大小的影响，还可以区分松质骨和皮质骨的BMD，并且可以更加准确地进行几何形态学参数的测量。松质骨的主要组成成分为骨矿物质、胶原、水、脂肪和红骨髓，SEQCT方法不能分离出松质骨中其他成分(主要是脂肪)对测量结果的影响〔6〕，即SEQCT将松质骨中脂肪、胶原等同于水，而忽略了这两种成分对BMD的影响。理论上骨内脂肪、胶原基质及骨周围的软组织导致SEQCT测量BMD的误差可通过DEQCT扫描的方法补偿。双能方法早在九十年代就被提出，但由于CT设备的限制，单源CT进行双能扫描时需行2次扫描，因此受到图像配准的影响，而且操作较为繁琐，同时也没有开发出相应的软件，所以一直未能受到重视。2005年，西门子公司开发出新的双源CT，这种CT采用两种能量同时扫描的方式为BMD的测量开辟了新的方向〔7〕。

本次实验DEQCT法测量与SEQCT所测BMD值均与年龄具有明显的相关性，即在21～30岁时为BMD的峰值年龄，随着年龄的增长BMD值逐渐下降。但是，两种测量方法在每一年龄段所测的BMD值却存在一定的差异，DEQCT法所测值均高于SEQCT法。理论上，双能方法的测量结果更接近人体椎体BMD的真实值。临床上常用的SEQCT的基本原理是〔8，9〕:利用CT扫描层面内的每个小单元(即体素)可获得系列的X线吸收系数，经数学运算，可得到每一体素的X线吸收值，从而构成一个数字矩阵，每一体素的吸收值(U)，与水的吸收值(U水)相减，再除以水的吸收系数所得的商乘以1 000，即为某物质的CT值，故其CT值=〔(U－U水)/U水〕×1 000〔4〕。测量时，被测体与已知浓度的羟基磷灰石参考体模同时扫描，可得扫描层面上需要测量区域的CT值(设为Hb)和同时扫描的参考体模的CT值(设为HK)，参考体模内的标准水的CT值(设为Hw)，则该测量区域的BMD(设为Db)的计算方法:Db=〔(Hb－Hw)/HK －Hw〕×Ck(g/cm3)〔5〕，其中 Ck为已知参考体模羟基磷灰石浓度。本文前期应用DEQCT软件进行的离体猪脊骨及体模测量实验都证明DEQCT测量方法所测BMD值较SEQCT法更接近离体猪脊骨的灰重密度及体模的实际钙盐密度。尽管目前SEQCT临床上应用较多，但是由于其设计原理上的缺陷，必然会导致测量值不够准确。另外，SEQCT在测量时需要同时应用运算体模，而不同的厂家生产的运算体模均不同程度存在误差，即运算体模制作过程中体模中的不同浓度的钙盐含量值不准确，导致测量值的误差。

DEQCT对BMD的测量考虑了松质骨中各种成分对BMD的影响，而且不需要临床常用的SEQCT必需的运算体模，因此测量结果不受运算体模的影响，测量结果更为稳定可靠。同时，在软件的设计过程中，考虑到CT扫描仪管球输出功率可能存在偏倚，因此在测量每一幅图像时，本文采用脂肪定标的方法，即根据脂肪对X线的经验衰减值，反过来计算出管球实际的输出能量，这样保证每次的测量结果不受管球输出能量偏倚的影像。

虽然由于双源CT设备的普及率较低，以及受检者接受的辐射剂量较高，该方法尚不能向DEXA那样适用于大量人群骨质疏松的筛查，但是设想随着设备的普及以及CT扫描方法的优化，该方法定会受到临床的广泛重视。总之，DEQCT测量方法改进了目前临床上常用的测量方法的不足，能够为临床提供较SEQCT方法更为精确的BMD测量值。

1 肖建德.实用骨质疏松学〔M〕.北京:科学出版社，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、骨密度和骨结构〔J〕.中国骨质疏松杂志，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 顾本立，王志宏.定量CT测定骨矿物含量的双能量方法〔J〕.中国生物医学工程学报，1994;13(2):156-62.

9 徐均超.骨密度CT测量〔J〕.中国临床医学影像杂志，1993;4(1):8-11.