成都华西华科研究所分析定量CT（QCT）骨密度测量体模软件检测方法在骨密度测量中的应用

骨质疏松症已逐渐成为全社会日益关注的医疗问题之 一，早期的诊断对其疾病本身的治疗和骨折等并发症的预防 至关重要。目前，许多骨密度（BMD)测量方法已广泛地用 于骨质疏松的诊断、骨折危险性的预测和骨量变化监测的研 究和临床工作中。定量CT ( quantitative computered tomograpy,QCT)测量即为众多BMD测量方法之一，这是一 种依赖临床CT机和特有的体膜（phantom)进行BMD测量的 方法。随着CT设备的进展，QCT的测量方法也有所改进， 近来又出现了体积(volumetric ) CT等测量方法。目前,CT作 为主要影像设备在我国众多医院中已基本普及，但用于 BMD测量的医院或研究机构为数不多。为使读者对此有进 一步的了解，笔者仅就应用临床常规全身CT机进行BMD测 量的研究和临床工作简述如下。

一、QCT BMD 测量

QCT测量是在骨骼的断面影像上进行，故可分别测量松 质骨和皮质骨的BMD，且既可测量中轴骨BMD，也可测量外 周骨BMD。但应用临床常规全身CT机进行的QCT测量主 要是腰椎椎体松质骨BMD的测量，其特点是可无创性测量 腰椎椎体松质骨的BMD。众所周知，椎体松质骨的骨转换 率高，故其生物力学的意义也非常重要。1976年Ruegsegger 等^[1]首先研发出应用¹²⁵1为能源的周围骨QCT测量桡骨的 BMD,随后Genant等⑵、Cann和Genant⑴研发出已知BMD 的参照体膜，并在临床应用CT机测量腰椎的BMD。参照体 膜是用不同浓度的K₂HP0₄液体柱组成，并置于受检者腰部 下方进行同步扫描，所测的BMD是真正的体积BMD,单位 为 g/cm³。

QCT测量机理:QCT BMD测量校正主要是根据水的CT 值为〇 HU、气体CT值为-1000 HU,然后通过体膜的校正将 松质骨相应的CT值进行线性回归，进而转化成体积BMD。 CT BMD校正的体模有液体和固体之分。QCT初期应用的 是液体体模，该体膜内含有不同浓度的K₂HP0₄^[3]。但因该 体膜为液体状态，故其长期稳定性较差，进而改进为当今广 泛应用的固体体膜。固体体膜内所含的校正物质是羟磷灰 石（Hydroxyapatite)。进行固体体膜测量时，有学者将固体体 膜与受检部位同步扫描，也有学者采用非同步扫描,即先扫 描所要测量的部位,然后扫描人椎体形态（anthropomorphic) 的固体体膜^[4]。体膜与测量部位同步扫描的目的在于克服

D01：10. 3760/cma j. issn. 1005-1201. 2009. 02. 029 作者单位:l〇〇730中国医学科学院协和医科大学北京协和医 院放射科

CT机性能不稳定及与受检部位大小和形态有关的射线硬效 应所造成的测量误差。另外，也有通过椎旁的肌肉和脂肪为 参照物，以此取代QCT体膜进行内校准的QCT BMD测 量^[5~ ;还有学者采用螺旋CT常规腹部平扫和增强扫描测 量骨量^{[7 8]}，虽这些不用CT体膜的QCT测量方法较为简易， 但其准确性、精确性及正常人群参照值等因素的临床应用价 值仍有待于进一步的研讨。

QCT具体测量的部位通常是T12 ~ L4中的3或4个椎 体中部内的松质骨。诸椎体扫描的层厚为8 ~ 10 mm;扫描 剂量较低（总共扫描剂量为80 jjlSv,其中定位像扫描剂量为 30 jxS_v，4个椎体断面的扫描剂量为50 pSv)^[9];将测量的 ROI手动定位于椎体中部断面前方的松质骨内，也有通过软 件自动定位R0I在椎体松质骨的位置，还有通过特有的软 件分别测量椎体的松质骨、皮质骨和两者的共同密度。

为消除椎体脂肪对测量的准确性影响，腰椎QCT测量 又可分为单能 QCT( single-energy QCT，SEQCT)和双能 QCT (dual-energy QCT，DEQCT)测量,其各自测量的准确性、精确 性和放射剂量均有所不同。成人腰椎椎体内脂肪含量随年 龄增加、红骨髓减少而增加，脂肪的增加会加大QCT测量准 确性的误差，准确性误差的范围可达5% ~ 15%,这主要取 决于受检者的年龄和其椎体内脂肪含量所占的百分比。因 脂肪含量的影响，QCT测量结果低估年轻受检者BMD的 20%、低估年长受检者BMD的30% ^[1°]。虽DEQCT可改善 测量的准确性，但其测量的精确误增加。单能和双能QCT 测量的精确误和准确误分别为2% -4%和4% ~15%^[11_^12]。 另外，双能QCT的放射剂量增加，也限制了其临床应用。

早在20世纪80年代初国外学者已在临床上应用了 QCT进行骨质疏松患者的临床测量和研究，国内有些学者也 从90年代初开始分别对QCT测量的准确性和临床应用等 方面进行了研究^[1344]。国内、外的研究结果均表明，QCT可 用于评估骨折危险性、年龄性骨丢失率、随访骨质疏松和其 他骨代谢性疾病的变化。在诊断领域,WHO将双能X线 (dual X-ray absorptiometry, DXA)的测量作为骨质疏松诊断 的金标准,故许多BMD的测量方法也多与DXA测量结果加 以比较。Yu等^[15]的研究结果表明，QCT测量椎体松质骨对 区分椎体骨折与非骨折人群的能力优于腰椎正位DXA和腰 椎侧位DXA测量的评估能力;其研究结果还显示QCT测量 松质骨的BMD低时，其椎体骨骨折的相对危险性(奇数比为

I.   6乃分别高于腰椎侧位DXA(奇数比为Z 00)和腰椎正位 DXA(奇数比为1.54)测量。Jergas等％证实，通过腰椎 DXA正位和侧位测量结果计算的体积BMD区分椎体骨折

和非骨折的能力（奇数比为2. 87)也高于腰椎正位DXA(奇 数比为1.47)或腰椎侧位DXA(奇数比为1.88)的测量，但 QCT测量松质骨BMD区分椎体骨折和非骨折的能力仍为最 强（奇数比为3. 17)。另外，松质骨的代谢活性高，可通过 QCT和DXA测量的骨丢失率加以反映。Gugiielmi等^[1〃对 108例绝经后妇女的截面测量研究显示，QCT测最骨丢失的 结果为每年1. 96%，腰椎侧位DXA为每年0. 97% ,腰椎正 位DXA则仅为每年0. 45%。

有关应用QCT测量股骨近端BMD的报道较少。 Sartoris等[¹⁸:选取2例尸体和6例活体，用常规CT机和与腰 椎QCT相同的液体体模分别定量测量股骨近端的松质骨 BMD和腰椎BMD,并将结果进行了比较。结果显示，股骨近 端QCT测量结果与腰椎QCT呈高度相关，其检查时间、放射 剂量和测量的重复性同腰椎QCT测量相似。Lmn等^[19]报 道股骨近端的QCT测量可反应绝经后妇女激素治疗后的松 质骨和皮质骨的骨丟失，进而有助于骨折危险性的评估。 Beck等^[20]报道，结合股骨BMD和股骨几何参数预测骨强度 的能力优于BMD单独的预测能力。伹因股骨近端松质骨分 布和形态等变异较大，QCT的测量也需特有的软件，故其临 床应用的价值仍有待于进一步研究。

二、体积QCTOlumetric QCT,VQCT)测量腰椎和髋部

近来的螺旋CT不仅可测量松质骨和（或）皮质骨的 BMD,并还可对骨的几何结构进行评估^U11。常规椎体单M QCT R0I的定位对操作者的依赖性很强，而腰椎的体积 BMD的R0I的范围是全部的椎体，其定位依赖于软件，并通 过影像排列校准（alignment)技术保证在随访测量时体素 R0I准确定位的一致性，并使其测量体积较大结构的精确误 降低。报道表明松质骨体积密度与常规QCT椎体中部结构 测量的BMD呈高度相关^EK，但可能对椎体强度并没提供更 有意义的信息^[9]。然而，Hangartner和Gilsanz^[231研究表明， 椎体的皮质骨测量对骨质疏松患者椎体骨强度的评估有其 重要的意义，但其应用价值也还有待于进一步研究。还有的 研究表明，VQCT可反映年龄性的骨丢失及骨折危险性的预 估，且其结果可不受椎体退行性变的影响^{[24 27]}。近年来有 学者进行了腰椎QCT测量和有限元（finite element analysis, FEA)模型的分析、模拟，计算椎体骨强度数值并与椎体的生 物力学测试结果比较等方面的研究。FEA模型是通过工程 学将QCT的数据转化成测景骨强度的体素（vmel)有限元模 型公式^[21]。国内也有学者在此方面进行了初步研究^[28]。 研究结果显示源于VQCT影像FEA模型力学上的几何学和 骨矿含量的结果可提高对椎体骨强度的评估^{[29 31 ]}。

常规腰椎的QCT测量是在椎体中部二维层面(J3厚8 ~ 10 mm)上进行的BMD测量。虽然，所测量的层厚及其结果 可进行定量的腰椎BMD分析，但三维结构成像更有助于较 复杂结构（如股骨近端）的BMD分析。现可用QCT定量测 量股骨近端的体积BMD。股骨近端BMD及其几何形态与 骨的生物力学强度相关，VQCT测量可测量骨的尺寸和密 度，并用于骨几何学和生物化学特性的相关评估，如骨的截

面向量（cross-sectional moment of inertia, CSMI)及 FEA 等分 析。股骨近端BMD测量需具有能处理较大体积影像数据的 特殊工作站。虽现有的螺旋CT工作站可满足影像的数据 处理，但仍需特殊的或专有的软件进行分析和测量。Heitz 和KalendW³²¹研发了通过固定股骨颈的轴向并边缘检测的 定位体素（voloumes of interest,VOIs)ROI 技术；Bhasin 等[³³] 则通过阈值边缘检测方法分析了股骨近端的松质骨BMD; 1^%等^[34:用半_动定位股骨颈和粗隆间亚区的R0I技术 进行了测量，并还进行几何结构的测量和分析，股骨近端体 积BMD活体测量的精确性与其R0I有关，结果的精确性在

II.  6%〜1. 1%之间^w。目前股骨近端QCT的临床应用还较 少，已有的报道也多集中在QCT测量BMD与生物力学股骨 骨强度之间关系方面的报道，这主要是因为多数髋部骨折是 山于跌倒损伤所致。ktz和Ha_yes^[35]研制了类似侧方跌倒 的承重模型，所加外力集中在大粗隆的后外侧，这种模型所 致的骨折多为粗隆间骨折，其粗隆区松质骨的BMD与股骨 强度高度相关（圮=0.87)。Lang等^[34]应用特有的技术分 析股骨近端及模拟侧方跌倒骨折的模型，结果也证实了 和H_ayes^[35的研究结果，但固定强度的数据经股骨颈横断面 积和轴长校正后全骨或小梁骨的BMD可解释近90%的骨 强度数据。Keyak等^[36:对离体股骨近端进行了 FEA分析， 结果所示由K预测的髋部骨折负荷与实际髋部骨折负荷之 间相关性很好，但对骨折危险性的预测能力与VQCT所测 BMD值并无明M差别_D Sode等^[37]研究显示绝经后妇女股 骨颈三维有限儿模咽（there-dimensiona] finite-element model， FEM )预测骨强度与股骨颈抗扭转强度指数（torsional strength indices，TSI)之间存在中等度相关。

虽h述有关VQCT的研究有其各自的特点，但所有的相 关研究均依赖于各0相关的特有软件，目前尚未见到较为统 一的商业化分析软件，因此，其临床的推广和应用仍受一定 的限制。

以h仅就依赖临床CT机所进行的QCT骨测量的研究 和临床应用做以简述，旨在为读者对QCT骨测量的临床应 用有进一步的了解。诚然,有关借用专用CT机进行的骨测 量方法，如周围骨QCT( _PQCT)和微QCT( micro-QCT)等，虽 W内、外也有相关的研究和成用，因其仍在研究阶段或在临 床应用中少见等因素，故未在本文赘述，读者需要可参照相 关文献。

成都华西华科研究所研发生产QCT骨密度测量体模软件系统 

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