老年性骨质疏松症的影像研究进展
【关键词】 骨质疏松症
骨质疏松症（osteoporosis，OP）是一种以低骨量和骨组织微细结构破坏为特征，导致骨脆性增大而易于发生骨折的全身性骨骼疾病。目前我国已正式步入老龄化社会，老年人口又是骨质疏松发病的高发人群，骨质疏松的诊断需求随之大幅度增加。由于骨质疏松症可以预防，并可以推迟其发生、，故其早期诊断和预测就显得尤为重要。诊断骨质疏松症的方法多种多样，可通过病人的体征、骨生化指标及骨密度测量等方法来评估骨强度的改变。近年来人们认识到骨密度只能从骨矿含量的角度，部分反映骨强度。骨强度还取决于骨的质量和骨的更新代谢。而骨质量的好坏主要取决于骨组织结构，骨组织结构主要包括皮质骨厚度及其内孔隙的密度，松质骨的形状、厚度、连接性及各向异性程度即骨微结构。其中以骨微结构最为重要，它似乎是骨脆性的决定因素，独立于骨密度而起作用〔1〕。因此在诊断骨质疏松时，不仅要衡量骨密度有无降低，也要观察骨组织结构，同时兼顾对骨更新代谢的评估，才能全面评价骨折的危险性〔2〕。
1 骨矿含量（BMC）或骨密度（BMD）测定方法
1.1 X线片测量
常用摄片部位是脊椎侧位和手正位片。肉眼X线片评估骨质疏松症时，多选用脊椎侧位X线片。在评估骨矿含量时，也对骨结构进行了初步的判定。虽在骨质疏松症时可见椎体的透过度增加、椎体内水平横向的骨小梁消失、垂直纵向的骨小梁代偿增粗及椎体的骨皮质变薄等征象，但这些征象常受X线投照条件的不同和观察者判定的主观因素影响，以致评估的差异较大。另外，出现上述阳性骨质疏松的X线征象时，其骨矿含量的丢失已达30％以上，因此不适于早期骨质疏松症的评估，且不宜用于随访骨质疏松治疗过程中骨矿含量的变化。
手部X线片测量主要是用圆规或机辅助测量掌骨的皮质厚度，所测骨丢失情况均与年龄增长呈负相关。最简易方法是测第2掌骨双侧皮质厚度。Meema等认为掌骨的X线片测量在诊断绝经后妇女的脊椎骨折能力方面优于腰椎双光子吸收测量。
1.2 X线片光吸收法（RA）
RA通过扫描放一铝梯的手X线平片，电脑软件计算BMD。此法可反映老龄性骨质丢失情况。RA只能测量前臂、手掌指骨，且主要是反映骨皮质和骨小梁的共同变化。目前一种类似RA的技术不需要铝梯，测量结果是尺桡骨远端和2~4掌骨的平均密度。由于这种测量方法是以正常人骨皮质厚度等数据作为参照信息，所以正常人骨皮质厚度等数据库的建立和确认对该方法的测量结果至关重要。苏楠等〔3〕国内外对RA研究成果认为：RA对第3指骨BMD的测定与DXA检查结果一样准确，对骨折风险的预测也类似，其相关性高达87％，而费用为DXA费用的1／5。
1.3 单光子（SPA）和单能X线吸收（SXA）测量法
SPA通过放射性同位素125I放出的光子对前臂骨主要是桡骨远端1／3进行扫描，该方法是皮质和骨小梁BMD的总和，故不能反映代谢较快的小梁骨的变化，因此对骨代谢改变早期的监测尚有局限性；也不能测量软组织不恒定的骨骼部位，如躯干及髋部SXA主要以X线为放射源取代SPA的同位素光子放射源，使测量结果的精确性明显改善。SPA和SXA为消除软组织影响，检查时都要求被测量部位放在水中。随着DPA和DXA的出现，SPA和SXA已经很少应用。
1.4 双能光子（DPA）和双能X线吸收（DXA）测量法
DPA基本原理与SPA相同，通过高、低2种不同能量的放射性核素同时扫描被测部位以校正软组织因素的影响。所测结果是皮质骨和小梁骨的BMD总和。但DPA结果受放射性同位素衰变等因素的影响，且扫描时间长，故目前已被DXA所取代。DXA是通过2种X线源来模拟产生双光子能量，该方法速度快，精度、准确度比DPA、QCT高，接受剂量低于DPA、QCT。理论上全身DXA可作全身任何部位的扫描，但目前应用最广的是前后位腰椎（PA?DXA）、髋部精确度可优于1％。也可扫描其他部位如手、尺桡骨等。不论测量哪个部位，如何确定感兴趣区（region of interest，ROI）和病人的体位是至关重要的，这是除机器本身以外的精密度误差的两个重要因素。
1.5 定量CT（QCT）
上面几种方法测量的结果几乎均为松质骨和皮质骨的总和，且不是真正的体积密度。CT技术能提供被扫描层面内密度分布的客观的定量信息，并具有良好的密度分辨率，因此可广泛地应用于骨密度的测量。QCT的测量方法可分为两种：即专用体模测量法和无专用体模测量法。专用体模测量法使用常规CT加上体模；无专用体模的方法需采用特定的扫描体位和扫描参数。现在QCT的软件可自动选择感兴趣区测量，还可以测量皮质骨和综合BMD。也有学者用常规腹部CT扫描和增强扫描方法同时作QCT的测量，而无需作专门的QCT扫描测量〔4〕。目前QCT是唯一可以分别测量松质骨和皮质骨密度值的方法。松质骨的表面积和体积比值高，故其代谢转化率比皮质骨高8倍。因而选择性地测量松质骨的BMD可较早地反应体内骨矿含量变化。在早期的骨质疏松的发现及监测治疗疗效时，有其独特的贡献。
BMD反映的是骨矿含量的整体数值，因而不能体现出骨的几何学、骨结构上的差异以及骨密度测量结果的不均一性对于骨强度的影响。虽然骨密度减低意味着骨强度的减弱，骨折风险性的增高。但骨组织数量方面变化的研究在骨质疏松症的诊疗中只是一个方面，尚须探讨骨质量的相关特征，包括骨组织微结构、骨基质的矿化、骨组织的力学特性以及微骨折的发生和修复能力等方面。一些研究显示，由DXA检查得出的BMD数值推测骨强度变化的准确度只有60％~70％。BMD不能单独作为评价骨强度的替代物，因而对骨折的预测能力是有限度的，所以要结合骨矿含量与骨结构两方面进行分析观察。
2 骨密度（BMD）与骨结构（bone structure）的测定
2.1 容积定量CT（VQCT）
VQCT是在三维空间分布上衡量骨强度的方法，对扫描后的兴趣区进行表面体积相关方程的数据分析，并自动定位重建图像，可了解该区域的骨强度及骨几何学排列状况。近年来，随着CT技术的改进提高了QCT测量的精确度并降低了放射剂量，在螺旋CT基础上的三维影像处理技术，如多平面重组（multiplanar reconstruction，MPR）等更是获得了长足的发展，VQCT技术已推广应用于具复杂结构的椎体和股骨近端部位的骨强度评判。它能进行区域性小梁骨和皮质骨的测量，特别是它对骨微结构和骨形态学的评估能力，了解股骨近端各部位的骨强度具有重要作用，并可提供骨几何学排列状况方面的信息〔5~7〕。
2.2 外周骨QCT（PQCT）
PQCT是特殊设计的衡量末梢骨状况的仪器，具有高分辨率图像的三维重建功能。常测部位为近桡骨远端处（相当于桡骨全长的4％），新型的PQCT仪改变了以往的单层面扫描，可对较大容积的骨作多层面数据采集。研究表明，PQCT测量周围骨的桡骨皮质成分有较高敏感性，它不受周围软组织重叠影响的容积密度值，且可分开对皮质骨及小梁骨进行精确的体密度定位。且适用于末梢骨和对小动物的骨骼进行测量，对于观察小动物骨骼对药物治疗的反应较DXA更敏感，有利于了解各种类型的药物干预后不同类型骨骼成分的反应〔8〕。有研究认为PQCT能同时提供骨量和骨强度的有用信息。Rico等研究表明，桡骨皮质骨的BMD与总BMD（即皮质骨和松质骨）的相关性明显高于小梁骨和总BMD的相关性。也有研究表明，PQCT所示的年龄性骨量丢失以桡骨皮质的丢失最为显著，这可能提示该部位的骨皮质BMD比小梁骨BMD更具有代表意义。在PQCT提供的断面影像上还可计算桡骨横截面积以及皮质骨惯性力矩等几何学参数值。桡骨皮质面积是区分非创伤性脊椎骨折者与正常绝经后妇女骨结构特征的敏感指标。桡骨骨密度值和其他几何学参数值相结合可预测股骨颈骨折及腰椎骨折发生的危险度，这些优势使这一技术可能成为SPA／SXA或骨组织形态计量学的替代测量法。但也有人认为PQCT测量的周围骨，对该部骨的变化能否准确反映骨质疏松这一周身性代谢疾病仍待探讨。
3 骨结构（bone structure）的测定
3.1 显微CT技术（mCT）
mCT可直接计算骨体积和总体积之比（BV／TV）和其他一些参数如骨小梁厚度、间隔和数目。能辅以按CT密度调色的特殊显微CT染色技术，显微CT的图像将会和常规病理切片的显色趋于一致〔9〕。这对于观测松质骨三维的空间构建，早期发现骨小梁及骨结构的病变，对骨质疏松症做出早期、明确的病理诊断有了突破性的促进作用。有研究〔10〕显示，mCT上测得的骨微结构参数结果与骨组织计量学上的数值具有较高的相关性，甚至在制动诱导的骨质疏松模型中，由三维mCT测出的骨丢失程度和骨微结构指标（如骨容积、骨小梁数目）上的变化早于骨组织计量学上的相应指标。因而，mCT检测小梁骨结构变化在评价骨质疏松时具有很大潜力。因为显微CT能在病理诊断中发挥作用，也有学者用此来观察人工材料替代损伤的骨组织时的骨生物力学效应〔11〕。
3.2 定量MR（QMR）
QMR是研究骨小梁与骨髓交界面的磁场梯度以评价骨小梁空间排列的新方法。其梯度回波图像上测得的骨髓T2值可反映小梁骨网状结构的密度及其空间几何形态的特点。活体研究显示，在富含小梁骨区域，T2值与PQCT所测的BMD值高度相关；T2值也是反映小梁骨结构随年龄变化的最敏感参数，在骨质疏松患者，T2驰豫时间明显增加。Selby用小梁骨模型发现T2变化与小梁骨自身的弹性模数结构等因素有关〔12〕。目前用T2值来诊断骨质疏松或者确定T2值的有效域值，尚无标准。
3.3 显微磁共振（μMR）
主要用于小梁骨微细结构的观察，Wehrli等的活体研究表明，高分辨率MR能区分桡骨DXA测量值较高的骨质疏松患者，并可预测骨质疏松性脊椎变形的发生。MR从视觉的角度清晰地描绘了正常和异常组病人在小梁骨结构上的差异，有学者采用了20种形态学结构参数，如表观骨容量／总容量（apparent bone volume／total volume，App.BV／TV），表观小梁间隔（apparent trabecular separation，App.Tb.Sp）、欧拉数E（连通性的小梁骨的数目n于封闭的骨髓腔数目m的差值）、骨髓间隙的星形容积等。也有学者采用纹理参数如粗糙度、对比度、复杂度等参数。在形态结构方面进行进一步的探讨，发现这些参数对骨质疏松骨折有显著的预测作用。但是，各种参数指标的可重复性尚需反复研究论证。MRI在评价骨微结构的优势在于无放射性，但因操作时间长、成本高等因素的制约，目前尚不能对大批量的人群进行研究〔13~18〕。
3.4 定量超声（QUS）
QUS利用声波反射和穿透衰减评价骨的力学特性，主要参数为超声传播声速（SOS）和振幅衰减（BUA）值，前者主要受骨密度及骨弹性的影响，后者主要由骨密度及骨微结构决定。其测量结果不仅与BMD有不同程度的相关，更主要的是提供了可反映骨应力方面的信息。研究显示，用QUS鉴别骨质疏松性骨折与非骨折人群能力是肯定的。骨质疏松中骨皮质也受累，且疏松的骨骼最终是否骨折由皮质骨决定，而QUS能对皮质骨的多孔和空隙程度进行准确判断。QUS价廉、便携、无辐射、仪器价格较低而且可获得除BMD外影响骨折危险因素的其他信息，颇具研究潜力，但目前QUS重要误差较大，精确性略低，且采用QUS诊断骨质疏松性骨折标准有可能与DXA不同，这一点还有待于更充分的数据证明，还不能取代已有的BMD测量方法。
4 骨代谢（bone metabolism）的评估
PET?CT是将PET提供的组织细胞代谢显像及在大分子、蛋白质、核酸基础上进行的分子影像和CT提供的反映组织解剖结构、血流灌注的显像有机地结合在一起的最先进的影像设备。由于新型正放射性药物（分子探针）不断被推向临床应用，目前PET?CT已经从传统的代谢显像进入到分子显像的全新时代，对疾病的研究已经从简单的解剖、血流灌注和代谢研究到特征性变化的研究阶段。李钦宗等〔19〕利用PET?CT设备和18F?NaF骨骼中的摄取程度与骨骼的骨血流和成骨细胞的活性成比例的特性，对骨质疏松动物模型骨质中钙、磷等物质代谢的变化对骨质疏松症进行诊断，以此为骨质疏松症的诊断提供新的思路。
5 有限元分析方法的应用
有限元分析（finite element analysis，FEA）是借鉴工程学上评价物体结构强度的公式，包括其形态结构、物体性质及所受负荷等方面的因素而衍生的模拟测量骨生物力学参数的应用数学方法。FEA可以在力学上综合几何学和骨矿含量特性上的所有数据，可能会提高对椎体强度的预测能力。在对椎体的研究中，可将这种技术用以评价椎体成形术、椎间盘退变以及椎体骨强度对骨折危险度的影响。这种可称为体素法的FEA模型（即可将QCT中的体素直接转换为有限元）目前在相关领域中的应用是最引人注目的。因而可通过FEA方法了解骨质疏松病人脊椎骨可能对骨强度产生重要影响的皮质壳及某些区域海绵骨骨密度和骨形态结构的变化情况。有学者应用MSCT设备及容积性QCT技术上建立的骨质疏松老年妇女椎体的三维PE模型，分析了在生理性载荷（2倍于正常站立位时腰椎的承载）条件下骨质疏松性腰椎椎体的应力分布情况，骨质疏松性椎体骨折老年妇女FEA分析中椎体内具骨折危险性小梁骨体积占骨小梁总体积的比率高于无椎体骨折老年妇女。有限元分析法可成为评价骨质疏松的骨“数量”和“质量”变化的有效手段，将随着生物力学和工程学的发展而可能在对骨质疏松患者骨强度变化的临床检测中发挥重要作用〔20〕。
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