不同剂量下重建矩阵对定量CT椎体骨密度测量值的影响

王旭,刘磊,刘义军,李贝贝,童小雨,陈安良

脆性骨折是骨质疏松症的主要并发症,可直接致残,严重影响患者的生活和工作质量。流行病学调整显示50岁以上人群中骨质疏松症的患病率高达19.2%[1]。肺癌为肺部最常见的恶性肿瘤,发病率和死亡率呈上升趋势[2]。不论是需要接受骨质疏松症还是肺癌筛查的患者,多为50岁及以上年龄的人群,且在很大程度上存在重叠。而高达70%的符合条件的患者未接受骨密度(bone mineral density,BMD)筛查,使得仅有10%～22%的骨质疏松症患者接受了适当的治疗[3]。一站式胸部低剂量(low dose,LD)CT扫描联合定量CT(quantitative computed tomography,QCT)骨密度筛查是近年来的研究热点,可改善目前我国骨质疏松症检出率低下的困境,已有相关研究报道[4,5]。

人体骨密度随时间呈相对缓慢的变化,它是监测骨质疏松的重要指标,因此获得准确的BMD测量结果具有重要的临床意义。图像采集参数和重建方法的选择都可能影响骨密度测量的准确性,已有学者对于层厚、重建算法和卷积核等参数对BMD测量的的影响进行了研究[6]。QCT标准检查方案中推荐常规采用矩阵512×512进行图像重建,而对于胸部则建议采用1024×1024的大重建矩阵以利于对肺结节的显示和观察,但目前对矩阵变化是否会影响BMD测量值尚未见报道。因此,本研究中基于具有BMD标定值的标准欧洲脊柱体模(European spine phantom,ESP),分析不同重建矩阵对 QCT骨密度测量准确性的影响,并通过临床数据进行验证,旨在探讨大重建矩阵LDCT图像用于骨密度测量的可行性。

材料与方法

1.基于体模的研究方法

采用仿真ESP(编号145,德国ORM公司),此标准体模主要由环氧树脂和羟基磷灰石(hydroxyapatite,HAP)等成分构成,其对X射线的衰减相当于水和HAP的混合物。ESP内包含3种密度(50、100和200 mg/cm3)的仿真松质骨插件,分别记作V1、V2和V3(图1)。校准体模使用Mindways公司的Model 4(图2)。

使用联影uCT760扫描机,分别采用常规剂量(150 mAs)和低剂量(30 mAs)对ESP进行扫描,其它扫描参数:120 kVp,准直宽度40 mm,螺距0.9875,转速0.5 s/r,层厚5 mm,矩阵512×512,视野500 mm×500 mm,Karl 5级(keep artifact really low)迭代重建算法,床高的设置,使得ESP中心位于扫描野的中心为准。每一剂量水平对ESP重复扫描10次。同时扫描QCT校准体模Model 4,对骨密度测量工作站上的QCT Pro软件进行校准,保证测量数据的准确性。图像重建:重建层厚及层间距均为1 mm,卷积核B_SOFT_B,显示视野同扫描视野,重建矩阵分别采用512×512(同扫描矩阵)、768×768和1024×1024。

3.骨密度测量

将2个剂量组的6组重建图像传输至骨密度测量工作站(Model 4 QCT pro v6.1),在横轴面图像中分别选取3个仿真椎体的中间层面(密度较均匀处),于椎体骨松质前2/3的区域内勾画ROI,并设定容积感兴趣区(volume of interest,VOI)的高度为9 mm(图3)。每一椎体的骨密度值测量3次,计算均值作为该椎体的骨密度值。按照公式(1)计算相对误差(relative error,RE)来评价测量的准确性[7]:

图3 QCT骨密度测量VOI示意图。a)V1横轴面图像;b)V2横轴面图像;c)V3横轴面图像;d)V1矢状面图像;e)V2矢状面图像;f)V3矢状面图像。

(1)

2.临床研究

回顾性分析 2022年1～6月在本院行胸部CT检查患者的90例患者的临床和CT资料。其中,行胸部HRCT和LDCT检查的患者各45例。HRCT组:男28例、女17例,年龄42～80岁,平均60.6岁;LDCT组:男24例、女21例,年龄29～69岁,平均45.4岁。

纳入标准:①胸部CT检查资料完整;②检查时患者配合较好,胸部CT图像上无明显呼吸和运动伪影。排除标准:①胸部有金属植入物;②椎体有明显骨质增生、严重退行性变或畸形;③有骨质代谢性疾病,如风湿类疾病和内分泌疾病等。

本研究为回顾性分析,经医院伦理委员会批准,免除了患者知情同意书。

使用联影uCT760扫描机完成胸部HRCT和LDCT扫描,扫描范围为胸廓入口水平至膈肌水平,于吸气末屏气完成扫描。HRCT扫描参数:120 kVp,150 mAs,关闭自动剂量调节;LDCT扫描参数:120 kVp,自动管电流,剂量调制1级(最低,参考管电流65 mAs);其它扫描参数同ESP扫描。图像重建:重建层厚及层间隔均为1 mm,卷积核B_SOFT_B,显示视野500 mm×500 mm,重建矩阵分别为512×512(同扫描矩阵)和1024×1024。

将重建图像传至骨密度测量工作站(Model 4 QCT pro v6.1),由两位医师分别独立完成椎体BMD的测量。选取Th12和L1椎体中间层面上密度较均匀、无异常密度的骨松质区域作为测量区域,VOI高度为9 mm,以包含尽可能多的骨松质,同时需注意避开骨岛及椎体后静脉丛等区域。测量完成后,参考骨质疏松诊断标准(<80 mg/cm3为骨质疏松,80～120 mg/cm3为骨量减低,>120 mg/cm3为骨量正常)对患者的骨质状态进行判定。

3.统计学分析

使用SPSS 24.0统计软件对数据进行分析和比较。计量资料采用均数±标准差来表示,采用单因素方差分析比较不同重建矩阵之间ESP内各椎体骨密度测量值的RE;相同矩阵下150 mAs和30 mAs之间椎体骨密度值的RE的比较采用配对样本t检验。两位医师测量的患者椎体骨密度值的一致性分析采用组内相关系数 (intraclass correlation coefficient,ICC),若一致性较好,则采用标准差较小的一组数据用于后续的统计分析。不同矩阵下测量的患者椎体骨密度值的比较采用配对样本t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.体模研究

150 mAs和30 mAs两种剂量水平下不同重建矩阵图像上V1、V2、V3及V平均骨密度RE值的差异均无统计学意义(P>0.05);所有椎体骨密度值的RE均为正值,误差范围为3%～8%,详见表1。相同重建矩阵150 mAs与30 mAs之间骨密度值RE的差异均无统计学意义(P>0.05),见表2。

表1 两种剂量水平下不同重建矩阵之间ESP椎体骨密度RE值的比较

表2 相同重建矩阵150mAs 组与30mAs 组ESP椎体骨密度值RE的比较

2.临床研究

两位医师在各组图像(2种矩阵、2个椎体)上测量的椎体骨密度值的一致性均较好(ICC值=0.978～0.990>0.75)。

重建矩阵分别为512×512和1024×1024的HRCT图像上,Th12、L1椎体和椎体平均BMD值的差异均无统计学意义(P>0.05),详见表3和图4。

表3 HRCT和LDCT图像上不同重建矩阵下各椎体BMD值的比较 /mg/cm3

图4 HRCT和LDCT图像上大、小重建矩阵(512×512 vs.1024×1024)下测量的患者Th12和L1椎体的BMD值及Th12与L1椎体平均BMD值的箱式图。A、B组分别代表大、小矩阵下Th12椎体BMD测量值;C、D组分别代表大、小矩阵下L1椎体BMD测量值,E、F组分别代表大、小矩阵下Th12与L1椎体的平均BMD值。a)HRCT图像;b)LDCT图像。

重建矩阵分别为512×512和1024×1024的LDCT图像上,Th12、L1和椎体平均BMD值的差异均无统计学意义(P>0.05),详见表3和图4。

HRCT中骨质疏松患者占比为8.88%(4/45),LDCT中骨质疏松患者占比为2.22%(1/45)。

讨 论

骨密度的主要测量方法为双能X射线吸收测量法(dual energy X-ray,DXA)和定量CT(quantitative computed tomography,QCT),但QCT为容积扫描数据,可以消除DXA骨密度测量中解剖结构重叠等因素的影响,使得骨密度测量的准确性更高,同时可对椎体形态进行三维立体观察[8]。与DXA相比,QCT扫描的辐射剂量偏高,除调整扫描参数降低单次检查的辐射剂量外,机会性利用影像数据进行骨密度QCT检查可减少患者辐射暴露,是另一可行的方向。随着LDCT在肺癌筛查中的应用越来越多,国内外均有研究表明低剂量胸部CT联合QCT骨密度测量一站式检查具有良好的应用前景,为在高危人群中筛查骨量减少和骨质疏松提供了一种经济和安全的替代策略[9,10]。

但胸部CT检查除需对结节检出外,还需要结合形态学征象对结节良恶性进行评估,临床常采用大矩阵以实现高空间分辨率图像的重建[11]。而矩阵的变化对骨密度测量结果是否存在影响,尚不可知。因此本研究中基于常用于骨密度测量仪器标准化和相互校准的专业体模ESP(其内含有不同密度的椎体模拟插件,其密度的设定兼顾了所有年龄组骨松质及骨皮质的生理特点),来探讨不同重建矩阵对骨密度测量的影响,并进一步利用患者胸部影像数据进行验证。

体模扫描采用150 mAs和30 mAs两种剂量水平,尽可能地模拟临床应用环境。其中,150 mAs与临床上胸部HRCT扫描时的管电流值一致;30 mAs为中华医学会推荐的肺癌筛查的扫描参数[12]。但在临床工作中,因患者的个体差异较大,而且为了保证肺尖等部位能获得与肺部其它部位基本相同的图像质量,通常在LDCT扫描时采用自动管电流调制技术。对ESP进行扫描时,由于其内插件的密度为已知值,因此采用RE来评估测量值与真实值之间的差异。本研究结果显示两种剂量水平下,采用不同重建矩阵时V1、V2、V3及V平均骨密度值RE的差异均无统计学意义(P>0.05),表明重建矩阵的变化不会影响骨密度的测量。笔者分析原因为矩阵的增大只是使像素减小,图像的空间分辨率提高,但组织的CT值并未发生改变,而骨密度的测量和计算是基于椎体CT值来换算的。本研究中椎体测量的相对误差范围为3%～8%,在允许的偏差范围之内,甚至更低[13],表明不同重建矩阵的图像均可获得较准确的骨密度测量结果,均可满足临床的需求。相同重建矩阵不同剂量水平下,ESP内V1、V2、V3及V平均骨密度测量值的RE的差异均无统计学意义(P>0.05),说明管电流的改变不会影响骨密度测量的准确性,与蒋耀军等[14]的研究结果基本一致,这也表明HRCT和LDCT数据均可用于骨密度的测量,在临床实践中均可应用于机会性骨质疏松症的筛查。

目前推荐在L1和L2椎体处进行骨密度的测量来反映患者的骨质状态[15],但当L1或L2椎体出现骨折、肿瘤、硬化症或囊肿等病变时,Th12椎体的骨密度也可作为参考值[5]。姜文蓁等[16]研究表明测量下段胸椎的骨密度也可用于诊断骨质疏松,Th12和L1椎体的BMD对骨质疏松诊断效能最高。因此本研究中测量了患者T12和L1椎体的骨密度值来验证体模研究的结果,临床研究结果与体模研究结果一致。由于1024×1024矩阵的像素点数目是512×512矩阵的4倍,也明显高于768×768,因而能更清楚地显示肺组织的精细结构,对肺内结节的诊断准确性更高,故其在临床实践中的应用也更为广泛。也因此,本研究中并未选取768×768矩阵进行分析和研究。同时本研究结果显示,HRCT图像上测量的椎体平均骨密度值明显低于LDCT,这可能与两组患者的年龄有关,因接受HRCT扫描的多为肺内疑似恶性结节的而需进行随诊复查的患者,年龄偏大,相应的存在骨质疏松的患者占比也更高。本研究中两种扫描方式下均筛查出骨质疏松症患者,提示利用胸部影像数据开展骨质疏松症筛查是非常有必要的。

本研究的局限性:同一台CT设备的扫描矩阵是固定不变的,仅对单一设备的不同重建矩阵进行了分析,不同设备间扫描矩阵的横向比较需进一步分析。

综上所述,重建矩阵的改变并不会影响椎体骨密度的测量。胸部不同剂量水平下常规重建矩阵和大重建矩阵获得的图像均可用于机会性骨质疏松症的筛查,临床上行HRCT扫描的患者骨质疏松症的患病率较高,应重点关注该类人群。