双能量CT 虚拟去钙技术评价骨质疏松症的价值

刘正华 张玉婷 黄大耿 姜永宏

骨质疏松症（osteoporosis,OP）是一种以骨矿物质含量减少和骨刚性强度下降为特征的骨骼疾病，会增加老年人的骨折风险。骨密度（bone mineral density，BMD）测量对OP 的早期诊断及疗效评价具有重要价值。双能X 线吸收法（dual X-ray absorptiometry, DXA） 和定量 CT（quantitative CT,QCT）是目前骨肌系统临床和科研中应用较为广泛的2 种影像方法[1-2]，但DXA 测量易受到体位及血管壁钙化的影响[2]，QCT 测量忽略了骨髓脂肪含量对 BMD 的影响[3]。双能量 CT（dual-energy CT,DECT） 可以利用虚拟去钙（virtual non-calcium,VNCa）技术定量分析钙、水和脂肪等不同的物质成分[4-6]。最新的《骨质疏松影像学与骨密度诊断专家共识》[1]中指出，DECT 可用于骨骼钙含量的定量分析和BMD 测定，其在OP 诊疗方面的价值尚需进一步研究确定。因此，本研究基于DECT 的VNCa 技术量化椎体的钙和脂肪成分，通过研究钙和脂肪定量参数与QCT 测得的BMD 的相关性，探讨DECT 从骨矿物质含量和骨髓脂肪组成方面对OP 进行定量评价的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性纳入2019 年3—4 月西安交通大学附属红会医院的55 例慢性腰腿痛病人，其中男 29 例，女 26 例，年龄 24~67 岁，平均（49.8±12.1）岁，平均体质量指数（body mass index,BMI）为（23.40±4.16）kg/m2。纳入标准：①年龄≥18 岁；②胸腰椎无内固定材料；③行腰椎DECT 扫描并有QCT数据。对纳入病人的椎体进行筛选和排除，排除标准：①椎体松质骨内有局限性骨质硬化；②椎体骨折和骨质破坏；③术后椎体。最终纳入318 个椎体。

1.2 设备与方法 采用Siemens Somatom Definition Flash 双源CT 扫描设备，并使用Midways 公司的质控体模对CT 设备进行校对，扫描范围自胸12椎体至骶1椎体。扫描时病人取仰卧位，腰部下方放置Mindways 公司5 样本标准体模，以便在获得DECT数据的同时进行QCT 的BMD 测量。扫描参数：A、B球管的管电压分别为80 kV、Sn 140 kV，有效管电流250 mA，螺距 0.6，准直宽度 32×0.6 mm，旋转时间500 ms/r，FOV 500 mm×500 mm，重建层厚 1 mm，层间距0.75 mm。

1.3 DECT 上钙和脂肪定量参数测量 在西门子双能量分析软件syngo.via 10.0 上基于肝脏虚拟平扫（virtualnon-contrast, VNC）功能模块进行钙和脂肪的定量分析。对80 kV/Sn 140 kV 管电压下的配置文件进行修改以进行VNCa 定量分析，软组织的CT 值设置为55 HU 和51 HU，脂肪的CT 值设置为-110 HU 和-87 HU，碘斜率设置为 1.71[7-8]，此时碘对比剂和脂肪的定量参数分别对应为椎体钙和脂肪的定量参数。手动在椎体的前2/3 勾画圆形兴趣区（ROI），避开靠近骨皮质边缘及椎静脉沟周围的骨质硬化区，测量胸12-腰5椎体ROI 内的对比剂CT值（contrast media,CM）（用以表示钙的 CT 值）、常规CT 值 （regular CT value, rCT）、钙浓度（calcium density,CaD）及脂肪分数（fat fraction,FF）（图 1）。由2 位有10 年以上肌骨系统影像诊断经验的医师独立测量所有定量参数，每位医师测量1 次，取2 位测量的平均值作为最终测量结果。

图1 椎体中钙和脂肪定量参数的测量。在DECT 的VNCa图上测量 CM、rCT、CaD 和 FF。

1.4 QCT 上BMD 测量 将高低能量混合比为0.5的CT 扫描数据导入QCT pro 定量分析系统，避开骨质硬化区，在椎体的前2/3 勾画ROI，测量胸12-腰5椎体的 BMD 值（图 2）。BMD<80 mg/cm3诊断为 OP[3]，根据 BMD 值将全部318 个椎体分为 OP 组（87 个）和非 OP（non-OP，NOP）组（231 个）。

图2 QCT pro 定量分析系统中BMD 的测量

1.5 统计学方法 采用SPSS 22.0 软件进行数据分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差（）表示，2 组间比较采用独立样本t 检验。采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）分析 2名医师测量数据结果的一致性（ICC＜0.4 为一致性差，0.4≤ICC≤0.75 为一致性一般，ICC＞0.75 为一致性较好）。采用Pearson 相关分析BMD 与CM、rCT、CaD、FF 的相关性，并建立多元线性回归模型（决定系数r2越接近1，方程拟合程度越好），该模型计算得到的BMD 即为回归BMD（regressive BMD,rBMD），得出rBMD 的方程。以QCT 的BMD 值作为金标准（BMD<80 mg/cm3），采用受试者操作特征（ROC）曲线评价 rBMD、CM、CaD、FF 的诊断效能。P<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2 名医师测量BMD 和DECT 定量参数的一致性 2 名医师测量BMD 和DECT 定量参数的一致性较好（均 ICC＞0.75），见表 1。

表1 2 名医师测量BMD 和DECT 参数的一致性

2.2 2 组椎体DECT 定量测量参数比较 OP 组的CM、rCT、CaD 均低于 NOP 组，而 FF 高于 NOP 组（均 P<0.05），见表 2。

表2 2 组椎体DECT 定量测量参数比较

2.3 BMD 和DECT 参数的相关性及回归模型分析 CM、rCT、CaD 分别与 BMD 呈正相关（分别为r=0.885，P<0.001；r=0.947，P<0.001；r=0.877，P<0.001）；FF 与 BMD 呈负相关（r=-0.492，P<0.001）（图 3）。多重线性回归分析显示CM、CaD、FF 是BMD 的影响因素（均 P<0.05，见表 3），将 CM、CaD、FF 纳入回归模型计算得出：r2=0.915；rBMD 的方程为：rBMD=54.82-0.19×CM+20.03×CaD-1.24×FF。

表3 BMD 的多重线性回归分析

图3 DECT 定量测量参数与 BMD 的相关性。A-C 图，CM、rCT、CaD 分别与 BMD 呈正相关；D 图，FF 与 BMD 呈负相关。

2.4 rBMD 与DECT 定量参数诊断OP 的效能 与CM、CaD、FF 相比，当 rBMD 阈值为 81.94 mg/cm3时诊断效能最高，其敏感度、特异度、AUC 分别为90.04%、91.95%、0.966（0.940～0.983）（表 4）。rBMD和DECT 定量参数的ROC 曲线见图4。

图4 rBMD 与DECT 定量参数诊断OP 的ROC 曲线

表4 rBMD 与DECT 定量参数诊断OP 的效能

3 讨论

OP 是一种增龄性发展的疾病，首先反映在松质骨中，故早期诊断和连续监测小梁BMD 的变化尤为重要。通常DXA 的BMD 测量方法往往将皮质骨和松质骨混在一起。由于皮质骨的密度显著高于松质骨，所以其结果不能反映OP 早期松质骨密度的变化，对早期骨质疏松的诊断比较困难[9]。基于QCT 的BMD 测量比DXA 能更好地评估椎体OP[10]，对于OP 的早期诊断和监测具有重要价值，不仅是一种三维测量的方法，还可以区分皮质骨和松质骨，以及单独测量骨小梁的BMD[11-12]。然而，Cheng等[3]认为由于骨髓脂肪组织数量的差异，可能导致QCT 评估BMD 的准确性降低。DECT 利用高低能量的物质分离技术，能够对钙、脂肪和水等进行量化，可以作为一种定量分析骨骼钙含量的新方法用于BMD 测定[13-14]。

本研究对设备商预设的肝脏VNC 配置文件中的参数修改为钙的特征斜率值，也相应修改了软组织和脂肪的参考值，这样就可以实现钙和脂肪含量的定量测量。由此得到的DECT 测量参数CM 和CaD 反映了钙相关CT 值和钙浓度，FF 反映了脂肪的含量，rCT 是混合能量图中的原始CT 值。有研究者[4,13]认为椎体骨髓脂肪含量影响椎体强度和椎体BMD，在老年性OP 的相关研究中需要对椎体脂肪含量进行定量分析。亦有报道[4,10]表明FF 值的升高会间接导致BMD 值减少，以致过高地估计了椎体骨折的风险。Cheng 等[3]利用MRI 量化椎体的脂肪成分来校正QCT 测量的BMD，并认为椎体脂肪成分的量化可以提高QCT 测量的BMD 的准确性。在本研究中，OP 组 CM、rCT、CaD 低于 NOP 组，FF 高于 NOP 组，并且 CM、rCT、CaD 与 BMD 呈正相关，而FF 与BMD 呈负相关，反映了椎体骨骼钙和脂肪含量对BMD 测量值的影响，与上述研究的结论基本一致。不同的是本研究采用了DECT 的方法，只需一种检查就可以同时完成对钙和脂肪含量的测量。此外，本研究建立了基于钙和脂肪定量参数的BMD 数学模型，CM、CaD 和 FF 纳入方程，而 rCT 未被纳入，可能与其是多种成分的混合CT 值有关。基于回归模型计算得到的rBMD 反映了椎体钙和脂肪含量对BMD 的综合影响，其对OP 的诊断效能显著高于独立的钙和脂肪相关指标，可以更加方便准确地定量评价BMD。

本研究的数据测量由2 位医师完成，结果具有较好的一致性，可能与ROI 位置选择较一致有关。ROI 在椎体的位置对于CT 定量参数测量与骨折风险的相关研究具有重要意义。本研究中ROI 定位于椎体前2/3 区域主要是为了有效地避免椎静脉沟及其边缘骨化，降低BMD 测量误差；其次，骨质疏松性压缩骨折发生时，椎体前柱是应力最大的部位[15]，ROI 置于此处，有利于进一步利用测量值预测骨质疏松性骨折的风险。在以往的一些研究中，ROI 常被设定为整个椎体的轮廓[6-7]，笔者认为它没有充分发挥三维测量技术的优势，可能与这些研究选择DXA 作为对照有关。选择QCT 作为对照的优势在于，无论是基于DECT 还是基于QCT 的测量，都可以选取在同一个层面上进行，保证ROI 的点对点对应，以减少系统误差。

QCT 是目前应用较多的一种BMD 测量方法，仅需在常规CT 上加装校正体模及相关分析软件即可完成。相比DECT，QCT 对设备依赖性小，操作更方便，更适宜临床推广。尽管如此，DECT 用于骨质疏松的定量评价仍具有一定的优势，如其VNCa 技术对骨髓水肿的诊断具有很高的临床应用价值；还有研究[16-17]表明DECT 对骨质疏松性椎体压缩骨折诊断的敏感度和特异度分别为88.6%、100%，对膝关节隐匿性骨折骨髓水肿诊断的敏感度和特异度分别为81.8%、94.6%，适用于骨质疏松性骨折以及隐匿性骨折的急诊CT 检查。对于老年性OP 病人，进行一次腰椎的DECT 检查，既可以对骨质疏松程度进行精确地定量评价，还可以通过骨髓水肿的情况发现隐匿性骨折，或者判断骨折是否为新鲜骨折，为临床诊疗提供参考。这在一定程度上有助于优化检查流程，减少医疗成本。

本研究尚存在一定局限性：一是样本量较小；二是由于BMD 不能完全反映骨强度，因而仅以QCT 的BMD 作为评价OP 诊断效能的金标准。因此，在今后的研究中需要增加样本量，宜进行椎体的生物力学测试，以之作为骨强度的金标准进行相关研究。

总之，基于DECT 的VNCa 技术的钙和脂肪定量参数与QCT 的BMD 具有良好的相关性，基于这些参数得到的rBMD 对OP 的诊断具有较高的敏感度和特异度，可作为一种BMD 测量的补充方法，从椎体的钙及脂肪含量方面定量评价骨质疏松。