骨质疏松症筛查：超过 20 000 名成人的标准 L1 小梁衰减值

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背景

无论影像学的临床适应症如何，腹部和胸部 CT 为骨质疏松症筛查提供了宝贵的机会。

目的

建立所有成人年龄的第一腰椎 (L1) 小梁衰减值的参考规范范围，以测量常规 CT 中的骨矿物质密度 (BMD)。

材料和方法

参考数据来自在 120 kV 下进行的 20 374 次腹部和/或胸部 CT 检查。数据来自成年人（平均年龄，60 岁 ± 12 [标准差]；56.1% [20 374 名中的 11 428 名] 女性）。在 2000 年至 2018 年期间，针对各种不相关的临床适应症，在 ( n = 4263) 或不使用 ( n = 16111 ) 静脉注射造影剂的情况下进行了 CT 检查。L1 Hounsfield 单位测量是使用定制的自动化工具 ( n = 11 ) 获得的270) 或由个别读者手动 ( n = 9104)。使用多变量逻辑回归分析评估患者年龄、性别、造影剂和手动感兴趣区域与全自动 L1 Hounsfield 单位测量的影响。

结果

平均 L1 衰减以每年 2.5 HU 的速度随年龄线性下降，30 岁以下患者平均为 226 HU ± 44，90 岁或以上患者平均为 89 HU ± 38。与男性相比，女性在绝经前的平均 L1 衰减较高（P < .008），此后两组的值相似。除了 40 岁以下的患者外，静脉注射造影剂导致 L1 衰减值的平均差异可以忽略不计。与手动测量相比，全自动方法的测量结果平均高出 21 HU ( P < .004)；在患者亚组分析中，这种差异与使用的横向测量水平（中椎与非中线水平）有关。

结论

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我们的研究提供了 L1 椎骨小梁衰减的规范值，可作为常规 CT 机会性骨质疏松症筛查的快速参考，以识别有骨质疏松症风险的低骨密度成人，以及可能从进一步评估和可能受益的人群干涉。

关键点
■ 在 CT 上通过 L1 小梁衰减测量的基于人群的与年龄相关的骨密度损失相当恒定且可预测，平均每年 2.5 HU。

■ 绝经后，女性和男性的平均 L1 小梁衰减值相似。

介绍
由于老年人口的快速增长，预计全球范围内骨质疏松症的患病率和与复杂性脆性骨折相关的经济负担将增加 ( 1 , 2 )。最广泛使用的骨折风险筛查工具包括临床风险因素评估和使用双能 X 线骨密度仪 (DXA) 测量骨矿物质密度 (BMD) 的组合。然而，尽管已知与骨质疏松性骨折相关的发病率和筛查指南的可用性，但骨质疏松症是一种诊断不足和治疗不足的疾病( 3-5 )。

针对其他临床适应症进行的胸部和/或腹部常规 CT 是机会性筛查骨质疏松症的机会，可在不增加成本、时间或对患者的辐射暴露的情况下提高筛查率( 6-8 )。CT 数据的常规矢状面重建可以轻松检测椎体压缩性骨折，这可能是偶然发现 ( 9 )。我们之前已经表明，L1 椎骨的前小梁 CT 衰减值以 Hounsfield 单位测量并使用快速感兴趣区域 (ROI) 方法不仅与 DXA 的 T 分数相关 ( 8 )，而且在统计学上也显着在椎体压缩性骨折患者中较低（10）。重要的是，在一项回顾性老年队列中，具有低 Hounsfield 单位值的男性和女性未来发生脆性骨折的风险在统计学上显着增加 ( 11 )。基于 CT 的 L1 小梁衰减可以通过使用具有出色观察者间一致性的简单 ROI 方法手动测量 ( 12-14 )或使用经过验证的全自动 CT 工具 ( 15 )测量。鉴于第三次全国健康和营养检查调查研究被确立为用 DXA 描述骨质疏松症以确定 T 分数的规范参考标准 ( 16 , 17)，据我们所知，从 CT 检查得出的 L1 小梁衰减值没有这样的参考标准。

我们研究的目的是构建一个基于 CT 的 BMD 参考标准，通过成人 L1 小梁衰减测量。建立整个成人年龄范围的规范范围将为机会性骨质疏松症筛查提供有用的参考，并有助于识别可能从进一步评估和干预中受益的有骨质疏松症风险的成年人。

材料和方法
患者队列
我们的回顾性研究是在一个单一的学术医疗中心进行的，并得到了机构审查委员会的批准。对于这项符合《健康保险流通与责任法案》的回顾性研究，无需知情同意。

我们的研究队列包括来自 2000 年 4 月至 2018 年 1 月期间在我们机构接受各种不相关适应症的 18-100 岁男性和女性的 20,000 多例身体 CT 检查的数据。我们的主要目标是实现大规模具有代表性的样本，包括广泛的患者年龄和状况。最后的队列包括无症状门诊患者和各种有症状患者的便利样本，这些患者接受了多种疾病和适应症的影像学检查。一些子队列来自以前的相关研究，这些研究侧重于当前规范 L1 Hounsfield 单元数据积累目标以外的问题 ( 8 , 10 , 11 , 14 , 18 ), 19 )。一般来说，每个亚组代表自己的连续系列，除了任何排除项，然后将其合并到最终组中。除此之外，额外的特定年龄患者纳入重点关注患者年龄方面的剩余数据差距，因此每个年龄类别（例如，<30 岁、≥90 岁以及其间的每个 5 年间隔）包括超过 250基于 CT 的 L1 Hounsfield 单位测量值，我们将其设置为任意最小值。一般来说，我们的患者群体主要是白人（~90%），排除了基于种族的实质性亚组分析。

CT检查
CT 检查在我们的医疗中心进行并如前所述进行分析 。简而言之，胸部和/或腹部 CT 检查是通过使用来自单一供应商（GE Healthcare，Waukesha，Wis）的各种多排 CT 扫描仪在 120 kV 的恒定峰值电压和可变管电流值的协议特定但临床上进行的适用于对给定适应症进行诊断检查。调制范围为 40～600 mA，噪声指数根据具体指示在 14～60 范围内。排除在 120 kV 以外的电压设置下进行的 CT 检查。我们纳入了有或没有静脉和口服造影剂的检查（记录了静脉造影剂的使用）。扫描通常在门静脉期进行。注射速率为 3 mL/sec 的基于体重的静脉造影剂是标准的。

图像分析
L1 小梁衰减值是从 CT 图像中手动或使用定制的全自动工具测量的。L1 椎体水平被确定为机会性筛查的最佳目标，因为它很容易识别并被定义为第一个无肋骨椎体，它包含在所有腹部和胸部 CT 检查中，它通常具有较少的退行性变化，并且与其他椎体水平相比，它与在 DXA 测量的 BMD 具有最密切的相关性 。

对于手动测量，在单个横向（轴向）CT 图像上将卵形 ROI 放置在 L1 小梁空间的前部，以测量平均衰减（以 Hounsfield 为单位），如图 1所示。这种手动测量由七位在 CT 判读方面具有广泛不同经验的读者（即，从医学生到经验丰富的高级放射科医师）执行，几乎不需要培训，并且显示出良好的观察者间协议。在所有检查中刻意避免皮质骨、局灶性异常或病变和伪影，如果可靠的 L1 小梁测量不可行，则将患者排除在外。我们还避免了在矢状视图上经常可以看到高密度区域的椎体中部水平，通常选择一个代表性的小梁水平，该水平位于该中线区域和上终板之间（图 2）。L1 Hounsfield 单位测量是在标准图片存档和通信系统工作站（McKesson, San Francisco, Calif）上由许多训练有素的评审员（从受训人员到经验丰富的教师）进行的。这种技术已经表明 良好的观察者间协议。如果 L1 水平不适合测量（例如，由于压缩性骨折或局灶性异常），L2 或 T12 水平在实践中可以作为可接受的替代物，但我们的研究排除了此类检查。因骨转移性疾病、混杂的代谢性骨病或急性高冲击性创伤的弥漫性受累患者也被排除在外。出于机会筛查的目的，在矢状视图上放置前小梁 ROI 也是可以接受的，因为该视图还有助于椎体骨折的检测。然而，在我们的研究中，我们只使用轴向（横向）平面进行 L1 测量。

在 CT 上通过小梁 L1 衰减评估与年龄相关的骨丢失的例子。不同年龄的成年患者的 L1 水平（顶行）横向（轴向）CT 扫描（底部表示年龄和性别）。L1 椎骨的放大视图显示在软组织（上数第二行）和骨骼（上数第三行）中。用于小梁衰减测量的感兴趣区域 (ROI) 的标准放置和 ROI 内的平均 Hounsfield 单位值显示在从顶部开始的第三行中。显示了具有软组织和骨窗的矢状重建（底行；包括第一名患者的矢状 L1 ROI 放置，左）。通常，随着患者年龄的增加，小梁衰减值逐渐降低。在软组织图像（前两行）上，骨矿物质密度的损失更为明显。F = 女性，M = 男性。

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手动自动子分析的示例。一名 66 岁男性以腰椎为中心的未增强矢状 CT 图像，A，软组织和B，骨窗显示 L1 水平（箭头）。注意中椎水平的小梁密度带较高。C，L1的放大视图显示了轴向手动感兴趣区域（ROI）放置的水平，用于与自动化技术进行子分析比较；黄色中线位置与自动级别匹配，而白线反映标准手动级别。手动矢状 ROI 放置显示在B中。使用自动化技术在该子分析中观察到的 20-HU 增加可以通过 ROI 放置的不同级别来解释。

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之前描述了全自动小梁 BMD 测量工具的早期版本，我们为我们的研究稍微修改了它。计算机算法在阈值、区域增长、分水岭和有向图搜索的基础上自动分割脊柱。然后通过使用弯曲平面重组和动态编程将脊柱分成单独的椎骨。通过首先将 T12 识别为包含最低肋骨的椎骨来分离 L1 水平。默认情况下，我们认为第一个无肋骨椎骨代表 L1（T12-L2 之间使用的实际水平可能无关紧要）。使用适应性形态学侵蚀去除皮质，以便在 BMD 测量中仅包括小梁骨。修改后的自动化工具将 ROI 放置在椎体前三分之一的中轴段，以模拟手动测量并避开静脉丛。ROI 的大小预设为宽度的一半和前后长度的四分之一。这个自动化工具是一个强有力的衡量标准，根据我们的经验，成功率超过 99%。

在我们的研究中，自动和手动 ROI 方法之间的一个重要潜在差异是用于 ROI 放置的特定头尾水平（即，前者的中椎水平，但后者的中线水平）。为了评估平均 Hounsfield 单位测量值的相关差异，我们对来自自动化队列的 100 次连续非增强 CT 检查进行了子分析，由此获得了几个手动 ROI Hounsfield 单位测量值，所示，其中放射科医生对自动化结果视而不见.

统计分析

连续变量用平均值、中位数和标准差报告。通过使用计数和百分比报告分类变量。使用软件（SPSS Statistics 23，IBM，Armonk，NY；R Core Team 2015，R Foundation for Statistical Computing，Vienna，Austria，；和 Excel，Microsoft，Redmond ， Wash）。R 中的 rms 包用于多元线性回归分析。Mann-Whitney U检验用于评估连续变量均值的差异。两侧P值小于 0.05 被认为具有统计学意义。图表中的所有误差范围均报告为±标准偏差。线性回归模型与 R（R Foundation for Statistical Computing）一起使用，以得出 Hounsfield 单位随患者年龄的下降。此外，在使用普通最小二乘法评估患者年龄的影响时，进行了多变量线性回归分析，以控制性别、静脉造影剂以及手动与自动技术的协变量。在多变量分析中，年龄变量通过使用具有五个节点的受限三次样条函数进行转换，以允许估计衰减和年龄之间的非线性关联。

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平均 L1 小梁衰减值随性别、静脉内 (IV) 造影剂的存在和测量方法（手动与自动 [自动]）的变化。在绝经后年龄之前，女性的平均 L1 小梁衰减较高，此时男性和女性的值惊人地相似（顶部）。静脉造影剂的效果对 40 岁以下的患者最为显着。对于老年人，静脉造影剂的作用可能与机会性骨密度筛查没有临床相关性（中）。与手动放置感兴趣区域（平均，~20 HU）（底部）相比，L1 小梁衰减的全自动技术产生更高的值。年龄组在 x 轴上，误差线表示标准偏差。* P < .01；**P < .005。

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结果

规范的 L1 Hounsfield 单位参考标准是根据对 18-100 岁（平均年龄，60 岁 ± 12 [标准差]；中位年龄，59 岁）的患者进行的 20 374 次 CT 检查构建而成，这些患者的临床适应症范围很广，除了骨骼健康评估。该队列包括男性（43.9% [8946 of 20 374]）和女性（56.1% [11 428 of 20 374]）。对于整个队列，CT 检查是使用（20.9% [4263 of 20 374]）或不使用静脉造影剂进行的。手动测量 L1 小梁衰减 (44.7% [9104 of 20 374]) 或通过选择 ROI 的全自动方法测量。每次 CT 检查按年龄组分层，每 5 年一次，从 30 岁以下到 90 岁或以上。每个年龄组至少包含 250 个数据点（范围、252-5059），其中手动测量至少 165 个 L1 小梁衰减值（范围，165-1528）。CT 检查的大多数（86.5% [17 628 of 20 374]）发生在 50-80 岁的患者中。所有 CT 检查的频率分布按年龄、性别、使用静脉造影剂和选择 ROI 的方法分层图 E1 [在线]。

整个队列的平均 L1 小梁衰减值为 160 HU ± 49，而 30 岁以下患者的平均 L1 小梁衰减值为 226 HU ± 44，90 岁或以上患者的平均 L1 小梁衰减值为 89 HU ± 38。根据年龄组的整个队列的平均 L1 小梁衰减值（在 120 kV 时）总结在图 3中。平均 L1 Hounsfield 单位值随年龄呈线性下降趋势，每年下降 2.5 HU ( R 2= 0.99，使用年龄组平均值的最佳拟合）。与平均 L1 Hounsfield 单位值的标准差显示不同年龄组之间的差异有限。多变量回归分析证实，在控制了性别、静脉造影剂以及手动与自动方法的协变量后，年龄显然是亨斯菲尔德单位下降的主要决定因素，并且年龄与衰减之间的关联是非线性的（表 E1、E2 [在线]；图 E2 [在线])。

我们进一步按性别对 L1 小梁测量值进行了分层，因为在 DXA 测量的 BMD 存在性别差异，女性的 BMD 在绝经后下降得更快，而且女性一般经历更高的脆性骨折率 ( 1 , 2 )。我们的数据显示，与男性相比，女性在 54 岁之前的 L1 小梁衰减较高（P < .01），之后两组的 L1 Hounsfield 单位值相似（P = .02–.99）（图 4）。此外，我们评估了 CT 时静脉注射造影剂是否显着影响小梁 BMD 测量。根据使用静脉造影剂的分层导致 L1 衰减值的差异通常可以忽略不计，除了 40 岁以下的患者队列（图 4）。仅在 34 岁以下、50-54 岁和 60-64 岁年龄组的患者中观察到非造影剂组和静脉造影剂组之间的统计学显着性和可能相关的差异。

最后，我们根据手动和全自动方法比较了 L1 Hounsfield 单位值。我们的数据显示，在 50 岁以上的所有年龄组中，与基于 CT 的手动 L1 小梁衰减测量相比，全自动方法的测量值平均高出 21 HU（P < .004）（图 4）。对来自自动队列的 100 次连续 CT 扫描进行的盲手动亚分析显示了中椎轴向测量、中线外轴向测量（与我们的标准手动轴向方法相匹配）和手动矢状测量 156 HU ± 的平均衰减值42、139 HU ± 43 和 146 HU ± 44 分别与自动中线轴向测量的 159 HU ± 45 相比（图 2）。标准手动离中线 ROI 和自动中线轴向测量之间 20 HU 的平均差异与我们的总体发现非常吻合，并且具有统计学意义 ( P < .002)。这种效果在 BMD 水平较低时更为明显。手动和自动中线轴向测量的平均差异为 3 HU，无统计学意义 ( P = .63)。

表中显示了按年龄和性别、静脉内造影剂的使用以及选择 ROI 的方法的平均和中位标准 L1 小梁衰减值。

                                                                                                                         L1 按性别、静脉内造影剂给药以及手动和自动方法的年龄衰减

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