分形维数在CT腰椎松质骨图像中应用的研究

冯银波, 方向明, 陈宏伟, 张丽娟

(南京医科大学附属无锡人民医院医学影像科，江苏 无锡 214023)



·临床研究·

分形维数在CT腰椎松质骨图像中应用的研究

冯银波, 方向明, 陈宏伟, 张丽娟

(南京医科大学附属无锡人民医院医学影像科，江苏 无锡 214023)

目的 探讨分形维数(fractal dimension， FD)在腰椎CT中对松质骨微结构量化的应用价值。方法 回顾性分析2012年12月至2015年9月，因腰痛来本院就诊并行腰椎CT检查的中青年男性患者115例，分为两组： A组，28～31岁，61例；B组，38～41岁，54例。入组者均无腰椎退行性变，使用imagej分析腰4椎体松质骨区域图像，量化灰度纹理特征。检验FD值在两组间的差异并行ROC曲线分析。结果 A组腰椎松质骨的FD值为1.463±0.056，B组腰椎松质骨的FD值为1.418±0.038，两组间的差异有统计学意义(P=0.001)。经ROC曲线分析，判断FD最佳临近点为1.423，此时诊断的灵敏度为75.4%，特异度为55.6%。结论 采用分形维数分析腰椎松质骨CT图像，提取灰度纹理信息，可量化一定轻微退变程度的骨微结构。

骨质疏松症； CT； 分形维数

骨质疏松症是一种以骨量低下，骨微结构破坏，导致骨脆性增加，易发生骨折为特征的全身性骨病[1]。双能X线吸收法(DXA)是学术界公认的骨密度检查方法，但其不能有效评估骨微结构的变化[1-2]。腰椎及腰椎间盘CT扫描是患者因腰痛就诊比较普遍的检查。临床CT诊断中，只观察腰椎骨赘、小关节退变及椎间盘突出等情况，对松质骨区域的灰度信息没有充分利用。有研究表明[3-6]，对放射学图像中松质骨区域的灰度纹理信息获得的分形维数值(fractal dimension, FD)，与松质骨的微结构或骨密度存在一定相关性。本研究采用一定方法提取腰椎松质骨CT图像中灰度纹理信息，初步探讨FD在松质骨微结构评估中的应用价值,以期在临床诊断中作为一种评估腰椎退变的客观定量指标。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性分析2012年12月至2015年9月，因腰痛来本院就诊并行腰椎及腰椎间盘CT检查的中青年男性患者115例，年龄为28～31周岁(A组，61例)和38～41周岁(B组，54例)。经放射科二位主治医师阅片： A组和B组的腰椎均无退行性改变。本研究分组参照“原发性骨质疏松生理年龄预诊法”。

1.2 方法

CT检查使用无锡市人民医院西门子双源CT(somatom definition, CT)，管电压120kV，管电流 297mA，层厚 2mm，螺距0.8，FOV 16.2cm×16.2cm，重建算法为“Spine 2.0 B30s-2”，图像矩阵512pixels×512pixels。患者体位参照“无锡人民医院腰椎CT检查规范”。入组者均无甲旁亢、肾上腺疾病、肿瘤、骨折等重大疾病。

1.3 图像分析流程

选取距腰4椎体上缘2～3个层面，约4～6mm的层面，以规避穿行于椎体中的微血管及腰椎间盘影响。图像显示为骨窗(窗宽 2500Hu，窗位800Hu)，经Dicom格式直接转换为BMP格式(8bit，灰阶0-255)保存，见图1。

图像分析使用imagej软件，流程： (1) 导入图像；(2) ROI取65 pixels×65 pixels随机位于松质骨区域，边缘避开骨皮质，如有骨岛等骨质异常区域，以临近层面优先；(3) ROI以外区域剪除；(4) 二值化(binary)，算法为Ij-Isodata；(5) 骨化(skeletonize)；(6) 分形盒计数(fractal box count, 64×64像素)。其中后4步编译为宏命令(Macro fd)，见图2、3。

为减少实验测量误差，本实验由两名主治医师测量，并间隔两周重复测量3次。每位入组者FD值最终结果为上述6次测量值的平均值。

1.4 统计学分析

图1 测量层面选取为距离腰4椎体上缘2～3个层面Fig.1 The ROI was selected at axial image of L4 vertebral body, 2-3 slices under its endplate

图2 FD测量imagej宏命令(Macro fd)Fig.2 Macro with imagej program used in trabecular bone architecture FD analysis

2 结 果

2.1 两组间腰椎松质骨的FD值及比较结果

本实验FD值经方差齐性(Levene)检验，F值为3.806，P>0.05，为正态分布。A组腰椎松质骨的FD值为(1.463±0.056)，95%CI区间为1.449～1.478。B组腰椎松质骨的FD值为(1.418±0.038)，95%CI区间为1.409～1.429。两组间的差异有统计学意义(t=4.915，P<0.01)，见表1。

表1 中青年男性椎体松质骨FD值比较

2.2 FD值的ROC曲线分析

利用SPSS软件中ROC曲线法选取最佳灵敏度及特异度时的临界值，当FD界值为1.423时，曲线下面积最大，见图7。诊断的灵敏度为75.4%，特异度为55.6%，阳性预测值为66.2%，阴性预测值为68.2%。

图7 FD值的ROC曲线分析Fig.7 Receiver operating characteristic (ROC)ROC曲线显示当Fd为1.423时，对鉴别两个年龄段患者有很好的准确率(曲线下面积为0.754)curve for FD, When critical value of FD is 1.423，sensitivity is 75.4%

3 讨 论

有研究表明[3-6]从放射学图像中提取的松质骨纹理(bone texture)分形维数(FD)值与骨微结构及骨密度存在一定相关性。对两个年龄段的中青年男性腰4椎体的同一层面CT图像，采用二值化、骨化及分形盒计数三个步骤处理后发现： 腰椎松质骨的FD能区分一定年龄间隔的男性人群。图像纹理分析是建立在不同组织病理基础上的。椎体松质骨是由骨小梁和骨髓按不同比例构成的具有一定构象的多孔结构，并具有方向性和重建性等特征[7-8]。随着增龄和退变，腰椎骨小梁的重建遵循Wolf定律，骨小梁的多孔结构中的水平方向骨小梁不断丢失，垂直方向骨小梁逐渐粗大[9]。同时，骨小梁和骨髓对X线的吸收率差别很大[10]。CT图像中腰椎区域的灰度纹理，代表了不同比例的骨小梁和骨髓对X线的吸收情况。当松质骨的微结构变化(骨小梁的变薄、数目减少及间隔增宽)时，其对射线的吸收率会发生相应的变化，从而引起了局部图像的灰度纹理改变。

目前，松质骨微结构的影像学研究中常使用高分辨率显微CT和MR。骨小梁厚度为50～200μm，骨小梁间隙为200～1000μm[1]。实验室用高分辨率显微CT和MR的空间分辨率能达到15μm，能清晰地显示骨小梁，可使用骨表面积(BS)、皮质骨厚度(Ct.Th)和宽度(Ct.Wi)等来定量描述骨微结构情况。由于检查费用高、射线剂量大、需配置专用的线圈和软件、应用于活体及中枢骨骼检查困难等问题，这些技术不能在临床实践中常规应用。多排螺旋CT的空间分辨率为12lp/cm左右(本研究用CT为12lp/cm)，再加上部分容积效应等原因，不能分辨骨小梁的真实结构，只能显示松质骨的灰度纹理信息。

纹理是图像分割和分类的常用概念。每一种物体都存在独有的纹理。有研究表明，在现有CT空间及密度分辨率下，CT图像纹理分析可以评估肿瘤内部的病理性质[11-12]。本研究所用的分形维数是灰度图像纹理分析技术中的一种，即从像素出发在灰度图像中提取目标特征，定量获得纹理参数。松质骨抗压性越好，其微结构越复杂，相对应的FD值也越大。Baum等[4]使用HR-pQCT和256排螺旋CT研究人体胸7至腰3椎体表明，这两种CT获得的骨小梁FD值差异不明显，且FD值与椎体的BMD及抗压性参数均有明显的相关性。Laurence等[5]研究下颌骨的CBCT扫描图像，发现松质骨FD值随着年龄的增加而减小，且在同一年龄段，男性FD值大于女性。Obert等[13]发现女性颅骨CT图像的FD值与死亡年龄有一定的负相关性，可能为法医判定尸体死亡年龄有一定的指导意义。Ollivier等[14]研究高分辨率DR中股骨头图像发现，松质骨纹理特征值(Hmean值)的减小反映了骨小梁局部穿孔、不连及消失。虽然松质骨纹理分析不是直接评估3D结构的技术，但其可以定量描述由增龄和骨质疏松引起的骨结构特征的改变[14]。

本研究存在一些不足： (1) 由于40岁以下患者不建议行DXA检查，入组患者没有骨密度数据，仅通过年龄差异及退变程度区分骨结构变化情况；(2) 由于CT图像重建FOV大小对FD测量影响不明确，所以入组者CT图像重建FOV均限定为16.2cm×16.2cm。这方面的影响有待进一步研究。

采用灰度二值化和分形盒计数分析腰椎松质骨CT图像，提取灰度纹理信息，可以量化一定轻微退变程度的骨微结构。分形维数作为一项准确、经济、易操作的数字图像处理技术，在体外无创检测不同部位松质骨微结构的临床应用有待进一步探索。

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Study on the application of fractal dimension in CT lumbar vertebral cancellous bone images

FENGYin-bo,FANGXiang-ming,CHENHong-wei,ZHANGLi-juan

(Dept. of Radiology， Wuxi People Hospital， Nanjing Medical University， Wuxi 214023， China)

Objective To assess the application of fractal dimension (FD) calculated from CT images in evaluation of cancellous bone texture of lumbar vertebrae. Methods One hundred and fifteen males aged 28-41 years with history of back pain were examined with computed tomography. The FD value of 4th lumbar vertebra (L4) was calculated from CT images with box-counting method to determine its characteristic spongy network. Results The FD value in youth group (38-31 years) and middle-age group (38-41 years) was 1.463±0.056 and 1.418±0.038, respectively(P=0.001). Taking the cut-off value of 1.423 in receiver operator characteristic curve (ROC) the sensitivity and specificity of FD in diagnosis of osteoporosis was 75.4% and 55.6%, respectively. Conclusion The results suggest that the application of fractal analysis of CT images can provide valuable information on the trabecular pattern of vertebrae.

Osteoporosis; CT; Fractal dimension

10.16118/j.1008-0392.2016.03.022

2015-10-10

国家自然科学基金面上项目(81271629)

冯银波(1982—)，男，主治医师，硕士.E-mail： jsjr_fyb@163.com

方向明.E-mail: drfxm@163.com

R 816

A

1008-0392(2016)03-0107-05