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1 J South Med Univ, 04, 34(): doi /j.issn 临床研究不同年龄段人群腰椎 CT 值的快速求解及临床意义宣鹏飞, 张国栋, 黄文华, 柯荔宁, 黄华军, 李绍林南方医科大学第三附属医院医学影像中心, 广东广州 50630; 南方医科大学基础医学院人体解剖学教研室, 广东广州 5055 摘要 : 目的 () 探讨 CT 值平均值与骨密度值之间的关系 ;() 探索一种新的图像分割方法快速准确求解不同年龄段人群腰椎 CT 值方法随机采集 0 例腰椎薄层 CT 扫描数据为实验材料, 按照性别及每 0 岁为一个年龄段进行分组各组数据输入至 Mimics4.0 通过新的图像分割方法分割腰椎为各个独立蒙板文件, 进行空洞填补并直接读取其蒙板文件的 CT 值平均值最大值及最小值结果 () 男性 ~70 岁各年龄组的 CT 值平均值分别为 44.94± ± ± ± ±58.33 Hu; 女性组分别为 ± ± ± ± ±55.05 Hu;() 统计学分析 : 男性 6~70 岁组与 ~50 岁各组比较,P<0.05, 与 5~60 岁组比较,P>0.05; 女性 5~70 岁各组与 ~50 岁年龄段各组比较,P< 0.05 结论 ()CT 值平均值与骨密度值具有相关性 ;() 通过新的图像分割方法可以快速准确获取感兴趣区域的 CT 值 ;(3) 腰椎 CT 值平均值具有随着年龄增大而降低的特点关键词 : 骨密度 ; 骨强度 ; 腰椎 ; 三维重建 ;CT 值 A quick solution for lumbar vertebra CT values in different ages and its clinical significance XUAN Pengfei, ZHANG Guodong, HUANG Wenhua, KE Lining, HUANG Huajun, LI Shaolin Medical Imaging Center, Third Affiliated Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 50630, China; Department of Anatomy, Southern Medical University, Guangzhou 5055, China Abstract: Objective To investigate the relationship between the mean CT value and bone density value and explore a rapid and accurate image segmentation method for lumbar CT values in different age groups. Methods We randomly collected thin lumbar spine CT scan data from 0 patients stratified by gender and age (at the interval of 0 years). The data of each group were imported into Mimics 4.0 software to obtain independent Mask files using the new image segmentation method. The Mask files were used to fill the empty space and calculate mean, maximum, and minimum CT values. Results In the age groups of 30, 340, 450, 560, and 670 years, the male subjects had mean CT values of 44.94±5.3 Hu, ±53.60 Hu, 36.76±53.50 Hu, 344.7±47.76 Hu, and 33.88±58.33 Hu, respectively; the values in the female group were ±50.99 Hu, ±65.89 Hu, 4.43±54.74 Hu, ±78.7 Hu, and ±55.05 Hu, respectively. The mean CT value in men aged 670 years was significantly lower than the values in men below 50 years (P<0.05), but comparable with that in those aged 560 years (P>0.05); The mean CT value was significantly lower in women aged 570 years groups than in those aged below 50 years (P<0.05). Conclusions The mean CT values are correlated with the bone density values. The new image segmentation method allows rapid and accurate acquisition of the CT values in the regions of interest. The lumbar mean CT values tend to decrease with age. Key words: bone density; bone strength; lumbar vertebrae; threedimensional reconstruction; CT value 骨密度是反映骨骼本质的重要参数, 一般认为可反映骨强度的 70%~80% [], 因此骨密度检测可以用来 [36] 反映骨强度, 当前有双能 X 线等方法进行检测, 但是双能量 X 线等二维的检测性质决定了其受检查部位患者体型的影响因素大, 结果易受人为因素干扰 ; 更为关键的是无法反映骨强度骨组织具有抵抗外力的能力, 称之为骨强度当所受外力超过骨强度时骨折发生因此, 骨强度往往是临床上关注的焦点当前有收稿日期 :0404 基金项目 : 福建省莆田市科技计划项目 (0S03(4)) 作者简介 : 宣鹏飞, 在读硕士研究生, xxrxpf@sina.com 通信作者 : 李绍林, 教授, 主任医师, lishaolin963@6.com 限元法可以无创的进行骨强度计算, 但是有限元法步骤非常繁琐, 不能满足临床快速应用的需求有鉴于 [78] 此, 国内有学者进行了一系列基于有限元分析的骨 [9] 密度值与骨强度的探讨, 国外有学者先用标准 QCT 评估腰 ~3 的骨密度, 然后通过腹部增强 CT 扫描采用矢状面重建获得 L ~3 图像并通过标准 QCT 和骨密度转换方程计算出螺旋 CT 扫描的骨密度值上述求解骨密度值的步骤非常繁琐, 我们尝试利用常规腰椎 CT 扫描数据将其导入三维重建软件建立出三维模型并获得模型的 CT 值, 通过获取感兴趣区域的骨 CT 值计算出骨密度含量的量化数值, 从而可以相对快速准确地获取骨密度值

.9 799 临床研究不同年龄段人群腰椎 CT 值的快速求解及临床意义宣鹏飞, 张国栋, 黄文华, 柯荔宁, 黄华军, 李绍林南方医科大学第三附属医院医学影像中心, 广东广州 50630; 南方医科大学基础医学院人体解剖学教研室, 广东广州

2 800 J South Med Univ, 04, 34(): 材料与方法. 材料.. 临床数据随机采集 0 例临床腰椎薄层 CT 扫描数据, 扫描的参数为 0 kv 64 mas, 层厚 0.65 mm, 以 5 5 像素 DICOM 格式图像刻录至 DVD 光盘输出.. 软件硬件软件环境 : 操作系统 Windows 7 Ultimate 64bit; 医学三维重建软件 Mimics 4.0 (Materialise 公司提供 ) 硬件设备 :Dell T7500 Dell C600 服务器 CT:GE 64 排容积 CT. 方法先按照性别分为男女两组, 每组再以 0 岁为一个年龄段依次分组,~30 岁年龄段男女各 5 例,3~40 岁年龄段男女各例,4~50 岁年龄段男女各例,5~60 岁年龄段男女各例,6~70 岁年龄段男女各例扫描范围从 L 3 到 L 5 椎体, 部分病例 L 3 椎体扫描并不完整.. 三维重建将阈值设定的低值逐步下调使得所选取的蒙板获取更多更准确的腰椎解剖结构信息, 高值无需改变以使得腰椎显示更为完整, 设定阈值后首先进行区域增长操作, 完成此步骤后即可进行三维重建 ( 图 ) 视角度选择椎体及部分后部结构, 用 Hide 命令隐藏已选择部分, 于腰椎后面下视角度选择上椎体的下关节突关节, 再用 Select 以及 Deselect 命令进一步分割, 完成分割后用 Show 命令显示所选择的全部范围 ;3 用 Separate 命令将所选择范围转换为一个独立的椎体 Mask 文件 ;4 依次分割直至获取各个独立椎体并获得独立的 Mask 文件 ( 图 3) 图分离并移除髂骨及骶骨 Fig. Separation and removal of the ilium and sacrum. 图三维重建 Fig. Threedimensional reconstruction. 图 3 分离为各自独立的椎体 Fig.3 Separated into independent of vertebral body... 分离椎体本步骤将连接在一起的腰椎三维模型分离为各自独立的椎体, 菜单操作 Segmentation\Edit Mask In 3D 首先确定所需分割的目标三维模型, 如某腰椎椎体, 然后在水平面冠状面及矢状面视窗中拖动它使得目标三维模型在 3D 视图中完整显示菜单操作包括 Select Deselect Hide Show Invert Grow Separate 及 Remove 等操作步骤 : 分离并移除髂骨及骶骨 : 目的是使之不影响下一步操作在合适的视角以 Lasso/Circle/Square 形状并用三维方式选择 (Select) 髂骨及骶骨, 重点是沿着 L 5 和 S 的关节突关节进行分割, 此时所选择的髂骨和骶骨将以另一种颜色逐层显示, 再于其它合适的视角擦除 (Deselect) 误选范围, 此时擦除范围将恢复到原来的颜色, 这种颜色的变化非常直观地提示了进行分割时所选择的范围 ( 图 ) 继续操作直到将所选择的髂骨及骶骨全部移除 (Remove); 分离腰椎为各自独立的椎体 : 于左视或右本步骤操作注意事项 : 尽可能压缩所分割的范围以进行目标结构的分割, 从而减少三维模型的显示时间, 提高效率 ; 在模型逐层显示的时间里, 可以进行观察以及 Select 或者 Deselect 操作, 切勿等待 ;3 遵循由表及里和先易后难的原则进行分割..3 椎弓根开环处理椎体椎弓根及椎板围绕成为一个闭合的区域, 需要进行细小的开环处理进入图像分割界面选择 Square 命令, 参数设置 Height 为 5 或更小, 在椎弓根处进行移除 ( 图 4) 该步骤操作完成后的效果如下图所示 ( 图 5) 如果没有进行椎弓根开环处理, 则需逐层擦除椎体椎弓根及椎板围成的区域, 颇为耗时且不精确 ( 图 6)..4 计算轮廓线并填充空洞经过上述椎弓根开环处理之后的各独立椎体的 Mask 文件即可进行轮廓线计算及空洞填充椎体内空洞进行填充目的是使椎体体积与实际相符, 如果不填充空洞, 那么体积将比实际要

方法先按照性别分为男女两组, 每组再以 0 岁为一个年龄段依次分组,~30 岁年龄段男女各 5 例,3~40 岁年龄段男女各例,4~50 岁年龄段男女各例,5~60 岁年龄段男女各例,6~70 岁年龄段男女各例扫描范围从 L 3 到 L 5 椎体, 部分病例 L

3 J South Med Univ, 04, 34(): 图 4 椎弓根开环处理 Fig.4 Process of openloop pedicle. 图 7 L 3~L 5 分离效果 Fig.7 Separation effect of L3L5. 图 5 开环处理后椎管内无填充 Fig.5 No filling in the spinal canal after the process of openloop pedicle. 图 8 读取 CT 值 Fig.8 Reading the CT value. 图 6 未开环处理椎管内填充 Fig.6 Filling in the spinal canal without the process of openloop pedicle. 小通过计算轮廓线方式我们可以实现快速界定感兴趣区域, 并且使得感兴趣区域中的全部信息都包含在选择范围内将所需要分割的 L 3 椎体全部选定以后, 我们点击 Remove 操作便可将其从原腰椎模型里面移除, 用此方法可以同样将 L 4 L 5 椎体单独分离出来操作完成后的效果如下图所示 ( 图 7)..5 读取 CT 值完成填充后即可直接读取各椎体 Mask 文件的属性 (Properties) 获得 CT 值平均值最大值最小值及标准差 ( 图 8), 读取出来的 CT 值的单位为亨氏单位 (hounsfield unit, HU).3 统计学处理统计分析使用 SPSS 6.0 软件, 统计学方法采用单因素方差分析, 比较不同性别相同年龄段之间以及相同性别不同年龄段之间的 CT 值平均值, 以 P<0.05 作为差异具有统计学意义结果. 相同年龄段男性与女性各组腰椎 CT 值平均值统计学分析结果对相同年龄段的男性与女性腰椎 CT 值平均值进行单因素方差分析, 结果显示 :3~40 岁年龄组 4~50 岁年龄组以及 6~70 岁年龄组比较差异均具有统计学意义 ( 表 ). 不同年龄段男性及女性 CT 值平均值统计学分析结果分别对男性以及女性不同年龄段腰椎 CT 值平均值进行单因素方差分析, 结果显示 : 男性组 :~30 岁组和 3~40 岁组与 4 岁以上各组比较差异有统计学意义,4~50 岁组与 6~70 岁组比较差异有统计学意义 ; 女性组 :~30 岁组 3~40 岁组和 4~50 岁组与 5 岁以上各组比较差异有统计学意义,5~60 岁组与 6~70 岁组比较差异有统计学意义 ( 表 )

6 Filling in the spinal canal without the process of openloop pedicle.

4 80 J South Med Univ, 04, 34(): 表相同年龄段男性与女性 CT 值平均值单因素方差分析 Tab. Comparison of CT values between male and female subjects in the same age groups (Mean±SD, Hu) The male group The female group P 30 years 44.94± ± years ± ± years 36.76± ± years 344.7± ± years 33.88± ± 表不同年龄段男性与女性 CT 值平均值单因素方差分析 Tab. Single factor variance analysis of mean CT values between different age groups in male and female subjects Male Female 30 years 340 years 450 years 560 years 670 years 30 years 340 years 450 years 560 years 670 years 30 years years years years years 讨论 3. 当前的骨密度检测方法的不足人骨强度是指人骨在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力 [0], 临床上通过不同骨密度值的检测方法并建立起正常值及异常值范围, 从而间接地了解骨强度, 这也是当前各种骨密度检测手段的主要目的然而, 各种骨密度检测方法均具有一定的局限性当前骨密度的概念多是指单位体积内骨矿物质的含量, 根据检测手段的方式不同可以简单区分为二维及三维检测二维骨密度检查法主要包括 X 线摄片单光子和单能 X 线吸收测量法双能 X 线吸收测量法及定量超声等目前临床上广为应用的双能 X 线吸收法骨密度仪具有精度高准确性好射线剂量低和图像清晰等优点然而, 二维的检测方式决定其受检查部位患者体型等因素的影响较大, 结果易受人为因素干扰, 更不可能据此进行有限元建模以及骨强度分析三维骨密度检测方法主要包括定量 CT 定量磁共振及 PETCT 虽然这些仍处于研究阶段的检测方法极大促进了骨密度检测的研究, 但是应该看到定量 CT 存在辐射剂量大等不足, 定量磁共振及 PETCT 处于研究阶段, 也未发现有基于定量磁共振及 PETCT 的骨强度有限元分析报道 3. 实验结果的分析与临床意义男性组及女性组不同年龄段的 CT 值平均值比较显示 : 腰椎 CT 值平均值具有随着年龄增大而降低的特 [34] 点有学者分别对不同年龄段男性以及女性的骨密度值变化规律进行了探讨, 均得出男性和女性骨密度值随着年龄的增长而下降的结论, 因此我们认为 CT 值平均值和骨密度值具有相关性此外, 从 ~60 岁各男性组 CT 值平均值较女性组为低, 在 6~70 岁女性组则比男性组显著减少原因前者可能是因为年轻男性不良的生活习惯如吸烟等造成, 后者可能是因为 6~70 岁女性已经处于绝经期, 此时这类人群可能患有绝经性骨质 [5] 疏松症有学者对各个年龄段人群的椎体进行分析, 表明在任何年龄段女性椎体灰质重量和体积均低于男性可能是因为 CT 值平均值不仅包含了无机成分在内的骨矿物质, 同时也是有机成分的反映, 与单纯的灰质检测并不同所造成的 CT 值是指 CT 图像中每个像素所对应的物质对 X 射线线性平均衰减系数大小 CT 值是 CT 图像中一个非常重要的参数, 它代表 X 线穿过人体各种组织结构被 X 线吸收后的衰减值在人体不同部位 CT 扫描图像上由于人体组织结构的不同而表现为 CT 值的不同可见, 不同人体组织 CT 值的大小取决于组织结构的组成成分人的骨骼是由 /3 的有机物和 /3 的无机物构成骨骼是由不同力学特性的多种材料构成的复合体, 进行骨骼有限元分析关键要确定骨骼内不同部位的材料属性目前对骨骼材料特性设置方法主要有两种一种是将骨骼近似看成是均匀材料, 材料特性设置需要确定皮质骨松质骨和骨髓的分界面, 根据相关文献经验值, 进行材料赋值此方法首先通过 CT 数据获取模型外轮廓线导入计算机辅助设计 (Computer Aided Design, CAD) 软件中建立几何模型, 在 CAD 软件中进行材料赋予材料特性和网格划分, 建立三维有限元模

89 0.00 450 years 36.76±53.50 4.43±54.74 560 years 344.7±47.76 369.07±78.7 0.058 670 years 33.88±58.33 304.98±55.05 0.06 表不同年龄段男性与女性 CT 值平均值单因素方差分析 Tab.

5 J South Med Univ, 04, 34(): 型, 其特点是建模时间短, 但无法个性化精确描述骨骼材料的特性另一种方法是基于 CT 图像灰度值的方法, 直接将由 CT 数据体素生成 STL 网格转换为有限元网格, 并通过骨骼不同部位灰度值设定材料特性, 其特点是建模时间长, 但是可以精确描述几何特性和材料特性, 便于个性化的设置, 且更接近于真实情况因此, 后一种灰度值方法更能保证有限元分析的精确性, 特别是 [6] [7] 进行个性化的比较, 更具有意义有学者通过对新鲜动物湿骨的有限元分析研究, 证实了基于 CT 图像材料赋值的可行性, 通过进行材料属性赋值, 下一步便可以实现骨强度的有限元分析由此可见,CT 值可以与骨强度相结合由于在实验过程中不可避免地会出现使用不同扫描条件进行扫描的现象因此不同扫描条件会对实验结果产生一定的影响, 例如, 不同的扫描电压及电流等因素但研究表明 :X 线管电压对 CT 值有显著影响, 而毫安秒及重建函数对 CT 值没有显著性影响 [89] 因此, 在管电压保持不变的情况下, 其它参数对于 CT 值实验结果影响不大本研究初步探讨了 CT 值平均值与骨密度值之间具有相关性, 但没有具体说明 CT 值平均值和骨密度值之间具有何种相关性并且计算出二者的相关系数以及 [0] 绘制出二者的相关曲线此外, 国外有学者分别利用双能量 X 线和 QCT 对 8 例腰背痛患者进行骨密度测量, 而且对 CT 值和 T 值的相关性进行了分析结果发现二者呈明显的正相关, 并得出 CT 值与骨密度值之间有强正相关性的结论但是该实验过程仍然比较繁琐且没有与骨强度相结合在后续的研究中可以利用尸体标本进行多层螺旋 CT 薄层扫描, 三维重建获取感兴趣区域 CT 值并计算出骨密度含量的量化数值, 并利用标本进行一定的生物力学实验, 利用三维模型进行有限元分析, 使得 CT 值更好的与骨强度相统一参考文献 : [] Wear KA, Nagaraja S, Dreher ML, et al. Relationships of quantitative ultrasound parameters with cancellous bone microstructure in human calcaneus in vitro[j]. J Acoust Soc Am, 0, 3(): 605. [] Johnell O, Kanis JA, Oden A, et al. Predictive value of BMD for hip and other fractures[j]. J Bone Miner Res, 005, 0(7): [3] Crawford RP, Cann CE, Keaveny TM. Finite element models predict in vitro vertebral body compressive strength better than quantitative computed tomography[j]. Bone, 003, 33(4): [4] 杨栋, 郑驰超. 基于定量超声技术的骨骼 SOS 参数测量定标方法研究 [J]. 电子技术, 0, 39(8): 90. [5] 赵衡, 潘诗农, 赵凯, 等. 基于 QCT 数据应用计算机辅助检测系统软件对股骨颈骨密度测量的研究 [J]. 中国临床医学影像杂志, 008, 9 (9): [6] Lian KC, Lang TF, Keyak JH, et al. Differences in hip quantitative computed tomography (QCT) measurements of bone mineral density and bone strength between glucocorticoidtreated and glucocorticoidnaive postmenopausal women[j]. Osteoporos Int, 005, 6(6): [7] 张国栋, 廖维靖, 陶圣祥, 等. 基于 CT 值及三维切割的腰椎密度值快速求解 [J]. 中华实验外科杂志, 0, 8(): [8] 张国栋, 毛文玉, 廖维靖, 等. 基于三维重建技术及有限元分析的脊柱骨密度测量及其意义 [J]. 中国临床解剖学杂志, 00, 8(): [9] Bauma T, Mueller D, Dobritz M, et al. BMD measurements of the spine derived from sagittal reformations of contrastenhanced MDCT without dedicated software[j]. Eur J Radiol, 0, 80(): E405. [0]Bessho M, Ohnishi I, Matsumoto T, et al. Prediction of proximal femur strength using a CTbased nonlinear finite element method: Differences in predicted fracture load and site with changing load and boundary conditions[j]. Bone, 009, 45(): 63. []Bessho M, Ohnishi I, Matsuyama J, et al. Prediction of strength and strain of the proximal femur by a CTbased finite element method [J]. J Biomech, 007, 40(8): []Yu XZ, Guo YM, Li J, et al. Finite element analysis of impact loads on the femur[j]. Chin J Traumatol, 007, 0(): 448. [3] 王艳婷, 唐世琪, 郭功兵, 等. 不同年龄段男性腰椎骨密度的分析研究 [J]. 中国医药导报, 03, 0(): 345. [4] 覃勇, 樊继波, 李莎, 等. 不同年龄段女性腰椎骨密度比较分析以及饮用牛奶的影响 [J]. 湖北中医杂志, 0, 33(8): 67. [5]Ostojic Z, Cvijanovic O, Bobinac D, et al. Agerelated and genderrelated differences between human vertebral and iliac crest bonea histomorphometric study on the population of the Mediterranean Coast of Croatia[J]. J Bone Miner Res, 006, 30(): [6] 樊黎霞, 丁光兴, 费王华, 等. 基于 CT 图像的长管骨有限元材料属性研究及实验验证 [J]. 医用生物力学, 0, 7(): 08. [7] 费王华. 基于新鲜骨骼 CT 图像的有限元分析及实验验证 [D]. 南京 : 南京理工大学, 008. [8] 兰永树, 黄文龙, 朱德强, 等. 影响 CT 值测量的因素及对策的探讨 [J]. 实用放射学杂志, 006, (3): 355. [9] 彭文献, 彭天舟, 叶小琴, 等. CT 扫描参数对人体组织 CT 值影响的研究 [J]. 中华放射医学与防护杂志, 00, 30(): 798. [0]Lee S, Chung CK, Oh SH, et al. Correlation between bone mineral density measured by dualenergy Xray absorptiometry and Hounsfield units measured by diagnostic CT in lumbar spine[j]. J Korean Neurosurq Soc, 03, 54(5): ( 编辑 : 吴锦雅 )

位灰度值设定材料特性, 其特点是建模时间长, 但是可以精确描述几何特性和材料特性, 便于个性化的设置, 且更接近于真实情况因此, 后一种灰度值方法更能保证有限元分析的精确性, 特别是 [6] [7] 进行个性化的比较, 更具有意义

211 better than those in the control group, with significant difference between two groups (P < 0.05). The ocular hypertension of patients in the cont

211 better than those in the control group, with significant difference between two groups (P < 0.05). The ocular hypertension of patients in the cont 210 毛果芸香碱联合拉坦前列素治疗原发性急性闭角型青光眼的疗效观察符元党 1, 郑振优 2, 林再雄 2, 周吉良 1. 昌江黎族自治县中西医结合医院, 海南昌江 572700 2. 海南医学院附属医院眼科, 海南海口 570100 1 摘要 : 目的探讨