各类骨密度检测设备的工作原理及实现技术比较分析

周俊，唐昊，李咏雪

1.总后勤部卫生部药品仪器检验所 计量室，北京 100071；2.第三军医大学生物医学工程系，重庆 400038

各类骨密度检测设备的工作原理及实现技术比较分析

周俊1,2，唐昊2，李咏雪1

1.总后勤部卫生部药品仪器检验所 计量室，北京 100071；2.第三军医大学生物医学工程系，重庆 400038

本文阐述了各类骨密度仪的检测原理和技术性能特点，比较、分析了它们的临床应用范围，并对骨密度检测的金标准双能X射线吸收骨密度仪的测量原理和临床应用作了重点介绍。

骨密度仪；测量原理；双能X射线吸收骨密度仪

随着人们物质生活水平和卫生条件的提高，人口老龄化悄然来临，骨质疏松发生率日益增高，由此带来的骨质疏松性骨折等病症给很多人带来困扰。国际骨质疏松基金会调查显示：全世界50岁以上女性有1/3会出现骨质疏松性骨折，50岁以上男性有1/5会出现骨质疏松性骨折；到2050年，5000万左右的中国人会因骨质疏松而发生不同程度的骨折。预防和治疗骨质疏松刻不容缓，而其技术基础是检测评估骨密度。因此，目前骨密度仪的临床地位正日益提高，骨密度仪发展和创新已成为当今世界医学研究的一大热点。

1 骨密度仪的基本结构原理和分类

骨密度（Bone Mineral Density，BMD）是骨矿物质密度的简称，是骨骼强度的重要指标，它可以反映骨质疏松的程度[1]。目前临床上所使用的各类骨密度仪，其结构原理都大致如下：将某种物质（通常为携带一定能量的射线或者机械波）透射人体目标骨骼和软组织，使用特定的探测器对透射的物质进行检测以获得相关投射信息，利用计算机进行处理，即可得到目标部位的骨密度。

骨密度仪的种类较多，按测量原理和检测手段可分为单纯X射线机（X-ray Photodensitometry）、单光子吸收骨密度仪（Single Photon Absorptionmetry，SPA）、单能X射线吸收骨密度仪（Single Energy X-ray Absorptionmetry，SXA）、双光子吸收骨密度仪（Dual Photon Absorptionmetry，DPA）、双能X射线吸收骨密度仪（Dual Energy X-ray Absorptionmetry，DEXA）、定量CT（QCT）、PET-CT（Positron Emission Tomography-Computed Tomography）和超声波骨密度仪（Ultrasound Bone Densitometer，UBD）等[2]。目前，临床上使用最普遍的是双能X射线吸收骨密度仪和超声骨密度仪。前者是骨密度检测的金标准[3]，后者主要用于体检普查。

2 各类骨密度检测设备的工作原理及优缺点

2.1 单纯X射线机

使用X射线机检测骨密度时，需要将与骨密度等效的铝楔或者铝阶梯同人体目标部位一起拍摄X片，之后通过黑度计对X片进行测试判读，得到骨密度值[4]。此种测量骨密度的方法也称X射线片光密度测量法，测量的精确度和准确度较高，优于光子吸收骨密度仪，但易受X片质量和等效铝楔或铝阶梯加工精度影响。

2.2 单光子吸收骨密度仪（SPA）

SPA采用241Am（镅，半衰期432.2a）同位素放射源发出的射线对目标部位进行照射，并利用碘化钠探测器接收其穿透人体的射线，再根据朗伯-比尔公式处理，计算出骨密度M。此方法简单、快捷、廉价、辐射小、重复性高，尤其适用于软组织附着较少的骨骼，缺点是不能单独反映骨小梁的代谢变化[5]，且存在同位素衰减和放射源相对不稳定等问题。

2.3 单能X射线吸收骨密度仪（SXA）

SXA测试机理与SPA类似，以X射线放射源取代SPA的同位素光子放射源[6]，目的是克服放射性同位素衰减、放射源相对不稳定等问题，应用效果良好，临床应用较为广泛。

2.4 双光子吸收骨密度仪（DPA）

DPA检测原理与单光子吸收骨密度仪（SPA）类似，它利用同位素153Gd发出两种不同能量的射线，测量其穿过人体目标部位后射线的光子流率，利用两组朗伯-比尔公式进行处理得到骨密度[5]。此种方法能够最大限度地消除人体其他组织对骨密度的影响，特别适用于软组织较厚的部位，扩大了SPA的使用范围。缺点是辐射剂量较大，并且测量结果受人的体位和运动影响很大，该仪器在医院已基本停用[7]。

2.5 双能X射线吸收骨密度仪（DEXA）

DEXA采用过滤式或对球管分时施加不同高压的方法产生两种不同能态的X射线，对目标部位进行分别照射，同时检测通过人体目标部位的光子流率，同样利用两组朗伯-比尔公式进行处理，进而计算出骨密度[8]。DEXA做全身扫描骨密度检测的时间较短，只需十几分钟，辐射剂量较小，抗干扰、稳定性好，所获取的图像精密度、分辨率高，被世界卫生组织（WHO）推荐为骨密度检测“金标准”[2]。

2.6 定量CT（QCT）

定量CT又分为带体模和不带体模两种类型。带体模定量CT工作时需要将目标部位与已知密度的羟磷灰石体模一同扫描，以羟磷灰石扫描结果作为参考，将目标部位扫描CT值与羟磷灰石扫描CT值作比较，得出骨密度[9]。不带体模定量CT是以肌肉和脂肪组织CT值作为参考，比较目标部位与肌肉、脂肪组织的CT值，得出骨密度。定量CT是目前唯一能够测试区分骨松质与骨皮质的仪器，但其放射剂量大，扫描时间较长，测量准确性相对较低，不便于复杂结构的测量。

2.7 超声波骨密度仪（UBD）

UBD检测骨密度的方法主要有3种：宽带超声衰减测量法（Broadband Ultrasound Attention，BUA）、声速法（Speed of Sound，SOS）和SOS与BUA综合参数超声强度测量法，其中声速法应用最为广泛[10]。声速法是通过仪器的超声换能器在体外对目标部位发出一束超声波，当声波到达软组织与骨组织交界面时会有一定量的超声反射回来，并且被超声换能器接收端接收，另一部分声波则继续折射进入骨组织，当遇到骨的内壁时，又一次部分反射，再次被超声换能器接收端接收，由此可得到声波在骨组织内的传播时间，再通过一系列公式可得到声波在骨组织内的传播速度，最后利用公式计算得出骨密度[11]。超声骨密度仪操作简单、价格便宜、对人体危害小、适用于人群普查，但精准度一般[12]。

3 不同骨密度测量技术比较

不同的骨密度测量技术，其测量的技术指标也有所差异，常见骨密度测量技术比较，见表1。

通过表1对比可以发现：双能X射线测量能达到的准确度较高，其精密度也排在前3位，除超声骨密度仪外其辐射剂量最低，对人伤害最小。综合来说双能X射线吸收骨密度仪性能最好，适合医院及临床广泛使用。

表1 常见骨密度测量技术比较[13]

4 双能X射线吸收骨密度仪（DEXA）的原理

DEXA之所以被医学界称作“金标准”，是基于其独特而先进的测量技术原理，下面对DEXA做一详细介绍。

4.1 测量原理

双能X射线吸收骨密度仪通过两种不同能态的X射线穿过人体组织，不同组织对X射线的吸收不同，对穿过人体的X射线进行计算机处理，得到骨矿含量等骨情况。低能X射线遇到骨骼时比遇到软组织衰减程度更大，而高能X射线在骨骼组织和软组织内衰减程度相当，可利用相关公式得到所需骨密度[14]。

4.2 临床应用

临床上并不直接应用骨密度进行诊断，一般会将其转换成T值和Z值[15]。T值是将被测者的骨密度与同性别、同种族正常青年人群的平均骨密度相比较得出，其含义，见表2。具体计算公式如下：

2-

其中Ms为被测者骨密度，单位g/cm；Ms为同性别同种族正常青年人群的平均骨密度，单位g/cm2。

表2T值的含义

Z值是将被测者的骨密度与同性别、同种族、同年龄人群的平均密度相比较得出。Z值的计算公式与T值类似，只是以同龄人的骨密度均值为比较对象。

5 结语

目前，市场上的骨密度仪种类繁多，而适合医院使用的骨密度仪主流产品有两种：超声骨密度仪和双能X射线吸收骨密度仪。超声骨密度仪优点主要体现在其方便快捷且无辐射，双能X射线吸收骨密度仪优点主要体现在其精度和准确度高、辐射低。双能X射线吸收骨密度仪是骨密度检测的“金标准”，在骨密度检测中具有举足轻重的地位。

[1] 杨宗炎.骨质疏松与骨密度仪进展[J].中国医疗器械信息,2015, 11(2):38-41.

[2] 朱春风.骨密度影像学测量方法简介[J].山西医药杂志,2013, 46(6):642-644.

[3] 贺蓓仪,田晓梅,胡培安,等.双能X线骨密度仪两种扫描方式的对比[J].医学影像学杂志,2013,23(5):780-782.

[4] 温孝恒.骨密度的测定方法[J].中国骨质疏松杂志,1998,4(1): 69-72.

[5] 庄子颖,陈长青.骨密度检测方法的演变及其进展[J].亚太传统医药,2010,6(12):176-178.

[6] 殷晓静,赵兴群.基于ARM的超声骨质疏松诊断系统的设计[J].医疗卫生装备,2007,28(9):6-8.

[7] Gui JC,Liu XD,Gao GQ.Study on the bone mineral density(BMD)of healthy young and middle-agemen[J].Chin J Osteoporos,2008,14(10):729-732.

[8] 肖建强,王慧.双能X线吸收法骨密度仪测试原理浅析[J].上海生物医学工程,2001,22(4):48-49.

[9] 程晓光,余卫.定量CT骨密度测量技术的进展与临床应用[J].中国医学影像学杂志,2011,19(12),881-883.

[10] Yales AJ.Radio graphic absorptiometry in the diagnosis of osteoporosis[J].Am J Med,1998,98(2):41-47.

[11] 甄晓晖.超声骨密度检测技术的研究[D].山西:中北大学,2009: 1-67.

[12] Genant HK,Engelke K,Fuerst T,et al.Noninvasive assessment of bone mineral and structure:state of the art[J].J Bone Miner Res,1996,11:703-730.

[13] 李自强.应用于双能X射线骨密度仪的扫描控制及数据采集系统研制[D].湖南:南华大学,2008:1-53.

[14] 孙黎明.双能X射线吸收骨密度仪原理及质量控制[J].医疗设备信息,2007,(9):37-73.

[15] 张婧涵,殷衡基.关于骨密度仪测量准确性的探讨[J].中国医疗器械信息,2016,16(4):14-20.

Comparative Analysis of the Working Principle and Implementation Technology between Various Bone Mineral Density Testing Devices

ZHOU Jun1,2, TANG Hao2, LI Yong-xue1
1.Measuring room, Institute for Drug and Instrument Control of Health Department GLD of PLA, Beijing 100071, China; 2.Department of Biomedical Engineering, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China

This paper elaborated the testing principle and technical characteristics of varieties of bone densitometer so as to compare and analyze their range of clinical use. It also focused on introduction of the measurement principle and clinical application of dual energy X-ray absorptiometry, which is the gold standard for bone mineral density detection.

bone densitometer; detection principle; dual energy X-ray absorptiometry

R318.6；TH772.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.020

1674-1633(2016)06-0081-03

2015-12-21

2015-12-29

2015年度军队后勤科研计划（CW15B045）。

李咏雪，高级工程师。

通讯作者邮箱：yxjlzx@vip.sina.com