骨小梁微結構是決定骨強度及其生理功能的重要因素，而普通 X 線與計算機斷層掃描（CT）檢查不能精確反映骨小梁的真實微結構。高分辨率外周定量計算機斷層掃描（HR-pQCT）是近年來新興的一項影像學檢測技術，能夠定性、定量測量體內骨小梁三維微結構和體積骨礦物質密度，具有極高的精度和相對低劑量的輻射。這種新型成像工具有利于我們更加深入地認識骨小梁微結構，利用 HR-pQCT 數據進行有限元分析建模計算，能夠準確預測骨強度，結合三維重建圖像及骨小梁微結構參數還能夠評估骨質疏松和骨折風險。在本綜述中，我們總結了 HR-pQCT 的技術流程、數據參數及其臨床應用等內容，以期為 HR-pQCT 的普及和廣泛應用提供一定參考。
引用本文： 馬劍雄, 趙杰, 何偉偉, 匡明杰, 陳恒亭, 張祿凱, 孫磊, 崔玉紅, 馬信龍, 王穎. 高分辨率外周定量計算機斷層掃描評估骨小梁微結構和骨強度的研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(3): 468-474. doi: 10.7507/1001-5515.201707068 復制
引言
高分辨率外周定量計算機斷層掃描（high-resolution peripheral quantitative computed tomography，HR-pQCT）是一種新型低輻射的影像學檢測方法，近來廣泛用于臨床工作中，能夠定量評價橈骨和脛骨遠端皮質骨和松質骨的骨小梁微結構和骨礦物質密度（bone mineral density，BMD）。在過去十年中，HR-pQCT 在臨床研究中的應用呈指數性增長。它能夠高精確度地反映骨小梁三維微結構改變，結合計算機有限元分析（finite element analysis，FEA）模型，能夠同時對骨結構與骨強度進行定量分析，因而對于骨骼系統疾病的診斷和治療具有重要意義。
骨質疏松與骨折是骨科常見疾病，傳統 X 線及計算機斷層掃描（computed tomography，CT）檢測有一定局限性，不能夠精確定量反映骨小梁微結構改變，因此對于上述疾病的診斷存在一定弊端。隨著影像學技術的發展，HR-pQCT 能夠實現脛骨遠端、橈骨遠端皮質骨和松質骨微結構的定性和定量檢測。
目前，HR-pQCT 的基礎研究主要聚焦于改進成像技術和算法、操作流程的標準化，以及建立人群 HR-pQCT 數據庫以及臨床評價骨質疏松與骨折風險等。本綜述首先概括 HR-pQCT 的成像技術與方法，然后對近年來骨質疏松和骨折 HR-pQCT 相關臨床研究進行總結，最后簡述 HR-pQCT 的局限性。
1 HR-pQCT 掃描技術
1.1 獲取圖像
1.1.1 患者體位
與其他影像學技術相同，患者體位對于 HR-pQCT 圖像的精確性和重復性是至關重要的。 HR-pQCT 最常用于橈骨和脛骨的體內成像[1]。其主要原因是 HR-pQCT 的掃描艙相對較窄和較淺，僅能夠容納外周遠端骨骼[2]。
HR-pQCT 使用多色 X 射線源，因此它受到束硬化以及散射偽影的影響，這可能顯著影響骨小梁微結構的測量[3]。同時 HR-pQCT 需要每日和每周進行質量監控掃描，以避免 X 射線發射源衰減導致的掃描漂移。HR-pQCT 單次掃描有效劑量約為 3 qSv[4]，而輻射劑量限值為 50 qSv/年（國際輻射防護委員會推薦），鑒于輻照劑量是累加的，我們建議在規定時間內單個位置掃描不超過三次。
1.1.2 移動偽影
因為 HR-pQCT 掃描分辨率高并且掃描時間相對較長（3 min），所以掃描期間的任何移動都可能導致移動偽影，影響所獲得圖像的準確性和重復性或使圖像不可用。移動偽影對微觀結構測量的影響較密度測量更為顯著[5-8]。雖然目前已經開發了自動化和手動化移動偽影校正方法[9-11]，但最佳解決方案仍然是重新掃描，因為運動對掃描結果的影響通常是不均一的，而校正算法無法糾正這種異常改變[12]。
自動化檢測提供了實時評估掃描質量的可能性，允許操作者決定是否需要重新掃描[13]。Pialat 等[14]報道如果出現移動偽影，22.7%需要重新掃描。展望未來，我們認為改進固定裝置將提高數據質量，并最小化重新掃描的需要。
1.1.3 圖像配準
當檢測患者骨微結構在一段時間內是否發生變化時，進行圖像配準以確保兩次掃描的區域相同尤為關鍵。HR-pQCT 系統具備圖像配準的功能，其通過對齊相似形態的切面來匹配兩次掃描的圖像。另外，目前已經開發了更精準的配準方法[10, 13]，能夠基于骨小梁的三維結構進行配準，以確保掃描區域的一致性。
1.2 圖像分析
獲取 CT 圖像信息后，使用配套的評價方案與算法來分析掃描范圍內的骨小梁微結構，詳細參數見表 1。
表1
HR-pQCT 掃描參數
Table1.
HR-pQCT scan parameters
1.2.1 標準測定
Boutroy 等[9]認為基于CT開發的 HR-pQCT 技術非常重要，因為該技術的掃描分辨率已經接近于人類骨小梁結構的平均厚度[2, 15]，這對于直接觀測骨小梁微結構具有重要意義。但是 HR-pQCT 的一些參數是基于 Tb Th 和 Tb N 等參數間接計算得到，如 BV/TV、BS/BV、Tb Sp 、Ct Po 和 Conn D 等。在未來的 HR-pQCT，我們期待可以直接測量所有骨小梁微結構參數，從而能夠更加精確地分析骨小梁微結構。
1.2.2 二次分析
HR-pQCT 能夠定性和定量分析骨小梁的板狀結構和棒狀結構[16]，主要參數包括結構模型指數、連接密度（最初是為離體骨的 qCT 開發）[17]和個體化骨小梁分割方法（individual trabeculae segmentation，ITS）[18]。通過改進皮質骨和松質骨的分割技術[19-20]，我們能夠更好地測量皮質骨參數，如皮質骨孔隙率[13, 21]等。HR-pQCT 的其他應用正在開發中，如用于類風濕性關節炎患者骨質侵蝕的可視化和量化[22]等。
1.3 準確度、精密度和重復性
HR-pQCT 系統以離體骨的顯微 CT 掃描數據作為比對標準，已經對準確性和精密度進行了大量測試。通常準確性使用離體骨數據校正，而精密度則通過重復測量分析配準。
1.3.1 準確度
HR-pQCT 評估離體骨形態與顯微 CT 結果呈現中度至優良的一致性（r2 = 0.59～0.98）[21, 23]，如連接密度（r2 = 0.90）[15]和孔隙率（r2 = 0.80）與顯微 CT 結果呈高度相關性[24]。Liu 等[18, 25]對比 ITS 結果，發現 HR-pQCT 圖像與顯微 CT 圖像在相似體素尺寸（80 μm，r = 0.71～0.94）時顯著相關，并且板狀骨小梁參數較棒狀骨小梁參數相關性更強。Tjong 等[26]研究了不同體素尺寸（41、82 和 123 μm）對 HR-pQCT 準確度的影響，發現體素尺寸為 41 μm 時，HR-pQCT 得到的骨小梁微結構和皮質骨孔隙率參數與顯微 CT 測量值相關性最好，而體素尺寸 123 μm 時相關性最差。另一方面，骨小梁密度和皮質骨厚度與顯微 CT 結果的相關性不受體素尺寸的影響。
整體而言，與金標準顯微 CT 結果相比，HR-pQCT 在評估橈骨和脛骨的骨小梁微結構時能夠保證中等至優良的準確性。
1.3.2 精密度和重復性
可重復性能夠反映檢測技術的精密度，這對于臨床檢測技術至關重要。HR-pQCT 測量的 BMD 具有高度重復性，其誤差通常低于 1%[27-28]，但在結構參數測量方面誤差稍高（2.5%～6.3%）[6, 29]。橈骨 HR-pQCT 測量的精密度比脛骨更差，并且體內測量比離體（離體 0.5%～1.5%）測量誤差更高，這可能是由于橈骨受到移動偽影影響所致，因為橈骨是一個容易被頭部、頸部、肩部、手臂或手部輕微運動影響的部位[30]。
2 HR-pQCT 在骨質疏松骨小梁微結構分析中的應用
HR-pQCT 的一個重要應用是評估骨小梁微結構改變。目前有學者建立 HR-pQCT 數據庫，提供不同年齡和性別人群骨小梁微結構的參考數據，以便將個體數據與人群水平進行比較。個體 HR-pQCT 數據上傳經過比對后能夠生成結果報告，從而輔助 HR-pQCT 結果的臨床解釋。數據庫還提供骨骼微結構隨性別和年齡的變化趨勢。迄今為止，主要有三項研究描述了人群 HR-pQCT 骨微結構數據與年齡改變之間的關系。結果表明，在青春期，皮質骨 BMD 普遍增加，而皮質骨孔隙率下降，導致骨強度明顯提高[31-32]。而青春期早期的高骨折發生率可能與皮質骨孔隙率短暫增加相關[33]。
青春期后，骨骼總面積隨年齡增長而明顯增加，與女性相比，男性骨骼橫截面積更大（約多 33%）[2]。絕經后婦女與絕經前相比皮質骨內、外表面積增加[34]。男性皮質骨厚度大于女性，但隨年齡增加男女皮質骨厚度均明顯下降[35]。年輕男性的皮質骨孔隙率比女性高，但女性隨著年齡增大及絕經，皮質骨孔隙率會顯著增加[36]。年輕（< 50 歲）和老年人（> 50 歲）雙能 X 線（dual-energy X-ray absorptiometry，DXA）檢測顯示面積骨密度（area bone mineral density，aBMD）相似，但 HR-pQCT 顯示皮質骨孔隙率隨年齡增加顯著升高，其中男性約增加 90%，女性約增加 30%[37]。
年輕男性與女性相比，通常骨小梁數量更多、厚度更大，且 BV/TV 更大[38]。而無論男性和女性，骨小梁數量和厚度均隨年齡增長而減少[39-40]。老年女性表現出骨小梁數量減少，而男性與女性相比骨小梁厚度減少更為明顯[41]，通過 HR-pQCT 分析我們發現老年男性和女性骨骼微結構改變特點存在差別。
有研究應用 HR-pQCT 檢測不同抗骨質疏松藥物對于皮質骨和松質骨微結構的影響。表 2[42-49]總結了 8 篇相關研究的基本信息。不同研究顯示，基于 HR-pQCT 評價骨小梁微結構的方法能夠反映不同抗骨質疏松藥物的效果差異，各項研究的主要結果見表 3[42-49]。基于上述不同研究結果，HR-pQCT 能夠精確反映體積骨密度、Tb N、Tb Th、Ct Ar 和 Ct Th 等骨骼微結構參數，對于骨質疏松評估及干預治療具有重要的臨床意義。
表2
HR-pQCT 評估抗骨質疏松藥物對于骨微結構影響研究的基本信息
Table2.
General information for studies of HR-pQCT evaluation on the effect of different anti-osteoporosis drugs on bone microstructures
表3
HR-pQCT 評價不同抗骨質疏松藥物的治療效果
Table3.
HR-pQCT evaluation on the therapeutic effects of different anti-osteoporosis drugs
3 HR-pQCT 微有限元分析在預測骨強度中的應用
骨強度可以通過機械測試骨骼斷裂的極限載荷來確定，但這種方法需要將骨骼離體才能夠進行，為了明確體內的骨骼強度，我們僅能夠通過有限元分析對其進行預測。計算外部載荷引起的骨內形變和應力是一個復雜的問題，需要創建已知材料特性的元素網格來代替骨骼微結構，從而實現局部和整體尺度上力和力矩的平衡。
為了精確計算骨強度，需要引入微有限元的概念，微有限元與傳統的有限元模型存在顯著差別，前者是建立在高分辨率成像的基礎之上，從而使網格能夠精確體現骨組織的材料特性[50]。HR-pQCT 提供的高分辨率圖像恰好能夠滿足微有限元分析的要求。有研究表明，基于 HR-pQCT 數據計算獲得的遠端橈骨強度與生物力學檢測所得數據接近[51]。
近年來應用 HR-pQCT 評估活體內骨強度的方法受到廣泛關注。有實驗表明骨強度受到遺傳因素的影響，而通過 HR-pQCT 微有限元方法計算得到的遠端肢體的骨強度也與遺傳因素密切相關，這一相關性與 BMD 的遺傳因素有關，但與骨骼部位無明顯關聯[52]。另一方面，基于 HR-pQCT 的數據，我們能夠分析糖尿病、系統性紅斑狼瘡等慢性全身性疾病對于骨強度的影響，這能夠為患者接受全面有效的治療提供理論基礎[53-54]。
4 HR-pQCT 在骨折評估中的應用
HR-pQCT 能夠用于骨折的診斷，該功能主要是通過三維掃描、重建、獲得圖像數據從而評估骨皮質和骨小梁的連續性來實現。與 DXA 得到的 aBMD 相比，HR-pQCT 檢查能更好地辨別是否存在骨折[55-57]。HR-pQCT 在評估皮質骨厚度、孔隙率、骨小梁信號衰減等方面的優勢有利于其對于骨折的診斷。HR-pQCT 對于前臂骨折的識別比 DXA 更為敏感[57]。比較 DXA 和 HR-pQCT 的結果，可以得出以下結論：aBMD 與多個 HR-pQCT 的微結構參數高度相關[58]，HR-pQCT 在評價骨折方面通常優于 DXA，尤其是在橈骨遠端。
研究顯示骨骼微結構是骨折的獨立影響因素[59-60]。通過比較髖部骨折患者與正常人發現，骨折患者局部的 BV/TV、Tb N、Ct Th 和 Ct BMD 均顯著下降[61]。Stein 等[62]發現骨折患者體積 BMD 下降，同時骨小梁微結構遭到破壞，導致骨強度下降。骨折的嚴重程度與骨骼微結構密切相關，這進一步證明了 HR-pQCT 是比 DXA 更靈敏的辨別骨折嚴重程度的方法。女性的皮質骨結構與其發生椎體骨折的嚴重程度獨立相關，有報道顯示隨著骨小梁微結構破壞增加，絕經后女性發生嚴重椎體骨折的可能性也相應增加[63]。
目前已經發現男性骨小梁微結構差異與骨折風險密切相關。Vilayphiou 等[50]首先報道 HR-pQCT 數據結合有限元分析計算得到的骨強度與各種類型的骨折風險密切相關。另外，橈骨和脛骨發生骨折的風險接近，這說明脛骨并沒有因為負重而對骨骼微結構起到一定的保護作用[64]。Graeff 等[65]也發現 HR-pQCT 檢測骨小梁微結構結合有限元分析能夠較 DXA 更好地評估骨折風險。
最近，有一些學者利用人工智能程序分析 HR-pQCT 掃描得到的數據，通過計算機仿真學習系統，分辨是否存在骨折及發生骨折的風險，這一研究目前尚無明確結論，實現這一目標還需要大量基礎研究和臨床試驗。
5 HR-pQCT 的局限性和挑戰
首先，必須認識到 HR-pQCT 通常僅用于評估外周骨骼（橈骨和脛骨），而這些部位的測量結果能否反映中軸骨（髖關節和脊柱）的強度還有待商榷。雖然數據有限，但是少數研究已經表明外周骨骼 HR-pQCT 數據與中軸骨有中度相關性（r = 0.56～0.70）[66]。此外，橈骨本身是一個常見的骨折部位，沒有比 HR-pQCT 更好的成像技術來測量該部位的骨骼結構。整體而言，現有證據仍不足以表明可以將橈骨遠端（或脛骨）作為評價骨小梁結構的金標準，但迄今進行的臨床試驗獲得的結果還是令人滿意的。
HR-pQCT 圖像處理技術是我們面臨的一個巨大挑戰，也是影像學技術發展的重點。盡管 HR-pQCT 是目前用于人類骨骼測量的分辨率最高的掃描技術，但是由于骨小梁在物理層面上是接近的，所以 82 μm 的體素大小給圖像分隔帶來很大困難。此外，因為皮質骨和松質骨的精確邊界并不總是十分清晰，因此確定皮質骨和松質骨之間的分界線存在很大困難。如前所述，研究者已經開發了各種技術，但最重要的問題是重復性而不是分段過程的準確性。最后，減少操作偏差可以使實驗的重復性更好，從而確保 HR-pQCT 結果之間的一致性。
6 結論
HR-pQCT 為臨床工作提供了前所未有的測量脛骨和橈骨骨骼微結構的能力，這有利于評價整個生命周期中骨質的改變、抗骨質疏松治療對骨質的影響以及對骨折的評估。在這種先進工具常規用于臨床工作之前，必須要結合 DXA 的 aBMD 指標，綜合分析其對于骨折預測的效率。雖然今天 HR-pQCT 主要用于實驗研究，但它在自動分析模式下是一種比較容易應用的技術，因此未來可能廣泛應用于臨床檢測。如果有更多證據表明 HR-pQCT 可以作為評價骨質量的金標準，目前過高的成本可能會隨著產量增加而大大降低。與全球數以千計的 DXA 機器相比，世界范圍內的 HR-pQCT 系統如今不到 45 臺，因此 HR-pQCT 有巨大的市場潛力和發展空間。
總之，HR-pQCT 對骨骼三維微結構的測量明顯優于 DXA 的二維測量，它不僅能夠評估 BMD，也能評價骨小梁微結構的變化。為了充分開發這一技術在臨床應用中的潛力，需要對不同人群進行更多的臨床研究。
引言
高分辨率外周定量計算機斷層掃描（high-resolution peripheral quantitative computed tomography，HR-pQCT）是一種新型低輻射的影像學檢測方法，近來廣泛用于臨床工作中，能夠定量評價橈骨和脛骨遠端皮質骨和松質骨的骨小梁微結構和骨礦物質密度（bone mineral density，BMD）。在過去十年中，HR-pQCT 在臨床研究中的應用呈指數性增長。它能夠高精確度地反映骨小梁三維微結構改變，結合計算機有限元分析（finite element analysis，FEA）模型，能夠同時對骨結構與骨強度進行定量分析，因而對于骨骼系統疾病的診斷和治療具有重要意義。
骨質疏松與骨折是骨科常見疾病，傳統 X 線及計算機斷層掃描（computed tomography，CT）檢測有一定局限性，不能夠精確定量反映骨小梁微結構改變，因此對于上述疾病的診斷存在一定弊端。隨著影像學技術的發展，HR-pQCT 能夠實現脛骨遠端、橈骨遠端皮質骨和松質骨微結構的定性和定量檢測。
目前，HR-pQCT 的基礎研究主要聚焦于改進成像技術和算法、操作流程的標準化，以及建立人群 HR-pQCT 數據庫以及臨床評價骨質疏松與骨折風險等。本綜述首先概括 HR-pQCT 的成像技術與方法，然后對近年來骨質疏松和骨折 HR-pQCT 相關臨床研究進行總結，最后簡述 HR-pQCT 的局限性。
1 HR-pQCT 掃描技術
1.1 獲取圖像
1.1.1 患者體位
與其他影像學技術相同，患者體位對于 HR-pQCT 圖像的精確性和重復性是至關重要的。 HR-pQCT 最常用于橈骨和脛骨的體內成像[1]。其主要原因是 HR-pQCT 的掃描艙相對較窄和較淺，僅能夠容納外周遠端骨骼[2]。
HR-pQCT 使用多色 X 射線源，因此它受到束硬化以及散射偽影的影響，這可能顯著影響骨小梁微結構的測量[3]。同時 HR-pQCT 需要每日和每周進行質量監控掃描，以避免 X 射線發射源衰減導致的掃描漂移。HR-pQCT 單次掃描有效劑量約為 3 qSv[4]，而輻射劑量限值為 50 qSv/年（國際輻射防護委員會推薦），鑒于輻照劑量是累加的，我們建議在規定時間內單個位置掃描不超過三次。
1.1.2 移動偽影
因為 HR-pQCT 掃描分辨率高并且掃描時間相對較長（3 min），所以掃描期間的任何移動都可能導致移動偽影，影響所獲得圖像的準確性和重復性或使圖像不可用。移動偽影對微觀結構測量的影響較密度測量更為顯著[5-8]。雖然目前已經開發了自動化和手動化移動偽影校正方法[9-11]，但最佳解決方案仍然是重新掃描，因為運動對掃描結果的影響通常是不均一的，而校正算法無法糾正這種異常改變[12]。
自動化檢測提供了實時評估掃描質量的可能性，允許操作者決定是否需要重新掃描[13]。Pialat 等[14]報道如果出現移動偽影，22.7%需要重新掃描。展望未來，我們認為改進固定裝置將提高數據質量，并最小化重新掃描的需要。
1.1.3 圖像配準
當檢測患者骨微結構在一段時間內是否發生變化時，進行圖像配準以確保兩次掃描的區域相同尤為關鍵。HR-pQCT 系統具備圖像配準的功能，其通過對齊相似形態的切面來匹配兩次掃描的圖像。另外，目前已經開發了更精準的配準方法[10, 13]，能夠基于骨小梁的三維結構進行配準，以確保掃描區域的一致性。
1.2 圖像分析
獲取 CT 圖像信息后，使用配套的評價方案與算法來分析掃描范圍內的骨小梁微結構，詳細參數見表 1。
表1
HR-pQCT 掃描參數
Table1.
HR-pQCT scan parameters
1.2.1 標準測定
Boutroy 等[9]認為基于CT開發的 HR-pQCT 技術非常重要，因為該技術的掃描分辨率已經接近于人類骨小梁結構的平均厚度[2, 15]，這對于直接觀測骨小梁微結構具有重要意義。但是 HR-pQCT 的一些參數是基于 Tb Th 和 Tb N 等參數間接計算得到，如 BV/TV、BS/BV、Tb Sp 、Ct Po 和 Conn D 等。在未來的 HR-pQCT，我們期待可以直接測量所有骨小梁微結構參數，從而能夠更加精確地分析骨小梁微結構。
1.2.2 二次分析
HR-pQCT 能夠定性和定量分析骨小梁的板狀結構和棒狀結構[16]，主要參數包括結構模型指數、連接密度（最初是為離體骨的 qCT 開發）[17]和個體化骨小梁分割方法（individual trabeculae segmentation，ITS）[18]。通過改進皮質骨和松質骨的分割技術[19-20]，我們能夠更好地測量皮質骨參數，如皮質骨孔隙率[13, 21]等。HR-pQCT 的其他應用正在開發中，如用于類風濕性關節炎患者骨質侵蝕的可視化和量化[22]等。
1.3 準確度、精密度和重復性
HR-pQCT 系統以離體骨的顯微 CT 掃描數據作為比對標準，已經對準確性和精密度進行了大量測試。通常準確性使用離體骨數據校正，而精密度則通過重復測量分析配準。
1.3.1 準確度
HR-pQCT 評估離體骨形態與顯微 CT 結果呈現中度至優良的一致性（r2 = 0.59～0.98）[21, 23]，如連接密度（r2 = 0.90）[15]和孔隙率（r2 = 0.80）與顯微 CT 結果呈高度相關性[24]。Liu 等[18, 25]對比 ITS 結果，發現 HR-pQCT 圖像與顯微 CT 圖像在相似體素尺寸（80 μm，r = 0.71～0.94）時顯著相關，并且板狀骨小梁參數較棒狀骨小梁參數相關性更強。Tjong 等[26]研究了不同體素尺寸（41、82 和 123 μm）對 HR-pQCT 準確度的影響，發現體素尺寸為 41 μm 時，HR-pQCT 得到的骨小梁微結構和皮質骨孔隙率參數與顯微 CT 測量值相關性最好，而體素尺寸 123 μm 時相關性最差。另一方面，骨小梁密度和皮質骨厚度與顯微 CT 結果的相關性不受體素尺寸的影響。
整體而言，與金標準顯微 CT 結果相比，HR-pQCT 在評估橈骨和脛骨的骨小梁微結構時能夠保證中等至優良的準確性。
1.3.2 精密度和重復性
可重復性能夠反映檢測技術的精密度，這對于臨床檢測技術至關重要。HR-pQCT 測量的 BMD 具有高度重復性，其誤差通常低于 1%[27-28]，但在結構參數測量方面誤差稍高（2.5%～6.3%）[6, 29]。橈骨 HR-pQCT 測量的精密度比脛骨更差，并且體內測量比離體（離體 0.5%～1.5%）測量誤差更高，這可能是由于橈骨受到移動偽影影響所致，因為橈骨是一個容易被頭部、頸部、肩部、手臂或手部輕微運動影響的部位[30]。
2 HR-pQCT 在骨質疏松骨小梁微結構分析中的應用
HR-pQCT 的一個重要應用是評估骨小梁微結構改變。目前有學者建立 HR-pQCT 數據庫，提供不同年齡和性別人群骨小梁微結構的參考數據，以便將個體數據與人群水平進行比較。個體 HR-pQCT 數據上傳經過比對后能夠生成結果報告，從而輔助 HR-pQCT 結果的臨床解釋。數據庫還提供骨骼微結構隨性別和年齡的變化趨勢。迄今為止，主要有三項研究描述了人群 HR-pQCT 骨微結構數據與年齡改變之間的關系。結果表明，在青春期，皮質骨 BMD 普遍增加，而皮質骨孔隙率下降，導致骨強度明顯提高[31-32]。而青春期早期的高骨折發生率可能與皮質骨孔隙率短暫增加相關[33]。
青春期后，骨骼總面積隨年齡增長而明顯增加，與女性相比，男性骨骼橫截面積更大（約多 33%）[2]。絕經后婦女與絕經前相比皮質骨內、外表面積增加[34]。男性皮質骨厚度大于女性，但隨年齡增加男女皮質骨厚度均明顯下降[35]。年輕男性的皮質骨孔隙率比女性高，但女性隨著年齡增大及絕經，皮質骨孔隙率會顯著增加[36]。年輕（< 50 歲）和老年人（> 50 歲）雙能 X 線（dual-energy X-ray absorptiometry，DXA）檢測顯示面積骨密度（area bone mineral density，aBMD）相似，但 HR-pQCT 顯示皮質骨孔隙率隨年齡增加顯著升高，其中男性約增加 90%，女性約增加 30%[37]。
年輕男性與女性相比，通常骨小梁數量更多、厚度更大，且 BV/TV 更大[38]。而無論男性和女性，骨小梁數量和厚度均隨年齡增長而減少[39-40]。老年女性表現出骨小梁數量減少，而男性與女性相比骨小梁厚度減少更為明顯[41]，通過 HR-pQCT 分析我們發現老年男性和女性骨骼微結構改變特點存在差別。
有研究應用 HR-pQCT 檢測不同抗骨質疏松藥物對于皮質骨和松質骨微結構的影響。表 2[42-49]總結了 8 篇相關研究的基本信息。不同研究顯示，基于 HR-pQCT 評價骨小梁微結構的方法能夠反映不同抗骨質疏松藥物的效果差異，各項研究的主要結果見表 3[42-49]。基于上述不同研究結果，HR-pQCT 能夠精確反映體積骨密度、Tb N、Tb Th、Ct Ar 和 Ct Th 等骨骼微結構參數，對于骨質疏松評估及干預治療具有重要的臨床意義。
表2
HR-pQCT 評估抗骨質疏松藥物對于骨微結構影響研究的基本信息
Table2.
General information for studies of HR-pQCT evaluation on the effect of different anti-osteoporosis drugs on bone microstructures
表3
HR-pQCT 評價不同抗骨質疏松藥物的治療效果
Table3.
HR-pQCT evaluation on the therapeutic effects of different anti-osteoporosis drugs
3 HR-pQCT 微有限元分析在預測骨強度中的應用
骨強度可以通過機械測試骨骼斷裂的極限載荷來確定，但這種方法需要將骨骼離體才能夠進行，為了明確體內的骨骼強度，我們僅能夠通過有限元分析對其進行預測。計算外部載荷引起的骨內形變和應力是一個復雜的問題，需要創建已知材料特性的元素網格來代替骨骼微結構，從而實現局部和整體尺度上力和力矩的平衡。
為了精確計算骨強度，需要引入微有限元的概念，微有限元與傳統的有限元模型存在顯著差別，前者是建立在高分辨率成像的基礎之上，從而使網格能夠精確體現骨組織的材料特性[50]。HR-pQCT 提供的高分辨率圖像恰好能夠滿足微有限元分析的要求。有研究表明，基于 HR-pQCT 數據計算獲得的遠端橈骨強度與生物力學檢測所得數據接近[51]。
近年來應用 HR-pQCT 評估活體內骨強度的方法受到廣泛關注。有實驗表明骨強度受到遺傳因素的影響，而通過 HR-pQCT 微有限元方法計算得到的遠端肢體的骨強度也與遺傳因素密切相關，這一相關性與 BMD 的遺傳因素有關，但與骨骼部位無明顯關聯[52]。另一方面，基于 HR-pQCT 的數據，我們能夠分析糖尿病、系統性紅斑狼瘡等慢性全身性疾病對于骨強度的影響，這能夠為患者接受全面有效的治療提供理論基礎[53-54]。
4 HR-pQCT 在骨折評估中的應用
HR-pQCT 能夠用于骨折的診斷，該功能主要是通過三維掃描、重建、獲得圖像數據從而評估骨皮質和骨小梁的連續性來實現。與 DXA 得到的 aBMD 相比，HR-pQCT 檢查能更好地辨別是否存在骨折[55-57]。HR-pQCT 在評估皮質骨厚度、孔隙率、骨小梁信號衰減等方面的優勢有利于其對于骨折的診斷。HR-pQCT 對于前臂骨折的識別比 DXA 更為敏感[57]。比較 DXA 和 HR-pQCT 的結果，可以得出以下結論：aBMD 與多個 HR-pQCT 的微結構參數高度相關[58]，HR-pQCT 在評價骨折方面通常優于 DXA，尤其是在橈骨遠端。
研究顯示骨骼微結構是骨折的獨立影響因素[59-60]。通過比較髖部骨折患者與正常人發現，骨折患者局部的 BV/TV、Tb N、Ct Th 和 Ct BMD 均顯著下降[61]。Stein 等[62]發現骨折患者體積 BMD 下降，同時骨小梁微結構遭到破壞，導致骨強度下降。骨折的嚴重程度與骨骼微結構密切相關，這進一步證明了 HR-pQCT 是比 DXA 更靈敏的辨別骨折嚴重程度的方法。女性的皮質骨結構與其發生椎體骨折的嚴重程度獨立相關，有報道顯示隨著骨小梁微結構破壞增加，絕經后女性發生嚴重椎體骨折的可能性也相應增加[63]。
目前已經發現男性骨小梁微結構差異與骨折風險密切相關。Vilayphiou 等[50]首先報道 HR-pQCT 數據結合有限元分析計算得到的骨強度與各種類型的骨折風險密切相關。另外，橈骨和脛骨發生骨折的風險接近，這說明脛骨并沒有因為負重而對骨骼微結構起到一定的保護作用[64]。Graeff 等[65]也發現 HR-pQCT 檢測骨小梁微結構結合有限元分析能夠較 DXA 更好地評估骨折風險。
最近，有一些學者利用人工智能程序分析 HR-pQCT 掃描得到的數據，通過計算機仿真學習系統，分辨是否存在骨折及發生骨折的風險，這一研究目前尚無明確結論，實現這一目標還需要大量基礎研究和臨床試驗。
5 HR-pQCT 的局限性和挑戰
首先，必須認識到 HR-pQCT 通常僅用于評估外周骨骼（橈骨和脛骨），而這些部位的測量結果能否反映中軸骨（髖關節和脊柱）的強度還有待商榷。雖然數據有限，但是少數研究已經表明外周骨骼 HR-pQCT 數據與中軸骨有中度相關性（r = 0.56～0.70）[66]。此外，橈骨本身是一個常見的骨折部位，沒有比 HR-pQCT 更好的成像技術來測量該部位的骨骼結構。整體而言，現有證據仍不足以表明可以將橈骨遠端（或脛骨）作為評價骨小梁結構的金標準，但迄今進行的臨床試驗獲得的結果還是令人滿意的。
HR-pQCT 圖像處理技術是我們面臨的一個巨大挑戰，也是影像學技術發展的重點。盡管 HR-pQCT 是目前用于人類骨骼測量的分辨率最高的掃描技術，但是由于骨小梁在物理層面上是接近的，所以 82 μm 的體素大小給圖像分隔帶來很大困難。此外，因為皮質骨和松質骨的精確邊界并不總是十分清晰，因此確定皮質骨和松質骨之間的分界線存在很大困難。如前所述，研究者已經開發了各種技術，但最重要的問題是重復性而不是分段過程的準確性。最后，減少操作偏差可以使實驗的重復性更好，從而確保 HR-pQCT 結果之間的一致性。
6 結論
HR-pQCT 為臨床工作提供了前所未有的測量脛骨和橈骨骨骼微結構的能力，這有利于評價整個生命周期中骨質的改變、抗骨質疏松治療對骨質的影響以及對骨折的評估。在這種先進工具常規用于臨床工作之前，必須要結合 DXA 的 aBMD 指標，綜合分析其對于骨折預測的效率。雖然今天 HR-pQCT 主要用于實驗研究，但它在自動分析模式下是一種比較容易應用的技術，因此未來可能廣泛應用于臨床檢測。如果有更多證據表明 HR-pQCT 可以作為評價骨質量的金標準，目前過高的成本可能會隨著產量增加而大大降低。與全球數以千計的 DXA 機器相比，世界范圍內的 HR-pQCT 系統如今不到 45 臺，因此 HR-pQCT 有巨大的市場潛力和發展空間。
總之，HR-pQCT 對骨骼三維微結構的測量明顯優于 DXA 的二維測量，它不僅能夠評估 BMD，也能評價骨小梁微結構的變化。為了充分開發這一技術在臨床應用中的潛力，需要對不同人群進行更多的臨床研究。
