成都华西华科研究所分析QCT骨密度测量体模软件系统检测法和DXA测量的CTXA髋关节延伸

摘要

骨密度（BMD）估计股骨近端使用双能X线骨密度仪（DXA）目前被认为是一个标准，用于诊断骨质疏松症的个别患者使用骨密度单独。我们比较了商业定量CT（QCT）BMD分析系统（CTXA髋关节）的BMD结果，它提供了股骨近端的临床数据，来自DXA的结果。我们还使用CTXA髋关节，以确定总骨密度的皮质和小梁的贡献。采用三维QCT和DXA对六十九例患者进行扫描。将髋关节和股骨颈的CTXA髋关节BMD测量结果与DXA结果进行比较。二十二名女性在0、1、2年扫描，CTXA髋关节和DXA结果进行长期可重复性分析。长期的可重复性计算为SDS在体内的均方根平均值为0.012 g/cm（CV＝1.8%），CTXA总髋和0.011 g/cm（CV＝2%）为CTXA股骨颈，分别为0.014 g/cm（CV＝2%）和0.016 g/cm（CV＝2.7%），分别为DXA。总髋关节BMD CTXA与DXA的相关性为R＝0.97，股骨颈R＝0.95（两种情况下均见0.044 g/cm）。皮质骨占骨质疏松妇女总髋骨质量的6265%（平均6 SD）。CTXA髋关节提供了与传统DXA基本相同的临床信息，并且还提供了在单独的皮质和小梁骨隔间中BMD的估计，这可用于骨强度的评估。

介绍

骨质疏松症是一个重大的公共卫生问题。据估计，美国高达50%的女性和20%的男性在其一生中存在骨质疏松相关骨折的风险（1）。骨密度（BMD）估计可用于测试骨质疏松性骨折风险，并作出有关药物治疗开始的决定。根据国际社会的Clinical Densitometry（ISCD）（2）和国家骨质疏松基金会（NoF）〔3〕的官方立场，腰椎和股骨近端的中央DXA是骨密度（BMD）测试的首选方法。骨质疏松症是由中央DXA诊断的绝经后妇女和50岁及以上的男性，如果腰椎或髋关节的T分数为2.5或更少。低骨量或骨质减少被分类为T分数为1或更少（2）。

尽管骨折风险统计，双能量X射线吸收法（DXA）骨质疏松症测试仍然没有充分利用[4 ]。然而，BMD也可以用其他放射学成像工具来评估，例如定量计算机断层扫描（QCT），当DXA的访问受到限制时，QCT骨密度测量体模软件系统检测法是可用的。

从历史上看，尽管QCT具有优于DXA（5）的许多优点，但QCT的使用受到许多因素的限制，包括早期CT扫描器的成本和可用性，以及使用第一QCT系统进行分析所需的时间。此外，由于操作者的存在，在脊柱上的二维QCT骨密度测量体模软件系统检测法BMD测量的原始实现趋向于显示较低的精度。

基于倾斜CT CT门架的2D扫描协议的依赖性，与DXA相比，QCT骨密度测量体模软件系统检测法与相对高的X射线剂量相关。然而，现代MDCT机器既快速又广泛可用，并允许引入3D QCT容积扫描协议，减少操作者的依赖性，并使CV精度误差为0.8%（6）。针对关注区域和利用自动曝光控制（AEC）的现代低剂量CT技术可以最大限度地减少辐射暴露[7 ]。

脊柱的DXA通过积分投影计算“面积BMD”（ABMD）e

定义为骨质疏松和骨密度低于80毫克/立方厘米骨质疏松症。

除了脊柱外，髋部是一个重要的骨折危险部位，因此轴向BMD测量的重要部位[14 ]和股骨颈面积BMD测量是WHO FRAX 10年骨折风险计算工具（15）中包括的临床危险因素之一。提出并开发了用于髋关节测量的三维QCT系统。

[ 464 ]，这些工具的体积骨密度测量缺乏正常的比较数据存在于腰椎QCT。

CTXA髋关节使用3D QCT体积数据集生成骨投影图像，视觉上看起来像DXA生成的图像。CTXA髋关节利用3D QCT骨密度测量体模软件系统检测法数据集中的解剖细节来分割来自周围组织的骨，而不是依赖DXA的双能量成像方法。虽然CTXA髋关节和DXA使用稍微不同的技术来生成股骨近端的骨投影图像，但是来自这两个装置的投影图像传达相同的基本信息，即每个投影骨区域的总骨量。这导致了假设CTXA髋关节BMD估计提供与DXA所提供的相同的临床效用。重要的是，来自CTXA髋关节的面积BMD测量和T分数可与WHO诊断分类一起使用。

这种方法已经显示出与DXA具有良好的相关性，用于全髋区域的面积BMD测量[17 ]。在以前使用CTXA髋关节的研究中，KHO等人将其与DXA衍生的面骨密度和T -评分进行比较[18 ]。然而，这项研究着眼于一组年龄在82.8±2.5岁（平均+/-SD）的老年患者，并且没有利用CTXA从皮质和小梁隔间获得单独的测量；CTXA髋关节可以提供比DXA更多的信息，因为解剖学的细节更大。从3D QCT体数据集相对于相对于DXA固有的平面投影图像中存在的信息。

在本研究中，我们比较了CTXA髋关节和DXA面骨密度。

在年龄在20～80岁之间的女性队列中测量股骨颈和全髋区域。我们还提出了皮质和小梁骨密度估计标准（DXA）髋关节衍生使用CTXA髋关节作为额外的信息可从该方法。

材料与方法

QCT骨密度测量体模软件系统检测法研究是使用QCT校准幻像和软件系统与CTXA髋关节分析模块。在本研究中使用的校准体模是基于在三藩加利福尼亚大学（UCSF）开发的原始QCT校准系统[19 ]，并用等效校准的磷酸钾水溶液密度来报告矿物密度结果。QCT骨密度测量体模软件系统检测法 QA模型包括一个包含K2HPO4水溶液的参比管，其浓度为200 .060.4mg/CM3，并在软件中用作交叉校准参考和监测扫描仪性能。

质量保证（QA）扫描一个月执行一次根据制造商的协议。简言之，QA模型被放置在校准模型之上，8-10轴向切片用相同的研究方案进行BMD研究，如图1所示。

图1。QA研究轴向图像。完整的ROI放置在轴向CT切片的质量保证和CT校准参考幻像定位QA研究。DOI:101371/Jeal.Po.90094.4.G00

学科

精度研究。共纳入22名受试者作为安慰剂。

在加利福尼亚大学，三藩（UCSF）骨质疏松症治疗研究的控制包括精密研究组。这些“安慰剂”受试者是接受激素替代疗法、钙和维生素D的绝经后骨质疏松症妇女，年龄在55至72岁之间。所有的妇女都参加了这项研究，被认定为“骨质疏松症”的基础上脊柱或髋关节BMD T评分DXA小于2.5。用DXA和QCT分别测量每个受试者的髋部骨密度。22名女性中有十名接受了三年的髋关节BMD扫描，而12年的女性接受了三年的四次髋部骨密度扫描。

观察者间的变异性。使用CTXA的BMD估计的观察者间变异性通过比较由两个受过训练的操作者在同一个体内数据集上独立获得的结果来估计。从一个单一的临床试验点的数据被用于这一分析。对二十八项研究进行了分析，并比较了股骨颈和全髋关节区域的BMD估计结果。

CTXA—DXA比较

总共有69名患有骨质疏松症诊断测试的DXA患者被招募到两个临床中心，曼彻斯特大学，英国和SeNeCurdiaRe放射学/埃利斯医院，斯克内克塔迪，NY，用于比较CTXA髋关节和DXA结果。三十例患者入院

CTXA检查。CT图像数据分析这些研究使用CTXA髋关节获得不同的CT扫描仪模型在三个机构。在UCSF，GE9800（GE医疗系统，沃基肖，WI）被使用，在曼彻斯特大学，飞利浦SR4000（飞利浦医疗系统，最好的，荷兰）被使用，并且在SeNeCurdie放射学中使用GE PROSTEEP（GE医疗系统，沃基肖，WI）。所有的CT扫描仪都是由制造商指定的。此外，所有的CT系统进一步使用QCT PRO QA程序对QCT进行校准。

受试者仰卧在CT扫描台上，躺在K2HPO4 CT校准幻像和弹丸袋的顶部，使校准体模从腰椎延伸到大腿中部，覆盖骨盆和股骨近端区域。使用定位，使骨盆尽可能直，膝盖平放在扫描仪台上。受试者被要求把脚放在一起保持静止，但脚没有被定位器约束。通过扫描仪从髂嵴到大腿中部获得前部后验计算机X线照片，并以图形方式定义股骨头的顶部至小转子下方的下端约1厘米，以确定扫描区域。获得连续扫描序列，每3毫米3毫米厚，具有40厘米的显示视野（0.781毫米像素大小）和标准腹部重建算法。通常获得40个图像，在GE9800和飞利浦和PROSPEED扫描仪上获取图像的时间大约为3.5分钟。扫描参数略有变化，取决于使用的CT扫描仪的能力和患者的大小，分别为80 kVp，240个MAS的GE9800，和120 kVP，100-200 MAS的飞利浦和PROSPEED扫描仪。所有的主题和QA数据都发送到Mindways，在那里分析是集中式的。

DXA检查。DXA图像数据采集和分析在每个站点根据在这些网站使用的标准程序，包括日常校准的质量控制。每个站点的单个个体负责所有的DXA分析。在UCSF，DXA数据是使用HORIC QDR1000（HOICE，Inc.，Bedford，MA）扫描仪获得的，而在其他两个站点使用HyQualQDR4500扫描仪。DXA系统根据制造商的规格进行校准和维护。根据制造商的指示，采集和分析DXA数据。

数据分析

使用QCT QA分析模块对每个CT扫描仪的QA幻像数据进行分析。分析了使用与主体扫描相同的技术获得的8-10个QA图像的每个QA研究以确定CT扫描仪的性能特征，并且通过软件识别出与预期性能的任何偏差。QA软件识别的扫描仪性能的任何退化在随后的主题数据被分析之前被解决。结果参考了相应的CT扫描仪QA结果。

QA模体数据也被CTXA HIP软件用于检测和表征CT值响应的差异。

对CT校准斜率进行校正，以补偿“束硬化”效应。

CT图像数据以标准化的方式用CTXA髋关节软件分析，使用左侧股骨近端，除非病理学阻止了这一点。在轴向图像上识别一个正方形的盒子区域，在股骨颈上居中，从CT图像数据集中提取包含股骨近端的感兴趣区域以进行分析。使用由三个参数控制的自适应算法进行从周围非骨组织的骨分割。第一个参数定义了一个阈值，在该阈值之下，像素不能被分类为骨（默认值：250毫克/立方厘米）。第二个参数定义了当自适应地修改局部阈值时考虑的像素邻域的大小。默认范围对应于宽度约为五像素的邻域。第三个参数是用于自适应算法种子的初始阈值，超过初始阈值的像素被临时分类为“骨”，其余的为“不骨”（默认值：120 mg/c3）。分割过程的结果是一组被确定为“骨”的体素，它们都包含在股骨近端的外皮质中。在这个外包皮中没有进一步分离体素作为“骨髓”与“骨”体素。这个3D

使用QCT PRO QA分析模块对每个CT扫描仪的QA幻像数据进行分析。分析了使用与主体扫描相同的技术获得的8-10个QA图像的每个QA研究以确定CT扫描仪的性能特征，并且通过软件识别出与预期性能的任何偏差。QA软件识别的扫描仪性能的任何退化在随后的主题数据被分析之前被解决。结果参考了相应的CT扫描仪QA结果。

QA模体数据也被CTXA HIP软件用于检测和表征CT值响应的差异。

对CT校准斜率进行校正，以补偿“束硬化”效应。

CT图像数据以标准化的方式用CTXA髋关节软件分析，使用左侧股骨近端，除非病理学阻止了这一点。在轴向图像上识别一个正方形的盒子区域，在股骨颈上居中，从CT图像数据集中提取包含股骨近端的感兴趣区域以进行分析。使用由三个参数控制的自适应算法进行从周围非骨组织的骨分割。第一个参数定义了一个阈值，在该阈值之下，像素不能被分类为骨（默认值：250毫克/立方厘米）。第二个参数定义了当自适应地修改局部阈值时考虑的像素邻域的大小。默认范围对应于宽度约为五像素的邻域。第三个参数是用于自适应算法种子的初始阈值，超过初始阈值的像素被临时分类为“骨”，其余的为“不骨”（默认值：120 mg/c3）。分割过程的结果是一组被确定为“骨”的体素，它们都包含在股骨近端的外皮质中。在这个外包皮中没有进一步分离体素作为“骨髓”与“骨”体素。这个3D

图2。股骨近端定位。A）股骨近端股骨的轴向、B）矢状和C型冠状图像，旋转成标准投影。

DOI:101371/JUNAL.PONE.90094.4.G02

对每个患者的测量计算而不考虑骨变化率。然后通过计算患者组的标准偏差估计的均方根平均值来估计长期精度（20）。该方法提供了一个保守的精度估计，并且是合理的，因为该组的妇女平均不丢失骨（CTXA髋关节全髋BMD平均值和SEM基线，1年和2年，0.64 760.017，0.644 60.018，0.648 60.019 g/cm，P＞0.05，所有的比较都由T尾T T进行比较。EST）。

对于观察者的变异性，使用双尾t检验来检验均值差异的显著性。

CTXA髋关节BMD相对于髋关节和股骨头Neck ROIs的HCD-DRA DXA BMD估计的准确性通过比较来自同一学科的CTXA髋关节和DXA结果从使用HQUICE QDR4500扫描仪的两个站点来表征。结果首先比较

图3。CTXA股骨近端ROI位置。CTXA投影图像与骨密度计算（股骨颈、股骨粗隆、股骨粗隆间、全髋关节这三个区域之和）的标准区域有关。股骨颈、股骨粗隆间的股骨粗隆间、股骨粗隆间、股骨颈轴的旋转位置可由使用者调节。Ward的三角形ROI显示，但不用于比较。

DOI:101371/JUNAL.PONE.90094.4.G00

个人网站。分布的相似性汇集了结果。根据两个样本t检验，假设不同的方差，每个站点的偏差分布的手段，这些结果的汇集是客观合理的。也就是说，通过该方法比较每个患者配对的受试者测量的患者特异性CTXA髋关节减去DXA骨密度分布的结果。在95%可信水平下，无论是对于全髋关节还是股骨颈数据，均没有发现样本均值的不一致性（P＜0.05）。

为了确定t检验的有效性，使用Anderson Darling检验来检测测量分布中的正态性的显著偏差。

结果

在表1中给出了长期体内精密研究的结果（表S1：“长期体内精密CTXA与DXA -DATA55”），基于BMD值（G/CM2）和变异系数（CV，%），基于个体患者值的分布。同时给出了CTXA髋关节和DXA的平均骨密度值。在这项研究中，CTXA髋关节和DXA结果之间的精确度没有显著差异。

在表2中给出了CTXA髋关节的观察者间变异性结果（表S2：‘观察者间比较的CTXA骨密度估计值-数据）。两个观察者的髋关节平均BMD差异在95%置信水平（P＝0.055）之间不显著，而两个观察者之间的股骨颈差异在95%置信水平（P＝0.026）上是显著的。即使有统计学意义，观察者之间的1%差异与使用DXA获得的0.9%至2.6%相似。

（6，7）…

没有实质性的证据被拒绝的假设，数据测量合理地描述了一个正常的采样过程使用Anderson Darling测试来检测

表1。骨质疏松症患者的长期体内精密度，CTXA与DXA。

全髋股骨颈

CTXA DXA CTXA DXA

面密度（G/CM2）0.645 0.700 0.551 0.551 0.598

精度（G/CM2）0.012 0.014 0.011 0.011 0.016

CV（%）1.8 2，2，2.7

DOI:101371/JUNAL.PONE.90094.4.T01

表2。观察者之间的CTXA骨密度估计比较（G/CM2）。

观测器1观测器2观测器2观测器1观测器2观测器1（%）

平均全髋骨密度0.668 0.675 0.675 0.007 1

髋关节总骨密度0.142 0.146 0.146

股骨颈平均骨密度0.585 0.578～0.007 0.007

SD股骨颈BMD 0.121 0.118～0.00

DOI:101371/JUNAL.PONE.90094.4.T02

测量分布的正态性显著偏离。

表3中给出了与CTXA髋关节和DXA对全髋和股骨颈区域感兴趣的BMD估计之间的相关性（表S3：“CTXA髋关节和DXA骨密度结果的相关性-数据”），对于两个独立的临床位点和汇集结果。图4和5显示了全髋和股骨颈的图形相关性。股骨颈和全髋关节ROIs的相关系数为0.92～0.97。

估计值的标准误差（见）为0.043～0.047克/

二

厘米。

在DXA样ROI中，髋部全骨分割为“皮质”和“小梁”骨的隔室区分了CTXA髋关节分析与DXA的测量结果。对于研究人群，全髋关节区域

约0.06克/平方厘米。然而，在这种情况下，线性回归分析表明，偏倚更好地解释的模型斜率明显不同于一个添加剂偏移没有明显不同于零。如表1所示，我们还观察到CTXA髋关节和QDR 1000 BMD估计的统计上显著的偏倚，平均偏差为约0.05 g/cm，在这两个测量位点上报告的骨质疏松患者群体包括我们的精确研究组。

在许多研究中已经报道了来自不同制造商的骨密度计之间的髋部骨密度估计的偏差。我们在这里报告的相同大小的偏差已被观察到的比较研究DXA装置从HealthCouthand Nurand [21，22]。正如这些作者所指出的，这些差异可能是由于数据获取和分析方式的技术差异。

QCT骨密度测量体模软件系统检测法（CTXA）ABMD和DXA衍生ABMD的差异的一个原因与所使用的校准模型有关[25 ]。HAXIC DXA扫描仪采用固体钙羟基磷灰石（CAHAP）标准进行校准。QCT使用液态磷酸钾（K2HPO4）作为矿物标准。虽然平均CaHAP和K2HPO4校准标准在小梁ABMD区域相似，但在校准斜率上略有差异，K2HPO4当量密度倾向于略低于相应CAHAP等效密度。当工作在较高密度时，差异更明显。因此，与DXA值相比，QCT衍生的矿物质质量（BMC）在股骨近端的所有对应部位都显著降低（不足为奇）（表1）。此外，用于分离投影的“软组织”成分的方法在QCT和DXA之间也非常不同。DXA使用双能量方法，特别是估计DXA骨信号所形成的组织的脂肪/瘦肉率。基本上，软组织成分在DXA减去。然而，在CTXA，体积CT图像分割成“骨”和“非骨”（主要是软组织，空气和校准幻象像素）像素使用几何，解剖和生理考虑。在生成骨投影之前，“非骨”像素被完全从图像数据中去除，因此基本上没有对骨投影图像的信号（和无残留噪声）分量，并且不依赖周围环境的性质和分布的细节。苏。

其次，DXA在扫描过程中通过控制脚定位来标准化测量定位。虽然标准DXA足部定位确实导致股骨颈轴线向外旋转，使得股骨颈轴线与X射线投影方向更加近似正交，但股骨颈轴线与投影方向的正交性不是DXA控制的。然而，这种正交性是在CTXA中所控制的。

差异的另一个原因是投影几何学。CTXA使用平行射束投影几何学。虽然旧的DXA单元也使用平行投影几何，但大多数DXA单元今天使用包括深度依赖放大属性的扇形束投影几何结构。根据DXA单元设计，还可以有一个与患者的骨头位于上面的距离有关的剩余放大分量，例如DXA设备桌面。在这种情况下，DXA BMD估计可受患者定位的影响，包括可能在DXA扫描之间难以控制的因素，例如显著的体重减轻/增益，导致无法在两次扫描中以相同的方式定位患者。所有这些都是核心图像处理步骤中的算法变化，用于定义用于标准化骨密度的各种解剖标志和参考长度。

对特定设备的测量。例如，在股骨颈轮廓中定义股骨颈侧缘的最大骨密度（即股骨颈宽）的15%的阈值在DXA图像中可能是非常不同的，包括非零噪声背景，即软组织背景S的残余。与一个基本上没有软组织背景和基本上没有软组织背景噪声的CTXA图像相比，UBRAGE。

在不同的装置中，BMD估计的良好偏差目前在临床密度测量实践中通过报告归一化的BMD估计和使用相同的指南从所有DXA单元解释归一化的股骨近端BMD评分来处理。使用T分数是当今常用的归一化方法〔14〕，虽然已经提出了用于生成“标准化”BMD估计的替代方法[21，22]。当使用CTXA方法时，可以使用Hythic DXA获得的NHANES III（国家健康和营养检查调查III）使用年轻人的正常数据来计算T分数。

使用CTXA髋关节分析的结果，以分割“皮质”和“小梁”骨隔间，利用所获取的3D图像数据的3D性质。在股骨近端的完全3D分析方面，已经开发了几种方法[34-39 ]。在每个解剖子区域内，计算皮质和小梁成分以及整体骨包膜的密度、质量和体积。对于小梁BMD测量，发现这些类型的方法在体内的精确度从0.6%到1.1%不等，这取决于评估的体积（34）。这些方法中的几个也有助于最小股骨颈横截面的几何和结构分析，计算横截面面积，估计皮质体积和厚度，以及惯性矩用于强度估计。还比较了由DXA和QCT（40）导出的髋关节结构分析（HSA）参数。然而，如前所述，缺乏标准化标准数据和DXA T-S评分在诊断分类中的普遍使用，目前限制了这些体积的3D HIP分析方法用于研究和临床试验应用。

结论

我们假设CTXA髋关节BMD估计可以提供与DXA所提供的相同的临床效用，并且我们相信我们的研究结果有力地支持了这一假说。DXA装置的各种组合的结果的高度相关性，以及测量精度的一致性，其特征在于观察、观察者间的变异性以及长期和长期的评估。

在许多国家和国际临床密度测量指南的背景下，短期测量精度已被公认为使用来自所有商业DXA设备的近端股骨临床决策结果的基础。CTXA髋关节面积BMD和T-评分可通过CT研究提供机会性骨质疏松筛查标准化BMD测量；或DXA不可用区域的骨质疏松筛查方法。QCT的3D性质也可以提供比使用DXA数据的相似分析更全面的骨强度参数估计。

成都华西华科研究所研发生产多种定量CT QCT骨密度测量体模软件分析系统
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