能谱CT与DXA测量骨密度准确性的比较研究

邓亚军，韩蕾，解琪琪，李文洲 ，史卫东，马靖林 ，潘云燕，康学文 ，汪静

1.兰州大学第二医院骨科，甘肃兰州730030；2.甘肃省骨关节疾病研究重点实验室，甘肃兰州730030；3.兰州大学第二医院放射科，甘肃兰州730030

前言

骨质疏松症（Osteoporosis,OP）是一种中老年人常见的全身性骨骼疾病，以骨量降低、骨组织的显微结构退化、骨强度下降为主要特征，具有高发病率、高致残率等特点［1-2］。随着老龄化社会的到来，OP病人日益增多，其严重并发症不仅影响患者生存质量，同时也给家庭和社会带来沉重的经济负担，严重威胁公众健康［3］。OP又被称为无症候疾病，其症状隐匿性较强，因此早期诊断是治疗的关键。骨密度（Bone Mineral Density,BMD）测量是目前诊断OP的重要手段，它是指单位体积的骨质密度，BMD值越大，骨质强度越好［4］。目前，用于BMD测量的方法很多，但临床使用较为广泛的是双能X线骨密度仪（Dual-Energy X-ray Absorptiometry,DXA)。随着科学技术的进步，计算机及断层扫描设备不断更新与发展，不少学者提出应用以瞬时双电压切换为核心技术的能谱CT进行基物质对分离，通过分析羟基磷灰石HAP（水）的X线衰减变化，反映骨质中HAP（水）密度，即可得出BMD值［5-6］。但能谱CT能否准确测量BMD，与DXA相比较准确性又如何，目前尚无定论。笔者以羊腰椎体灰重密度为参考标准，对能谱CT与DXA测量结果进行比较，进而探讨能谱CT在测量BMD方面的临床应用价值和前景。

1 材料与方法

1.1 实验材料

从市场购买新鲜羊腰椎骨6副，每副取L1～L6椎体，共36节椎体，清除椎体周围软组织及其附件。

1.2 实验设备

能谱CT机及AW4.6工作站（HD750 Discovery，GE公司，美国生产）；DXA（HOLOGICDiscovery Ci，美国生产）；马弗炉（SX2-2.5-10A型，索域实验设备有限公司，上海生产）；电子天平（GM1302型，Mettler Toledo生产）；量筒、坩埚及解剖工具。

1.3 实验方法

1.3.1 能谱CT测量椎体BMD 采用能谱CT机对实验椎体进行扫描，扫描参数设置为GSI扫描模式。扫描完成后，将能谱图像传输至AW4.6工作站，进入GSI-Viewer能谱后处理分析程序，对椎体HAP（水）基物质对密度进行分析处理。测量包含皮质骨和松质骨的感兴趣区（Region of Interest,ROI）内HAP（水）基物质对密度，每个椎体ROI应保持一致。数据提取过程中，由2名专业人员对椎体HAP（水）密度进行分析处理，取平均值作为测量值。能谱CT测量椎体BMD的示例见图1。

1.3.2 DXA测量椎体BMD 由2名专业人员运用DXA对已去除周围组织及附件的36节椎体进行扫描，分析并记录每个椎体的总骨矿含量（g）及面积骨密度（g/cm2）。

1.3.3 椎体灰重密度测量 首先对坩埚进行编号，并用电子天平进行称质量，记录坩埚的净质量，精确到0.01 g，然后对椎体进行编号，并应用体积溢出法测量各个椎体的体积，数值精确到0.1 mL。待椎体晾干后，按编号将其放入对应编号的坩埚中，然后把坩埚放入马弗炉中，保持900℃的温度持续煅烧9 h。由于HAP的热分解温度为1 280.4℃，具有很好的热稳定性，因此在900℃温度下进行煅烧，最后所得的骨灰即为HAP［7-8］。煅烧结束后进行自然冷却，再次使用电子天平对坩埚进行称质量并记录数值，精确到0.01 g。相同编号的坩埚，其煅烧后质量与煅烧前质量之差即为灰重（m），则椎体灰重密度=灰质量/体积。

1.3.4 计算DXA测量的体积骨密度、DXA测量得到的体积骨密度的偏离度及能谱CT测得的骨密度的偏离度 DXA测量得到的体积骨密度（g/cm3）=DXA测量得到的总骨矿含量（m）/椎体体积（v）；以椎体灰重密度值作为真实值，DXA测量得到的体积骨密度偏离度=（体积骨密度值-灰重密度值）/灰重密度值×100%；能谱CT测得的骨密度偏离度=（骨密度值-灰重密度值）/灰重密度值×100%。

1.4 统计学处理

采用SPSS 23.0软件对数据进行分析处理，所有计量数据用均数±标准差表示。将能谱CT测量所得BMD值、DXA测量所得体积BMD值及灰重密度值3组数据间进行成组t检验，P＜0.05为差异有统计学意义；将能谱CT测量所得BMD值、DXA测量所得体积BMD值分别与灰重密度值作相关性分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 能谱CT、DXA测量椎体所得BMD值与灰重密度值3组实验数据的统计描述

由表1可知，3组实验数据中DXA测量所得BMD值最大，能谱CT测量所得BMD次之，灰重密度值最小。

2.2 能谱CT、DXA测量椎体所得BMD值与灰重密度值比较结果分析

能谱CT、DXA测量所得BMD值与灰重密度值之间差异有统计学意义（P＜0.05），即能谱CT与DXA测量所得BMD值与相对标准的灰重密度值相比存在一定的误差，P1等于0.031 0，而P2等于0.000 4，DXA与能谱CT测量所得BMD值之间差异又有统计学意义（P＜0.05），表明DXA测量BMD的准确性可能低于能谱CT，详见表2。

图1 能谱CT测量椎体BMDFig.1 Measurement of the bone mineral density(BMD)of vertebral body by spectral CT

表1 能谱CT、DXA测量所得BMD值及灰重密度值（n=36）Tab.1 Ash density and BMD measured with spectral CT and DXA(n=36)

表2 能谱CT、DXA测量所得BMD值及灰重密度值比较结果Tab.2 Comparison of ash density and BMD measured by spectral CT and DXA

2.3 能谱CT、DXA测量椎体所得BMD值与灰重密度值之间相关性分析

如图2所示，能谱CT与DXA测量所得到的BMD值均与灰重密度值呈正相关（P＜0.05），即能谱CT与DXA测量所得到的BMD值与灰重密度值的变化趋势一致；DXA所测得BMD值与灰重密度值之间的决定系数r为0.469，低于能谱CT与灰重密度值之间的决定系数（r=0.514），表明能谱CT与灰重密度间有更好的相关性，更接近灰重密度值的变化趋势。

图2 能谱CT和DXA测得BMD值与灰重密度值的线性相关图Fig.2 Linear correlations of ash density and BMD measured by spectral CT and DXA

2.4 能谱CT测得骨密度的偏离度与DXA测得体积骨密度的偏离度比较结果

能谱CT测量所得BMD的偏离度平均值为0.288，低于DXA测量所得的BMD的偏离度（平均值为0.372），差异有统计学意义（P=0.003），进一步说明能谱CT在测量BMD方面比DXA更有优势。

3 讨论

目前，OP主要依靠临床症状、体征、骨代谢指标及BMD测量等方面综合进行诊断，其中早期精确的BMD测量是关键，对诊断具有重大意义。BMD测量方法较多，其中DXA技术被世界卫生组织确认为BMD测量的“金标准”［9-11］。其基本工作原理是利用不同能量的X线照射不同组织得到相应的X线衰减分布曲线，再经过计算机的运算处理可得到骨质中单位面积 HAP的含量（g/cm2），即为BMD值［12-13］。DXA具有价格便宜、操作方便、辐射剂量低、敏感性高等特点［14］，因此广泛应用于临床。DXA尽管具有以上优点，但其存在的局限性也不容忽视。首先，DXA测量的是面积BMD，不能将松质骨和皮质骨区分开；其次，当患者出现骨质增生、严重腰椎退变及骨折等病变情况时，就会导致BMD测量值偏大［15-16］，进而影响OP的早期诊断、治疗及预后；此外，人体软组织厚度、动脉壁钙化及骨折等都会影响BMD测量的准确性［10,17］。

近年来，能谱CT实现了对疾病的早期诊断及定量分析，为疾病的早期治疗提供可靠依据，每种物质都有特定的X线衰减曲线是其基本工作原理［18-19］。当患者出现骨质疏松时骨质内HAP含量会降低，此时用HAP和水作为基物质，可得到能谱HAP（水）基物质对密度值，即BMD值［6］。能谱CT是一种真实体积BMD测量技术，可以对皮质骨和松质骨分别进行BMD测量，能够避免骨质增生、退行性疾病等因素对BMD测量值的影响。与此同时，其具有费用高、辐射剂量大等不足之处［20］。但对于已骨折或患有其他骨科疾病的患者，可以在进行腹部能谱CT扫描时，同时对相应部位进行BMD测量，这样可以有效避免再次搬动患者进行DXA测量BMD，减少不必要的X线辐射和额外费用。

本研究结果显示，能谱CT、DXA两种方法均能进行BMD测量，但能谱CT较DXA更准确、更具有优越性。在相关性方面，能谱CT、DXA的BMD测量值与灰重密度值均存在中度相关性，表明两种方法测量所得BMD值与灰重密度值的变化趋势比较接近，但能谱CT与灰重密度间的相关性高于DXA。

综上所述，能谱CT在一定程度上可准确测量BMD，但由于其辐射剂量相对DXA要大、费用较高等原因，限制了其在临床上的推广。如果以上问题得到改善及解决，能谱CT可作为一种新的BMD测量方法，将具有广泛的临床运用前景。