能谱CT基物质成像技术测定骨密度及评估骨质状态的可行性

赵明月，刘义军，魏 巍，李贝贝，王 旭，范 勇，王诗耕，童小雨

(大连医科大学附属第一医院放射科，辽宁 大连 116011)

骨密度(bone mineral density, BMD)是反映骨骼强度的重要指标[1-2]。目前双能X线骨密度仪(dual X-ray absorptiometry, DXA)、定量CT(quantitative CT, QCT)和能谱CT等是测量BMD的主要手段[3]，前二者是常用且具备具体标准的技术。根据物质分离理论，利用能谱CT基物质成像技术可测量腰椎BMD[4]。本研究针对能谱CT腹部成像，以羟基磷灰石(hydroxyapatite, HAP)和碘(Iodine)基物质对密度值反映腰椎BMD，同时与QCT所测BMD进行对比，观察能谱CT基物质成像技术测量BMD及评估骨质状态的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 前瞻性纳入2021年1月—2022年2月255例于大连医科大学附属第一医院接受全腹部CT平扫及增强扫描患者，男161例，女94例，年龄25～86岁，平均(59.1±13.1)岁；其中6例<30岁(A组)，53例30～49岁(B组)，148例50～69岁(C组)，48例≥70岁(D组)。排除标准：①碘对比剂过敏或出现严重不良反应，无法配合完成检查；②腰椎外伤史及手术史；③腰椎明显增生、严重退行性变及畸形等；④影响BMD的疾病如风湿类疾病、内分泌疾病、长期使用激素或椎体肿瘤病变等。本研究经院伦理委员会批准，检查前患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用GE Revolution CT扫描仪行全腹扫描，范围自膈肌上缘至耻骨联合下缘。平扫采用QCT扫描条件，管电压120 kVp，3D自动mA，探测器宽度80 mm，转速0.6 rot/s，层厚5 mm，螺距0.992，SFOV 50 cm；增强扫描采用宝石能谱成像(gemstone spectral imaging, GSI)模式，管电压80～140 kVp瞬切，管电流400 mA，探测器宽度80 mm，转速0.6 s/rot，螺距0.992，SFOV 50 cm，层厚5 mm。以Ulrich双通道高压注射器经右肘正中静脉以4.0 m/s流率注射85 ml对比剂碘佛醇(320 mgI/ml)、以相同流率跟注20 ml生理盐水后行三期增强扫描。

1.3 测量BMD

1.3.1 QCT 采用Mindways Model 4 QCT Pro V6.1骨密度分析系统。以标准算法重建平扫CT图像，层厚1.25 mm、DFOV 50 cm，选取L1～L3椎体中间层面较均匀且无异常密度的骨松质作为测量区域，于轴位图像中避开骨岛及椎体后静脉丛等区域自动生成高9 mm ROI，并适当调整，使其范围小于骨皮质边缘并包含尽可能多的骨松质[5-6](图1)，之后计算机处理分析得出各腰椎椎体QCT BMD值(单位：mg/cm3)。根据QCT BMD将椎体分为骨质疏松(BMD<80 mg/cm3)、骨量减少(80 mg/cm3≤BMD≤120 mg/cm3)及骨量正常组(BMD>120 mg/cm3)[7]。

图1 QCT测量L1～L3椎体中间层面骨松质BMD A～C.分别对应L1～L3椎体轴位(上图)及矢状位(下图)平扫CT图

1.3.2 能谱CT 重建层厚1.25 mm单能量图像并传至AW4.7工作站，在70 keV条件下重组三期增强HAP(Iodine)基物质对图像。于各期L1～L3椎体中间层面密度较均匀且无异常的骨松质区域避开椎体静脉丛和骨岛等结构放置约100 mm2的ROI，使其与椎体边缘距离>5 mm[8](图2)，测量各椎体中间区域上下连续3个层面的HAP(Iodine)密度值，计算每一椎体三期测值的平均值(单位：2mg/cm3)。

图2 L3椎体动脉期(A)、静脉期(B)、延迟期(C)能谱CT HAP(Iodine)基物质对图像 (黄色区域为椎体骨松质ROI)

1.4 统计学分析 采用SPSS 24.0统计分析软件。以±s表示计量资料。对HAP(Iodine)密度值与QCT BMD值行Spearman相关性检验。采用单因素方差分析比较骨质疏松组、骨量减少组及骨量正常组椎体HAP(Iodine)密度值，并以LSD法行两两比较。绘制受试者工作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲线，分析椎体HAP(Iodine)密度值评估骨质状态的效能。以单因素方差分析对比各年龄组间L3椎体的HAP(Iodine)密度值，建立HAP(Iodine)密度值与年龄的拟合曲线，并进行相关性分析。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

共765个腰椎纳入研究；总体QCT BMD值为(116.81±42.41)mg/cm3，HAP(Iodine)密度值为(693.16±18.76)2mg/cm3，二者呈正相关(r=0.96，P<0.05，图3)。

图3 L1～L3椎体 (共765个腰椎)HAP(Iodine)密度值与QCT BMD的相关性散点图

根据QCT诊断标准，162个腰椎骨质疏松、285个骨量减少、318个骨量正常，对应椎体HAP(Iodine)密度值分别为(669.84±6.58)、(686.57±6.69)及(710.95±12.33)2mg/cm3，总体(H=624.88，P<0.05)及两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。

以695.92 2mg/cm3为HAP(Iodine)密度值截断值鉴别骨量正常与骨量异常(骨质疏松+骨量减少)的敏感度为92.77%，特异度为95.97%，曲线下面积(area under the curve，AUC)为0.987[95%CI(0.982,0.993)](图4A)；以677.34 2mg/cm3为HAP(Iodine)密度值的截断值判断骨质疏松与骨量减少的敏感度为92.63%，特异度为89.51%，AUC为0.963[95%CI(0.947,0.979)](图4B)。

图4 以L1～L3椎体HAP (Iodine)密度值判断骨量正常与骨量异常(A)、骨量减少与骨质疏松(B)的ROC曲线

各年龄组L3椎体QCT BMD值及HAP(Iodine)密度值总体比较及两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)，见表1。

表1 各年龄组L3椎体HAP(Iodine)密度值及QCT BMD值比较(±s)

表1 各年龄组L3椎体HAP(Iodine)密度值及QCT BMD值比较(±s)

组别HAP(Iodine)密度值(2mg/cm3)QCT BMD(mg/cm3)A组(<30岁,n=6)718.80±18.45184.11±38.62B组(30～49岁,n=53)709.90±12.37159.67±27.73C组(50～69岁,n=148)683.75±13.6897.55±30.08D组(≥70岁,n=48)676.93±10.9083.31±25.59F值71.9781.90P值<0.05<0.05

A组L3椎体HAP(Iodine)密度值与年龄未见线性相关(P>0.05)，而B、C、D组HAP(Iodine)密度值与年龄均呈负相关(r=-0.467、-0.506、-0.426，P均<0.05，图5)。≥30岁者L3椎体HAP(Iodine)密度值=-1.509×年龄+751.642(2mg/cm3)，与年龄呈负相关(r=-0.733，P<0.05，图6)。

图5 30～49岁(A)、50～69岁(B)、≥70岁(C)患者L3椎体HAP(Iodine)密度值与年龄的相关性散点图

图6 ≥30岁患者L3椎体HAP(Iodine)密度值与年龄的相关性散点图

3 讨论

能谱CT物质分离技术可通过按一定比例配对两种基物质来表示任意物质[9]；选择基物质对时，应尽可能与被测物质成分类似[10]，以相对定量表达组织相关指标[11]。利用能谱CT能排除骨皮质等影响，所测数值接近真实值，可作为评估三维体积BMD的替代方法[12-13]。

本研究针对接受全腹CT平扫及增强扫描患者，将QCT检查与临床常规CT检查相结合，平扫采集图像既可满足影像学诊断需要，又可进行BMD测量分析[14]；以GSI模式行增强扫描，其所测HAP(Iodine)密度值等同于平扫测得的HAP(Iodine)密度值[13]，进而比较能谱CT BMD与HAP(Iodine)密度值(QCT BMD)，观察能谱CT增强扫描评估BMD的价值。本研究结果显示，HAP(Iodine)密度值与QCT BMD值呈线性相关，与ROSKI等[15]的结果相符。以QCT BMD诊断标准对L1～L3椎体进行分组，3种不同骨质状态组间椎体HAP(Iodine)密度值差异具有统计学意义；BMD值越小则骨质内HAP含量越少、HAP(Iodine)密度值越低。目前对于能谱CT用于诊断骨质疏松、骨量减少的截断值和标准尚无共识。本研究ROC曲线结果显示，以695.92 2mg/cm3为HAP(Iodine)密度值的截断值判断骨量正常与骨量异常(骨质疏松+骨量减少)的敏感度为92.77%、特异度为95.97%，AUC为0.987；而以677.34 2mg/cm3诊断骨质疏松与骨量减少的敏感度为92.63%、特异度为89.51%，AUC为0.963。

L3是腰椎的中央部位，反映腰椎乃至全身骨量，用于评估骨质状态较为敏感[16]。本研究利用L3椎体HAP(Iodine)密度值分析BMD与年龄之间的相关性，除患者年龄均小于30岁的A组外，B、C、D组HAP(Iodine)密度值与年龄均呈负相关；可能A组例数较少，导致线性相关分布趋势不明显；≥30岁者L3椎体HAP(Iodine)密度值与年龄的拟合曲线如下：HAP(Iodine)密度值=-1.509×年龄+751.642(2mg/cm3)。根据上述方程可推算得出相应年龄段的HAP(Iodine)密度值，再根据截断值预测骨质状态，为评估BMD提供了新方法。

本研究的局限性：①骨松质组成成分复杂，以骨松质HAP(Iodine)密度值代表BMD可能存在一定误差；②年轻患者数量较少，且未按性别进行分组，有待后续进一步完善。

综上，能谱CT基物质成像技术可用于测量BMD及评估骨质状态。