定量X-CT（QCT）骨密度测量体模软件检测方法技术测量骨密度

I提要】 定虽ct方法测定骨密度的优力是皮质fv和松质骨可被分別测定。这在sm上很有

价值，因为松质冴的转换明显地高于皮质竹。

定量CT分预处理法和后处理法两种。后者为医院常用，又可分为单能量法和双能量法话种„ 力降低剂量又有入设计了专用的外周型CT。采用图象处理可分区测定松质、皮质、亚皮质区的骨 密眨，还可进行骨网状结构分析。近年来，方法的改进主要在降低剂a,对复杂骨结构的三维处理

和提高CT值定ra精度等方面，

随音人口寿_的增长和老年型社会的形 成，一种在老年人中发病率相当高的代谢性 眢病——骨质疏松症越来越受到重视_B虽然 仅仅在50年以前才由Albright提出了这种病 与骨丢失的关系，但近十年来这方面的研究 工作几乎是以指数方式增长。骨质疏松导 致老年人容易骨折，尤以老年妇女发病率特 别高，如欧洲70岁和邛岁以上的妇女中，有 四分之一以上发生过一次或一次以上的骨呒 疏松性骨折^以往大多数工作集中于研究绝 经期后妇女的骨丢失率及骨质疏松的治疗方 法，但近年来对男性病人疏松骨折的研究亦 已展开^[2、通过骨矿物质测量及其他因素预 测骨折危险性的研究也正在进行。

研究表明，低的骨矿饬质含量是导致骨 折危险性的主荽因素，骨矿物质含量的精确 测定对骨质疏松和其他骨代谢疾病的预防、

诊断和观察疗效方面起着重要作用。

骨由表层致密而坚实的皮质骨及内部由 许多小梁骨组成的海缔状松质骨构成。在椎 眚中，皮质骨中矿钧质含量约占60〜80邻， 而松质骨(小梁骨）中约占20^-40%。纯小梁 骨的转換率近似为皮质骨S倍，因此它与致 病原因和治疗药物密切相关，而皮质骨则不 太敏感。放在早期诊断和观察药物疗效时，澍 量纯小梁骨密度的变化很有必要，也即希望 把皮质骨与松质骨分开测试。而且，皮质骨 的变薄和面积减小，也是诊断松质骨的重婪 依据。

骨矿物质的测定方法有:①X线检查法r ②单光子咴收法；③双能量X线吸收法 (DEXA),④定景CT法(QCT);⑤超声检脚 法。在上述方法中,①精度和敏感性均很 底，©精度较差，且仅测外周骨皮质骨，⑤是新推出的尚不成熟，且仅測外冏骨皮质骨， ③④为精度较高的两种方法。DEXA法病人 接受剂量低，整机价格相对④低一些，能较 好地把骨和脂肪、胶原等分离，获得较高时 测芷正确性，但它不能把皮质骨祁松质_ET分 幵，无法单独测显小梁骨的变化。QCT方法 病人接受剂贷较大，整机价格虽较贵，但医 院可以利用已有设备^它的优点是可以精确 地三维定位，直接对感畀趣的体积区进行定 觉的骨密度测定，故可潞出最敏感的纯小梁 骨区的骨M变化。而DEXA由于测的是$影 方向上骨密度的线积分，把不敏感的皮质骨 和敏感的松质骨混在一起，其总值的敏感性 就低于QCT方法。而且，；jSDEXA积分途径 上（骨前后组织中）也可能存在骨外的矿物 质，从而影响测M的正确性。例如骨赘、骨 折和骨赘导致的梗化和动脉血管钙化等， QCT则可将这些因素完全排除，而DEXA法 却不能。

<定置CT测定脅矿供含董方法

可分为前处理法和后处理法两类。

1.1前处理法首先对X线投影响应数摁 进行处理，采用双能暈成象中垫函数法把骨 和软组织分离成两组投影数据，然后单独对 骨的投影数据进行CT重违。相比于后处理 法它的优点是：由于在茧函数法中已考虑了 x线谱的影响，因此避兔TCT重建中射束 硬化引起的伪象和误差。同时，在双能量法中 已将骨中脂肪和胶原等分离，所以也没有脂 肪等弓丨入的误差，精确性高。相比于后处理 法它的缺点是，需要生产厂配制专用软件， 每次测试要重装软件，用毕又要恢复日常CT 扫描的软件，操作不方便。

2.2后处理法利用普通扫描所得CT值， 通过简单的计算确定骨矿物含童。它逛目前 医院中常用的方法。骨的主要组成为骨矿物 质、胶原、腊肪、红骨.髓和水（本文将分别 用下标b_lC,f,T、w表示），骨的CT值应是各成 分CT值的线性加权和„

H=ioo〇(2P#i-^)/^»             (1)

式中ft为线性哀减系数，P为加权系致，若 以各物质浓度C表示，则可写为

H = ffbCtj + ®tCe +  + Q_rCr +

+ d + e             (2)

«=1000〇*/卩)/〇‘,从）f3) 式中P为密度，<5为常数等于-l〇〇〇> ^为 CT叽的漂移量。由于x线是多色的，实际 上测到的是x线有效能量下衰减系数所对应 的 CT^t。

士(2)中C_b是我们所求的骨矿物沒 (浓度）。对于一定能谱的x线，各tf值可通过 校准获得。CT值H是测量得到的，但式中尚 贫未知。根据对的处 理方法不同，后处理法分为单能帒CT法 (SEQCT)和双能量CT法（DEQCT>,而 DEQCT又有五种不同的算法，为节省篇幅， 这迅仅介绍常用两种。

I.   SEQCH¹计算Ct的公式

骨胶原、脂舫、红骨髓的衰烕特性与水 相近，故可=   ，则归并沿

H — <?bCt> + VuXZ ^ ^ + g  • -4)

式中 C、= Ck+Ci+  + C_c，由于

l〇〇〇=-d,故

H^=〇i>Ct, +e

从校准求出〜和e,按昶出的H即可求 出Cb。

II.  DEQCT 之一

釆用高低两种电压进行两次扫描，分别 用下.标^h和I表示，并假设札念〜，^ad，=^i， aib^AiT则可导出

<；_b= (Hi.-e_h)-(H,-e,)_ ₍₆₎

〇bb - ^abl

2.2_3 DEQCT 之二

取^=心，设各物质体积浓度分别为Vi, 比重为d,,则Ci=Vdi,且必有中1，对多 数人来说，骨胶原与骨矿物质的体积比近似 夫常数X«2.11,利用上述条件后可导 出：

f — (Hh - -（H】-	(?)
一 (H]1 - Eh)^! ^ (Hj - E]) fji ~ ^L.h^Fr	⑷
Vt=^Q，M	(9)
c1, +hl	(10)
Y^atp^a^	ni)

可见此法在求c_b时，同时求出脂肪和胶取的 体积浓度，供医生参考。  |

2.2.4校准方法

上述三种方法计算財，必须先知道外、 力尚值。对于确定的X线光子能量，《_;可 从式(5)通过计算求出。但通常x线塬 产生的射束为一能谱，因此实际上是在此能 谱下的等效A值。但能_不易濟定，故用实 验校准测萣之，取原子序15.83的1^扭*〇₄作 为原子序16.62的骨矿物质〇3₁₍₎(?0₄)*(01〇_£ 的近似等效物质，配制〇,²5，&0，100,²〇0mg 加1的1!：迟1»0₄水_液，封灌于塑料管中排列 在病人身卞，与病人一起接受扫描，测出已 知浓度溶液区的H平均值。然后，用下式进 行直钱回归求出心和e

Hu⁼⁼疗k +   ( i 2 )

从&可查表求出相应拘等效能量及在此能 眚下的等植。

由于在封灌溶液时容易残苗H体，溶解 在水中的气体也会慢慢释出> 因此在上述水 模中容易形戚气泡，引起测试误差，并且溶 液易于渗漏，故现在国际上已玫用作用相似 的固体模型（国内天津医学院已引进）。

2.2.5方法的比较

做SEQCT时，通常取4个椎臂+梁骨的 Cb平均值，与正常值相对照。已经对正常妇 女骨矿物含量随年龄变化作出统计曲线 可用于诊断时作比较₆

SEQCT的优点是它具有很好的重复樁 度。但是它的正确性受到脂肋含量的影响， 因为在此法中假定腊肪与水性质相近，实际 上脂肪的CT值大致在-100C左右，低于水

中悶医疗器械杂志I•如5年第19卷第5期

的CT值，因而脂肪的存在g估计出的骨矿 物含量偏低。在监测病情变化时，因脂肪含 啜变化很慢，所以不影响医钜对骨矿钧量变 化的判断，只在初珍时澎响对病人骨矿物i 的正确估计。这里可足义一个脂肪灵敏度， _试表明在GEgsoo机上，SOKV,时，每10贽 脂肪体积增长，导致骨密度估计误差7mg/ ml,而13〇KV_p时为12mg/m]。对各机器此值 略有不同，大致在5〜llmg/m】范围。有了这 个数据，就可以设法弥补此误差，例如按年 龄和其他条件估计病人脂肪含量后修正之。

DEQCT之一是一个简化的也是常用的 方法，七部分地消除了脂肪和皎原对所估计 C_b正确性的影响。相比之下，DEQCT之二 考虑了多种成分的影响，从理论上讲比较精 确。DEQCT的主要问题是它们对随机误差 比较敏感，因此它的重复楮度比SEQCT差。 但对值估计的正确性较好，在CT机维护 良好，醅机误差较小时，DEQCT铕总误差 明显地低于SEQCTW。当然DEQCT的另一 个缺点是两次扫描，剂量至少增加一倍在 诊断阶段双能量方法可以较准确地调定 病人多裝受一次扫描也值得。而在监测洽疗 效果和病情变化时，SEQCT重复性好，剂量 小，更为造宜《

3外周型定ftCT

为了降低QCT测骨密度时病人接受的剂 量，PJtuegsegger等研制了专用的小型 CT^[S，他们将测试对象改为挠骨和胫骨， x饯电压电流降到50KV办和〇.28mA,局部剂 量降为rem,全身等效剂量降为0.1m iem。知此低的剂量，对病人和医生已不需 特殊的防护措施。而且他们制作了专用的图 象处理软件，可对骨截面分区定量评价，并 分析骨网状结构。但为了达到高精度，仪器 精工细作，使价格高于双能量x线吸收骨密 度仪，给推广带来了困难。

4图象处理

在普通CT机上利用游标和划定的方框

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-可在图象上任意位置取得CT值的平均值，通 常医生即是用此来进行计算的病灶位置和大 小。但我们应可利用图象处理的方法来进行 更精确的定量评价，惻如用图象分割的方法 将骨图象分离，再明皱缩的方法把皮质骨区 分开来，分别给出松质骨区、皮质骨区和亚 皮质骨K的骨密度^t7j，以便于医生诊断。若 cr空间分辨率很高，则还可以在活体上对松 质骨区无损地进行骨网状结构分析。这在临 •床上是很有价值的。由于网状结构有显著的 各向异性，故需吊一些特殊的图象分析方法， 例如分形、贯穿长度法等^[*^]，从分析结果可 得到BV/TV(小梁骨体积与总体积之比）， .T,W〖（Trabecular width)及TtSp (Trabecular Sparation),临庞上可发瑪病例组与对睜组 在这些值上的明显差异。

S漘最方法的进展

在QCT的临床应用中，针对其剂量较大， 对复杂骨结构渕量不便，以及测试精度问题 -进行了许多.改进研究。

剂量的降低通常j^QCT时参照一般 腹部CT检査的参数，剂量往往较大，单能量 时为1000m rein^双能量时达³〇00m j^eip。 .实际上，由于我们澜量的是椎骨中一个区域 的CT平均值，与普通CT测试时要求渕定每 个象素的CT值不同，当剂量下降时,每个象 素上量子噪声增加，使图象质量变坏，重复 性变差，但在骨密度倒定的区域上，因面积 较大，其平均值仍保持着较好的重复性6在 GE&800机上,.SEQCT最低用到SGKVp、20m」 As,_5xnm层厚，剂量为80m Tem。实际做时 为保证精度，电流可稍取大一些，例如40m」 As，一般可使庆肤剂量降到²〇0m rem以下， 相对于现用的l4〇mAs,剂量已大大下降了。 对PEQCT,兼顾剂量和精度，可以用140K」 Vp、20mAs和 80KVp、40mAs。一般DEQCT 剂量可降到S〇〇m rcm,精度仍相当好_s 5.2复杂骨结构QCT测定

<为对纯小梁骨远进行QCT澜试，对于复

杂骨结构，必须选取适当的层面位置和方向， 例如由于股骨处解剖结构较复杂，对髋骨测 试时难以选定取样位置。三维图象技术的进 展为此提供了方便，先在该区域邻接部一层 层扫描获得完整的三维信息，然后定义股骨 头中心和股骨颈中心的线为股骨纵轴，取垂 直于此轴的剖面图象，再在此剖面求出纯小 梁骨密度》

III.      CT值误差改进

由于x线透过物体时的射束硬化效应和 Compton敗射，使投影值与厚度的关系变为 非钱性，导致了对均匀物体重建时CT值的 不均勻（边缘高中‘间低)，对于复杂目标，则 表现为同一样品当附近有了其他物体或放车 不同位迓时其CT值有一些差异^这涉及到 QCTi«圮时校准水棋上各不同浓度溶液处 CT值读数，以及由典推出的骨密度值的正 确性和重复精度问題。我们曾将同样浓度的 K_sHP〇₄溶液试管放在校准模型位置和模拟 人体中心位置，同时扫描，发现两者CT值之 差达20HLU文献中描述用一个中号模拟人 体与校准水模同时扫描，记下水模上各处CT 值，然后将模拟人体改为大号_f禅次扫描发 现水模上CT值产生变化，在SOKVp时为+ &mg/ml，140KVp时变年为9m£/ml。幸而，对 同一病人土述问题对簞复精度影响很小_s 为此有人提出并试验了中心校准法，也 即第一次扫描一个模拟人体，体内有校推标 准，第二次扫描病人，就用刚才荏模拟人体 上获得的校准|if据计算骨密度。其主要条件 是机器的短时稳定性要非常好。虽然现在新 型号的机器稳定性都相当好但实际上医生 还是嫌麻烦，而且机器的稳定性与维护情况 有关，再加上病人的尺寸、组成与模拟人体 也总还是有差别的，所以这种方法尚未得到 广泛使甩。最近有人提出利用人体内部自己 的组织作为参照标准，就可以避免上述问题， 他们利用脊柱旁肌和脂肪组织作为内部参考

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的工作环境将发生质的变化^所有这些都将 影响P ACS的发展。

3实际PACS系统的评估

对PACS的分析评估工作主要可以分为 三个方面，一是对PACS系统图象及信息传输 的速度、效率的评估，这是临床工作者最关 心的技术指标；二是对系统可靠性的分析， 包括系统所提供的医学图^的准确性（即图 象茯取设备的误差）和交互远程诊断的实时 性和准确性，这也是放射专家及诊断医生所 关心的；三是一些技术指标的评脷，这一般 只为工程技术人员所关注。

目前对PACS的评估工作主要是对各个 医院芦实验室中已经实现的PACS进行实际 操作&评诂。在收集统计大量的临床数据的 ■基础上，来分析系统的效率、效益及其它的 技术参数，并以此提出对系统的技术评价》 这方面的工作包括：

对PACS中点对点传输平均延迟时间的 测定；

分析基于局域网的医学图象传输时的阻 塞现象；

对PACS在 1CU (Intensive Care Unit) 环境下作'大量病例检索回放操作，分析所谓

“早晨巡查(mor n i ng-r oun d) ”的瓶领现象；

用仿真技术分析不同图象获取设备工作 时，产生瓶颈现象的原因及过程；

对具有动态波段分配的ISDN MCN(Me dical Communication Networks)的传输阻 塞分析,

用Markov链分析PACS数倨库宵理模 型；

对远程诊断中的数宇图象传榆可靠性的 测试分析。

可以说，目前困扰PACS发展的主耍技 术障碍，仍然适在于囝象数据通信的速度和 可砟性。因此，PACS的技术评估工作也较多 地集中在这一方面。

自PACS技术产生，迄今已近二十年了， 它在欧美等国速度.之快，应用范围之广， 令人嘱目。在‘i计算机技术和网络扠术不 断发展，医哮医疗水平弓益提高的环毕下， 它的发展前景更加不可^量。值此伦琴发现 X射线一百周声之际，希望我国的PACS技 术亦如X射线诊断技术一样，能得到医院时 广泛重视，使我国的医院管理水平和诊断技 术早日达到国际本平。

标准，初步试验认为是很有希望的。

结束语

■  虽然现在双能量吸收法测定骨密度正在

.扩展它的应用范围，但定量CT方法有其独 特和优势之处，将被继续应用和不断发展，仍 不失为骨质謊松症的诊治的一种重要手段。