定量CT 在評估骨強(qiáng)度領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

天津北大醫(yī)療海洋石油醫(yī)院放射科 （天津 300452）

內(nèi)容提要： 目前臨床主要采用雙能X射線骨吸收測定技術(shù)對單位面積內(nèi)的骨密度進(jìn)行評價，但是該技術(shù)測量的結(jié)果為三維空間分布的骨組織密度在二維平面內(nèi)的投影，難以有效反映骨組織的三維空間密度。此外，對于松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨也難以有效區(qū)分，應(yīng)用效果有限。定量CT技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了該問題，該技術(shù)可以對骨組織密度的三維空間分布進(jìn)行有效檢測，能夠有效測量任何部位松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨單位體積內(nèi)的骨礦物質(zhì)含量?；谠摷夹g(shù)得到的高分辨率影像資料來構(gòu)建有限元模式，還可以對骨組織強(qiáng)度進(jìn)行更為準(zhǔn)確可靠的評估。文章將近些年取得的研究認(rèn)識和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為臨床骨強(qiáng)度的評價提供借鑒。

近年來隨著我國老齡化進(jìn)程的不斷加快，我國骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病率呈現(xiàn)逐年升高的趨勢[1]。骨質(zhì)疏松癥主要表現(xiàn)為骨量明顯降低，骨微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，骨皮質(zhì)明顯減薄，進(jìn)而導(dǎo)致在較小外力作用下或者跌倒時便可能發(fā)生骨折[2]。一旦發(fā)生骨折，會嚴(yán)重限制患者的行為能力，對患者的身體健康和生活質(zhì)量造成嚴(yán)重影響[3]。因此，采取有效方法對骨量和骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效評估，對于骨質(zhì)疏松癥的預(yù)防具有積極意義[4]。定量CT技術(shù)相比雙能X射線骨吸收測定技術(shù)在骨強(qiáng)度評估方面具有明顯的優(yōu)勢[5,6]。

1.基于定量CT得到骨量來對骨強(qiáng)度進(jìn)行評價

定量CT可以得到三維空間內(nèi)分布的骨密度數(shù)據(jù)，即體積骨密度數(shù)據(jù)，并且其在測量時可以有效區(qū)分人體各個部位的松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨，對其分別進(jìn)行測量，能夠?qū)懒窟M(jìn)行更為準(zhǔn)確的評價[7]。但是由于對于人群尚未建立體積骨密度數(shù)據(jù)庫，在一定程度上限制了定量CT的應(yīng)用范圍。借鑒用雙能X射線骨吸收測定技術(shù)中的t值參考標(biāo)準(zhǔn)，人們在定量CT技術(shù)中也提出了t值參考標(biāo)準(zhǔn)的方法，但是目前該t值參考標(biāo)準(zhǔn)尚未在全世界范圍內(nèi)得到認(rèn)可。李曉玉等[8]選取了59例北京積水潭醫(yī)院干部科住院老年男性患者為研究對象，對患者均開展腰椎正位和髖關(guān)節(jié)的雙能X射線骨吸收測定以及定量CT技術(shù)檢查，結(jié)果顯示定量CT技術(shù)的骨質(zhì)疏松檢出率明顯多于雙能X射線骨吸收測定技術(shù)，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），這表明定量CT技術(shù)在老年男性骨質(zhì)疏松診斷方面具有更高的敏感性。程克斌等[9]選取103名女性和49名男性為研究對象，分別采用雙能X射線骨吸收測定技術(shù)和定量CT技術(shù)對髖關(guān)節(jié)骨密度進(jìn)行測量，結(jié)果顯示定量CT技術(shù)測量骨密度更加準(zhǔn)確，更值得在骨質(zhì)疏松癥診斷中進(jìn)行應(yīng)用。

2.基于定量CT得到骨骼宏觀結(jié)構(gòu)來對骨強(qiáng)度進(jìn)行評價

定量CT技術(shù)結(jié)合相關(guān)的配套軟件可以獲得骨骼的宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而能夠?qū)Ρ碛^骨強(qiáng)度進(jìn)行有效評價[10]。蔡康健等[11]通過定量CT技術(shù)對人體腰椎進(jìn)行掃描獲得相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)，然后分別應(yīng)用六種不同的單元尺寸、及兩種皮質(zhì)骨機(jī)構(gòu)建模方法、兩種松質(zhì)骨材料屬性分配方法以及兩種松質(zhì)骨非均勻材料屬性分配梯度構(gòu)建了22個不包含后部結(jié)構(gòu)的腰椎L2段椎體有限元模型，基于力學(xué)理論采用相關(guān)的計算公式可以得到這22個有限元模型的各項觀測參數(shù)，包括最大位移、平均應(yīng)力以及軸向剛度等。結(jié)果顯示采用0.5mm尺寸的六面體單元、采用150種椎體松質(zhì)骨非均勻材料屬性，采用最外層六面體單元模擬椎體皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，來構(gòu)建人體腰椎椎體有限元模型，更為合理有效。此外人們通過分析不同年齡段的股骨近端骨骼宏觀形態(tài)，發(fā)現(xiàn)股骨頸的皮質(zhì)骨厚度和橫截面積以及股骨干部位的皮質(zhì)骨骨密度會隨著年齡的增大而逐漸下降[12]。

3.基于定量CT得到骨骼微觀結(jié)構(gòu)來對骨強(qiáng)度進(jìn)行評價

近些年隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的不斷進(jìn)步，高分辨定量CT技術(shù)已經(jīng)可以成功對橈骨和脛骨遠(yuǎn)端松質(zhì)骨的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效測量?，F(xiàn)階段高分辨率外周定量CT技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到100μm級別甚至更高的分辨率水平，而松質(zhì)骨骨小梁的平均厚度為100～150μm，所以完全可以應(yīng)用高分辨率定量CT技術(shù)通過測量松質(zhì)骨的微觀結(jié)構(gòu)來對骨強(qiáng)度進(jìn)行更為準(zhǔn)確可靠的評價[13]。目前采用高分辨率定量CT技術(shù)可以獲得的松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)測量參數(shù)包括骨體積分?jǐn)?shù)比、骨小梁厚度、骨小梁間隔、單位體積內(nèi)骨小梁數(shù)量、結(jié)構(gòu)模型指數(shù)以及皮質(zhì)骨的微觀孔隙直徑大小等。吳沛澤[14]采用定量CT技術(shù)對動物的骨結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了有效測量，包括骨小梁形態(tài)學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)參數(shù)兩個方面，并采用方針數(shù)據(jù)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證分析，結(jié)果表明采用定量CT技術(shù)可以有效對骨小梁厚度等微觀參數(shù)進(jìn)行測量，有助于更好掌握骨質(zhì)疏松病變規(guī)律，對骨質(zhì)疏松疾病進(jìn)行早期診斷。

4.基于定量CT構(gòu)建有限元模型來對骨強(qiáng)度進(jìn)行評價

在生物力學(xué)實驗中主要采用軸向壓縮以及三點彎矩等離體實驗等對骨強(qiáng)度進(jìn)行評價，但是其準(zhǔn)確度存在一定的上限，要想進(jìn)一步提高對骨強(qiáng)度評價的準(zhǔn)確度則應(yīng)該采用有限元建模的方法。通過有限元模擬運(yùn)算得到骨組織高分辨影像資料，然后將資料的像素點轉(zhuǎn)換為立體的體素點，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三維骨組織模型，基于相關(guān)準(zhǔn)則對體素點進(jìn)行材料賦值，然后便可以對骨骼的應(yīng)力和應(yīng)變特征進(jìn)行有效模擬，對骨強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確評價[15]。

5.小結(jié)

基于上述分析，目前定量CT技術(shù)已經(jīng)在骨強(qiáng)度評估領(lǐng)域中開始廣泛應(yīng)用，并且取得了良好的效果。定量CT技術(shù)不僅可以對三維體積骨密度進(jìn)行有效測量，還能夠?qū)趋廊S結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率還原，并基于高分辨率測量數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元模擬來提高對骨強(qiáng)度的評價準(zhǔn)確性和可靠性。但是定量CT技術(shù)具有一定的輻射性，同時檢查費用較高，在一定程度上限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。相信隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)度，定量CT技術(shù)將會在骨強(qiáng)度評估領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。