锥形束CT用于测量骨密度的研究进展

2018-8-15 16:08  来源:医学综述
作者:丁怡心 谢志刚 阅读量:7450

    应用种植体修复缺失牙的方法被越来越多的口腔医师和患者接受。自1977年以来,口腔种植已朝着可预测和常规治疗的方向发展,有报道成功率超过95%。而影响口腔种植长期成功的因素很多,包括骨质和骨量、患者的口腔卫生、医疗条件、机械因素(外科手术操作)、随后的修复治疗及患者的使用和维护等。与传统CT相比,锥形束CT(cone beam computed tomography,CBCT)具有费用低、辐射剂量小和分辨率高的优点,其能为口腔种植提供精确的三维影像,可以很好地显示下颌神经管、上颌窦等重要解剖结构;同时,由于种植术前对种植位点骨量(牙槽骨厚度、高度等)及邻近解剖结构的评估,可以降低手术风险,所以种植术前使用CBCT对种植位点进行测评成为常规。但是,由于CBCT的灰度值不同于传统CT的Hu值及一些影响CBCT成像的人为因素,CBCT用来测量评估骨密度的可靠性仍存在争议。现就CBCT灰度值与体外已知密度参考模型和人类颌骨密度之间的关系及CBCT可否用于骨矿物密度的测量予以综述。

    1.骨密度对种植成功的影响

    1977年,Bronemark等提出“骨结合”,并将其定义为有生命力的骨组织与负重的种植体表面直接接触或连结,在种植体与骨组织之间没有结缔组织存在。因此,种植体与骨的结合成为种植成功与否的最主要因素。此外,许多因素对种植成功与否有潜在影响,包括局部和系统的疾病状况、吸烟、药物与骨代谢的相互作用、放疗等。考虑这些因素可能对牙槽骨有直接或间接作用,从而影响种植手术的成功,因此术前对局部骨组织数量和质量进行评估十分必要。骨量可以定义为缺牙区骨高度和骨宽度的量。而骨质的定义还没有一致意见,它包含多方面的骨生理因素,如矿化程度、形态和骨小梁结构类型等。骨质和骨量被认为是骨结合成功的基本条件,而骨骼中骨密度的降低会影响种植体的存留或口腔种植的成功。

    骨密度是指看得见的骨体积内矿物质含量,包括孔隙度、骨髓和骨基质的骨质量。临床研究表明,高的种植失败率与骨体积的缺乏和(或)骨密度降低有关,与种植在上颌的种植体相比,种植在下颌的种植体具有更高的成功率。Jaffin和Berman观察进行种植修复患者5年的预后发现,3%的种植体失败为种植体植入在有厚皮质骨的牙槽骨内,或植入在皮质骨薄但海绵骨浓密的牙槽骨内;而35%的失败率出现在种植体植入部位有薄皮质骨和稀少海绵骨的牙槽骨。然而,骨的机械性能,包括它的骨密度和微结构,是达到骨结合的一个重要因素,其决定了种植体的初期稳定性,所以种植体的初期稳定性与骨密度密切相关。

    Turkyilmaz和McGlumphy在111例患者口中植入300颗种植体,并拍摄这些患者术前种植位点的CT,结果发现3年后的存留率为93.3%;他们通过测量记录患者的平均骨密度、植入扭矩及种植体稳定序数分析得出,CT扫描可以用于术前观察部分区域骨密度。同时Turkyilmaz等研究发现,骨密度与初期稳定性之间呈显著正相关,故认为骨密度是影响种植体初期稳定性的一个因素。

    2.CBCT灰度值与骨密度的关系

    2.1骨密度的测量方法

    骨密度可以通过不同的方法来测量,目前常用的无创测量方法有X线摄片法、双能X线吸收法(dual energy X-ray absorptionmetry,DXA)、定量CT测量法、光子吸收测量法等。其中,DXA已被公认为一个标准技术来获得患者临床脊柱和髋关节的骨密度。然而,DXA产生的2D图像分辨率低(大约500μm)只能提供部分区域的骨密度,不能精确描述在骨小梁厚度为50~200μm时的骨松质结构。虽然组织学检查可以提供精确的骨矿物密度和骨小梁结构测量,但它是一个体外的二维表现。与其他CT图像相比,高分辨率(大约1μm)的3D微型CT图像可以描述更精细的骨形态和骨组织矿物密度。然而,对于同样尺寸的样本,微型CT的长时间扫描会产生更高的辐射剂量,故限制了它的使用。

    CBCT在1998年被首次运用于口腔领域,它是CT的一种类型,使用锥形X线束代替传统CT中的扇形束。其发出的X线光子能量被放在X线源与探测器之间的物体吸收,吸收后剩余的能量被记录在探测器上,作为每个区域、每小时的能量强度表达,此能量与材料的衰减值有关。越致密的材料吸收的能量越多,导致衰减值越高,而衰减值在扫描图片切片重建的数字图像上转变为灰度值。与临床的传统螺旋CT相比,CBCT提供了更高的图像分辨率,有较少的辐射剂量和较短的曝光时间,它提供的图像不重叠、不放大、不扭曲,还允许3D观察,有助于评估骨头定性和定量指数与骨密度之间的关系。因此,CBCT被广泛应用于临床口腔疾病的诊断,大大提高了诊断能力。虽然CBCT产生的图像可以用来分析骨形态,但其测量骨密度的可信度仍有待确认。

    CT作为非入侵设备来对骨组织进行评价,是基于X线的工具,主要用于检测骨组织材料中密度大的成分———矿物质,其提供的Hu值作为矿物质的度量单位。对于每一个图像来说,基于材料内部像素的Hu值需要在图像重建中被确定。Hu值定义为测量材料参照水的X线衰减系数的线性变化,任何材料的Hu值均可以通过以下方程算出:Hu材料=(μ材料-μ水)/μ水×1000,μ材料和μ水是它们各自的衰减系数,Hu值基于两个固定值,水的Hu值为0,空气的Hu值为-1000,故材料或组织吸收的X线越多,Hu值越大。虽然Hu值不是材料密度的绝对测量值,但对于骨密度来说,多层螺旋CT是一种已确定的临床测量方法,其中校准的Hu值可以准确转化为骨密度。

    在使用CBCT测量骨密度时,由于缩放过程和比例不一致,所以与传统CT更多的X线散射现象相比,它可能会对同一材料检测出不同的Hu值。因此对CBCT来说,其每个灰度值较Hu值能更好地反映所测量的骨密度。虽然CBCT与传统CT均具有三维准确性,但与传统CT的Hu值相比,CBCT图像的灰度值不是一个绝对值。

    2.2CBCT灰度值与骨密度的相关性

    2.2.1CBCT灰度值与体外已知密度参考模型的关系

    很多学者通过研究发现,CBCT灰度值和已知密度的参照材料(磷酸氢二钾、羟基磷灰石等)的密度与传统CT获得的Hu值呈显著正相关。其中,Haristoy等在体外建立影像学模型,用CBCT对不同水平的磷酸氢二钾(50~1000mg/mL)进行扫描,并使用第三方软件重建。由于磷酸氢二钾溶液是骨的等效模型,不同水平的磷酸氢二钾被用来模拟松质骨和皮质骨的骨密度。结果发现,在所有暴露因素均相同的条件下,CBCT图像的灰度值与骨密度呈显著正相关。国内有学者在这个基础上进行了实验研究,也是使用不同水平的磷酸氢二钾溶液和不同视野的CBCT进行扫描,得到在不同视野间磷酸氢二钾溶液浓度值和CBCT灰度值的方程,并得出CBCT可以作为颌骨骨密度测量及评估的一种可靠方法的结论。另一种参照材料羟基磷灰石也被广泛运用于骨密度与CBCT灰度值的研究。

    Mah等使用3种不同分辨率(200、300、400μm)的CBCT扫描3个不同水平的骨体外模型材料(羟基磷灰石),密度分别为1000、1250、1750mg/cm3。结果发现,基于CBCT扫描得到的体外模型灰度值与材料密度值呈显著正相关。而在使用相同的CBCT扫描时,扫描样本的灰度值可以通过所得校正曲线直接转换为材料密度值。Nomura等对CBCT的灰度值是否可应用于口腔领域来评估骨密度进行了研究。他们使用一个丙烯酸树脂制作的水模型模拟头部环境,中央插一根铝杆,周围放置含不同水平的碘溶液样本管,用CBCT和传统多层螺旋CT扫描得到CBCT的灰度值和Hu值,再结合羟磷灰石的Hu值,得到灰度值和骨密度之间的转化方程y=-0.03669x2+3.602x-350.3(x代表灰度值,y代表骨密度),并得出CBCT的灰度值和传统多层螺旋CT的Hu值与骨密度有很强的相关性。

    虽然这些均是在假设的理想条件下测量CBCT灰度值的体外实验,但它们均能得出使用CBCT灰度值来评估骨密度可行的结论。随后,有学者将7个不同密度的羟磷灰石参照材料放入水模型中,使用CBCT和螺旋CT扫描,结果发现CBCT的灰度值与螺旋CT的Hu值不同,但它们之间呈线性关系,且CBCT的灰度值与羟磷灰石样本密度之间也存在线性关系。这表明,CBCT的灰度值可用来评估口腔种植治疗中的骨矿物水平。

    2.2.2CBCT灰度值与人类颌骨密度的关系

    除使用已知密度的体外参考模型外,在患者的颌骨及人类颌骨标本中也得出CBCT灰度值与骨密度之间的强相关性结论。Naitoh等在16个需要在下颌骨行口腔种植治疗的患者中进行CBCT和多层螺旋CT扫描,测量对比同一兴趣区内的CBCT灰度值与螺旋CT得到的骨密度值,结果发现两者间呈正相关,且可以用方程表达出来:y=0.812x-142.583(x代表CBCT的灰度值,y代表螺旋CT得到的骨密度值)。由此得出,下颌松质骨的CBCT灰度值可以用来评估骨密度。

    之后的一些学者使用下颌骨标本也做了类似研究,结果均表明虽然CBCT的灰度值和CT的Hu值差异有统计学意义,CBCT的灰度值不是一个标准的绝对值,但使用CBCT进行骨密度的测量评估是可靠的。最新的研究也证实了这一观点。VanDessel等将6个牙列缺损的下颌骨使用CBCT、多层螺旋CT和微型CT进行扫描,分析CBCT在临床上可否用来评估牙槽骨质量。结果显示,大多数CBCT机器可以定量评估牙槽骨质量,且精确性和可靠性与微型CT接近。故他们提出,在口腔种植修复前可使用CBCT预估种植区的骨密度。

    2.3CBCT灰度值与骨密度的非相关性

    影响传统CT系统的成像和人为因素同时也对CBCT有影响。其中,最主要的包括以下几点:来自机器本身的噪点,散射,射线束硬化,环状、条状伪影,部分容积效应。来自不同软件的重建程序、视野及患者本身佩戴金属饰品或扫描过程中移动造成的阴影或条纹伪影均会导致CBCT重建出来的图像有所偏差,显示错误的灰度值,从而对骨密度的分析产生影响。基于以上影响因素,Misch于1999年提出,CBCT的像素值与传统多层螺旋CT的CT值不同,不能准确代表骨密度。故认为,使用CBCT来测量骨密度是不可靠的。同时有学者认为,与传统CT相比,CBCT具有更多的散射X射线,这可能增加重建图像上的噪点,引起低对比度,从而影响探测能力,使CBCT用于测量骨密度不可行。

    骨密度不仅依靠骨内的钙成分,还与结构特点有关,但目前缺乏通过CBCT灰度值测量得到的骨密度与DXA测量得到的骨密度之间的相关性研究,提示基于CBCT图像的密度测量本身是无用的。Hohlweg-Majert等也提出,虽然CBCT是一个可以通过对骨结构的三维重建来评估骨小梁结构的精确快速的方法,但它没有提供任何关于骨质量的信息。Cassetta等利用相同的下颌骨标本在不同的CBCT扫描条件下扫描得出,把CBCT的灰度值作为一个绝对值来评估颌骨密度是不可行的。虽然CBCT的辐射剂量和费用低,但它不能用来准确评估骨密度。

    Nishikawa等提出,口腔CBCT的灰度值变化由很多因素引起,如不完全投影数据伴随的图像重建,射束硬化效应,散射X线的不均匀分布与锥形束的影响,不完全的反投影与视野大小强烈相关。因此,在目前条件下,很难获得稳定可靠的像素值来精确测量骨密度。此外,CBCT图像产生的过多散射和具体的技术因素也是骨密度测量不可靠的原因之一。噪点、环状和条纹状伪影等影响因素可以通过提高软件的精确性来改正。有学者开发了散射校正算法来提高CBCT灰度值的一致性,还包括利用压缩感知重构算法来创建一个无散射的CBCT图像。同时,还有很多有效的改正算法被开发,有可能改变局部CBCT图像灰度值的错误,但这些算法需要在每个CT系统上验证校准后才能投入临床使用。

    另有学者通过研究得出,CBCT的灰度值和CT的Hu值的具体转换率为0.7,且这个转换率在不同的CBCT设备中也是相似的。但是,这个转换率在以往文献中没有提到,也没出现过可与之比较的数据,因此还需要更多的研究得到一个明确的转换率。所以,上述因素在目前临床使用的CT系统中依然可能存在。

    3.小结

    目前,CBCT已广泛用于口腔种植术前对于种植位点骨情况的评估。然而,用它来测量骨密度仍存在争议。CBCT图像中测量的灰度值可能会因不同的CBCT设备、扫描参数、视野的测量位置(中间或周边)等原因而改变。很多局部影响因素,可以通过提高CBCT图像重建的精确性和选择校正方法校正。同时,将材料的衰减序数转换成Hu值和灰度值时的误差也应尽快解决。未来,CBCT的灰度值用于评估骨密度的相关研究的重点还应该结合对骨结构评估的替代参数,这较单独评估骨密度更能预测种植结果,且对种植术前的预测更有意义。

编辑: 陆美凤

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