成都华西华科研究所分析定量CT（QCT）骨密度测量体模软件检测方法 测量骨密度研究进展

人一生的骨组织是在不断变化的。成骨细胞和 破骨细胞的相互作用，即维持了骨组织的正常代谢， 同时，二者的不平衡亦可导致骨量的变化及代谢性骨 病的发生。而骨质疏松症是以骨量减少、骨微结构受 损、骨脆性增加，最终导致骨折的一种代谢性骨病。 随着人口老龄化，其发病率日益增高，骨质疏松性骨 折，其治疗费用高，病程长，并发症多，直接威胁人们 的生命健康。因此，骨质疏松症的早期诊断及预防， 成为关注重点。

现今，骨密度已成为人们评价骨量变化的一种指 标，那么，其测量方法的临床应用价值值得探讨。从 普通X线片的定性诊断到1963年，Cameron创立的 高精、快速、非创伤性的单光子吸收法(Single Photon Absorptiometry，SPA )以来，先后出现了双光子 (DPA)、双能X线（DXA)、定量CT(QCT)、定量超 声(QUS)等一些定量测量骨密度的方法，使得对骨 质疏松的诊断从定性到定量，从二维(g/cm2)推向三 维(g/cm3)，并实现由单纯的骨密度测量逐步发展到 微观的骨结构分析(骨小梁结构定量）和骨力学强度 的推测。本文即将定量CT与骨密度、骨结构、骨质 量的关系作一综述。

1定量CT与骨密度的关系

骨骼煅烧即骨形态学测量方法是测量骨矿物质 的实际含量，但它是一种有创的检查手段，实施困难。 因此，人们用骨密度的多少来反映骨量的变化。骨密 度很重要，混合骨密度值比正常同性别年轻人的平均 值每下降一个标准差，发生不全骨折的危险性可以增 加2〜3倍。骨密度包括面积骨密度和体积骨密度， 分别表示单位面积或单位体积骨量的多少，是骨量变 化的一个反映指标。世界卫生组织规定:骨质疏松症 的诊断是以双能X线(DXA)所测得的腰椎面积骨密 度值作为标准。

DXA测量的骨密度是面积骨密度，其敏感性及 准确性较好，放射剂量低，费用低廉，易被接受。但它 不能区分皮、松质骨;不能排除骨质增生、脊柱侧凸的 影响;结果受测量面积的影响，不能反映骨量的真实 变化。因此，需要新的影像学检查方法^[1]。

定量CT即QCT，测量的是三维空间的体积骨 密度，通常被认为是真正的体积骨密度。它通过对 CT图像进行滤过、边缘增强、分段及对灰阶图像等 计算机处理获得重建图像，并设置亨氏单位阈值进行 万方数据

像素识别并除去背景噪声，在选定的兴趣区内自动计 算结构参数、平均骨小梁直径(MTD)、骨小梁直径变 异(VT)、平均骨小梁间隙直径(MISD)、骨小梁总数 (TC)、骨小梁面积百分比(PTA)等。在实际测量时， 一般采用已知密度的标准模型为基准，对所测定部位 和基模分别或同时扫描，扫描完后可选定兴趣区 (ROI)，测定CT值，与标模的CT值比较，根据已知 标模的密度计算出所测兴趣区的密度。根据测量需 要，有几种类型:普通定量CT(QCT)、外周定量CT (PQCT)、显微 QCT(plQCT)、高分辨 CT(HRXCT) 等。

1.1皮质骨和松质骨分别研究的必要性

目前，骨质疏松症分为I型和n型，低转换或高 转换，此种分型依赖于骨生化指标的改变以及骨丢失 的速率。然而，确切的证据已证明，皮质骨和松质骨 是两个不同的反应系统，而且，各种类型的骨质疏松 模型与现代骨质疏松的定义不很一致，即，骨量的丢 失及骨微结构的损伤^ra。

现今流行的非侵袭性的骨量评价方式，不能区分 皮质骨和松质骨，也不能观察骨微结构。已有的研究 证实:围绝经期，松质骨量的丢失较皮质骨明显;而原 发性甲状旁腺亢进，主要影响皮质骨;神经性厌食者 与马拉松长跑的骨质疏松患者，松质骨量的丢失要多 于皮质骨;长期接受糖皮质激素治疗的患者，松质骨 量以每年>2%的速率丢失，而同时期，皮质骨量的变 化不明显。

对于药物的反应也是如此：口服抗骨质疏松药物 二憐酸盐，可以使松质骨密度增加9. 8%，而皮质骨 密度增加2%;氟盐治疗骨质疏松三年，远端胚骨的 松质骨密度增加8%，皮质骨密度无变化;服用维生 素D—年，可以有效减低绝经后妇女松质骨量的丢 失速率，而皮质骨量变化微小。

以上的数据可以看出，由于骨质疏松症发生的病 理基础不同，原发性以及继发性骨质疏松的改变不 同，治疗的反应也不同，因此，皮质骨和松质骨应单独 进行评价。

I.   QCT测量骨密度的敏感性

QCT有选择性的评价腰椎骨中松质骨的代谢结 构活性，可以较早发现脊椎骨折和测量骨量丢失，其 敏感性优于DXA。有研究表明，女性从年轻到年老， 其骨截面积的骨量丢失率，由QCT测量时，平均每

年减少1. 2%，而相应的DXA的测量值只有QCT测 量值的一半多一点^[3]。对于脊髓损伤(SCI)患者，因 其病变部位的复杂因素，用DXA和QCT分别对脊 柱外伤后所致的废用性骨质疏松患者的脊柱胸11- 腰4.，进行骨密度测量。其中，QCT以1_ Ocm厚度进 行扫描，在QCT测量SCI后的脊柱骨质疏松患者， DXA测量的相应的骨密度值反而升高^[4]。用QCT 与DXA对欧洲508位骨质疏松妇女，伴或不伴有腰 椎或其他部位骨折者，进行腰椎骨密度测量。根据 ROC曲线结果，QCT的Z-score将骨质疏松患者从 骨质疏松不伴有骨折者中分离出来的敏感性最好，且 QCT的骨密度值变化与年龄相关，Z-score更有效。 DXA的骨密度值不依赖年龄的变化而变化，其T- score与Z-score在评价骨质疏松时的价值相当^[5]。 用QCT与DXA分别测量骨折与非骨折患者脊柱、 髋骨、股骨颈、股骨转子区骨密度，QCT测的BMD 值较非骨折组者明显偏低(P=〇. 〇〇〇3，P=〇. 007，P =0. 02，P=0. 007)，而DXA测得的腰椎骨密度无明 显差别(P=〇.34)[⁶]。

1. 3 QCT尚未应用于临床的原因

尽管QCT对骨密度变化的敏感性及诊断能力 强，但未在临床推广应用，是由于:CT扫描的可接受 程度及利用率低;费用要高些;临床应用程度低，很难 使操作者得到一个较高质量的结果。放射剂量并不 是最主要的，DXA放射剂量较小，有效的放射剂量接 近天然，可以忽略，尤其是管状束放射时。而只有探 查性图像扫描时，QCT的骨密度测量剂量才与标准 剂量类似，其有效剂量接近于胸片或急性胰腺炎腹部 检查时普通X线片的剂量

尽管QCT可测量代谢活跃的松质骨，其值可 靠，但因其灵敏性及精确性较低，一般在2%—4%之 间，且只能测脊椎骨密度，不可动态监测骨密度变化。 2定量CT与骨结构的关系 2.1外周定量CT(pQCT)与骨密度

许多临床内科医生倾向腰椎、股骨颈的DXA骨 密度，因为它能预测这些部位的骨折，而该部位的骨 折是生命质量严重削弱、死亡率、发病率高的原因。 腰椎骨密度尤其对与年龄、疾病变化、治疗相关的骨 量变化敏感。但是不利的一点是,在老年人群中，由 于受退行性病变的影响，导致假性骨密度的升高^[7]。

由于骨质疏松是一种普遍的，以预防为主的疾 病，迫切需要简单、便宜、更方便的评价骨密度的方 法。因而，外周定量CT(pQCT)的产生是有必要的。

PQCT需要的放射剂量少，适用于外周骨测量， 通常是末梢外周骨，而且，PQCT可以提供与整个骨 结构相关的骨形态力学参数^[8]。它所测量的骨密度 与骨组织形态学参数间有较高的相关性，其测量的松 质骨基本上能反映骨的组织结构及力学特征™。

对大鼠去卵巢所致骨质疏松的测量中，DXA测 量的骨密度较正常对照组减少2. 6%±0. 9%，骨量

减少6. 2%±1. 7%。在给予甲状旁腺激素(PTH)治 疗期间，未发现有骨矿含量的改善。而用PQCT测 量松质骨体积骨密度(vBMD)，去卵巢大鼠的松质骨 vBMD减少了 52%±6. 7%，胫骨皮质骨的骨矿含量 减少9. 0%±2%，而且，PTH治疗8周，可以提高皮 质骨量。因此，PQCT较DXA对于去卵巢大鼠骨量 的丢失以及PTH治疗前后骨矿含量变化的测量更 为敏感^[9]。用PQCT和DXA分别测量糖尿病所致 骨质疏松模型鼠外周骨密度的变化，结果是:DXA所 测得的干骺端骨量减少了 32%，骨密度减少了 24%， 而pQCT测得的小梁骨量减少了 62%,以干骺端的 变化更为明显，这可以部分解释糖尿病患者外周骨骨 折的易患性，以及Charcot关节的形成^[1°^]。

2.2骨微结构评价的重要

在任何骨组织中，骨量和骨结构互相依赖，构建 形成一个有功能的形式，而测量它结构信息的方法， 需要理解这种结构形式贡献力量的大小以及定量化 该结构的微细空间、它的改变以及物体完整性的变 化[^11]。

骨组织结构复杂，骨骼内在一致性的维持是骨 量、骨结构、骨强度三者相互作用而成的。在代谢性 骨病中，这些内在因素决定了骨量的丢失、骨微结构 的改变、骨傲脆性的变化以及骨折的形成。

骨密度测量是一种非侵袭性方法，代替评估骨折 危险性。然而，骨密度测量仅仅提供骨材料(骨量)变 化的多少，低的骨密度并未提供任何有关残存骨结构 的信息。因此，需要能够深入微观领域的检查工具。 2.3显微-CT的产生

自从上世纪中后期,研究者们开始对网状小梁骨 的结构以及生物力学的本质变化进行深人研究，并主 要集中在三个不同的方面:形态组织学、普通X线、 传统CT。直到近来，只有组织形态学方法，是唯一 的一种能够确切得到小梁骨的形态结构特征的手段。 然而，这是一种有破坏性的侵袭性方法，不可能在人 群中推广。X线可以直观地反映人体不同部位的组 织结构和密度，但是不能深人研究小梁骨的形态学特 征，因为它不能制造足够高的分辨率去精细观察小梁 骨的变化，例如，小梁骨的厚度、数目等特征。因此， 具有高分辨率的检查工具应运而生^[12]。

骨组织结构的三维测量优势表现在不同的测量 角度，主要分为两种，其一是描述松质骨量或个体松 质骨的一般特征;第二是描述骨组织复杂的结构特 征。当然，它也有不足之处，虽然可以提供骨组织结 构的详细信息，但是，对于骨组织的动力学变化，例 如:骨的吸收、形成、静止等方面，未能涉及，也不能提 供胶原纤维的排列特点^[13]。

显微CT(/xCT):分辨率更高，分辨率达60 —100 微米、超分辨率达20微米，可清晰显示骨小梁的三维 结构^[14]。

有研究用DXA及S&pCT测量废用性骨质疏;

松鼠胫骨骨密度的变化，用骨形态计量学方法 (BHM)测量其胫骨小梁的厚度及数量。结果显示： DXA与3I>_MCT对骨量变化的敏感性高，较BHM 更早测得骨量的减少，且对于松质小梁骨的厚度及数 量来说，3DtxCT的测量值比DXA减少两倍，可早 期探测到骨量的变化^[14]。

2.4 HRXCT

高显微分辨率CT( HRXCT),类似于_MCT，是 研究小梁骨结构的新的方式。它发射X线穿过物 体，通过测量穿过物体前后的X线密度，不同的密度 射线通过计算机信息处理转化成图像，通过不同的像 素及灰阶合成信息。

与普通CT相比，HRXCT的扫描层厚度范围是

II.  100—0. 010 mm，而传统CT的扫描厚度是0• 500 mm。已有的研究表明，小梁骨厚度通常变化在 0. 200—0• 400 mm之间，因而，传统CT的误差要大。 已有研究证实，HRXCT的测量误差，分别在体积骨 量(BV/TV)为 10‘ 9%，小梁数目（Tb. N)是 6. 06%， 小梁表面积/体积（BS/BV)是14 19%，小梁骨厚度 (Tb. Th)是14. 33%，小梁骨间距（Tb. Sp)是

2.   09%，但是与形态学计算方法无明显差异^[12]。

3定量CT与骨强度的关系

在能够定量评定骨量之前，对骨质疏松症的诊断 主要依赖于X线平片时大致判断，诊断的敏感性极 差。目前的骨量测定所检测的仅仅是骨骼中矿物质 的含量，并不能代表骨骼结构的全部特征。临床上也 发现，某些骨量很低的人并不发生骨折，而有些骨质 疏松患者，经药物治疗后，尽管骨密度有所提高，但发 生骨折的危险性却增加。因此，骨质疏松的概念得以 转换，即骨骼的质量和抗骨折的能力——骨强度，其 主要反映了骨密度和骨质量的综合特性。

事实上，并不是所有的生物力学成分都与骨密度 相关。体外试验表明，不同骨组织之间，骨的弹性系 数和骨强度是不一致的，70%到90%是与所测量的 该骨骼部位的骨密度的线性及功能强度相关。小梁 骨的三维立体组织结构和质量也许可以解释骨力学 差异这剩下的20%—30%。

4展望

定量CT诊断骨质疏松的临床意义:测量骨矿密 度及骨量的减少程度，协助诊断骨质疏松;预测脊椎 骨折;QCT的三维容积测量技术可探讨股骨近端各 个兴趣区内的骨矿含量，根据各小梁骨的分布划分 Ward三角区、股骨颈、粗隆间等，骨矿含量在此部位 的分布与生物力学与骨结构的关系，等等方面。

随着医疗卫生事业的发展，医疗器械的更新，CT 机的普及应用，精度更高的CT机的引用，CT检查已 经成为骨密度测量的一种有效手段。定量CT检查 对骨密度变化的敏感性、测量的精确性、检查过程的 快捷方便、剂量相对安全，已得到大家的认可。但仍 存在许多问题，校正系统，配备软件的标准化，标准体

模的统一化，制定统一的诊断标准，实现横向研究等， 还需要大家的进一步努力。

成都华西华科研究所研发生产QCT骨密度测量体模软件系统 

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