基于能谱CT基物质成像技术的骨密度测量

张文娟 ZHANG Wenjuan

张国晋 ZHANG Guojin

王 丹 WANG Dan

陈克明 CHEN Keming

周俊林 ZHOU Junlin

基于能谱CT基物质成像技术的骨密度测量

张文娟 ZHANG Wenjuan

张国晋 ZHANG Guojin

王 丹 WANG Dan

陈克明 CHEN Keming

周俊林 ZHOU Junlin

骨矿物质密度（bone mineral density，BMD）是度量人体骨骼骨量的一个重要标志，其含量的降低与骨质疏松直接相关。及早精确测定BMD对筛选骨量减少人群、诊断骨质疏松症、预测骨折的危险性及疗效监测有着极其重要的临床意义[1]。宝石能谱CT经过高、低2组电压扫描的X线衰减图像可以表达为2种物质的密度图。分离后的物质密度图像中每一个体素反映了相应的物质密度信息，是骨密度研究的一个新方法。本研究应用能谱CT物质分离原理测定羟基磷灰石（HAP）和钙密度，并与双能X线骨密度仪（dual-energy X-ray absorptiometry，DEXA）的测量结果进行对比，探讨应用HAP（水）这一新的基物质对定量测量BMD的价值，为临床精准的骨密度动态监测提供新的方法。

1 资料与方法

1.1 研究对象 选取2013年9月－2016年2月于兰州大学第二医院接受腹部宝石CT能谱成像（gemstone spectral imaging，GSI）扫描的128例成年女性作为研究组，所有研究对象均无手术或肿瘤病史，年龄18～87岁，平均（56.7±10.2）岁。所有研究对象按照年龄分为6组：18～29岁（n=23）、30～39岁（n=20）、40～49岁（n=22）、50～59岁（n=24）、60～69岁（n=19）及≥70岁（n=20）[2-3]。排除内分泌疾病、肾病、类风湿、消化系统疾病、慢性感染性疾病及长期应用皮质激素等可造成继发性骨质疏松的患者，以及CT显示椎体显著增生、楔变等表现者。按照相同标准选取2013年6月－2015年12月接受腰椎DEXA检查的成年女性健康体检者119例，年龄18～79岁，平均（53.5±10.7）岁，同样按照年龄分为6组：18～29岁（n=16）、30～39岁（n=19）、40～49岁（n=24）、50～59岁（n=24）、60～69岁（n=18）及≥70岁（n=18）。本研究经我院伦理委员会批准。

1.2 仪器与方法 采用GE Discovery CT 750 HD能谱CT的GSI模式进行扫描。管电压：80 kVp/140 kVp（0.5 ms），层厚与间隔均为5.0 mm，螺距0.984，速度0.8 s/rot。扫描结束后将图像重建为薄层单能量图像传至AW4.6工作站，在70 keV单能量条件下用GSI软件获得HAP（水）基物质图、钙（水）基物质图；选取L2椎体中间层面测量3个感兴趣区（ROI）的HAP（水）密度、钙（水）密度，取其平均值。ROI大小为25 mm2，与椎体边缘距离至少＞4 mm，避开骨岛和椎体静脉丛等结构。对照组研究对象使用GE Lunar DPX Prodigy DEXA扫描，常规测量L1～4的BMD值，选取L2椎体的测量值，以面密度表示。

1.3 统计学方法 应用SPSS 22.0软件，分别对研究组中年龄与能谱CT HAP（水）密度、钙（水）密度，各年龄段L2椎体平均钙（水）密度，HAP（水）密度与DEXA测得的BMD值行Pearson相关分析。各年龄组间测量结果的差异采用方差分析，两两比较采用LSD法。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

研究组各年龄段L2椎体HAP（水）密度、钙（水）密度与对照组DEXA测得的BMD见表1，各年龄组间差异有统计学意义（P＜0.05），30～39岁组三者均达到峰值。18～39岁者年龄与HAP及钙密度呈正相关（r=0.538、0.416，P＜0.05），见图1A；＞40岁者年龄与HAP及钙密度呈负相关（r=－0.629、－0.562，P＜0.05），见图1B；各年龄段椎体HAP（水）密度、钙（水）密度与DEXA测得BMD值呈正相关（r=0.874、0.796，P＜0.05），见图1C。2例典型能谱CT HAP（水）基物质图ROI选取及后处理分析见图2、3。

表1 各年龄段L2椎体羟基磷灰石（水）密度、钙（水）密度及DEXA测得的BMD（x±s）

图1 相关性分析散点图。18～39岁健康成年女性年龄与HAP呈正相关（r=0.538，A）；＞40岁健康成年女性年龄与HAP及钙密度呈负相关（r=－0.629，B）；各年龄段椎体HAP（水）密度与DEXA测得BMD值呈正相关（r=0.874，C）

图2 女，28岁，能谱CT HAP（水）基物质图ROI选取及后处理分析。L2椎体ROI（A）及能谱CT基物质成像技术测得的HAP（水）密度的散点图（B）和直方图（C）；HAP（水）平均密度值为170.4 mg/cm3

图3 女，43岁，能谱CT HAP（水）基物质图ROI选取及后处理分析。L2椎体ROI（A）及能谱CT基物质成像技术测得的HAP（水）密度的散点图（B）和直方图（C）；HAP（水）平均密度值为143.1 mg/cm3

3 讨论

目前测量骨密度的影像学方法有DEXA、定量CT、定量超声、MRI、能谱CT等。DEXA是临床应用最为广泛的方法之一，是测量BMD的“金标准”[4-5]。但由于该法为面密度测量，所测数值是骨皮质和骨松质的总和，并不能将两者有效区分，不能完全准确地反映骨密度的真实变化。以瞬时双kVp切换技术为核心的能谱CT可获得单能量图像及各种基物质密度图像，其物质定量分析功能为测量某种基物质的含量提供了依据[5]。以往能谱CT测量骨密度的研究大多用钙和水作为基物质配对[2-3,6]；本研究以HAP和水作为基物质配对，获得对应的两组物质的密度投影数据，从基物质密度图上测量出每一个体素的密度，可以精确反映HAP的含量。

由于骨松质的骨代谢率至少比骨皮质高8倍，对早期骨量减少反应较敏感[2,7-8]；腰椎椎体又富含较均匀的骨松质，是评估骨质疏松治疗效果最灵敏的部位之一。本研究选择无显著增生和楔形压缩L2椎体中部层面松质骨作为GSI骨密度测量部位。ROI避开骨岛、血管瘤、椎体静脉丛等异常区域。

本研究通过比较HAP（水）密度、钙（水）密度与作为“金标准”的DEXA测得BMD随年龄变化趋势及相关性分析，旨在探讨HAP这一宝石能谱CT新研发的基物质较为准确地反映骨矿物质含量变化的可能性。结果显示，18～39岁的女性，HAP（水）及钙（水）密度随年龄增长缓慢增加，与年龄呈正相关；40岁后，HAP（水）及钙（水）密度逐渐减少，与年龄呈负相关；HAP（水）和钙（水）密度在30～39岁均达到峰值，这与陈靖等[3]的研究结果一致。结果还表明HAP（水）密度与作为“金标准”的DEXA测得BMD具有较高的相关性。与钙-水基物质对相比，其相关性更高，且避免了从钙向HAP的相对分子量换算[9]。女性骨量变化大致可分为3个阶段：从30岁之前的骨量上升及储备期，30～40岁达到峰值并维持5～10年的骨代谢相对平衡期，以及进入绝经期后的丢失期[9]。生长激素-胰岛素样生长因子轴（growth hormone-insulin-like growth factor axis，GH-IGF）对骨骼的生长发育及维持骨量和骨密度起着重要的调控作用[10-11]。青春期分泌旺盛，故30岁前BMD与年龄呈正相关；40岁后，随年龄增长骨组织结构与功能衰退，女性卵巢功能衰退，雌激素分泌减少，BMD也逐渐降低。该结论与本研究结果一致。因此，能谱CT基物质成像技术可作为定量测量骨质中HAP（水）密度的新方法，为BMD的测量提供一种新的思路。

本研究也存在一定的局限性。出于对辐射剂量的考虑，与DEXA的对照研究受到伦理学的限制，即无法使患者同时接受DEXA和能谱CT检查，故只能在相同背景的人群中进行相关性分析，以尽量减少影响因素。其次，由于不能对活体骨进行灰化，故而无法得到真正意义上的骨矿物质含量“金标准”，其测量的精密度无法评估[13]。此外，腰椎骨松质成分复杂，除HAP与水外，还有脂肪、血液、胶原基质等其他复杂成分。将骨松质的X线衰减以HAP和水这两组基物质来体现并反映骨矿物质含量可能会受到一定程度的影响。由于不同年龄阶段骨髓中黄骨髓和红骨髓含量不同，且骨质疏松也主要表现为脂肪所占比例明显增加，若增加HAP-脂肪作为基物质对进行补充定量分析，可能会进一步完善BMD的精准测量。能谱CT若能实现多中心大样本协同研究，建立健康成年女性全身重要骨骼HAP（水）密度数据库，则有望成为一种精确测量BMD的影像学方法。

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（本文编辑 闻 浩）

Bone Density Measurement Based on Material Decomposition Images of Spectral CT

目的 利用能谱CT基物质成像技术定量测定健康成年女性L2骨质羟基磷灰石（HAP）含量，探讨HAP（水）测定骨密度（BMD）的价值。资料与方法 选取2013年9月—2016年2月于兰州大学第二医院接受腹部宝石CT能谱成像的128例健康成年女性作为研究组，排除手术、肿瘤病史及其他影响BMD的疾病患者。年龄18～87岁，按年龄分为＜30岁（n=23），30～39岁（n=20），40～49岁（n=22），50～59岁（n=24），60～69岁（n=19）及≥70岁（n=20）组。选取L2椎体中部层面松质骨测量HAP（水）及钙（水）含量。筛选119例行双能X线骨密度仪（DEXA）测量BMD的健康女性体检者作为对照组，纳入标准和年龄段分组同研究组。选取L2椎体，以面密度（g/cm2）表示。对研究组中各年龄的测量结果进行分析比较。分别对年龄与HAP（水）、钙（水）密度，各年龄段L2椎体平均HAP（水）、钙（水）密度与DEXA测得的BMD进行相关分析。结果 各年龄组间的HAP（水）、钙（水）含量的差异有统计学意义（P＜0.05）。能谱CT与DEXA测量结果具有相关性。HAP（水）、钙（水）含量与DEXA测得的BMD呈正相关（r=0.874、0.796，P＜0.05）。18～39岁者年龄与HAP（水）及钙（水）密度呈正相关（r=0.538、0.416，P＜0.05），＞40岁者年龄与HAP（水）及钙（水）密度呈负相关（r=－0.629、－0.562，P＜0.05）。结论 能谱CT基物质成像技术能够反映骨质变化。HAP（水）可作为测量BMD的一种新的基物质。

骨密度；体层摄影术，X线计算机；羟基磷灰石类；女（雌）性

Purpose To explore the value of hydroxyapatite (HAP) in the measurement of bone mineral density (BMD) based on the quantitative material decomposition images of spectral CT on healthy adult females. Materials and Methods A total of 128 healthy females who underwent upper abdominal CT examination with spectral CT at the Second Hospital of Lanzhou University from September 2013 to February 2016 were enrolled as the research group. Those patients with trauma, surgery, tumor or other diseases affecting BMD were excluded. The patients (ages ranged from 18 to 87 years) were divided into 6 groups according to their ages: ＜30 years (n=23), 30-39 years (n=20), 40-49 years (n=22), 50-59 years (n=24), 60-69 years (n=19) and ≥70 years (n=20). The HAP and calcium concentration at central part of L2centrum of spongy bone were measured. Meanwhile, 119 healthy females who underwent dual energy X-ray absorption (DEXA) examination were selected as the controls and also divided into groups according to the same criteria as the research group. The BMD of the controls was also measured at L2centrum and showed as areal density (g/cm2). The measurements of the research group were analyzed. The correlation analysis was done between hydroxyapatite, calcium concentration and age. The correlations between hydroxyapatite, calcium concentration and BMD obtained by DEXA were also analyzed. Results There were signif i cant differences in the HAP and calcium concentration among different age groups (P＜0.05). The results of spectral CT and the DEXA showed correlations. Both HAP and calcium concentration showed positive relationship with BMD obtained by DEXA (r=0.796 and 0.874, respectively, both P＜0.05). The HAP and calcium concentration showed positive relationship with age in the groups (ages ranged from 18-39 years) and negative relationship with age in the groups (ages over 40 years). Conclusion Material decomposition images of spectral CT can ref l ect bone changes, and HAP is a new base material for BMD measurement.

Bone density; Tomography, X-ray computed; Hydroxyapatites; Female

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.02.011

作者单位
兰州大学第二医院放射科 甘肃兰州730000

周俊林

Department of Radiology, the Second Hospital of Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

Address Correspondence to: ZHOU Junlin

E-mail: zjl601@163.com

R445.3；R604

2016-08-02

修回日期：2016-10-02

中国医学影像学杂志

2017年 第25卷 第2期：121-124

Chinese Journal of Medical Imaging 2017 Volume 25 (2): 121-124