成都华西华科研究所分析口腔CT基于液体体模测量颌骨密度的QCT骨密度测量体模软件检测方法

摘      要：总结并分析了现有用于评估颌骨密度的四种最常用的方法及不足,提出了用于口腔锥束CT的

基于K₂HP0₄液体体模的定量CT方法，并说明了具体的测量方法.同时对K₂HP0₄液体体模进行了均匀性 与线性度测试、稳定性测试以及与固体体模的对照测试.测试结果表明在口腔锥束CT下基于K₂HP0₄液体 体模的骨密度测量结果与常规CT下基于固体体模的测量结果等效.同时液体体模制作成本低，配置方便灵 活，该方法值得临床推广和使用.

种植牙是迄今最理想的缺牙修复方式^[1<， 其实施过程也相当复杂^[4].在种植牙之前，首先 需要患者对预种植部位进行放射线成像检查来进 行多方面的评估，包括牙床空间、牙槽骨硬度、植 人角度和深度等^[5_^6].其中，种植区骨密度评估是 取得牙种植术成功的关键步骤^[7].

1现有颌骨密度测量方法

目前医生用于评估颌骨密度主要有4种方法：

医生根据患者术前拍摄的牙部X光片， 通过观察颂骨部位的亮度，来推测骨密度的高低， 对于经验不足的医生，容易造成判断上的误差;并 且，X光片是二维成像，颌骨部位的亮度还叠加了I 1腔中其他组织的影响，所以颌骨的亮度不能准 确反映骨密度的高低，造成较大的误差，影响手术 成功率.文献[8]提出一种在X光平片下利用参 考杆帮助医生判断颌骨密度的方法，参考杆为医 生提供r密度参照物，町以降低主观误差,但是这 种方法是二维成像,受到口腔中其他组织的叠加 影响.

摄影术，是20世纪80年代发明的利用常规CT 进行BMD测量的技术¹⁶ 丨分別测量任何邰位 骨小梁和皮质骨单位体枳内的竹矿含量，即体枳 密度,mg/cm'测量时，除计算机软件设定感兴趣 区外，还需外加一个标准体模，M少扫描以校准机 器的漂移，并将CT值换算成BMD值ⁿ .

2.2液体体模

I.   双能X射线骨密度测童法是当前骨密度 测量的金标准，具有准确度高、辐射剂量低等优 点，似它测鼠的是颂tl•的平均密度，无法测量颌骨 特定部位的密度¹

II.  螺旋CT可进行断层成像，空间分辨率 高，在相应软件的辅助下，利用CT值评估骨密 度.可排除U腔其他组织影像重叠的干扰¹⁹¹,对 颌骨的任意区域进行测M.供螺旋CT检查导致 患者受到的辐射剂董较大.

III.      口腔锥束CT(CBCT)已成为口腔医学 领域较为成熟的三维成像设备.CBCT较螺旋CT 的辐射剂IA有大幅度减小^1W ,其图像质量可靠，

i维体数据可以对竹骼结构的任一区域进行精确 定位分析^H，有利其在临床和研究中的应用.已 证实CBCT所得图像的CT值可以反映骨密 度ⁱ⁹，Cha以及Marquezan等研究证实CBCT图 像的CT值与骨密度测量的金标准双能X射线减 影法对于骨密度的测1值线性相关但是有 研究表明CBCT用来评估骨密度并不准确^[w，这 是由于CBCT特柯的X射线锥束扫描成像等原因 导致其图像的CT值不稳定，国内目前CBCT的相 应标准也没有对CT值进行检定i¹⁵ .

现有方法中主要存在4个问题:第一，最常用 的X光片为二维平面成像，由于人体其他组织以 及金属等物质的叠加影响，误差较大，并且由医生 通过观察判断骨密度，易受主观因素影响；第二， 双能X射线骨密度测丨rt法得到的是平均密度，不 能测M:颔竹特定部位的密度;第三，螺旋CT扫描 造成病患接受较多的辐射剂量;第四，CBCT成像 质量n了靠，辐射剂植•小，侃是CT值并不能确定骨 密度的实际值.CBCT将是未来腔医学成像的主 流趋势,为提高CBCT测績颌骨密度的稳定性和准 确度，本文将基于K₂HP0₄液体体模的定量CT测 丨4法引人到CBCT颌骨密度测量中来.

2基于CBCT的定量CT测量方法

2.1定量CT测量骨密度的原理

定M CT (QCT)即定请X射线计算机体层

目前我国在利用记ht CT方法进行骨密度测 量时，主要使用两种类咽的体模，即磷酸氢二钾 (K₂HP0₄ )溶液体模和注塑羟磷灰石 (Ca₅OH(PO)₄)^M81固体体模•由于K₂HP0₄的水 溶性很好，制作工艺简*，所以本文采用不M浓度 的K₂HP0₄溶液制成等效fj•体投.

K₂HP0₄溶液的浓度采丨(1对照间体的方法获 取:在体模的各管道内装不同浓度的k:hpo₄溶 液，如图1所示，与作为参照标准的Ca₅OH(PO)₄ 固体体模（密度分别为（),50，1 ()()，200 mg/cm³) 相同.

图1 K₂HP0₄液体体模 Fig. 1 K₂HP0₄ liquid phantoms

2.   3骨密度测量步骤

1)如图2所示，计算4个液体体模K域的 CT 值（HI，W2，W3，//4)

图2液体体模与骨组织在CBCT下扫描得到的图像利用最小二乘法计算体模的CT值（//l，

将上述4个模块测得的各层面的CT值均值 进行线性回归（见图5 )，得到液体体模的线性回 归公式为;V =2. 099jc - 13. 6,线性相关系数/?² =

IV.  999 8.

450

//2,/73, /« )和体模质 M 浓度（0 , 50, 100, 200 mg/_cm3)的线性关系，即求出式（1)中的

H = kxC_b+e .       (1)

其中://表示CT值;A:表示拟合系数；C_h表示待 测领4t密度;《表本偏移量.

3.   把感兴趣区域的CT值代入式（1)中，得 出该区域的骨密度C_b.

测量流程图如图3所示：

图3骨密度测置流程图

Fig. 3 Measuring bone mineral density flowchart

3液体体模测试

12.  1均匀性与线性度测试

CBCT采用沿纵向对液体体模进行扫描并重 建，収带有体模的均匀分布的1〇个断层面，分别 测社4个投块的CT值均值标准差、以及变 异系数C_v，测量结果如图4和表1所示.

图4 CBCT扫描得到的K₂HP0₄液体体模图像 Fig. 4 K₂HP0₄ liquid phantoms scanned by CBCT

表1液体体模4个模块的均匀性测试结果 Table 1 Four liquid phantoms uniformity test results

体模质量浓度 mg • cm ''	0	50	100	200
M	-16.2	94.0	197.6	405.0
So	0. 62	1.50	1.78	1.83
Cv/%	3.9	1.6	0.9	0.5

注:变异系数c_v = (知/M) xioo%.

0        40      80      120    160    200

液体体模中K:HP0₄的质量浓度/(mg • ml^l)

图5 K₂HP0₄液体体模浓度与CT值的线性拟合结果 Fig. 5 Linear fitting results of K₂HP〇₄ liquid phantoms concentration and their CT value

CBCT较常规CT其图像的CT值不稳定，并 且图像分辨率低¹¹⁴ .表1的测试结果表明在 CBCT扫描下的液体体模不同层面之间具有良好 的均勻性，相对变化不超过3. 9% (体模质量浓度 为Omg/cm³的情况下），并且CT值与浓度的线 性拟合度高，线性相关系数为〇. 999 8.液体体模 可良好地修正CBCT对测诘骨密度的影响.

3. 2稳定性测试

目前配置时间最长的K₂HP0₄液体体模是3 个月，3个月后的液体体模观察不到气泡和沉淀. 采用相同的扫描条件，每个月都对体模再进行一 次重复测M，将每次测请的数据与初始数据进行 比较，做样本均数差别的显著性检验，各组P值 均大于0.05,表明K_:HP0₄液体体模各密度区域 在3个月内不同时期CT值与初始值比较无显著 差别.K₂HP0₄液体体模成本低，配制方便，实际 应用中可定期更换.

3.3与固体体模的对照测试

本项测试使用的固体体模与质量控制体模 (标称密度为200 mg/cm³)是四川大学华西骨质 疏松研究中心等研制的QCT骨体模（称四川体 模）.由于固体体模与质量控制体模体积较大，本 项测试在常规CT下进行.同时扫描K₂HP0₄液 体体模,Ca₅OH( PO)₄固体体模以及质量控制体 模，如图6所示.取带有体模的均匀分布10个断 层面,分别测量液体体模与固体体模每个模块的 CT值均值M与标准差S_D，见表2.将CT值与密 度进行线性拟合，如阁7所示，比较线性方程系数

体模质h丨:浓度

	mg • cm ' 液体		0 -35.8
M
	固体		- 15.9
	液体		7.8
S0
	\m		2.5
50		100		200
38.4		113		248. 1
67.2		155.2		292.9
7.2		3.2		2.2
2.5		4.4		3.2

300- -ffiK        ,,

-50   0      50    100   150   200   250

fj•等效物质的质M浓度/(mg • mL')

图7固体体模与液体体模的CT值与密度的线性拟合图 Fig. 7 Linear fitting figure of CT value and density of liquid phantoms and the solid phantoms

根椐网种休役的拟合结果分別测域质量控制 体模的骨密度，结果见表4.

表4的测if结果显示，用Ca₅OH(PO)₄固体 体模测W质控制体模的结果平均值为 19⁴. 8 mg/cm\小于实际值2. 7%，准确度误差较

a，6，以及线性相关系数/?²，见表3，表4.

图6常规CT下同时扫描固体体模、液体体模 与质量控制体模

Fig. 6 Liquid phantoms, solid phantoms and quality control phantom scanned by conventional CT at the same

表2对比液体体模和固体体模的CT值与标准差 Table 2 Comparison of the average of CT number and the standard deviation between liquid phantoms the solid phantoms

低;用k₂hpo₄液体体模测量质量控制体模的结 果平均值为228. 3 mg/cm³，测敁值大于实际值

V.   2% .

表3对比液体体模和固体体模CT值的拟合 系数与拟合度

Table 3 Comparison of the fitting coefficient

and the degree of fitting between liquid       phantoms and the solid phantoms

参数	液体体模	固体体模
拟合系数《	1.42	1.54
拟合系数&	-33. 1	-10.2
R2	0. 999 4	0. 998 1

注:线性方柷.V = 〇V + /7.

表4对比液体体模和固体体模测量质量控制体模的结果 Table 4 Comparison of the result between liquid phantoms and the solid phantoms testing quality control phantom

参数  液体体模固体体模

质fit控制体模密度/ ( mg • cnT3)	228.3	194.8
质W控制体校:密度、	3.8	1.4
变异系数cv/%	1.9	0.7
准确度误差/%	14.2	-2.7
校Ui系数	0. 88	1.03

注：变异系数C_v = S_D/200;准确度误扃M指测W：值M真实值 之间的差异，准确度议差= <(均值-200>/200) xlOO% •,校正系 数=200/测M值.

4结 语

在CBCT扫描得到的图像中，K₂HP0₄液体 体模li侖以好的均匀性，相对变化+超过3. 9% , 线性度高，线性相关系数为0.999 8.其稳定性测 址结果显示，本义屺咒的液体体模腎后3个 月内不影响骨密度测量.对照测试中，液体体模与 间体体模的均匀性尤明敁差別.测以质砧控制体 模的结果敁示液体体模的准确度俣差较大，为

4.   2% .但利用相关公式，两者的测试结果nj•以互 相换算.

现有的Ca₅OH(PO)₄固体体模准确度误差 小，似体积大，制做I:艺鉍杂，成本高.虽有研究表 明液体体模经过IX：时间放饨后站产屮z (泡、沉淀 以及变质而影响测量结果，但其配制灵活方便，并 制作成本低，位时间使用溶液会出现沉淀变质 等影响测量的情况，可電新配制.由于CBCT成 像视野较小，液体体模可在不影响测咕的情况下 采用较小的管迫进行封装，使用史义活.ih于体模 的等效性，只要与被测物同时扫描，可基本消除CBCT成像中CT值不稳定等问题，其测量结果 与常规定量CT下的测量结果具有良好的可比 性.综上所述,CBCT下应用液体体模定量测量颁 骨密度的方法值得推广和使用.

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