三种骨密度体模DXA一致性测试

方帅，顾加雨，夏勋荣

江苏省计量科学研究院 医学所，江苏 南京 210023

引言

骨质疏松症是一种以骨量降低和骨微结构退化为特征，导致骨脆性增加和易发生骨折的代谢性全身疾病，是老年人的常见病。如何尽早、准确地发现骨矿物质含量的减少是个极其重要的医学课题。

测量骨密度的方法多种多样，从最早的单光子骨密度仪到双光子骨密度仪，再到双能X射线骨密度仪（Dual Energy X-ray Absorptiometry，DXA），以及定量CT骨密度测量和定量磁共振骨密度测量。其中，DXA因其辐射小、准确度高、扫描时间短等优点而被世界卫生组织誉为诊断骨质疏松最便捷、最有效的方法，也是目前临床医学诊断骨质疏松、预测骨质疏松性骨折风险的最佳方法[1-5]。美国Hologic、GE、Norland公司，法国Sopha公司，韩国Osteosys公司等的进口设备占据了我国DXA市场的绝对份额。

不同厂家的DXA其原理基本相同，但双能X射线的产生方式、扫描方式、探测器特点以及数据计算、轮廓识别等功能略有差别，使各仪器的测量结果可能存在不同。为了使各品牌的骨密度仪检测结果具有可比性，本研究采用一种模拟人体脊椎的体模来检验DXA的主要计量特性，以期达到骨密度检测值的准确和统一。目前，用于骨密度测量评价的体模有多种，有的采用羟磷酸钙代替骨质，有的采用动物骨质，还有的采用不同厚度的铝材模拟骨质，体模的材质和原理不同导致测量结果的差异很大。本研究选用市场占有量最大的两种品牌Hologic和GE DXA的骨密度仪分别对QC-2型骨密度体模（以下简称QC-2）、欧洲脊椎骨密度体模（European Spine Phantom，ESP）和美国仿真体模（Bone Fide Phantom，BFP）进行数据采集，比较分析三种体模的数据差异及在Hologic和GE DXA上的通用性、适用性、一致性，为骨密度仪数据采集和建立适用于中国人群的骨密度基础数据库提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 三种实验体模性能指标比较

三种骨密度体模（Bone Mineral Density，BMD）都是采用羟磷酸钙模拟人体骨头，因为在DXA使用的X射线能谱范围内，羟磷酸钙对X射线的衰减吸收与人体骨头等效。模拟人体软组织的材质虽然有所不同（表1），但它们对X射线的衰减、吸收系数相近，即X射线等效性相同[6-7]。

表1 三种体模的性能指标

这三种体模都有骨密度的高、中、低值，覆盖了人体骨密度变化范围，既可以模拟正常人群的骨密度值，也可以模拟病理性人群的骨密度值，适用于整个临床骨密度范围的研究[8-9]。同时，三种体模的尺寸、重量相差不大，携带方便，操作简便。目前，大多数GE-Lunar DXA都采用笔形束扫描，该方式采用无散射狭窄线束和单一的探测器，通过点对点、前后移动扫描架的方式来采集数据。而Hologic-Discovery DXA一般采用扇束扫描，通过线对线、转动扫描架的方式进行数据采集[10]。这三种骨密度体模仿脊椎模块都成直线排列，能很好地适应这两种扫描方式。

1.2 实验方法

用两种品牌DXA分别对QC-2、ESP和BFP进行数据采集，比较分析三种体模所测得数据的差异，并计算测量值与体模标称值的相对误差。由于三种体模模拟骨骼都采用羟磷灰石[主要成分为Ca5OH(PO4)3]，各种骨密度仪在生产时定标所用的人体骨骼或模拟骨骼其成分也是羟磷灰石，因此DXA测量体模时所得的测量值与体模标称值理论上应具有高度相关性。用最小二乘法对DXA测量值和相应的体模标称值做直线拟合，并验证各体模测量值与标称值是否存在高度相关性[11]，见式(1)。

式中：Y为DXA对体模的测量值，g/cm2；X为与测量值相对应的体模标称值，g/cm2；a为截距，g/cm2；b为直线斜率。a和b一旦确定，方程即为已知，可得出DXA测量值的直线回归方程[12]。

将三种体模的测量值代入所得到的线性回归方程中进行数据校正，计算校正后的数据结果与对应体模标称值的相对误差，分析各体模在Hologic和GE DXA上的通用性、一致性和适用性。

2 结果

2.1 三种体模在两种DXA上的测量数据

三种体模在GE-Lunar和Hologic-Discovery骨密度仪上的测量数据如表2～3所示。QC-2和ESP体模低、中、高三种骨密度值分别对应L2、L3、L4模拟腰椎骨，BFP体模有四种梯度的骨密度值，由低到高分别对应L1、L2、L3、L4模拟腰椎骨。

表2 三种体模在GE-Lunar DXA上的测量数据

通过以上数据可以看出，QC-2、ESP和BFP体模在GE DXA上测量误差分别为1.6%～31.3%、7.5%～19.0%和-6.4%～2.0%，测量值大多高于各体模标称值；在Hologic DXA上测量误差分别为-9.1%～-7.1%、-6.2%～2.0%和-4.1%～3.0%，测量值大多低于各体模标称值。这是由不同生产厂家的骨密度仪校正方式不同、正常人群参考值不同和自动识别模拟椎骨轮廓的能力不同等多种因素造成的，故各仪器测量不同的体模或同种体模时，测量结果都存在较大的差异[13]。但是，只要DXA生产商根据其采用的X射线能量条件并配合使用BMD进行骨密度值的计算和修正，骨密度值是可以形成统一的[14]。

2.2 BMD线性回归方程的确定

将表2和表3中数据用最小二乘法做直线拟合后，按公式(1)计算，得到表4列出的直线回归方程的a、b参数和相关系数r。

表3 三种体模在Hologic-Discovery DXA上的测量数据

表4 两种DXA分别对应三种体模的直线方程

从表4所列的线性回归方程可以看出，GE、Hologic DXA对三种体模的测量值与标称值之间的误差都较大，这种误差主要是由体模仿真程度即模拟软组织的材料不同和两种仪器出厂定标误差所造成的。这种误差是系统误差，造成线性方程中截距a不为0，斜率b不为1[15-16]。其中，在QC-2对于GE的直线回归方程中，截距a=0.21 g/cm2，明显大于其他直线回归方程中的a值，这是因为DXA对体模骨面积的测量会因体模等效软组织的不同而使轮廓识别有差异造成的，GE-Lunar DXA无法自动标画QC-2模拟椎骨轮廓，只能靠手动标画来实现，这会导致人为因素而带来的系统误差[17]。

2.3 测量值与标称值的线性相关性

根据表4直线方程数据绘制线性相关性图，见图1～2。

图1 GE DXA测量值与三种体模标称值的线性相关性

图2中的三条线分别是三种体模对Hologic DXA线性相关性的描绘，横坐标是体模BMD标称值，纵坐标表示骨密度仪测量出的BMD值，相关系数r都大于0.99，说明Hologic DXA测量值与对应三种体模标称值呈高度相关[18-19]。同理，图1中QC-2和ESP对GE DXA也呈高度相关，BFP相关系数r=0.9825小于0.99，说明BFP体模基于GE DXA参考值的修正对于其本身标称值是存在一定影响的。

图2 Hologic DXA测量值与三种体模标称值的线性相关性

2.4 测量结果的校正与分析

按照表4中的直线方程，将DXA测量数据进行线性回归校正，得到校正后的BMD值如表5所示。

通过表5可以看出，QC-2、ESP和BFP体模在GE DXA上线性校正后的相对误差为-1.9%～4.4%、-0.7%～0.3%和-2.5%～5.5%，在Hologic DXA上线性校正后的相对误差为-2.2%～0.5%、-1.8%～1.7%和-2.0%～1.5%。与校正前相比，相对误差都有了很大的改善，误差范围变窄，其中QC-2和ESP体模相对误差变化幅度较大，BFP体模相对误差变化幅度较小。这是由于BFP体模对于GE和Hologic DXA给出了不同的标称值分别为（0.7～1.5）g/cm2和（0.6～1.2）g/cm2，其对GE和Hologic这两种品牌的参考值进行了一定程度的修正，因此再次经过线性方程修正后，相对误差的变化幅度不如前两种体模明显。

经过线性校正后，两台DXA得出的三种体模测量校正值与相应体模的标称值相对误差都很小，即校正后的测量值都与相应体模标称值基本相符。从表5均值及误差列可以看出，三种体模分别在GE和Hologic DXA上的测量值经校正后，取L1～L4的平均值与标称值平均值相比，误差都非常小（-0.1%～0.5%和-0.1%～-0.2%），经显著性检验，相关系数r=0.9987，大于α=1%，检验表中相应值，这6对数据具有高度显著线性关系[20-21]。这也从另一个角度说明，这三种体模对于DXA的检定和测试具有很好的一致性和通用性。

表5 经校正后的BMD值及相对标称值的误差（g/cm2，%）

3 讨论

QC-2、ESP和BFP三种BMD具有主要材质相同、对X射线衰减吸收等效性相近、测量范围相近的通用性，用它们分别测试GE和Hologic DXA时，测量结果会出现偏高或偏低的误差，但测量结果和相应的体模标称值具有高度的线性相关性。经拟合直线方程并校正后，可得到与标称值相符的测量结果，在一定的允许误差范围内，均具有较好的一致性[22]，都可用于DXA的检定和检测试验。从测试适应性来看，QC-2具有不能被GE-Lunar自动识别模拟椎骨轮廓的局限性；BFP具有两种标称值的不便和因为两种标称值而对线性相关性的影响；ESP经线性回归校正后的数据与标称值相对误差最小，因此ESP体模适用性最佳。在骨密度基础数据库的数据采集过程中，ESP体模可作为各种DXA质量控制、检测试验和稳定性考察的首选体模。

4 结论

从GE和Hologic DXA对于三种体模的测试数据来看，Hologic DXA能很好地适应三种体模，同时其测试数据和体模标称值的线性相关性及修正后的误差都明显优于GE DXA。但是，是否在中国人群的骨密度基础数据库的数据采集中优先使用Hologic DXA，还需要进一步对正常人群进行数据试验论证后决定。