骨密度量值溯源系统设计研究

高明亮，李成伟，万国庆，刘文丽

中国计量科学研究院 医学与生物计量研究所，北京 100029

引言

骨密度（Bone Mineral Density，BMD）一般定义为单位体积内的骨矿含量（Bone Mineral Content，BMC），是诊断骨质疏松症和评价骨折风险的重要指标。双能X 射线骨密度仪（Dual Energy X-ray Absorptiometry，DEXA）通过测量两种不同能量的X 射线穿透人体后吸收减弱结果并加以计算，降低或消除软组织在射线吸收减弱中的贡献，确定骨骼对X 射线的等效吸收，从而计算获得相应骨骼的等效面密度（areal BMD，aBMD，单位：g/cm2）。由于DEXA 测量骨密度技术成熟、辐射剂量低、设备价格较低，其已广泛分布于各级医院并被世界卫生组织确定为骨质疏松诊断的金标准。虽然DEXA 已成为骨质疏松症诊断的主流技术，但DEXA 测量结果的统一性和量值溯源问题尚未解决。在实际测量中，利用不同型号DEXA 或者不同医生进行扫描，同一患者相同测量位置的骨密度值结果存在一定差异；不同厂商生产的DEXA 对同一病人的诊断结果也无法进行有效对比和验证[1-2]。

针对上述问题，在中国计量科学研究院医学与生物计量研究所承担的国家质量基础NQI 专项子课题“骨质疏松诊断设备计量溯源及中国人群骨密度数据平台建立研究”中，研究团队开展了相应了研究工作。面对DEXA主要依赖进口、缺少有效溯源路径、DEXA 内置数据库不完全符合中国人群生理特性等问题，本团队开展了骨质疏松诊断设备计量溯源研究工作，尝试建立相应计量检测装置，解决骨密度量值溯源问题，为临床骨密度数据采集提供计量技术支撑[3-6]。

1 原理及方法

1.1 DEXA原理

DEXA 原理本质上为射线吸收衰减系数的测量，射线吸收减弱采用Lambert-Beer 定律进行计算，其公式为：

式(1) (2)中，I0为射线初始信号强度，I 为射线穿透人体减弱后的强度，l 为人体厚度，μ 为衰减系数[10]。

当l 为质量厚度时，l=t×ρ，t 为厚度（单位：cm），ρ为密度（单位：g/cm3）。DEXA 测得的骨密度值为平均面密度，即质量厚度。因此，骨密度值测量结果由骨矿含量与测量区域的厚度这两个主要因素决定。

DEXA 利用人体组织对不同能量X 射线吸收减弱能力不同的原理，分别处理骨骼、肌肉等软组织图像数据，即利用肌肉等软组织对低能量X 射线吸收减弱效果明显、而对高能量X 射线减弱较少的现象强化骨骼部分图像。采用公式(3)与(4)分别表征肌肉等软组织和骨骼的质量与射线吸收减弱特性的关系[11]。

RB为骨骼低能量和高能量X 射线吸收后的质量衰减系数比值，即：

由于不同型号DEXA 采用的X 射线能量不尽相同、各生产商对质量衰减系数的计算处理方法不同、骨密度算法中存在一定固有缺陷，因此不同厂商DEXA 测得同一患者的骨密度值不具有可比性，骨密度亦无有效溯源路径。

值得我们注意的是，在可再生能源行业发展初期，固定的上网电价有效地激励了企业和投资者的信心，促进了可再生能源的发展。然而基于政府命令的补贴手段常常引起争议，增加了用电企业和消费者的负担，并且欧债危机后可再生能源补贴给财政困境的欧盟带来较大压力，因此，欧盟正逐步取消可再生能源补贴。这可能会导致欧盟投资者热情下降，消费者减少可再生能源使用，最终导致可再生能源发展目标无法实现，而市场化驱动机制——可再生能源绿色电力证书交易制度(以下简称“绿证交易”)能降低取消补贴所带来的不利影响。

1.2 骨密度溯源方法分析

1.2.1 质量衰减系数的理论数据不可用

质量衰减系数是重要的辐射剂量学参数，美国国家标准与技术研究院Hubbell 团队专门从事质量衰减系数的测量研究工作并定期发布相应研究成果。历经半个多世纪的发展，不同物质质量衰减系数的测量不确定度可达到或优于0.3%[12]。质量衰减系数的测量结果有严格的测量条件要求，即射线穿过物质后只有射线强度的减弱，而射线能量不发生变化——这就意味着此时物质对射线只有“单纯的吸收，没有散射或次级辐射”，或者“虽有散射粒子和次级粒子产生，但他们并不被记录”[10]。一般来说，只有单能γ 射线在窄束减弱条件下能够近似满足上述要求。

然而在实际应用中，对于具有连续能谱的X 射线，其经物质减弱后的射线强度I 则不满足单能窄束减弱条件。在宽束条件下，由于射线硬化和散射等因素的影响，射线强度I 由公式(7)描述。

公式(7)中，B 为积累因子，与X 射线的等效能量、穿透物质的厚度、射线与物质相互作用（如散射影响）等因素有关；Eeff为X 射线的等效能量。

如前文所述，已测定的质量衰减系数或者衰减系数一般在窄束减弱条件下获得。一般实际应用中，由于射线硬化、散射等因素的影响，窄束减弱条件很难被满足。因此，各DEXA 生产商需要根据自己的仪器结构设计进行计算过程中的合理简化以及大量实验拟合。故而，各厂商在骨密度计算过程中获得的质量衰减系数不尽相同，也无法对各厂商的骨密度计算过程进行验证。

1.2.2 相同密度材料测得的骨密度数值随等效厚度变化

由于质量衰减系数与被测物质的密度、厚度相关，因此相同密度、不同厚度材料对应的骨密度值数值不同。DEXA 测量骨密度时，密度值的变化不是真实 密度变化，而反映的是射线穿透物质的等效厚度变化。根据实验，对用相同密度材料制成外形尺寸相同、骨腔尺寸不同的模型骨密度值进行测量，测量结果明显受到骨骼所占比例的影响。相似研究也证实，采用aBMD 表达骨密度值时被测骨骼的厚度并没有得到修正，即使是真实密度相同的受试者，当他们的骨骼大小存在差异时，BMD 也会显示差异[13]。骨骼较大、骨壁较厚者aBMD 值较高，而骨质疏松检出率较低；骨骼较小且骨壁较薄者aBMD 值较低，而骨质疏松检出率较高[13]。这些情况都说明aBMD 受骨壁厚度等影响较为明显，其不能完全代表真实骨密度值。

1.2.3 DEXA测量骨密度结果的溯源技术

按照上述原理与分析，我们根据国际电工委员会IEC 60692 标准和中国国家标准GB13980-2008 的要求[14-15]，进行分析研究后认为：任何电离辐射密度计在经过合理标定后，都应对同一被测对象测量的测量结果在允许的误差范围内保持一致，对于双能X 射线骨密度仪同样如此。前人研究成果也证明了这一点，使用固定形态复现或提供能够进行量值定值的骨密度模体，可以统一骨密度值测量结果[16]。而根据GB/T 13980-2008《电离辐射密度计》国家标准，通过已知密度的标准溶液或者标准固体样品进行校准溯源，使用电离辐射密度计测量普通物质的密度，完全可以达到0.1%甚至更高的测量精度。尽管由于生理结构复杂多变，人体骨密度测量相比普通物质测量更加复杂，但是人体骨密度测量与普通物质测量相比并无本质区别[17-18]。

因此，对于一个确定的测量对象，任意DEXA 测得的骨密度值理论上在一定偏差范围内应是一致的。由此可见，与电离辐射密度计类似，DEXA 可以通过标准骨密度模体进行校准溯源，以达到统一骨密度量值的目的。只要生产商根据其采用的X 射线能量条件并配合使用骨密度模体进行相应骨密度值的计算和修正，无论从理论还是应用角度实现DEXA 测量骨密度值的统一都是可行的。

与电离辐射密度计有所不同的是，电离辐射密度计校准所使用的标准溶液或标准固体样品的密度可以通过其他密度测量方法精确得到，而如前所述，DEXA 测量得到的骨密度并不是严格意义上的物理密度，其与物理密度有关而又不等同于物理密度，因此骨密度模体的骨密度量值溯源需要通过准确测量物质减弱系数以计算出骨密度值的方法解决，因此我们研制了多能量X 射线骨密度模体校准装置。其目的不仅要模拟各厂家的能量条件，还需要研究标准化的检测条件，用以给骨密度模体严格的定值。

2 多能量X射线骨密度模体校准装置的研制

基于上述骨密度量值溯源技术的可行性分析，项目组设计并研制了一套多能量X 射线骨密度模体校准装置。该装置的主要目标是用于对市面上各种骨密度模体进行骨密度值的校准检测及量值溯源。其测量原理与一般的DEXA并无区别，都是利用射线的吸收减弱原理来获得被测物体的各种信息，对本装置来说，就是得到被测物的图像与骨密度。为了研究不同的射线条件对骨密度值测量结果的影响，探索骨密度值与真实物理密度值之间的真实关系，并最终给出被测骨密度模体准确的骨密度值。因此本装置设计思路就是研制一台标准的骨密度模体测量装置，以解决骨密度模体的量值溯源问题[19]。

在具体的设计上，多能量X 射线骨密度模体校准装置采用锥形辐射束，可通过添加限束光阑模拟线束成像条件，额定电压150 kV，工作电压范围60～140 kV，灯丝电流可调，系统稳定性优于1%。该装置可采用不同组合的高压切换模式，也可以使用钐过滤、铈过滤模仿各种DEXA 产品的双能量条件进行骨密度值测量[20]。该装置结构原理如图1 所示，主要包括X 射线管、高压发生器、成像板、自动控制单元等组成。该装置于2018 年底完成加工，并于2019 年进行安装调试，具体的硬件实物安装效果，见图2。

图1 多能量X射线骨密度模体校准装置结构原理图

图2 多能量X射线骨密度模体校准装置实物图

该装置的基本构成包括：诊断级X 射线机辐射源系统、平板面阵探测器、双能量线阵列探测器、扫描定位控制系统、图像处理系统以及定值校准用骨密度模体组。该装置能够实现如下功能。

（1）双能量X 射线产生与控制。功能包括高压的调整，DEXA 测量骨密度值时高压自动切换，K 荧光过滤法产生双能X 射线，自动进行X 射线机训机，自动进行开机后空气校准和探测器的归一化处理，手动协助下进行水校准与骨密度值校准。

（2）扫描控制。功能包括自动定位、线阵列探测器的扫描控制、精细成像放大倍率设定与调整。

（3）图像采集与处理。主要功能包括DR 图像的数据采集及图像重建，勾画、复制圆形或矩形感兴趣区域，显示感兴趣区域的信息（灰度值的最大值、最小值、平均值、感兴趣区域的面积、统计噪声标准差等），自动计算任意两个灰度间的对比度；根据图像的中心和四个固定对称位置感兴趣区域的灰度值，计算均匀性和噪声标准差平均值；图像的局部放大，手动设置改变窗宽（WW）、窗位（WL）；按照等灰度曲线自动勾画目标物轮廓；手动轮廓勾画、擦除和修改。

（4）aBMD 测量与计算。在上述图像功能基础上，根据公式和实验拟合的数据库计算骨密度值。主要功能包括DR 与双能量减影成像，轮廓识别与自动勾画功能，根据灰度（或吸收系数）计算骨骼或其他器官密度，给出骨骼的骨矿含量、投影面积、骨密度值。

3 初步的测试结果与分析

多能量X 射线骨密度模体校准装置的软硬件调试工作已初步完成，能够采集DR 图像并进行相应数据分析。因为最终的骨密度测量精度主要取决于射线稳定性，研究团队对该装置的射线稳定性进行了测试，使用的测试设备为经过校准的Raysafe X2 射线检测装置。在该装置X 射线源开机稳定5 min后，将探头放置于面阵成像版几何中心处（此时SSD=1000 mm）进行测量。固定管电流为10 mA、出射线时长为2.0 s，分别在80、100 和120 kV 激发电压下重复曝光10 次，记录电压、射线剂量、剂量率、曝光时间并计算标准偏差，测量结果如下表1～3。各参数的标准偏差即为其对应的测量重复性。由表1～3 中数据可知，所有参数的测量重复性均优于0.2%。

表1 激发电压为80 kV时参数测量结果

表2 激发电压为100 kV时参数测量结果

表3 激发电压为120 kV时参数测量结果

4 总结与展望

上述测量结果均为原始值，尚未经过校准处理，初步的测试结果表明在常用条件下，电压、射线剂量、剂量率D、曝光时间等参数的单次测量重复性最大值为0.11%。测试结果符合多能量X 射线骨密度模体校准装置设计时提出的X 射线机短期稳定性、单次测量重复性好于1.0%的要求。同时，由于项目正在研究阶段，大部分软件功能尚未最终实现，大量的实验测试工作也正在进行中，虽然初步的实验结果表明设备完全满足预期的技术指标，但是对于本项目的主要研究内容骨密度量值方面缺乏直接的数据支持，这也是我们下一步工作的主要内容之一。

另一方面，研究团队设计并研发了可进行准确骨密度定值和溯源的骨密度定值模块，多能量X 射线骨密度模体校准装置可以利用这些定值模块进行溯源。未来DEXA 测量骨密度的量值溯源链条为，利用本团队研发的可进行准确骨密度值定值和溯源的骨密度定值模块对多能量X 射线骨密度模体校准装置进行骨密度值测量结果的溯源，用多能量X 射线骨密度模体校准装置对市场在用的骨密度模体进行校准检测，利用经校准检测的骨密度模体对DEXA 进行校准检测和量值溯源。通过实现并完善上述溯源链条，将能够解决目前不同DEXA 测量同一患者获得的结果不可比的问题，同时也可为骨质疏松症临床诊断结果互认提供技术支持[21-23]。