定量CT 在评估骨强度领域的应用研究进展

天津北大医疗海洋石油医院放射科 （天津 300452）

内容提要： 目前临床主要采用双能X射线骨吸收测定技术对单位面积内的骨密度进行评价，但是该技术测量的结果为三维空间分布的骨组织密度在二维平面内的投影，难以有效反映骨组织的三维空间密度。此外，对于松质骨和皮质骨也难以有效区分，应用效果有限。定量CT技术的出现有效解决了该问题，该技术可以对骨组织密度的三维空间分布进行有效检测，能够有效测量任何部位松质骨和皮质骨单位体积内的骨矿物质含量。基于该技术得到的高分辨率影像资料来构建有限元模式，还可以对骨组织强度进行更为准确可靠的评估。文章将近些年取得的研究认识和研究进展进行综述，以期为临床骨强度的评价提供借鉴。

近年来随着我国老龄化进程的不断加快，我国骨质疏松症的发病率呈现逐年升高的趋势[1]。骨质疏松症主要表现为骨量明显降低，骨微结构发生变化，骨皮质明显减薄，进而导致在较小外力作用下或者跌倒时便可能发生骨折[2]。一旦发生骨折，会严重限制患者的行为能力，对患者的身体健康和生活质量造成严重影响[3]。因此，采取有效方法对骨量和骨结构进行有效评估，对于骨质疏松症的预防具有积极意义[4]。定量CT技术相比双能X射线骨吸收测定技术在骨强度评估方面具有明显的优势[5,6]。

1.基于定量CT得到骨量来对骨强度进行评价

定量CT可以得到三维空间内分布的骨密度数据，即体积骨密度数据，并且其在测量时可以有效区分人体各个部位的松质骨和皮质骨，对其分别进行测量，能够对估量进行更为准确的评价[7]。但是由于对于人群尚未建立体积骨密度数据库，在一定程度上限制了定量CT的应用范围。借鉴用双能X射线骨吸收测定技术中的t值参考标准，人们在定量CT技术中也提出了t值参考标准的方法，但是目前该t值参考标准尚未在全世界范围内得到认可。李晓玉等[8]选取了59例北京积水潭医院干部科住院老年男性患者为研究对象，对患者均开展腰椎正位和髋关节的双能X射线骨吸收测定以及定量CT技术检查，结果显示定量CT技术的骨质疏松检出率明显多于双能X射线骨吸收测定技术，差异具有统计学意义（P＜0.05），这表明定量CT技术在老年男性骨质疏松诊断方面具有更高的敏感性。程克斌等[9]选取103名女性和49名男性为研究对象，分别采用双能X射线骨吸收测定技术和定量CT技术对髋关节骨密度进行测量，结果显示定量CT技术测量骨密度更加准确，更值得在骨质疏松症诊断中进行应用。

2.基于定量CT得到骨骼宏观结构来对骨强度进行评价

定量CT技术结合相关的配套软件可以获得骨骼的宏观结构参数，进而能够对表观骨强度进行有效评价[10]。蔡康健等[11]通过定量CT技术对人体腰椎进行扫描获得相应的影像数据，然后分别应用六种不同的单元尺寸、及两种皮质骨机构建模方法、两种松质骨材料属性分配方法以及两种松质骨非均匀材料属性分配梯度构建了22个不包含后部结构的腰椎L2段椎体有限元模型，基于力学理论采用相关的计算公式可以得到这22个有限元模型的各项观测参数，包括最大位移、平均应力以及轴向刚度等。结果显示采用0.5mm尺寸的六面体单元、采用150种椎体松质骨非均匀材料属性，采用最外层六面体单元模拟椎体皮质骨结构，来构建人体腰椎椎体有限元模型，更为合理有效。此外人们通过分析不同年龄段的股骨近端骨骼宏观形态，发现股骨颈的皮质骨厚度和横截面积以及股骨干部位的皮质骨骨密度会随着年龄的增大而逐渐下降[12]。

3.基于定量CT得到骨骼微观结构来对骨强度进行评价

近些年随着医学成像技术的不断进步，高分辨定量CT技术已经可以成功对桡骨和胫骨远端松质骨的微观结构进行有效测量。现阶段高分辨率外周定量CT技术已经可以达到100μm级别甚至更高的分辨率水平，而松质骨骨小梁的平均厚度为100～150μm，所以完全可以应用高分辨率定量CT技术通过测量松质骨的微观结构来对骨强度进行更为准确可靠的评价[13]。目前采用高分辨率定量CT技术可以获得的松质骨微观结构测量参数包括骨体积分数比、骨小梁厚度、骨小梁间隔、单位体积内骨小梁数量、结构模型指数以及皮质骨的微观孔隙直径大小等。吴沛泽[14]采用定量CT技术对动物的骨结构参数进行了有效测量，包括骨小梁形态学和拓扑学参数两个方面，并采用方针数据对测量数据进行了验证分析，结果表明采用定量CT技术可以有效对骨小梁厚度等微观参数进行测量，有助于更好掌握骨质疏松病变规律，对骨质疏松疾病进行早期诊断。

4.基于定量CT构建有限元模型来对骨强度进行评价

在生物力学实验中主要采用轴向压缩以及三点弯矩等离体实验等对骨强度进行评价，但是其准确度存在一定的上限，要想进一步提高对骨强度评价的准确度则应该采用有限元建模的方法。通过有限元模拟运算得到骨组织高分辨影像资料，然后将资料的像素点转换为立体的体素点，在此基础上构建三维骨组织模型，基于相关准则对体素点进行材料赋值，然后便可以对骨骼的应力和应变特征进行有效模拟，对骨强度进行准确评价[15]。

5.小结

基于上述分析，目前定量CT技术已经在骨强度评估领域中开始广泛应用，并且取得了良好的效果。定量CT技术不仅可以对三维体积骨密度进行有效测量，还能够对骨骼三维结构进行高分辨率还原，并基于高分辨率测量数据进行有限元模拟来提高对骨强度的评价准确性和可靠性。但是定量CT技术具有一定的辐射性，同时检查费用较高，在一定程度上限制了其进一步应用。相信随着技术的发展和进度，定量CT技术将会在骨强度评估领域发挥更大的作用。