成都华西华科研究所分析单光子吸收法（SPA)单能x线吸收法 (SXA)与QCT骨密度软件体模检测方法

单光子吸收法（single photon absorptiometry，SPA)楚 1963年由美国Cameron和Soreson首先研制成功。骨 密度可由吸收定律求得，f = Le¹**又叫Lambert-beer 定律，/。是未经任何组织吸收的原射线的强度（或计数）， 经过庠度为〖吸收系数为//的组织吸收后的放射线强度 (或计数）为/，e为自然对数底。由于单光子吸收法测定 该部位的软组织厗度相等，软组织不影响测M骨组织的 结果，因而一束恒定能进的放射线，对#(羟磷灰石）的吸 收系数（可以亊先求得，/。和/都由测《病人时直接得 到，这个定律只求一个/值，讶序度f乘羟磷灰石的密度 就是g/cm²,这是计算原理，实际还要复杂一些。光子穿 过任何物质后/的大小由光子的能fi(keV)穿透物质的 密度和厚度决定。能最大的光子能够穿透史厚的物质、 能M小的光子只能够穿透较薄的物质。如碘-125放射 性同位索发出27.5keV能M的光子则仅仅可以穿透5cm 厚的软组织，因而只能测搿手、足、前臂、婴儿和老鼠的骨 密度，该同位素的申哀期60天，经常换放射源，应用不方 便，如果要测《老鼠的骨密度也只好用它了。另外常用 的镅-241放射性冋位家，发出的60keV能域的光子，可 以穿透30cm厚的软组织，可以用它来测燉四肢各处的骨 密度，但由于放射线能M过大，测骨ft少的老鼠和翌儿 则效果不好，其半衰期433年，鱼到仪器报废，不用换放 射豚【²、根据Lambert - Beer定律/= /oe '设未经任何组 织吸收的原射线强度为/。，经过厚度为的软组织吸收 后的射线强度为/。’，经过厚度为G的软组织和厚度为 “的骨矿物质吸收后的射线强度为/,/,,、外和外分 别代表软组织的减弱系数和密度及骨矿物质的减弱系数 和密度，则上式可以改写为/ = /₀e^-(VW“>

=/〇e^-【V, W =VV.ro.eV^ .e-W*

因为厂〇= /〇e-VA

所以/=匕 解上式V,、h

t^bpt ~ M，P, ¹ 上式两端乘为，则得一个测贵点的背矿含量

p山（单位为g*cm_² )

hbRh ~ h,p_t -

实际测里是横越骨长轴扫描，则出现一系列点的 m₆，叫做m_A,,设每个点间的距离为Ar,则扫描迹线处 1.Otm长度的脊矿含童为M>。

^ r/i*Ar

W

单位为gthP<> ~ M fr_L 将放射源霣于铅室里.室的一方开一个2 x (5〜10) cm大的小孔，放射性同位素的放射线从此孔射出，射出 的放射线经过等厚度的软组织，如人体厚度不均则用水 袋填充或直接放肢体入水中测量，由于软组织厚度相等 对放射线的吸收是相同的，躭不考虑软组织的影响，由 Nal探头接收计数，有骨的部位计数为/,无骨的部位计 数J。。根据吸收定律能够计算出骨密度（见图12-1)^13]。图12-1单光+吸收法骨矿含*测最原理 1.探测器2.软坩织供》3.骨矿物*横型4.准飪器

5 « 241探头和放射线源连在C形臂t可以在肢体上作一维 扫描或二维扫描。按厂家设i丨而定，SPA仪测纸一个耶 位用几分钟时间，照射剂S极低（<】叫V)，约相当于一张 胸片的1/50,精度误差<2%,准确度误差4%〜6%,全 部仪器便携式，床旁和普査应用方便，价格低廉，设备简 单易于窣握。婊常测最部位在非优势桡骨中远1/3部， 也可用于桡骨远端1/10部或超远端及跟骨、手部骨、每开展一个部位的测该都应收集正常参考值数据，为诊断 骨质疏松症作参比标准。spa应在每n测菝病人之前测 繳厂家钔质体模，偏离基线一定范围应该校正测a值或 修理仪器。spa —维扫描测世桡骨中远丨/3部，该部的 皮质骨占95%，骨外径在纵轴上的变化很小，因而测里 的精度较卨，但测播结果主要反映皮质骨的密度，不能反 映转换率较快的松质骨的变化，因此对骨代谢的早期改 变监测尚不足。一维扫描测ffi筲状骨端的骨密度®复性 较差，原因是宵状骨袖有膨大变化，当测M位置轻微变 化，就引起#横径较大的变化，骨密度BMD-g/cm/cm (横径），该方程的分母是#横径，所以骨横径的改变影响 骨密度的结果。再则用同位素碘-125常常必须更换 原，镅-24丨的射线能萤大（60keV)在婴儿、学龄前儿童 和小动物不便应用，所以有单能X线的吸收法骨密度仪 问世。

由于SPA的方法测M骨矿密度存在h述缺点。逐 渐由同位教源改为X线源，只要能稳定电压，明显的提高 了测里的精度、分辨率和速度。因此，由一维扫描发展到 二维扫描，山以波形表现骨密度发展到以骨密度大小排 列成矩阵图，更为直观，并提供T积分（T-score)和Z枳 分(Z-scorch¹,更有利于临床医生对骨密度减低稈度的 理解。由于SX/V的扫描速度提高，可以作二维扫描，二 维扫描为测M宵状讶瑞（桡骨远端）的松质骨区提供了可 能，该区桡骨超远釉松质骨占60%,松质骨的骨转换率 较皮质骨高8倍，提高了诊断敏感度；行报告提示前评远 端丨/丨0部与腰椎和股骨颈的BMI)之间的相关系数分別 为0.66丨和0. 872,前臂中远1/3部与腰椎和股毋颈的 BMD之间的相关系数分別为0.332和0. 722,因而测里 远端松质铐优于骨T。以X线为放射源测帘学龄前儿 章、婴儿和小动物也不困难。SXA仪有Norland公司的 SXA3000、Ho丨ogic公司的DTX - 100及丹麦生产的0^- ometer 等 ₀影晌测M值的三个因素^ti3_:水作为软组织的等效物质对测里值的影响，当软组 织厚度不均匀时以水填充达到均匀厚度后测S,以消除 软组织厚度不均对骨密度测M的影响。本研究以铝圆筒 代替骨，以水代荇软组织，把铝简放人从2cm到10cm深 的水浴中测緻，铝筒的BMC随水浴的加深有逐渐下降 (1.759,丨.739, 1.729, 1.724,丨.685)趋势，提示在< 6cm厚软组织悄况下测摄骨密度值比较稳定⑴。

皮下脂肪影响测簠值的试验，测M 41例19岁至23 岁的男女性（男24、女17)的桡骨中远1/3的伢密度，每例 分两种方式测量，第一种方法是软组织基线（软组织计数 值)取在尺桡骨之间，该部放射线穿过的皮下脂肪较薄， 第二种方法是软组织基线取在桡骨的外侧，该部放射线 斜行穿过皮下脂肪，穿过的脂肪厚为第一种方法的2至3 倍，笫一种方法的BMC的平均值为1.054g/on，第2种方 法的BMC平均值为1 • 410g/cm,差姅硓著（P = 0.0005),前者的BMC较后者小34%。以体模做实验证 明软组织基线取在尺桡骨间的测量值符合实际值，取在桡骨外侧的软组织作基线值小于实际值^[31。骨横径大小影响测M结果，在SPA的一维扫描中骨 密度BMD = g/cm + cm : g/cm²,从这个方程可以得出骨 密度（g/cm²)与骨横径成反比的结论，应用这个结论，当 两人冇同样大小的BMC,由于两人的骨横径不同，栻然 得出差异很大的两个BMD，甚至一个诊断骨质疏松而另 一个正常。如两个妇女的桡#中远1/3的BMC都为

1.  710g/cm(峰值骨墩均值为0.823 ±0.10),为低骨镦；1 例的骨横径为 1.4cm,则 BMD= 0.710+ 1.4 = 0.507 g/cm²,(低于峰值骨M减2.5SD，即0.525K/cm²)诊断骨 质疏松；另-•例#横径为0. 9cm,则BMD=0.710 + 0.9 = 0.788g/cm²(卨于平均峰值肯密度的下限0.725g/_Cm²) W正常#密度。所以当有过大过小的#攢径时.最好不 用g/cm²诊断#质疏松，而以g/on诊断骨质疏松，因为 BMC(g/_Crn)与力学强度相关好于与BMD的相关。

三、双能X线吸收法（dua丨energy x-ray ab­sorptiometry • DXA 或 DEX A1

SPA和SXA只能测四肢骨的骨矿密度，因为它测& 的部位要求相间厚度的水样密度的软组织。如自然的软 组织不等厚，则用水浴或水袋做成等厚软组织补赏，桡骨 远端虽然脆性骨折常发，但松质#不如椎骨丰甯，也不像 餿部娃讶折最危险的部位。进行胺椎和髋郎的骨矿密度 测®,DXA方能达到0的，躯T•周围不仅有水样密度的 软绀织，还有相当多的气体和脂肪，且软组织厚度差也 大，SPA和SXA必然不能达到目的。

1966年Reed首先研究成功双光子吸收法（dual pho­ton absorptiometry ，DPA)料矿密度 测里仪⑷ ，DPA 问世初 期是用两种不同的同位索分别发射两种光子来测敏的， 以后山同时发射lOOkeV和44kcV两种光子的一种同位 素Gd-153取代¹⁵¹。但是同位索不断袞变则避免不了常 常换同位索涣，且放射线强度弱，以至测M—个腰椎要花 30min,分辨率和精确度都比较差（2%〜4%)。1987年 美国的Hdogic公司生产出第一台DXA仪，从此DXA代 荇T SPA在临床上的应用^[6),以后美国的Lunar公司和 Nodand公司及法闰的DMS公司等相继生产了各自的 DXA系列产品；由于DXA的精度高、低放射剂》、可测 进的部位多、适应范围广（从老鼠到人体的测坡）、应用方 便等优点，是目前在临床上和流行病学调杳中使用最广 泛的密度澜最方法，通常临床药物疗效试验用这种仪器， 全世界已超过20000台^[7:。在我国有0£-1^訂、出丨〇«- ic、Norland和DMS等多种仪器在应用，以Lunar的占有 韦最高。高兴的楚我国自己研制的第-•台DXA仪已在 上海市诞生。

DXA测最骨矿密度的原理基本和SPA相似，即是通 过吸收定律/ = 推导和计算，在DXA中有高能和 低能两种光子，由于是笔束的细光柱，不考虑散射的影 响。任何射线穿透被测敢的人体，必然被人体组织吸收， 密度低的组织吸收射线少，如气体、脂肪、肌肉组织，密度 高的骨组织吸收射线多。当高、低能里的两种光子透过44keV100k«V能量图丨2-2放射线在毋.软绀织、脂昉组织中的不M线性袞减率设未经组织吸收的两种光子强度分別为/。,和/_w， 经被测fi组织吸收后的强度为/,和/₂,/^^和//1,分別 为骨绀织的质坫减弱系数和质M厚度，余类推，根据 Lambert 定伟得:

I 一 | - fimt I mi - fimb I mb

¹ i ^— i〇i e

* 一丨 -mt • ftmb2 mb

12 ~ ¹02 ^e

解t两式得

m_k = K

(/«/„

""02 ) - ( hj/丨-“ Ini2 )

K_fim_i2 Ini~ •   /^»,2

(mb为一个点的质M阳度、单位为g*cm ² >

-T——^⁵~ -T (町书先箅出一个常数）

fimb_x ⁹/tms₂ * fxm〇ifims_x

当作扫描测故时，求上述测敏《个点的的方程

如下：

设扫描部钟矿含坩为M6,则：

M₆ = y] mb, = n • k[ /«/〇, - ^^m,x f_w/

一 k

_lnlx，t^L_lnl._t

fims₁

目前DXA仪的岛、低两种能ft光子获得的方法有两 种，一种是以GE - Lunar公司和Norland公生产的仪 器为代在，用高稳定的X线管和变压器，通过X线竹产 生的X线冲击到X线脔口上的铈或钐过滤板上（一种稀 有金《板>,由铈或钐元素激发后发出的K层特件射线 约40keV(又称K边）。这样经过转换后产生强度很大的 约40keV和80keV两个能M的光子（80keV的光由X线 符产生），可视为准中能的光子，这两个光子分别由两个 不同的探头和节进接受，（不域于这两个能的其他光子不 被计数>。这个光子探测系统吋以每秒探测30万个脉同样密度的组织.织织对他们的吸收也有差异，低能光子 被绀织吸收多，高能光子被组织吸收少，双能工线就是 利用组织对高低能光子吸收的差异，由仪器的探头将光 能吸收的差异转变成计算机脉冲计数和脉冲高低的差 异，这种计数可以进行运箅；经过软组织等效处理，用低 能光子的脉冲计数减A能光子的脉冲计数.可以消去一 切低密度软组织的H•数差，只剩下高密度骨绀织的丨丨数 差，通过一定的方法将这种中•纯的骨组织计数差转变成 竹的羟磷灰右的坩（g值或g/cm²值）.这就是我们要的竹 矿密度（图12-2>。冲，奄不漏记，而且这种由钐过滤产生的两个能M的光 子，少受射线穿透较厚组织发生射线硬化的影响（图

2.  3)。另一方面如射人探头的光子超出30万个，例如 一个体屯较小的人测ft会发生这种光子过多累积而瀨记 光子数的现象.这样会造成测埴误差，仪器自身有一套软 件程序控制的辅助设备稳定射人X线的强度在30万个 光子以内。另一种I)XA仪为Hologic公司生产的，其两 个光子的能M是通过电子能域开关来取得，这个开关使 发出的射线能ft在70keV和140keV之间交替出现，通 过60 Hz系统中产8. 33ms的脉冲，从50H7•中产生丨Oim 的脉冲；这种能敢开关系统产生的射线易丁•发生硬化，所 以要有X线线束硬化补赏系统。这个补偿系统是一个与 X线脉冲同步旋转的轮盘，轮盘由背和软组织的等效材 料系统做成，这个轮盘对射线硬化动进行补赏校正，消 去射线硬化而引起的骨密度测世误差（图12-4)。

图12-4 Hdogic生产的DXA仪的较准轮盘DXA是0的应用很广的付矿密度仪，常用的测故部 位有腰推、股骨上端（股竹颈、Wards三角、大转子、骨干、 全部）、前臂、全身、人工股伢植换后监测，人体成分、儿 电、小动物测铍等。M新的发展主要有以下几方面：由笔 束朽描（pencil beam)发诚到崩束（fan bean)和窄免塌llifj 描（narrow - angle fan )，腰椎侧位丹密度渊毋由职来翻动 病人定位，到不动病人而转动C哦臂定位.髋部背密度测 ft由原来测M单髋，现在可自动双髋测丨jt(如GE- Lunar 的prodigy型>，有的仪器可以测M髋长轴（GE- Lunar prodigy),多个厂家已开发出煳困钟专用DXA仪（如Nor­land 的 pDEX A, GE - Umar 的 Pixi 等 ） ， 其 特点是 可以携101.O0.1

带到任何地区去测燉。最近的丨)XA提高了测1速度，除 南束扫描的PA腰椎提高到15s以内，笔束扫描也由原来 的PA腰推5min扫描速度提高到2mi_n左右。扇束扫描：扇束扫描的特点是一片扇形的光束像一 把扇形的无形刀，横切过人体，光束穿过人体后，由一排 横置多个探头接受，一般200多个探测器，这一排探头代 替了原来笔束单个探头横行人体的扫描；即是阁束扫描 的实际运行方向只有平行人体纵轴的一个方向，没冇横 行扫描方向，因而大大缩短了扫描时间（从职来的5〜 lOmin 缩短为 6~ 15s)。如 GE - Lunar 的 Expert 型仪器 和Hologic和QDR-4500邢《于此类，由探测方法和计 算方法改进则阁像更淸晰〇由于楚扇形的射线敗开，会 出现放大失真（误差），探头距骨骼越远放大越明显，误差 越大，BMD和投影面积较笔束扫描仪大。扇束腰椎 BMD较笔束的高1.5%,在髋部扇束的BMD较笔束低3.  7%,扇束与笔束_最1^10的相关系数r = 0.99。由 于扇朿稍度误差较大，GE- Umar又开发出界丁阐束和 笔束之间的窄角扇束新型背密度仪（prodigy哦DXA)，其 主要特点是将盖完人体横径的宽扇束改为不包完人撗径 的窄角电束，装存多个碲化锌镉探头，较Na丨探头有更好 的探测效率，其速度仍然较快，扫描完腰椎正位约花20s， 图像的分辨率仍较笔束仪为好，准确度和精度误差减小， 见图12 - 5。多探头图12-5笔束和珣束的比较差异成都华西华科研究所分析研发定量CT QCT骨密度体模软件分析系统  
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