骨矿定量测量方法简介
作者：李景学
单位：300052 天津医科大学总医院放射科
关键词：
990224 由于人类寿命增长、人口结构老龄化的趋势日益明显，促使我们对危害老年人身心健康的老年病给予必要的重视。在诸多老年病中，多发、常见且与女性关系最密切者当属绝经后骨质疏松症。近年来，测量骨骼数量及质量的影像学检查方法，尤其是前者即骨矿定量测量已取得快速进展，在老年性骨质疏松症的预防、检出、诊断、鉴别诊断、疗效随访、预测骨折危险性上，日益发挥着不可忽视的作用。对于骨质量的骨强度及骨微结构影像学研究，借助于三维显微成像(如μ-CT及μ-MRI)及计算机技术，也取得了相当成就，但就其目前水平来看，大多仍处于实验阶段，尚未广泛应用于临床。
骨矿数量的影像学检查方法，经历了定性、半定量及定量检查三个阶段，它们分别用以了解骨量有无变化、变化的程度(通常以分级、分度来表示)和变化的数量(以mg或g表示)。定性及半定量测量虽简而易行，但限于这些方法的能力，都不能作为早期检查、正确诊断和有效观察骨数量动态变化精确而敏感的手段。所以，现在有关骨矿的研究均以定量检查为重点。以下将以骨矿定量检查为重点，分别介绍已应用于临床的骨矿定量测量方法及其应用价值。
一、X线照片吸收测量(radiographic absorptiometry, RA)
RA又称为光密度吸收测量(photo densitometry, PD)。将前臂与铝制楔形标准体同时放在水槽内，进行X线拍片。以骨密度计或光电比色计测出前臂骨各测试点的读数，及具有相同读数的铝标准体所对应的铝厚度。按1 mm铝厚相当于130 mg/cm2骨矿计算，再将所得值除以被测骨的厚度，就可得出每cm3内所含骨矿量。利用已有的X线机就可拍得测量用的照片，而不需购置骨矿测量专用机。故RA有价廉、易推广的优点，但操作繁琐、测量结果受洗片客观条件及读片者主观判断的影响，测量精度不够理想(CV为9.4%±1.7%)，故已被改良的RA所取代。
二、改良RA(modified RA, mRA)
为减少上述RA的一些缺点，乃推出与计算机辅助自动控制相结合的RA，即mRA。此方法借助于计算机对图像进行自动分析处理，减少了人为误差、缩短了测量时间、改善了测量精度。对尸体及生体指骨测量精度CV分别为0.35%～0.6%及1.0%～2.0%。以mRA测的尸体骨块骨矿含量与骨灰重高度相关(r=0.89～0.98)，其准确度误差很小。mRA除可检出骨质疏松高危人群和预测骨折危险性外，在监测儿童骨骼发育上也发挥作用。与单能X线吸收测量(single energy X-ray absorptiometry, SXA)或双能X线吸收测量(dual energy X-ray absorptiometry, DEXA或DXA)不同的是，mRA为一次曝光摄影，而非直线扫描成像。
目前应用的mRA有3种，即数字影像处理(digital image processing, DIP)、计算机X线密度测量(computed X-ray densitometry, CXD)及计算机数字吸收测量(computed digital absorptiometry, CDA)。这些mRA测得的掌、指骨年平均丢失量为0.9%～1.2%，与SXA、DXA、定量超声测量(quantitative ultrasound measurement，QUS)的测量结果相近。在国外，mRA已被广泛应用于骨质疏松症的团检普查及疗效随访观察。在国内，现仅有少数单位引进并应用了mRA仪。
三、单光子吸收测量(single photon absorptiometry, SPA)
SPA是在国内最常应用的骨矿定量测量方法，可测量末梢骨的线密度(BMC， g/cm)、骨宽度(BW，cm)及骨面密度(BMC，g/cm2)。以125碘或241镅放射性同位素产生的单能γ射线为放射源，作横行单线式扫描。γ射线穿过受检骨时被部分吸收而减弱，由同步移动的碘化钠探测器测出通过骨骼后γ射线的衰减，在荧屏上自动显示或打印出骨量读数。SPA通常测量非优势侧桡骨或尺骨远侧1/3处，该部位主要为皮质骨(占85%～95%)，也可测含小梁骨较多的干骺部，即桡骨远侧1/6、1/10处(小梁骨占50%)。除前臂骨外，也可测胫、腓、跟或指骨等。因骨干与干骺部所含皮质骨与小梁骨的百分比不同，故不同部位的测量值及意义亦不同。骨干部皮质骨含量较恒定，故重复性好(CV为2%)。而干骺部则因小梁骨的不均质性，难以确定在同一部位进行测量，故可重复性不够理想。
SPA方法简单、易操作、价廉、辐射量小为其优点。SPA的缺点计有：不能测量被大量软组织所重叠的躯干骨；不能分别测量骨转换率不同的皮质骨及小梁骨，所测值为整体骨矿密度；前臂骨远端测量可因测量定位不准，而影响精确度及准确度。
表1 几种骨矿定量测量方法的性能比较 测量
方法
测量部位
敏感度
(%)
精确度
(%)
准确度
(%)
时间
(min)
辐射量
(mrem)
SPA
尺骨、跟骨(皮质及髓质骨)
1～2
1～2
5
10～20
5～10
DPA
脊椎、股骨、全身骨(皮质及髓质骨)
2
2～4
5～10
20～40
5
DXA
脊椎、股骨、全身骨(皮质及髓质骨)
2
1～2
4～8
5
1～3
QCT
脊椎[皮质及(或)髓质骨]
3～4
2～3
5～20
10
100～400
四、SXA
SXA为以X线代替同位素放射源进行末梢骨骨量测定的方法。因X线产生的光子量约为γ射线源的500倍，故可缩短扫描时间。虽然SXA与SPA同样地都不能分别测量皮质骨及小梁骨，但高度准直扫描仪的应用提高了测量精度(CV<1%)，测量部位的选择更为明确，故SXA已广泛应用于临床。因SXA机机型小、轻便、价廉，更适于团检普查。
SXA通常测量跟骨。跟骨为负重骨且富于海绵质(占95%以上)，故可较好地反映躯干负重骨的骨量变化。又因跟骨不会像腰椎那样随年龄增长出现退变、骨增生硬化，所以跟骨是衡量老年人骨量变化较理想的部位。游氏研究表明，跟骨与其他部位的骨矿密度测量相关良好。提示，跟骨骨矿密度测量可有效地预测骨质疏松性骨折的发生。且跟骨骨矿密度与全身骨及股骨颈的骨矿密度相关优于腰椎，故以跟骨骨矿密度来监测股骨颈骨折的危险性更有意义。
五、双光子吸收测量(dual photon absorptiometry, DPA)
鉴于SPA仅能测量末梢骨骨量而不能对软组织不恒定部位(如躯干及髋部)进行检查，乃研制出能直接测量躯干骨骨量的检查方法，DPA就是其中之一。DPA的测量原理与SPA相似。所不同的是，DPA以高及低能两种同位素作为放射源。当光子束通过受检部位时，可得到两种不同衰减值，经过计算可消除软组织对测量值的影响，并得到骨的衰减值。70年代以后以双能发射的153钆(44 KeV和100 KeV)代替了早期使用的125碘和241镅的混合放射源，提高了检测能力。
DPA可对胸、腰椎及股骨上段进行骨量测量，其测量精度较好，CV约为3%。但DPA所测骨量为皮质及髓质骨的总和，并不能分别测量皮质及小梁骨。对脊椎测量时，除椎体外，还包含致密质成分较多的后方附件、椎体的增生骨赘以及椎旁钙化，故可能出现测量误差。此外，DPA扫描时间较长、辐射量较大，还要经常更换放射源(约18个月更换1次)皆为其缺点。目前，DPA已很少应用，几乎均被DXA及定量计算机断层扫描(quantitative CT, QCT)等取代。
六、DXA
骨量的单能源测量技术(如SPA、SXA)的测量值，因受脂肪组织影响而比实际骨矿密度偏低。为校正此误差，现已有DPA、双能QCT(dual energy QCT, DEQCT)及DXA等方法问世。其中，DXA能正确测量躯干骨及全身骨量，并以使用方便、低辐射量及高精确度(0.5%～1.5%)而颇受青睐，在临床已得到推广应用。DXA的测量原理与DPA相似，所不同的是以X线代替了同位素放射源。X线管1 mA可产生比同位素钆源高500～1 000倍光子流，故可缩短扫描时间，图像更清晰。现已基本取代了DPA。
由一种超稳定X线发生器发射一束宽波长的射线束，经过“K”形钐片滤过，产生两个光子峰。X线穿通受检部位后，低及高能光子分别被与X线管球同步移动的低及高能探测器所接受。扫描系统将所接受的信号传送到联机的计算机进行数据处理，就可算出骨矿含量、骨矿密度及测试面积。DXA不仅可测全身骨、脊椎、股骨及任意骨的骨量，还可分析和评估肌肉及脂肪的含量，及测量实验动物骨量。
虽然DXA还不能选择性单独测量转换率高的小梁骨，但因其光子流大、具有由侧位直接测量椎体骨矿密度的能力，故可使其敏感性有所提高。早期DXA机使用直线线束扫描，致扫描时间较长，且椎体的骨矿密度测量值还受椎体的骨增生硬化、后方附件的重叠、椎旁非骨组织(如主动脉壁或韧带)钙化的影响。最近，已研制成功扇形X线束、多探测器、“C”形臂旋转管球DXA机，可在不改变病人仰卧情况下进行腰椎侧位扫描测量，缩短了扫描时间，减少了以往因侧卧位造成的骨盆倾斜和肋骨重叠的机率，从而进一步改善了测量精确度、准确度和敏感度。同时，使DXA与QCT测量椎体骨矿密度有较高的相关性。表1为几种不同骨矿定量测量方法的性能比较。DXA测量值会因机种及采用的兴趣区不同而异，这需要用标准化步骤来解决。此外，DXA也不能分别测量皮质骨及小梁骨骨量，检查费用较高亦为其不足。
实践证明，DXA测量是衡量骨质疏松及预测骨折危险性的较好方法。DXA预测脊椎骨折的能力与QCT相仿。当第2～4腰椎骨矿密度的DXA测量值降至0.8 g/cm2时，开始出现骨折危险性。随骨矿密度值减少加剧，骨折发生率也逐步上升。骨矿密度测量值降至0.458 g/cm2时，必定发生骨折。股骨上段也是DXA法测量骨量的重要部位，通常测量股骨颈、大粗隆及Ward三角区。
七、QCT
CT具有较高的密度分辨力。CT图像可显示扫描层内容积密度分布，代表该层组织的物理密度，故可利用CT进行骨矿含量或骨矿密度测量，即QCT检查。至目前，尤其是体积QCT(volumetric QCT,vQCT)的应用，进一步表明QCT是唯一可直接分别测量皮质骨及小梁骨三维空间内骨矿含量的方法，这是其他测量方法所不及。在QCT问世初期，仅能对躯干骨进行检查，通常以腰椎为测试部位。近年来已研制成功测量末梢骨的QCT，并应用于临床。
随年龄老化，椎骨内的脂肪成分将增多，约每10年增加5%。脂肪容积每增加10%，则骨矿含量值降低7 mg/cm3，可致测量值不准。为克服此缺点，可采用DEQCT代替单能QCT(single energy QCT, SEQCT)，将脂肪含量所致之误差降至5%以下，提高测量准确度。但DEQCT延长了扫描时间、增加了辐射量，故其应用受到一定限制。DEQCT适用于要求高准确度的科研工作，而日常临床测量则宜采用SEQCT。
一些QCT测量椎骨的研究表明，正常中国成人脊椎骨矿含量最高时期，男性在25～40岁、女性在20～35岁。在此时期，男女两性椎骨骨矿含量无显著差异。男性40岁、女性35岁以后，椎骨骨量开始减少，后者尤以40岁以后为著。
一些研究表明，椎骨的QCT测量与骨灰化称重及骨计量学的主要参数相关良好。此外，QCT是唯一能分别测量皮质骨及小梁骨的检测手段，故可认为QCT作为骨量定量测量方法的可用性是无可争议的。但CT机设备昂贵，检查费用较高，还有一定的辐射量，这些仍为其不足。目前，QCT测量已经被应用于原发性及继发性骨质疏松症的检查、随访观察及预测骨折危险性等方面。
八、周围骨QCT测量(peripheral QCT, pQCT)
自1976年应用QCT测量原理已成功地研制出了专门测量末梢骨(如桡、胫、股骨)的方法，即pQCT。这种方法可以分别测量末梢骨的皮质骨及髓质骨骨量，而且pQCT测得结果是无其他附加组织影响的真实容积骨密度，即三维骨密度为其突出优点。此外，pQCT能自动选定标准扫描部位，具高精确度、高准确度及低辐射量(pQCT为1～2 mSv，而脊椎QCT为50～100 mSv)，以及可提供更多的诊断信息等特点。目前，已有两种pQCT装置应用于临床，即单层扫描系统(如XCT-960)及多层扫描系统(如Densiscan 1000)。
一般来讲，pQCT测量准确度的误差取决于脂肪量及X线硬度，而精确度则受适宜线量及适宜扫描部位的影响。一些研究表明，pQCT测量具有高准确度和高精确度。Takada测量尸体桡骨总的骨矿含量、骨矿密度与骨灰重高度相关，r值分别为0.90及0.82。pQCT测量精确度误差很低，在正常人、骨质疏松者及女性重度骨质疏松者分别为0.3%、0.6%及0.9%。
pQCT不但能分别测量皮质骨及髓质骨骨量，还有助于区分缓慢进展及快速骨丢失(年丢失量>2.5%)。以pQCT测桡骨骨矿密度，可区分并监视骨质疏松及非骨质疏松。测量桡骨预测髋部骨折，较预测脊椎骨折更有价值。pQCT测量为可重复的非损伤性检查，适于检测骨块、骨密度及几何学特征的变化。所以，它可能成为取代组织计量学测量的合适手段。
九、QUS
自90年代以来，用QUS衡量骨骼情况得到快速发展。因为这种设备较X线密度测量仪价廉、便携、操作简单、无辐射、精确度高，预测骨折具有高灵敏度，故在发达国家已被广泛应用于临床。骨质疏松能否发生骨折，除与骨矿含量密切相关外，还由骨的结构和骨的力学性质(骨的强度、刚度、弹力、孔隙等)所决定。QUS恰好能获得反映骨结构及质量的信息，而这些是不能用骨密度测量仪来衡量的。
自1980年以来，已有10种定量超声仪商品化。这些QUS仪的性能有所不同，可用来估计不同参数，如声幅衰减(broadband ultrasound atte nuation，BUA)、声速(speed of sound，SOS)、骨硬度(stiffness)、骨面积比率(bone area ratio，BAR)、骨超声指数(osteosonic index，OSI)等；可测量不同骨，如跟、胫与指骨，或跟骨的不同兴趣区；可有或无图像。
超声在媒体中的速度即超声传递速度(ultrasound transmission velocity，UTV)与BUA的特性，是QUS得以对骨组织进行数量和质量估计的基本原理。
超声速度是指被测部位的长度或宽度与超声传导时间之比，单位为m/s。超声测量跟骨时，可测量整个跟部(跟骨及其周围软组织)或只是跟骨的宽度。前者测得的UTV称为SOS，而后者称为超声穿骨速度(ultrasound velocity through bone，UVB)。跟、髌与胫骨中部皮质骨的UTV正常值范围分别为1 400～1 900 m/s、1 600～2 200 m/s及3 300～4 300 m/s。SOS值和UVB值有重叠，通常是后者高于前者。声音通过某物质的速度和该物质的弹性(E)及密度(ρ)为函数关系，
。这表示，声速与骨密度及弹性密切相关，声速的平方与弹性模量成正比，与骨矿密度成反比。BUA为QUS的另一个常用参数。由于骨及软组织对声波吸收和散射，而使超声能量信号减低，构成BUA。BUA是由Langton首先提出并应用于跟骨测量。在200～600 kHz频率间BUA与频率呈近直线关系。BUA为此直线方程的斜率，单位为dB/MHz。BUA的测量精确度不及UTV，根据不同文献报道CV在0.9%～6.3%。超声参数BUA和UTV不但受骨矿密度影响，还与骨的组成成分及内部结构方式有关。一般认为，BUA是由骨矿密度及骨微细结构(小梁数目、走向、连接方式)决定的，而UTV则受骨弹性及密度的影响。骨的质量是抵御骨折的重要因素，而骨质的最常见的两种特性即弹性模量(E)和骨强度(S)，都可借助超声检查进行衡量。
QUS主要用于骨质疏松的诊断、鉴别诊断和随访观察。QUS跟骨SOS的可重复性非常好，很适用于骨量及骨质的分析估计；BUA的体内测量精度为1.5%～3.7%，骨强度为2.6%，也有临床应用可能。
SOS及BUA值都是自20岁开始下降，至80岁期间大致以一定速度连续下降。一般认为，SOS及BUA可以较好地反映小梁骨的变化以及预测骨折危险性。有关髌骨超声传递速度(AVU)的研究表明，绝经前妇女AVU[(1 953±58) m/s]与绝经后妇女[(1 885±73) m/s]间存在显著差别(P<0.01)，但这两者的腰椎骨矿密度DXA测值分别为(0.930±0.08) g/cm2及(0.851±0.148) g/cm2，并不存在有意义的差别。这提示，绝经期因雌激素减少所致的小梁骨结构上质的变化，首先表现在UTV的变缓，尔后才显示出骨矿密度的变化。因此，以AVU估计骨骼质量变化是有用的。此外，利用超声技术衡量骨强度也是有意义的。
超声测量尚有很大潜力有待开发利用。同时，也存在一些问题。如：现在的超声技术仍限于对四肢骨检查，超声参数与骨量及骨弹性的不确定关系，以及周围组织对骨测量的影响。这些都是超声检查能广泛而有效地应用于临床之前有待解决的问题。
除上述9种骨矿定量检查手段外，还有中子活化分析(neutron active analysis，NAA)及Compton散射法定量测量。但这两种方法均不够成熟，也未应用于临床。 (收稿：1998-12-25)