双能X线骨密度仪在检测全髋股骨头假体周围骨密度的应用
作者：孙俊英 阳闽军 董天华 唐天驷
单位：(215006 苏州医学院附属第一医院骨科)
关键词：全髋关节置换术；双能X线骨密度仪；骨密度
江苏医药000814 【摘要】 目的 寻求检查非骨水泥全髋置换(THR-CL)手术前后骨密度(BMD)变化的最佳方法。方法 采用双能X线骨密度仪(DEXA)与常规X线摄片对7例手术前、后以及术后1～3年内的近段股骨各兴趣区BMD进行检测和比较。结果 DEXA定量显示1、5、6区术后BMD增加，其中1区增加显著(10.42%)，2、3、4、7区减少，其中7区减少显著(16.5%)。术后1年内BMD在6、7区呈持续显著减低4.4%～5.6%，在3、4、5区呈持续显著增高6.2%～6.6%，而1、2区仅轻微减少1.3%～1.8%，术后2～3年BMD改变轻微。相比之下，手术前、后X线摄片均未能显示任何BMD差异，更未能定量显示。结论 DEXA具有辐射量低、敏感性强、重复检查误差小和定量正确性高等优点。手术前、后各区BMD变化对评价THR-CL股骨头假体固定质量的意义。
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Dual-energy x-ray absorptiometry measurement of bone mineral density around femoral components
SUN Junying，YANG Minjun，DONG Tianhua，et al.
(Orthopedic Department，the First Affiliated Hospital of Suzhou Medical College，Suzhou 215006)
【Abstract】 Objective To get the technique for the measurement of bone mineral density(BMD) in defined areas around metal implants.Methods Seven cses of BMD in the regions of proximal femora adjacent to metal cementless femoral implants before and 1-3 years after the cementless total hip replacement(THR-CL) were determined and compared by means of dual-energy x-ray absorptiometry(DEXA) and radiography.Results It was shown that the BMD values increased immediately after operation at zones 1，5，and 6 with the maximum increase at zone 1(10.42%)，but reduced immediately after operation at zones 2，3，4 and 7 with the maximum reduction at zone 7 (16.5%).One year after the operation，BMD was continuously decreasing at zones 6 and 7，but significantly increasing at zones 3，4 and 5.In the three years after that，BMD change in defined areas was only slightly seen.But x-ray films did not show any difference between the control and operated femora.Conclusion It is suggested that DEXA has the advantages of low radiation，high sensitivity，reproducible，and high precision.Therefore，it is much better than the clinicoe radiography.This paper also discussed the right procedures for the determination of BMD with DEXA，and the significance of BMD value of each region of interest around femoral components to judge the fixation quality for femoral components.
, 百拇医药
【Key words】Total hip replacement Dual-energy x-ray absorptiometry Bone mineral density
假体松动是影响全髋关节置换术(total hip replacement，THR)远期疗效的主要并发症，由应力遮挡和磨屑引起的骨吸收、骨溶解被认为与这一并发症相关。因此，准确定量检测能够反映假体周围骨吸收和骨溶解的骨密度(bone mineral density，BMD)变化，对于研究和预防假体松动，提高远期疗效，具有重要意义。至今已有多种检测方法，但均不理想。近年来国外研究的双能X线骨密度仪(dual-energy x-ray absorptiometry，DEXA)因辐射量低、敏感性强、重复检查误差小和定量正确等，而被广泛应用。我院自1997年7月开始应用，现报告如下。
资料和方法
一、DEXA的检测原理与方法
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1.原理：由一种超稳定的X射线发生器发射出一束宽波长的射线束，经过K形钐片过滤，产生两种不同能量的光子，经过扫描组织衰减后，被厚薄不同的NaI晶体接受。通过联机探测系统测出光子能量吸收的衰减值，由计算机系统消除脂肪组织、金属假体、骨水泥的影响，得出骨矿含量(bone mineral content，下称BMC)、骨矿面积(bone mineral area，下称BMA)和BMD，以打印资料显示(见图1)。
图1 Gruen各区的DEXA定量显示
2.条件：工作电压76 KVp，电流750 uA。扫描精度0.6 mm×1.2 mm(即象素面积：0.6为垂直于股骨长轴的宽值；1.2为平行于股骨长轴的长值)。平均扫描剂量2.4 mRem，平均扫描时间7 min。兴趣区BMC为区域内每个象素骨盐量的总和，BMA为区域内象素面积的总和，而BMD＝BMC/BMA[1]。
, 百拇医药
3.方法：(1)为确保仪器测试的可比性和稳定性，必须每日校准，定期测定模式骨。(2)确定参考点，以消除脂肪的影响。参考点的横轴通过小粗隆中心，纵轴位于小粗隆最外缘。参考点不同，所测BMD有差异[2]。兴趣区采用Gruen分区，该分区将股骨头假体内、外侧骨皮质各分3个区，柄端的远侧分为1个区，总共7个区，详见图1[3]，按假体柄长由计算机系统辅助确定。(3)患者仰卧于检测床，膝部垫枕，用足部支架置下肢于中立位，以避免肢体旋转所致的差异。扫描取前后位，因其与侧位BMD密切相关(γ2＝0.88)，所测结果能正确反映整体BMD变化。故取此位可缩短扫描时间和减少扫描辐射[1]。(4)扫描区域为大转子上方2 cm至下方20 cm区域，以确保股骨头假体的头下至柄端周围骨得到充分检测。
二、临床资料
男3例，女4例。年龄42～63岁，平均52岁。体重48～75 kg，平均60 kg。病种：股骨头无菌性坏死1例，先天性髋臼发育不良继发创伤性关节炎3例，股骨颈骨折(GardenⅣ型)3例。假体：国产仿AML设计(华杰豪公司产，北京)4例，ReliancePF直柄假体(Howmedica，USA)1例，ABG弯柄假体(Howmedica，USA)1例，AML(Depuy，USA)1例。全部病例的股骨头假体均采用无骨水泥固定，并于手术前、后常规摄X线片，按上述方法采用DEXA(DPX-IQ，Lunar，Madison WI，USA)和DEXA矫形外科软件(Lunar，Madison WI，Version4.3b)行BMD检查。除3例股骨颈骨折的对侧测定值作为患侧术后相应部位的BMD对照外，其余则将术前同侧的测定值作为术后的对照值。数据采用同体比较的t检验处理。
, 百拇医药
三、结果
DEXA测定显示的手术前、后BMD改变如表1所示，术后BMD在Gruen 2、3、4、7区均较术前减低，其中Gruen 7区减低最为严重，达16.5%，2、3、4区较轻，仅为2.91%～3.57%。而Gruen 1、5、6区均较术前增高，其中1区增高显著，达10.42%，5、6区轻度增高，仅为1.48%～1.61%，统计学显示两组BMD在Gruen 1区和7区差异显著(P<0.05)。术后1年内BMD在6、7区呈持续显著减低4.4%～5.6%(P<0.05)，在3、4、5区呈持续显著增高6.2%～6.6%(P<0.05)，在1、2区轻微减少1.3%～1.8%。术后2～3年BMD改变轻微，表明应力遮挡性骨吸收已进入相对稳定期。相比之下全部病例的手术前、后以及术后1～3年内的X线片比较，均未能显示任何明显的BMD改变。
表1 手术前、后股骨近段Gruen各区BMD的比较(
±s，单位g/cm2) 区域
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术前
术后
差异(%)
P值
1
0.806±0.270
0.890±0.250
10.42
<0.05
2
1.535±0.310
1.484±0.332
-3.32
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>0.05
3
1.680±0.321
1.620±0.279
-3.57
>0.05
4
1.644±0.260
1.596±0.270
-2.91
>0.05
5
, http://www.100md.com 1.742±0.280
1.770±0.260
1.61
>0.05
6
1.350±0.220
1.370±0.250
1.48
>0.05
7
1.073±0.230
0.896±0.150
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-16.50
<0.05
注：骨量变化率＝(术前BMD-术后BMD)/术前BMD×100%[4]讨 论
反映骨量的BMD检测方法有X射线骨密度仪，单光子(SPA)和双光子吸收仪(DPA)，定量CT仪(QCT)、超声波仪以及DEXA等。除DEXA外，这些方法均因放射剂量大，不敏感，定量不准确，以及不能消除金属假体等内置物对BMD测定的影响等缺点，而未用于THR相关的BMD检测。相比之下，DEXA因不具备这些缺点而在国外被广泛应用[4，5]。DEXA最初仅用于检测与骨代谢相关的BMD改变，后经软件改进，扩大用于THR相关的BMD检测。临床应用证明该仪器具有辐射量低，敏感性强，重复检查误差小和定量正确等优点[6]。Cohen[5]证实其精确度为1.1%～4.5%，Kroger[7]报道平均精确度在骨水泥THR为2.5%，在无骨水泥THR(下称THR-CL)为2.3%。如能避免检查时的下肢旋转，还可进一步提高精确度。关于兴趣区的确定，Maloney[8]和Nishii[9]均认为应根据柄长而不是解剖部位确定，非手术对照侧的兴趣区确定，可通过软件技术移置假体图像至相应部位确定。
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过去临床诊断THR术后的BMD变化，大多依靠系列X线摄片。由于X线片仅能显示30%～50%以上的骨丢失，故早期轻微的骨丢失根本无法显示，更不能定量显示。本组病例手术前、后以及术后1～3年内的X线片比较，均未能显示任何轻微骨丢失，而DEXA均能定量显示。表明DEXA是目前检测THR术后早期乃至远期动态骨量变化的理想方法。
THR手术所致的骨丢失，又称医源性骨丢失，系由髓腔锉和髓腔扩大器扩腔所致。THR方法不同或同种方法，假体设计不同，对扩腔的要求也有异，故医源性骨丢失量在各兴趣区的分布也必然不同。THR-CL系通过骨组织长入假体表涂的微孔内，获得对假体的固定。为确保骨组织的长入，此类假体的近段内侧大多呈锥形设计，置入髓腔后能与股骨近段内侧(即Gruen 6、7区)的锥形髓腔相压配和相嵌插，以促进生物学固定。据此，THR-CL的近段股骨扩腔应以后外侧为主，以保留更多的股距区松质骨。为使假体呈中立或轻微外翻位固定，以减轻股前区疼痛，远段应以内侧扩腔为主。按这一要求扩腔，术后DEXA应显示Gruen 7区增高，1区和5区减低。遗憾的是本组7例THR-CL的DEXA资料中仅2例符合这一要求，使总体统计结果未能达到这一要求。表明THR-CL的手术水平仍需进一步提高。
, 百拇医药
参 考 文 献
1，Engh CA，McGovern TF，Bobyn JD，et al.A quantitative evaluation of periprosthetic bone remodeling after cementless total hip arthroplasty.J Bone Joint Surg(Am)，1992，74：1009-1020.
2，Svendsen OL，Hassager C，Skodt V，et al.Implant of soft tissue on in vivo accuracy of bone mineral measurements in the spine，hip and forearm.J Bone Miner Res，1995，10：868-873.
3，Gruen TA，Mcneice GM，Amstutz HC.“Modes of failure” of cemented stem type femoral components.Clin Orthop, 1979，141：17-27.
, 百拇医药
4，Korovessis P，Piperos G，Michael A.Periprosthetic Bone Mineral Density After Mueller and Zweymuller Total Hip Arthroplasties.Clin Orthop, 1994，309：214-221.
5，Cohen B，Rushton N.Accuracy of DEXA measurement of bone mineral density after total hip arthroplasty.J Bone Joint Surg(Br)，1995，77：479-483.
6，Mirsky EC，Einborn TA.Bone densitometry in orthopedic practice.J Bone Joint Surg(Am)，1998，80：1687-1698.
, http://www.100md.com
7，Kroger H，Miettinen H，Arnala I，et al.Evaluation of periprosthetic bone using dual-energy absorptiometry：Precision of the method and effect of operation on bone mineral density.J Bone Miner Res，1996，11：1526-1530.
8，Maloney WJ，Sychterz C，Bragdo C，et al.Skeletal response to well fixed femoral components inserted with and without cement.Clin Orthop，1996，333：15-26.
9，Nishii T，Sugano N，Masuhara K，et al.Longitudinal evaluation of time related bone remodeling after cementless total hip arthroplasty.Clin Orthop，1997，339：121-131.
收稿：2000-02-27 修回：2000-04-07, 百拇医药
单位：(215006 苏州医学院附属第一医院骨科)
关键词：全髋关节置换术；双能X线骨密度仪；骨密度
江苏医药000814 【摘要】 目的 寻求检查非骨水泥全髋置换(THR-CL)手术前后骨密度(BMD)变化的最佳方法。方法 采用双能X线骨密度仪(DEXA)与常规X线摄片对7例手术前、后以及术后1～3年内的近段股骨各兴趣区BMD进行检测和比较。结果 DEXA定量显示1、5、6区术后BMD增加，其中1区增加显著(10.42%)，2、3、4、7区减少，其中7区减少显著(16.5%)。术后1年内BMD在6、7区呈持续显著减低4.4%～5.6%，在3、4、5区呈持续显著增高6.2%～6.6%，而1、2区仅轻微减少1.3%～1.8%，术后2～3年BMD改变轻微。相比之下，手术前、后X线摄片均未能显示任何BMD差异，更未能定量显示。结论 DEXA具有辐射量低、敏感性强、重复检查误差小和定量正确性高等优点。手术前、后各区BMD变化对评价THR-CL股骨头假体固定质量的意义。
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Dual-energy x-ray absorptiometry measurement of bone mineral density around femoral components
SUN Junying，YANG Minjun，DONG Tianhua，et al.
(Orthopedic Department，the First Affiliated Hospital of Suzhou Medical College，Suzhou 215006)
【Abstract】 Objective To get the technique for the measurement of bone mineral density(BMD) in defined areas around metal implants.Methods Seven cses of BMD in the regions of proximal femora adjacent to metal cementless femoral implants before and 1-3 years after the cementless total hip replacement(THR-CL) were determined and compared by means of dual-energy x-ray absorptiometry(DEXA) and radiography.Results It was shown that the BMD values increased immediately after operation at zones 1，5，and 6 with the maximum increase at zone 1(10.42%)，but reduced immediately after operation at zones 2，3，4 and 7 with the maximum reduction at zone 7 (16.5%).One year after the operation，BMD was continuously decreasing at zones 6 and 7，but significantly increasing at zones 3，4 and 5.In the three years after that，BMD change in defined areas was only slightly seen.But x-ray films did not show any difference between the control and operated femora.Conclusion It is suggested that DEXA has the advantages of low radiation，high sensitivity，reproducible，and high precision.Therefore，it is much better than the clinicoe radiography.This paper also discussed the right procedures for the determination of BMD with DEXA，and the significance of BMD value of each region of interest around femoral components to judge the fixation quality for femoral components.
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【Key words】Total hip replacement Dual-energy x-ray absorptiometry Bone mineral density
假体松动是影响全髋关节置换术(total hip replacement，THR)远期疗效的主要并发症，由应力遮挡和磨屑引起的骨吸收、骨溶解被认为与这一并发症相关。因此，准确定量检测能够反映假体周围骨吸收和骨溶解的骨密度(bone mineral density，BMD)变化，对于研究和预防假体松动，提高远期疗效，具有重要意义。至今已有多种检测方法，但均不理想。近年来国外研究的双能X线骨密度仪(dual-energy x-ray absorptiometry，DEXA)因辐射量低、敏感性强、重复检查误差小和定量正确等，而被广泛应用。我院自1997年7月开始应用，现报告如下。
资料和方法
一、DEXA的检测原理与方法
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1.原理：由一种超稳定的X射线发生器发射出一束宽波长的射线束，经过K形钐片过滤，产生两种不同能量的光子，经过扫描组织衰减后，被厚薄不同的NaI晶体接受。通过联机探测系统测出光子能量吸收的衰减值，由计算机系统消除脂肪组织、金属假体、骨水泥的影响，得出骨矿含量(bone mineral content，下称BMC)、骨矿面积(bone mineral area，下称BMA)和BMD，以打印资料显示(见图1)。
图1 Gruen各区的DEXA定量显示
2.条件：工作电压76 KVp，电流750 uA。扫描精度0.6 mm×1.2 mm(即象素面积：0.6为垂直于股骨长轴的宽值；1.2为平行于股骨长轴的长值)。平均扫描剂量2.4 mRem，平均扫描时间7 min。兴趣区BMC为区域内每个象素骨盐量的总和，BMA为区域内象素面积的总和，而BMD＝BMC/BMA[1]。
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3.方法：(1)为确保仪器测试的可比性和稳定性，必须每日校准，定期测定模式骨。(2)确定参考点，以消除脂肪的影响。参考点的横轴通过小粗隆中心，纵轴位于小粗隆最外缘。参考点不同，所测BMD有差异[2]。兴趣区采用Gruen分区，该分区将股骨头假体内、外侧骨皮质各分3个区，柄端的远侧分为1个区，总共7个区，详见图1[3]，按假体柄长由计算机系统辅助确定。(3)患者仰卧于检测床，膝部垫枕，用足部支架置下肢于中立位，以避免肢体旋转所致的差异。扫描取前后位，因其与侧位BMD密切相关(γ2＝0.88)，所测结果能正确反映整体BMD变化。故取此位可缩短扫描时间和减少扫描辐射[1]。(4)扫描区域为大转子上方2 cm至下方20 cm区域，以确保股骨头假体的头下至柄端周围骨得到充分检测。
二、临床资料
男3例，女4例。年龄42～63岁，平均52岁。体重48～75 kg，平均60 kg。病种：股骨头无菌性坏死1例，先天性髋臼发育不良继发创伤性关节炎3例，股骨颈骨折(GardenⅣ型)3例。假体：国产仿AML设计(华杰豪公司产，北京)4例，ReliancePF直柄假体(Howmedica，USA)1例，ABG弯柄假体(Howmedica，USA)1例，AML(Depuy，USA)1例。全部病例的股骨头假体均采用无骨水泥固定，并于手术前、后常规摄X线片，按上述方法采用DEXA(DPX-IQ，Lunar，Madison WI，USA)和DEXA矫形外科软件(Lunar，Madison WI，Version4.3b)行BMD检查。除3例股骨颈骨折的对侧测定值作为患侧术后相应部位的BMD对照外，其余则将术前同侧的测定值作为术后的对照值。数据采用同体比较的t检验处理。
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三、结果
DEXA测定显示的手术前、后BMD改变如表1所示，术后BMD在Gruen 2、3、4、7区均较术前减低，其中Gruen 7区减低最为严重，达16.5%，2、3、4区较轻，仅为2.91%～3.57%。而Gruen 1、5、6区均较术前增高，其中1区增高显著，达10.42%，5、6区轻度增高，仅为1.48%～1.61%，统计学显示两组BMD在Gruen 1区和7区差异显著(P<0.05)。术后1年内BMD在6、7区呈持续显著减低4.4%～5.6%(P<0.05)，在3、4、5区呈持续显著增高6.2%～6.6%(P<0.05)，在1、2区轻微减少1.3%～1.8%。术后2～3年BMD改变轻微，表明应力遮挡性骨吸收已进入相对稳定期。相比之下全部病例的手术前、后以及术后1～3年内的X线片比较，均未能显示任何明显的BMD改变。
表1 手术前、后股骨近段Gruen各区BMD的比较(
±s，单位g/cm2) 区域, http://www.100md.com
术前
术后
差异(%)
P值
1
0.806±0.270
0.890±0.250
10.42
<0.05
2
1.535±0.310
1.484±0.332
-3.32
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>0.05
3
1.680±0.321
1.620±0.279
-3.57
>0.05
4
1.644±0.260
1.596±0.270
-2.91
>0.05
5
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1.770±0.260
1.61
>0.05
6
1.350±0.220
1.370±0.250
1.48
>0.05
7
1.073±0.230
0.896±0.150
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-16.50
<0.05
注：骨量变化率＝(术前BMD-术后BMD)/术前BMD×100%[4]讨 论
反映骨量的BMD检测方法有X射线骨密度仪，单光子(SPA)和双光子吸收仪(DPA)，定量CT仪(QCT)、超声波仪以及DEXA等。除DEXA外，这些方法均因放射剂量大，不敏感，定量不准确，以及不能消除金属假体等内置物对BMD测定的影响等缺点，而未用于THR相关的BMD检测。相比之下，DEXA因不具备这些缺点而在国外被广泛应用[4，5]。DEXA最初仅用于检测与骨代谢相关的BMD改变，后经软件改进，扩大用于THR相关的BMD检测。临床应用证明该仪器具有辐射量低，敏感性强，重复检查误差小和定量正确等优点[6]。Cohen[5]证实其精确度为1.1%～4.5%，Kroger[7]报道平均精确度在骨水泥THR为2.5%，在无骨水泥THR(下称THR-CL)为2.3%。如能避免检查时的下肢旋转，还可进一步提高精确度。关于兴趣区的确定，Maloney[8]和Nishii[9]均认为应根据柄长而不是解剖部位确定，非手术对照侧的兴趣区确定，可通过软件技术移置假体图像至相应部位确定。
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过去临床诊断THR术后的BMD变化，大多依靠系列X线摄片。由于X线片仅能显示30%～50%以上的骨丢失，故早期轻微的骨丢失根本无法显示，更不能定量显示。本组病例手术前、后以及术后1～3年内的X线片比较，均未能显示任何轻微骨丢失，而DEXA均能定量显示。表明DEXA是目前检测THR术后早期乃至远期动态骨量变化的理想方法。
THR手术所致的骨丢失，又称医源性骨丢失，系由髓腔锉和髓腔扩大器扩腔所致。THR方法不同或同种方法，假体设计不同，对扩腔的要求也有异，故医源性骨丢失量在各兴趣区的分布也必然不同。THR-CL系通过骨组织长入假体表涂的微孔内，获得对假体的固定。为确保骨组织的长入，此类假体的近段内侧大多呈锥形设计，置入髓腔后能与股骨近段内侧(即Gruen 6、7区)的锥形髓腔相压配和相嵌插，以促进生物学固定。据此，THR-CL的近段股骨扩腔应以后外侧为主，以保留更多的股距区松质骨。为使假体呈中立或轻微外翻位固定，以减轻股前区疼痛，远段应以内侧扩腔为主。按这一要求扩腔，术后DEXA应显示Gruen 7区增高，1区和5区减低。遗憾的是本组7例THR-CL的DEXA资料中仅2例符合这一要求，使总体统计结果未能达到这一要求。表明THR-CL的手术水平仍需进一步提高。
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参 考 文 献
1，Engh CA，McGovern TF，Bobyn JD，et al.A quantitative evaluation of periprosthetic bone remodeling after cementless total hip arthroplasty.J Bone Joint Surg(Am)，1992，74：1009-1020.
2，Svendsen OL，Hassager C，Skodt V，et al.Implant of soft tissue on in vivo accuracy of bone mineral measurements in the spine，hip and forearm.J Bone Miner Res，1995，10：868-873.
3，Gruen TA，Mcneice GM，Amstutz HC.“Modes of failure” of cemented stem type femoral components.Clin Orthop, 1979，141：17-27.
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4，Korovessis P，Piperos G，Michael A.Periprosthetic Bone Mineral Density After Mueller and Zweymuller Total Hip Arthroplasties.Clin Orthop, 1994，309：214-221.
5，Cohen B，Rushton N.Accuracy of DEXA measurement of bone mineral density after total hip arthroplasty.J Bone Joint Surg(Br)，1995，77：479-483.
6，Mirsky EC，Einborn TA.Bone densitometry in orthopedic practice.J Bone Joint Surg(Am)，1998，80：1687-1698.
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7，Kroger H，Miettinen H，Arnala I，et al.Evaluation of periprosthetic bone using dual-energy absorptiometry：Precision of the method and effect of operation on bone mineral density.J Bone Miner Res，1996，11：1526-1530.
8，Maloney WJ，Sychterz C，Bragdo C，et al.Skeletal response to well fixed femoral components inserted with and without cement.Clin Orthop，1996，333：15-26.
9，Nishii T，Sugano N，Masuhara K，et al.Longitudinal evaluation of time related bone remodeling after cementless total hip arthroplasty.Clin Orthop，1997，339：121-131.
收稿：2000-02-27 修回：2000-04-07, 百拇医药