王 玲 马毅民 程晓光
. 综述 Review .
定量 CT 测量近段股骨骨密度及骨皮质的研究进展
王 玲 马毅民 程晓光
髋关节脆性骨折是最严重的脆性骨折,给老年人的行动、独立生活和生活质量带来很大不良影响,导致了老年人的病死率上升[1-2]。随着人口老龄化,髋关节骨折发病率逐年上升,预计世界范围内髋关节骨折发生数量将从1990 年的 170 万增加到 2050 年的 630 万[3]。髋关节发生脆性骨折主要因其力学性能发生变化,而这种变化与多种因素有关,包括骨密度 ( bone mineral density,BMD )、骨强度及骨微结构等[4-8]。目前,骨量或骨密度是被临床接受的衡量髋关节骨折风险的惟一指标[9],其它风险因素还未获得临床的广泛认可。
目前,评估髋关节骨折风险常用的方法是使用双能X 线吸收仪 ( dual-energy X-ray absorptiometry,DXA ) 测得面积骨密度 ( areal bone mineral density,aBMD ) 及骨结构参数,但由于该技术二维平面投影特点的限制,其无法准确分辨骨皮质及骨松质,更难以提供详细的近段股骨的骨结构信息,这限制了 DXA 全面准确地评价近段股骨的骨质量。随着定量 CT ( quantitative computed tomography,QCT ) 技术的发展,从近段股骨三维数据中获得二维aBMD 得以实现,从而通过一次 CT 扫描,获得近段股骨的骨密度及解剖形态和结构分布。现就 QCT 在测量近段股骨骨密度及骨皮质结构上的进展作如下综述。
QCT 已广泛应用于腰椎骨密度测量[10-13],然而关于其测量近段股骨骨密度的研究较少。Sartoris 等[14]较早用QCT 测量近段股骨松质骨的骨密度,用了与腰椎扫描相同的体模在离体近段股骨扫描,证实该方法有较好的准确性和可重复性,并且发现 QCT 测量的近段股骨松质骨的骨密度与椎体松质骨骨密度有着很好的相关性。Lang 等及Cheng 等利用 QCT 测量近段股骨体积骨密度并与近段股骨骨强度进行比较[15-18]:Lang 等[15,18]研究显示 QCT 测量股骨颈及股骨粗隆的松质骨骨密度的精密度分别为 1.1% 和0.6%,有着很好的可重复性并与骨强度参数有着很高的相关性,因此认为 QCT 在评估近段股骨骨质疏松方面有着很高的价值。Cheng 等[16-17]通过比较骨折组与对照组的近段股骨感兴趣区的骨皮质、骨松质密度和体积以及股骨颈处骨皮质厚度,发现骨松质密度的差异性大于骨皮质密度,并探讨了骨密度和几何形态的关系,从而进一步拓展了 QCT 关于近段股骨的研究。QCT 测量的常规扫描范围为从股骨头上 1~2 cm 到股骨小粗隆下几 cm,常规扫描条件为 120 kVp 和 100~300 mAs[19]。然而,因为所测得近段股骨体积骨密度没有像腰椎 QCT 那样有正常参考数据库,各种 3 D QCT 分析系统测量髋关节体积骨密度在很长一段时间内仅仅用于研究而没有进入临床应用[14-18,20-21]。
近年来,新出现的 CT X 线吸收法 ( computed tomography X-ray absorptiometry,CTXA ) Hip 软件分析系统能够从三维 QCT 髋关节容积数据中获得类似于 DXA 的二维平面投影图像。不同于 DXA 的双能成像方法,CTXA Hip 软件分析系统利用三维 QCT 数据上的解剖细节将骨周围的软组织分割出来。尽管 CTXA Hip 软件分析系统与 DXA 采用不同的技术获得近段股骨的平面投影图像,但所获得的平面图像拥有相同的信息,即单位骨面积上总的骨矿含量。因此,我们可以假设 CTXA Hip 测得的 BMD 能够提供与 DXA 相同的临床价值,更重要的是,CTXA Hip 测得的 BMD 和 T 值或许能应用于 WHO 诊断分类方法。
在一项关于 91 位澳大利亚老年女性患者的研究中,Khoo 等[22]利用该人群比较了 Hologic DXA 和 CTXA 的近段股骨 aBMD 和 T 值。该研究显示 QCT 测量近段股骨的短期可重复性结果好于 DXA;CTXA 测得的股骨颈和全髋关节 aBMD 均低于 DXA;QCT 测得近段股骨 T 值与 DXA测得的结果有着很高的一致性,股骨颈和全髋关节的决定系数 R2分别为 0.84 和 0.88。然而该研究人群仅限于老年骨质疏松女性,其平均年龄达到了 ( 82.8±2.5 ) 岁。
在最近发表的一项研究中,Cann 等[23]比较了 20~80 岁人群的 CTXA 和 DXA 的长期可重复性结果,前者的股骨颈及全髋关节结果均好于后者。同时该研究显示CTXA 和 DXA 的全髋关节 aBMD 的相关系数 R 为 0.97,而股骨颈的 aBMD 的相关系数 R 为 0.95。值得一提的是,该研究发现髋关节皮质骨骨量占总骨量的 62%±5%。
Cheng 等[24]在“PURE”研究项目中通过中国志愿者比较了 GE Lunar DXA 和 CTXA 结果的差异性,并验证了 CTXA 测量的准确性。该研究显示 CTXA 测得的股骨颈和全髋关节 aBMD 均低于 DXA,分别为 21.0% 和17.8%。而 QCT 测量值用 Mindways 回归方程换算后,减小了与 DXA 测量结果的差异,这与 Khoo 等研究结果相似。FN 及 TH 的观察者内测量误差分别为 0.070 和0.024 g / cm2,而观察者间 CTXA 测量误差分别为 0.030和 0.012 g / cm2,与 DXA 重复测量误差相近。该研究证实了中国人群的 GE Lunar DXA 和 CTXA 结果有很好的一致性,通过线性回归分析,两者股骨颈的决定系数 R2=0.810,而全髋的决定系数 R2=0.878。不久之后 Pickhardt等[25]发表的一项研究同样证实了 GE Lunar DXA 和 CTXA测量股骨颈 aBMD 的高度一致。
目前常用骨密度评价骨质疏松情况,预测骨折风险,但髋关节的脆性骨折还与骨质量有关,而全面准确地评价骨质量是存在困难的。骨质量主要包括骨结构及骨强度指标。很多 DXA 相关研究发现很多骨强度指标,如横截面积 ( cross-sectional area,CSA )、横截面的转动惯量( cross-sectional moment of inertia,CSMI )、髋关节轴线长度( hip axial length,HAL ) 等,与骨折风险相关,但由于技术的限制,近段股骨骨皮质与髋关节骨折风险的相关性的研究较少。近年来,随着 QCT 的发展,许多学者利用 QCT来研究近段股骨骨皮质结构及其与髋关节骨折风险的相关性。QCT 测量的近段股骨骨皮质结构包含了股骨颈横断面各象限骨皮质厚度、骨量及横断面积等[26-30]。Cheng 等[17]研究发现股骨颈平均骨皮质厚度是一个独立的风险因素,Yang 等[27-28]的病例对照研究计算了近段股骨不同层面的横断面 4 个象限的骨皮质厚度,发现在绝大多数象限内,病例组的骨质密度和骨皮质厚度都低于对照组。除了下象限骨皮质外,其它象限骨皮质的密度和厚度的减低都与髋关节骨折有相关性。而 Johannesdottir 等[30]通过 AGESReykjavik 随访研究发现,上象限骨皮质变薄相对于下象限对预测髋关节骨折有着更高的价值。这些研究使我们获得了足够的髋关节骨折相关信息、评估髋关节骨折风险因素及进行药物和训练干预的方向和目标[17,26-35]。所有这些研究都显示骨皮质结构与髋关节骨折相关,并且有些研究发现骨皮质结构是一个独立的髋关节骨折风险因素。但这些研究在研究设计、志愿者数目、是否区分骨折类型及骨皮质测量部位和测量距骨折时间均存在一定差异。
在一项临床 CT 扫描中国老年女性髋关节骨折的研究中,Cheng 等[17]测量了股骨颈、粗隆和全髋关节感兴趣区的骨皮质密度和体积以及股骨颈处骨皮质厚度,比较骨折组 45 例和对照组 66 例,所有的骨皮质参数均存在差异。然而,骨松质密度比骨皮质密度的差异性更大,当将骨松质纳入分析模型时,股骨颈的平均骨皮质厚度在病例组与对照组间是一个独立区分因素。
Yang 等[27-28]利用另外一种方法进行了一项 QCT 的病例对照研究。他们计算了骨皮质、骨松质及整体骨的密度及沿股骨颈、粗隆间、粗隆长轴的横断面四个象限的骨皮质厚度。在绝大多数象限内,病例组的骨质密度和骨皮质厚度都低于对照组。除了下象限骨皮质外,其它象限骨皮质的密度和厚度的减低都与髋关节骨折有相关性[27]。最近,Yang 等[28]通过 50 例英国绝经后妇女的近段股骨的病例对照研究,指出病例组在骨皮质密度和厚度上都要小于对照组。病例组和对照组的骨皮质密度和厚度的差异与DXA aBMD 无关。但该研究的 CT 扫描时间和骨折时间相差 3 周~ 3 个月,而患者骨折卧床期间会丢失大量骨量及发生骨结构的改变,这种影响会降低该研究的可信度。
Poole 等[29]对 100 名 20~90 岁的英国女性志愿者行髋关节多排螺旋 CT 扫描,运用新研发的骨结构研究系统( bone investigational tookit,BIT 2.0 ) 测量股骨颈各解剖象限的骨皮质厚度和皮质骨、松质骨及整体骨密度,进而研究年龄对于股骨颈结构变化的影响。他们发现年龄是骨皮质厚度和密度的决定因素。另外年龄对不同象限区的骨皮质影响作用不同,相对于年轻人,老年人的下象限骨皮质基本不变,而上象限的骨皮质厚度和密度降低程度很大。
在一项包含 47 例髋关节骨折及 60 例对照的法英女性参与的 QCT 病例对照研究中,骨皮质厚度及松质骨密度仍是髋关节骨折风险的独立预测指标[31]。骨折组的股骨颈、粗隆及粗隆间感兴趣区的平均骨皮质厚度均明显降低。运用 Logistic 回归分析,研究者发现在粗隆骨折组与对照组间,粗隆感兴趣区的平均骨皮质厚度及松质骨密度的差异最明显,而在股骨颈骨折组与对照组间股骨头的松质骨密度差异最大。该研究的局限性在于骨折分型后,病例组样本量较小。
与 Cheng 等关注感兴趣区相同,Black 等[26]在一项美国老年男性的随访研究中探讨了 QCT 测量参数与髋关节骨折的关系。该研究的髋关节骨折风险主要因素与 Cheng等研究结果相似:经过校正年龄、体重指数和研究中心后,股骨颈的骨皮质密度、体积和体积所占百分数能够决定骨折发生与否。
Johannesdottir 等[30]通过 AGES-Reykjavik 随访研究进行股骨颈骨结构对髋关节骨折风险预测。AGES-Reykjavik是一项从 2002 年至 2006 年包含 5500 例冰岛男女的单中心人群随访研究项目。该研究测量股骨颈的方法与 Poole等研究相同。随访过程中,55 例男性和 88 例女性发生了髋关节骨折。研究发现无论男女,上象限骨皮质变薄相对于下象限对预测髋关节骨折有着更高的价值;另外,对照组骨皮质厚度有性别差异,而骨折组未见明显差异;前上象限骨皮质厚度在骨折组和对照组间差异最明显。在股骨颈骨折多变量分析中,前上象限骨皮质厚度对于男女来说均是独立的骨折风险预测指标,其在经过股骨颈 aBMD 校正后仍有意义。与之前的研究预测相同[29],髋关节上象限的骨皮质变薄可能是决定能否抵御股骨颈骨折的重要因素。
青年人的近段股骨遭受较大冲击或撞击力时,能够抵御微细骨折及进一步发展[36],例如摔倒时的撞击力会被整个股骨及周围软组组分散吸收。然而随着年龄的增加,无论男性还是女性,抵御骨折的能力均在下降。这可能是因股骨颈下象限与上象限骨皮质厚度的比值随年龄增加而增大,既往研究发现股骨颈下象限骨皮质厚度随年龄增加变化不大,而上象限骨皮质厚度随年龄增加而变薄[29-30,37]。这种变化对于近段股骨的抗弯曲力影响不大,但当发生侧摔时,变薄的上象限骨皮质会承受很大的冲击力,发生压缩、弯曲或碎裂,从而导致骨折。
在一项 100 名 20~90 岁英国女性的横断面研究中,无论年轻还是老年女性,股骨颈横断面下象限骨皮质均厚于上象限,而 90 岁女性组的上象限骨皮质非常薄,下象限骨皮质厚度相对年轻人变化不大。皮质骨的骨量从20 岁组到 90 岁组是逐渐下降的[29]。这与一项 373 名美国女性的横断面研究结果不同,该研究发现绝经前妇女近段股骨骨皮质有微量骨丢失,而绝经后会发生大量骨丢失。同时,该研究得出皮质骨丢失从中年开始,而松质骨丢失是终生的[38]。一项冰岛老年人群的随访研究显示老年人上象限骨皮质骨质丢失率是下象限的 3 倍,而两个区域松质骨的骨量丢失大致相同[39]。
CT 空间分辨率的限制会导致骨皮质的测量结果存在高估或低估。因为部分容积效应,骨内膜附近的松质骨或骨外膜旁的软组织会导致测量误差。对于 QCT 而言,2.0~2.5 mm 的骨皮质厚度是准确测量的前提,低于这个限值,就会因部分容积效应导致测量结果不准确[40-42]。而这种误差影响可能会随骨皮质的变薄程度增高而变大。因而目前有些研究发现的老年人股骨颈上象限骨皮质变薄可能存在低估骨量和骨皮质厚度。
以上仅就 QCT 测量近段股骨骨密度及骨皮质结构的研究进展作了综述。无论是横断面还是前瞻性随访研究,髋关节的临床 QCT 研究都极大地拓展了我们对于髋关节骨折骨量丢失的类型、年龄相关变化的理解。在这些研究中,某些特定区域的骨皮质被重视起来,不仅仅因其与骨折相关,更因其可能是新的治疗或其它干预的靶点。如何更准确找出这些区域,哪些治疗或干预能影响该区域的骨皮质进而降低骨折发生风险等问题有待进一步解决。
[1]Cooper C, Cole ZA, Holroyd CR, et al. Secular trends in the incidence of hip and other osteoporotic fractures. Osteoporos Int, 2011, 22(5):1277-1288.
[2]Center JR, Nguyen TV, Schneider D, et al. Mortality after all major types of osteoporotic fracture in men and women: an observational study. Lancet, 1999, 353(9156):878-882.
[3]Sambrook P, Cooper C. Osteoporosis. Lancet, 2006, 367(9527): 2010-2018.
[4]Bousson V, Le Bras A, Roqueplan F, et al. Volumetric quantitative computed tomography of the proximal femur: relationships linking geometric and densitometric variables to bone strength. Role for compact bone. Osteoporos Int, 2006, 17(6):855-864.
[5]Aspray TJ, Prentice A, Cole TJ, et al. Low bone mineral content is common but osteoporotic fractures are rare in elderly rural Gambian women. J Bone Miner Res, 1996, 11(7):1019-1025.
[6]Kaptoge S, Beck TJ, Reeve J, et al. Prediction of incident hip fracture risk by femur geometry variables measured by hip structural analysis in the study of osteoporotic fractures. J Bone Miner Res, 2008, 23(12):1892-1904.
[7]LaCroix AZ, Beck TJ, Cauley JA, et al. Hip structural geometry and incidence of hip fracture in postmenopausal women: what does it add to conventional bone mineral density? Osteoporos Int, 2010, 21(6):919-929.
[8]Beck TJ, Oreskovic TL, Stone KL, et al. Structural adaptation to changing skeletal load in the progression toward hip fragility: the study of osteoporotic fractures. J Bone Miner Res, 2001, 16(6):1108-1119.
[9]Cummings SR, Bates D, Black DM, et al. Clinical use of bone densitometry: scientific review. JAMA, 2002, 288(15): 1889-1897.
[10]Hui SK, Weir VJ, Brown K, et al. Assessing the clinical utility of quantitative computed tomography with a routinely used diagnostic computed tomography scanner in a cancer center. J Clin Densitom, 2011, 14(1):41-46.
[11]Budoff MJ, Khairallah W, Li D, et al. Trabecular bone mineral density measurement using thoracic and lumbar quantitative computed tomography. Acad Radiol, 2012, 19(2):179-183.
[12]Liu CT, Karasik D, Zhou Y, et al. Heritability of prevalent vertebral fracture and volumetric bone mineral density and geometry at the lumbar spine in three generations of the Framingham study. J Bone Miner Res, 2012, 27(4):954-958.
[13]Guglielmi G, Lang TF. Quantitative computed tomography. Semin Musculoskelet Radiol, 2002, 6(3):219-227.
[14]Sartoris DJ, André M, Resnik CS, et al. Trabecular bone density in the proximal femur: quantitative CT assessment. Work in progress. Radiology, 1986, 160(3):707-712.
[15]Lang TF, Keyak JH, Heitz MW, et al. Volumetric quantitative computed tomography of the proximal femur: precision and relation to bone strength. Bone, 1997, 21(1):101-108.
[16]Cheng XG, Lowet G, Boonen S, et al. Assessment of the strength of proximal femur in vitro: relationship to femoral bone mineral density and femoral geometry. Bone, 1997, 20(3):213-218.
[17]Cheng X, Li J, Lu Y, et al. Proximal femoral density and geometry measurements by quantitative computed tomography: association with hip fracture. Bone, 2007, 40(1):169-174.
[18]Lang TF, Guglielmi G, van Kuijk C, et al. Measurement of bone mineral density at the spine and proximal femur by volumetric quantitative computed tomography and dual-energy X-ray absorptiometry in elderly women with and without vertebral fractures. Bone, 2002, 30(1):247-250.
[19]Engelke K, Adams JE, Armbrecht G, et al. Clinical use of quantitative computed tomography and peripheral quantitative computed tomography in the management of osteoporosis in adults: the 2007 ISCD Official Positions. J Clin Densitom, 2008, 11(1):123-162.
[20]Lang T, LeBlanc A, Evans H, et al. Cortical and trabecular bone mineral loss from the spine and hip in long-duration spacefight. J Bone Miner Res, 2004, 19(6):1006-1012.
[21]Lotz JC, Gerhart TN, Hayes WC. Mechanical properties of trabecular bone from the proximal femur: a quantitative CT study. J Comput Assist Tomogr, 1990, 14(1):107-114.
[22]Khoo BC, Brown K, Cann C, et al. Comparison of QCT-derived and DXA-derived areal bone mineral density and T scores. Osteoporos Int, 2009, 20(9):1539-1545.
[23]Cann CE, Adams JE, Brown JK, et al. CTXA hip--an extension of classical DXA measurements using quantitative CT. PLoS One, 2014, 9(3):e91904.
[24]Cheng X, Wang L, Wang Q, et al. Validation of quantitative computed tomography-derived areal bone mineral density with dual energy X-ray absorptiometry in an elderly Chinese population. Chin Med J (Engl), 2014, 127(8):1445-1449.
[25]Pickhardt P, Bodeen G, Brett A, et al. Comparison of femoral neck BMD evaluation obtained using lunar DXA and QCT with asynchronous calibration from CT colonography. J Clin Densitom, 2014, pii: S1094-6950(14)00036-5.
[26]Black DM, Bouxsein ML, Marshall LM, et al. Proximal femoral structure and the prediction of hip fracture in men: a large prospective study using QCT. J Bone Miner Res, 2008, 23(8):1326-1333.
[27]Yang L, Burton AC, Bradburn M, et al. Distribution of bone density in the proximal femur and its association with hip fracture risk in older men: the osteoporotic fractures in men (MrOS) study. J Bone Miner Res, 2012, 27(11):2314-2324.
[28]Yang L, Udall WJ, McCloskey EV, et al. Distribution of bone density and cortical thickness in the proximal femur and their association with hip fracture in postmenopausal women: a quantitative computed tomography study. Osteoporos Int, 2014, 25(1):251-263.
[29]Poole KE, Mayhew PM, Rose CM, et al. Changing structure of the femoral neck across the adult female lifespan. J Bone Miner Res, 2010, 25(3):482-491.
[30]Johannesdottir F, Poole KE, Reeve J, et al. Distribution of cortical bone in the femoral neck and hip fracture: a prospective case-control analysis of 143 incident hip fractures; the AGESREYKJAVIK Study. Bone, 2011, 48(6):1268-1276.
[31]Crabtree N, Loveridge N, Parker M, et al. Intracapsular hip fracture and the region-specifc loss of cortical bone: analysis by peripheral quantitative computed tomography. J Bone Miner Res, 2001, 16(7):1318-1328.
[32]Bousson VD, Adams J, Engelke K, et al. In vivo discrimination of hip fracture with quantitative computed tomography: results from the prospective European Femur Fracture Study (EFFECT). J Bone Miner Res, 2011, 26(4):881-893.
[33]Eastell R, Lang T, Boonen S, et al. Effect of once-yearly zoledronic acid on the spine and hip as measured by quantitative computed tomography: results of the HORIZON Pivotal Fracture Trial. Osteoporos Int, 2010, 21(7):1277-1285.
[34]Ito M, Nakamura T, Fukunaga M, et al. Effect of eldecalcitol,an active vitamin D analog, on hip structure and biomechanical properties: 3D assessment by clinical CT. Bone, 2011, 49(3):328-334.
[35]Yang L, Sycheva AV, Black DM, et al. Site-specifc differential effects of once-yearly zoledronic acid on the hip assessed with quantitative computed tomography: results from the HORIZON Pivotal Fracture Trial. Osteoporos Int, 2013, 24(1):329-338.
[36]Currey JD. Materials science. Hierarchies in biomineral structures. Science, 2005, 309(5732):253-254.
[37]Mayhew PM, Thomas CD, Clement JG, et al. Relation between age, femoral neck cortical stability, and hip fracture risk. Lancet, 2005, 366(9480):129-135.
[38]Nicks KM, Amin S, Melton LJ 3rd, et al. Three-dimensional structural analysis of the proximal femur in an age-stratified sample of women. Bone, 2013, 55(1):179-188.
[39]Johannesdottir F, Aspelund T, Reeve J, et al. Similarities and differences between sexes in regional loss of cortical and trabecular bone in the mid-femoral neck: the AGES-Reykjavik longitudinal study. J Bone Miner Res, 2013, 28(10):2165-2176.
[40]Treece GM, Poole KE, Gee AH. Imaging the femoral cortex: thickness, density and mass from clinical CT. Med Image Anal, 2012, 16(5):952-965.
[41]Hangartner TN, Gilsanz V. Evaluation of cortical bone by computed tomography. J Bone Miner Res, 1996, 11(10): 1518-1525.
[42]Prevrhal S, Engelke K, Kalender WA. Accuracy limits for the determination of cortical width and density: the influence of object size and CT imaging parameters. Phys Med Biol, 1999, 44(3):751-764.
( 本文编辑:王萌 李贵存 )
Research progress on bone mineral density and cortical bone assessed with quantitative computed tomography in the proximal femur
WANG Ling, MA Yi-min, CHENG Xiao-guang. Department of Radiology, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing, 100035, PRC
Hip fractures in the elderly are caused by decades of bone loss, as they grow older. A series of structural changes in bone will occur due to age-related bone loss in the hip. In order to adapt to such changes, the human body tends to preserve mechanically loaded elements. The resistance of fractures in the proximal femur depends on the bone mass and geometry as well as material properties. Up to now, local bone mass, routinely referred to bone mineral density ( BMD ), is the only factor clinically accepted in assessing hip fracture risk. Although dualenergy X-ray absorptiometry ( DXA ) is considered as the standard technique to measure BMD, quantitative computed tomography ( QCT ) is becoming an attractive alternative technique for certain indications. Because it can provide insight into how the femur changes with advancing age. This review highlights the research on QCT in CT examination of the pelvis and hip for BMD and cortical bone loss in the proximal femur.
Tomography, X-ray; Bone density; Hip fractures; Femur; Femur neck
10.3969/j.issn.2095-252X.2014.11.009
R445
北京市卫生系统高层次卫生技术人才培养项目 ( 2009-02-03 );首都卫生发展科研专项自主创新项目( 2014-2-112 );首都临床特色应用研究 ( z141107002514072 )
100035 北京积水潭医院放射科 ( 王玲、马毅民、程晓光 )第一作者现工作单位:南方医科大学珠江医院影像科
程晓光,Email: xiao65@263.com
2014-09-04 )