基于不同管电压下腰椎定量CT骨密度测量临床研究

刘艳莹，胡昊，李万忠，陈国栋，王玲，王岩

骨质疏松症是好发于中老年人的常见慢性疾病，导致中老年人的生活质量下降，同时也加重了医疗负担[1，2]。定期对老年人群骨密度进行测量能及时监测骨量的变化、明确骨质疏松诊断，进而指导临床，达到预防、治疗的目的。定量CT(quantitative CT，QCT)和双能X线骨密度仪(dual-energy X-ray absorptiometry，DXA)是目前国际社会广泛应用的骨密度测量方法，二者相较，QCT测得的骨密度结果更精准、操作更便捷[3,4]。然而CT检查的辐射剂量一向是大众广泛关注的问题。目前临床工作中肺CT检查时管电压设置范围为100～140 kV，而QCT测量腰椎BMD诊断标准则规定以120 kV管电压进行腰椎扫描能获得腰椎BMD真值。管电压、管电流、图像噪声等作为CT检查的重要参数，一旦改变将会对患者的辐射剂量、图像质量及CT值测量结果产生影响[5，6]。降低管电压是常用的低剂量扫描方法，学者研究发现肺CT联合椎体QCT一站式扫描有助于降低辐射剂量且降低医疗成本[7]。本研究分别采用低管电压100kV和标准管电压120 kV两种扫描条件下对腰椎进行QCT骨密度测量，比较两种管电压条件下测量结果的差异，并探讨其校正方法，力求在减低患者辐射剂量的同时提供真实的腰椎骨密度值，为低剂量QCT扫描技术在临床骨密度测量提供参考依据。

材料与方法

1.研究对象及分组

本研究为全国QCT疾病大数据多中心研究项目，并经盘锦辽油宝石花医院伦理委员会批准，招募2021年10月至2022年1月于本院进行低剂量肺CT联合腰椎QCT体检人群中检出疑似肺部炎性病变，进而需进一步CT复查的人群为志愿者，两次扫描时间间隔1～4周，签署知情同意书。志愿者排除标准：曾发生骨折或进行腰椎手术、患有恶性肿瘤、严重的代谢性疾病，近期使用过影响骨代谢的产品或药物，测量前1周内使用过碘对比剂、进行CT检查的患者。本研究共入组122例，其中男67例，女55例，年龄23～58岁，平均年龄(41.86±7.57)岁。根据两次检查管电压不同分为100 kV组和120 kV组。

2.检查方法

使用联影128层螺旋CT扫描机(uCT760)、美国Mindways公司的QCT(model3)校准体模对研究对象进行先后两次扫描。两次扫描管电压分别设置为100 kV和120 kV，其余扫描条件相同。管电流60 mA，螺距1.0875：1，床高145 cm，层厚1 mm，旋转时间0.5 s，FOV 500 mm×500 mm，采用体部重建。将校正体模平行于脊柱长轴放置于扫描床上，固定于胸、腰椎的位置，被检者仰卧于CT扫描床，双手上举并抱头，腰骶部与体模尽量贴紧，同时进行体模与人体的扫描，扫描范围自胸廓入口至腰2椎体下缘水平。

3.骨密度测量方法

将容积数据传至QCT PRO工作站，使用Mindways公司的5.0.3 Version QCT PRO的3D spine exam analysis进行椎体松质骨的骨密度测量，半自动设置ROI，层厚为9 mm，尽量避免增生、硬化、骨岛、骨皮质、各椎小关节以及椎后静脉入口处骨小梁缺少区的测量，由两位高年资主治医师采取双盲法分别测量每个患者的L1、L2椎体骨密度，取两椎体骨密度的平均值作为腰椎的骨密度值。

4.骨质疏松的诊断标准

根据中国定量CT(QCT)骨质疏松症诊断指南 (2018)：骨量正常者骨密度的绝对值应>120 mg/cm3，骨密度绝对值处于80～120 mg/cm3之间则为低骨量，骨密度绝对值<80 mg/cm3即可判定为骨质疏松[8]。

5. 统计学方法

结 果

1.不同管电压下腰椎骨密度均值的比较(图1)

图1 体检人员间隔20d扫描测得的L1、L2骨密度值。a) 100kV管电压; b) 120kV管电压。

100 kV组与120 kV组BMD均值分别为(166.69±33.63) mg/cm3、(163.39±33.53) mg/cm3，100 kV组BMD均值高于120 kV组，经配对t检验，t=12.330,P=0.000,两组间骨密度值差异具有统计学意义，即随着管电压的增高，腰椎骨密度值减低。两组不同管电压下BMD测量结果比较，ICC=0.996，P=0.000，即两组间BMD相关性较好,一致性高。

图2 不同管电压下骨密度测量结果一致性分析。 图3 不同管电压下骨密度测量结果回归分析。注 ：BMD100kV， 100kV管电压下测得的腰椎骨密度；BMD120kV，120kV管电压下测得的腰椎骨密度。

2.不同管电压下骨密度测量结果一致性分析

不同管电压下骨密度测量结果Bland-Altman一致性分析(图2)。在一致性界限范围以内，100 kV组与120 kV组腰椎BMD差值的绝对值最大值12.51，差值平均值3.298，95%一致性界限(LoA) x±1.96s为(-2.493，9.089)，96.7%(118/122)的点位于95%LoA之内，两次测量结果一致性较高。

3.不同管电压下骨密度测量结果回归分析

100 kV与120 kV扫描条件下测得的BMD值呈高度正相关，r=0.9961，95%CI=(0.9945,0.9973)，P<0.0001。两组结果线性回归分析(图3)，将120 kV下测得的腰椎BMD值设为因变量(Y)，100 kV下的腰椎BMD值设为自变量(X)，根据Y=aX+b,R2，得出回归方程，即BMD120 kV=0.9932×BMD100 kV-2.160,R2=0.9923。

讨 论

骨质疏松症是一种以骨微结构改变导致的单位体积骨量较少、骨组织进行性破坏的一种全身代谢性疾病，我国尤以中老年人多见。骨质疏松严重者最终可演变为脆性骨折，甚至有致残风险，严重影响了中老年患者的生活质量[9]。定期检测骨密度能够及时反映骨量的变化，指导临床预防、治疗骨质疏松，提高患者的生活质量。研究表明腰椎BMD可用于评估总体骨骼健康的指标[10]，本研究选取肺CT联合腰椎QCT健康体检患者中需进一步检查的人群，在不额外增加患者辐射剂量的同时进行不同管电压下的QCT腰椎BMD测定，以评价不同管电压下的腰椎骨密度值间的相关关系，进而实现体检人群低管电压下的腰椎骨密度精准测量，降低患者的辐射风险。

CT已成目前临床检查中辐射占比较高的部分，关于放射线检查的辐射剂量及防护问题愈发受到人们的重视[11]。临床建议肺部及其他检查部位尽可能应用低剂量CT检查，在保证图像质量及诊断需求的同时尽可能减轻患者检查过程中所受的辐射剂量[5，12]。既往研究表明[13-15]通过降低管电压、管电流、缩短曝光时间和使用迭代算法等可有效减低辐射剂量。Kubo T等[11]研究发现管电压与患者的辐射剂量密切相关，降低受检者辐射剂量，核心在于降低管电流和管电压。本研究中通过将不同管电压下的腰椎BMD值对比发现，管电压与BMD值呈反比，与既往学者研究结果相一致。

不同管电压下BMD值改变，推测其作用机理如下：管电压与X线的穿透力呈正比，即随着管电压的增加，X线穿透力增加，图像的空间分辨率随之增加，另外，因X线的辐射剂量与管电压的平方呈正比，故而增加管电压的同时，辐射剂量显著增加[16，17]；改变管电压的同时，X线通过人体组织产生的衰减程度不同，进而导致局部组织CT值发生变化[18]。当管电压减低时，X线穿透力减弱，光电效应增加而康普顿效应减小[19]，图像质量减低，同时探测器对X线光子的吸收也有所减低，导致局部组织CT值增加，因QCT腰椎BMD测量时是椎体与体模同时进行扫描，利用BMD与CT值的换算公式：BMD=[(Hb-Hw)/(Hk-Hw)]×Ck，Ck为体模材料中骨矿替代物质浓度，Hb、Hk、Hw分别为骨、体模、水的CT值[20]。故而低管电压QCT测得的腰椎BMD值略高于常规测量值[21，22]。

相较王予生等[22]对不同管电压下欧洲体模的BMD差异研究，本研究中两组管电压间BMD均值差异较小，仅3 mg/cm3。这可能是因为本研究选取体检人群进行扫描，且志愿者多为中、青年，受X线能量的改变产生衰减变化较小，故而不同管电压下的BMD差异小。而体模受空气伪影和线束硬化等CT扫描条件影响较大，因而在管电压变化时可能相对测量结果差异较大。不同管电压下的BMD差值虽有统计学意义，但从临床角度上来说3 mg/cm3的BMD差异对临床诊疗意义不大。在低剂量肺CT联合腰椎QCT体检中，100 kV管电压下测得的腰椎BMD近似于常规120 kV管电压下的测量的腰椎BMD值，也可利用校正公式计算出真实的腰椎BMD值，进而按照国际骨质疏松诊断标准进行骨量分类，为体检人群定期骨量评估提供参考依据。

本研究不足之处：(1)本研究是基于既往学者进行的大量腰椎BMD与管电压间关系而展开的前瞻性研究，旨在探索不同电压下的腰椎骨密度值的差异、相关关系并得出回归方程，就本中心研究而言不同扫描条件下，采集的图像质量基本相同，对腰椎骨密度值的评估有参考价值，但目前国内外相关研究甚少，故而本研究可循参照较少；(2)本中心研究样本量相对较小、年龄组构成以青、中年为主，研究结果的准确性可能与全国多中心研究结果产生差异。故而，该项研究还需相关领域学者进行大样本、多中心研究，探讨适宜中国人群的不同管电压下的骨密度换算公式，得出更为科学、严谨的结论。

综上所述，据本研究结果表明100 kV与120 kV管电压下腰椎骨密度测量结果相近，且呈显著正相关，利用回归方程可实现100 kV低管电压下的腰椎BMD值测算，得出人体腰椎BMD真值。便于广泛应用到健康体检人群当中，在降低受检者辐射风险的同时实现骨密度的精确监测、评估，为骨质疏松的预防、也为今后多中心相关研究提供参考依据。