老年女性跟骨超声参数与股骨近端生物力学的相关性

李 明，吕厚辰，张里程，尹鹏滨，唐佩福，张立海

解放军总医院 骨科，北京 100853

骨质疏松症是以骨量减少，骨小梁变细、断裂、数量减少，皮质骨多孔、变薄为特征，导致骨强度下降、骨脆性增加及骨折的危险性增加的全身性骨病[1]。双能X线骨密度仪(dual energy X-ray absorptionmetry，DXA)通过测定骨密度(bone mineral density，BMD)及T值诊断骨质疏松症已成为当前诊断骨质疏松的金标准[2]，但其检测对骨骼强度及微观结构等因素缺乏有效评价。定量超声(quantitative ultrasound，QUS)通过测量宽带超声衰减(broadband ultrasound attenuation，BUA)、超声传导速度(speed of sound，SOS)及硬度指数(Stiffness)，不仅可反映骨密度，还可反映骨强度和微观结构[3-5]。自1984年Langton等[6]首次报道采用QUS检测骨质疏松以来，QUS因其无辐射、操作简便、低成本等显著优势已得到了广泛应用并逐渐推广。相关研究证实，QUS检测参数与髋部、腰椎骨折风险相关[7]。此外，QUS检测参数硬度指数还可反映骨的力学性质[8-10]。Huopio等[11]通过QUS估计随访患者低能量骨折的相对风险，发现跟骨硬度指数与骨折风险相关，按Cox回归模型的一个标准差下降计算，硬度指数的风险比(hazard ratio，HR)及95%置信区间(confidence intervals，CI)为1.90(1.25 ~ 2.91)。Moayyeri等[12]通过前瞻性Meta分析研究发现，QUS检测参数均与髋部骨折风险相关且硬度指数的风险相关性最高，硬度指数的相对危险度(relative risk，RR)为2.26(95% CI： 1.71 ~2.99)。但就当前多发的髋部骨折而言，特定区域的直接检测可更好地预测骨折风险，跟骨硬度指数能够很好地反映跟骨骨松质力学性质，但其与股骨近端生物力学特性是否相关尚难以定论。故本文通过对34例老年女性骨质疏松性股骨颈骨折行跟骨QUS、股骨头内负重区骨松质QCT及生物力学检测，探讨老年女性跟骨硬度指数与股骨近端生物力学弹性模量的相关程度，进而证实在老年女性中跟骨硬度指数对股骨近端生物力学预测能力。

对象和方法

1 研究对象 连续纳入2014年1 - 6月于本院骨科行髋关节置换的34例骨质疏松性股骨颈骨折的绝经女性，年龄56 ~ 93(75.0±10.8)岁。收集股骨头31例，因手术致股骨头破碎3例(表1)。患肿瘤、关节感染、糖尿病和其他可能影响骨代谢的患者均被排除。见表1。

2 股骨头负重区骨松质样本获取 术前对患者行髋部断层扫描(computed tomography，CT)，根据影像资料选定取材区域为沿股骨头主要压力骨小梁方向，取主要压力与主要张力骨小梁交界处骨质。依据患者股骨头三维重建影像数据结合3D打印技术建造取样模具。关节置换术中留取患者股骨头标本，测定所取股骨头标本平均直径为(5.0±0.4)cm，留取股骨头标本置于-20℃保存。待标本收集全后，根据3D打印模型对股骨头标本主要压力与主要张力骨小梁交界处骨质予以精确取材。

3 QUS测定BMD 所用设备为Sahara型跟骨定量超声仪(Sahara Clinical Bone Sonometer，HOLOGIC，Bedford，MA，USA)，所有患者均于术前进行检测，测试前使用体模校正调试仪器，被测者取坐位，用凡士林擦拭被测者右(或左)足跟的两侧(超声探头接触的部分)，被测者将右(或左)脚放置于检测台上，保持足跟紧贴检测台后壁后进行检测，整个操作过程由骨密度仪自动完成。检测记录测定结果：超声传播速度(SOS，m/s)、超声振幅衰减平均值(BUA，dB/MH2)、Estimated BMD (Est.BMD，g/cm2)、超声硬度指数(QUI/Stiffness)，QUI/Stiffness计算公式：

上述检测均由同一检查者完成，Est.BMD、SOS、BUA的变异系数分别为3%、0.22%和3.7%。

4 QCT测定BMD 所用设备为Brilliance计算机 断 层 扫 面 仪(Brilliance iCT 728306，Philips，Netherlands)，将-20℃保存1个月的骨松质骨柱(高1 cm，直径1 cm)取出后，置于PBS缓冲液中于室温下复温，将其置于QCT检测平台，CT体模置于骨柱下方(QA calibration phantom，Mindways Software，Inc，USA)，扫描层厚为0.625 mm，分辨率为512×512，电压120 kVp，利用系统软件进行骨松质测量，得出骨松质骨柱BMD值。

5 生物力学测试 使用Instron3366万能电子试验机(Instron，High Massachusetts，USA).上进行压缩性试验，将-20℃保存1个月的骨松质骨柱取出，置于PBS缓冲液中于室温下复温，将圆柱形骨柱置于试验机压缩工作台中心位置，驱动机器以1%/min的实验速度对试样施加压应力，直至骨柱破坏，记录屈服强度(Yield strength)、极限强度(Ultimate strength)和杨氏模量(Young's modulus)。

6 统计学分析 采用SPSS22.0统计软件进行统计学分析。定量数据用-x±s表示，相关性行偏相关分析，相关系数r表示参数间的相关性。P＜0.05为差异有统计学意义。

表1 35例股骨颈骨折患者基本资料Tab. 1 Baseline characteristics of 35 patients with femoral neck fracture (n=34, -x±s)

结 果

1 跟骨超声参数、股骨头骨柱QCT及生物力学检测指标 患者跟骨Est.BMD为(0.249±0.175) g/cm2，Stiffness为47.8±8.4；股骨头骨柱QCT.BMD为(347.380±52.439) g/cm3，股骨头骨柱Young's Modulus为(233.7±71.6) MPa (表2)。

2 跟骨超声参数、股骨头骨柱QCT-BMD及股骨头骨柱生物力学间相关性分析 跟骨SOS、BUA、Est.BMD与股骨头骨柱QCT-BMD均呈正相关(r=0.411，P＜0.05；r=0.366，P＜0.05；r=0.495，P＜0.01)(图1ABC)。跟骨Stiffness、股骨头骨柱Young's modulus与股骨头骨柱QCT-BMD均呈正相关(r=0.490，P＜0.01；r=0.483，P＜0.01)(图1DE)。跟骨Stiffness与股骨头骨柱Young's modulus呈正相关(r=0.418，P＜0.05)(图1F)。

表2 35例股骨颈骨折患者检测指标Tab. 2 Detection index of 35 patients with femoral neck fracture (n=34, -x±s)

讨 论

跟骨为足跗骨，主要由骨松质构成(90%)，骨重建修复周期短，故对骨质变化敏感。此外，跟骨支撑体质量，属负重区骨，加之跟骨两侧面近似于平行，骨皮质及软组织较薄，便于进行检测，故跟骨定量超声检测可更早、更准确地诊断骨质疏松，预测髋部及脊柱的骨折危险[14-15]。

本文通过对34例绝经后老年女性行跟骨QUS及股骨头负重区骨松质骨柱QCT及生物力学检查，结果显示，跟骨SOS、BUA与负重区骨松质QCTBMD均呈正相关(r=0.411，P＜0.05；r=0.366，P＜0.05)。跟骨Est.BMD与股骨头负重区骨松质QCTBMD呈正相关(r=0.495，P＜0.01)，考虑原因为跟骨及股骨头骨松质负重区皆为高含量骨松质结构，故存在一定相关性。上述结果符合当前研究结果，跟骨超声检测参数与髋部BMD存在较好相关性[16-18]。同时我们发现跟骨Stiffness、负重区骨松质Young's modulus与负重区骨松质QCT-BMD均存在相关关系(r=0.490，P＜0.01；r=0.483，P＜0.01)。跟骨Stiffness为QUS检测参数BUA与SOS计算得来，且BUA与SOS均与负重区骨松质QCT-BMD相关，故跟骨Stiffness与负重区骨松质QCT-BMD存在相关性，较BUA与SOS能更好反映骨的质量[14]。而且，我们发现负重区骨松质Young's modulus与负重区骨松质BMD呈正相关，提示股骨近端骨松质生物力学与BMD有一定相关关系[19]。此外，Lochmüller等[20]通过评价跟骨超声检测参数与股骨、腰椎机械破坏载荷之间的相关性，发现跟骨Stiffness与股骨机械破坏载荷呈正相关(女性r=0.49；男性r=0.55)。而我们分析了跟骨Stiffness与股骨头负重区骨松质Young’s modulus，发现两者存在相关关系(r=0.418，P＜0.05)，与Lochm üller等研究结果相符，提示跟骨Stiffness可在一定程度上反映股骨近端粗隆间骨质生物力学性质。

图 1 线性回归分析A： SOS与QCT-BMD相关分析； B： BUA与QCT-BMD相关分析； C： Est.BMD与QCT-BMD相关分析； D： Stiffness与QCTBMD相关分析； E： Young’s modulus与QCT-BMD相关分析； F： Stiffness与Young’s modulus相关分析Fig. 1 Linear regression analysis A: Correlation between SOS and QCT-BMD; B: Correlation between BUA and QCT-BMD; C: Correlation between Est.BMD and QCT-BMD; D: Correlation between Stiffness and QCT-BMD E: Correlation between Young’s modulus and QCT-BMD;F: Correlation between Stiffness and Young’s modulus

本文研究不足之处：1)因股骨近端骨质取材困难，故选择股骨头内负重区骨松质予以替代，股骨头内负重区骨松质为压力骨小梁与张力骨小梁交叉区域，较跟骨骨松质微观结构不同，可能导致两者相关性存在一定差异。2)偏相关校正因素为骨骼大小(股骨头直径)，原因为骨骼大小可较好地反映患者骨质及生物力学情况，考虑其他影响因素对骨生物力学影响性较小而没有校正。3)选取本研究样本量较少可能是导致生物力学性相关性不显著的原因。因此，为明确跟骨Stiffness是否能准确反映股骨近端生物力学特性，是否存在与其他因素相关，还需进一步研究。

综上，我们认为跟骨超声检测参数硬度指数在一定程度上可以反映出股骨近端粗隆间骨质生物力学特性，对预测老年女性骨质疏松患者股骨近端骨折风险有一定价值。

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