引用本文: 彭靜, 周勇, 閔理, 張聞力, 羅翼, 張學磊, 鄒昌, 石銳, 屠重棋. 骨質疏松髖部骨折區影像學參數與骨微結構關系研究. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(5): 576-580. doi: 10.7507/1002-1892.20140129 復制
骨質疏松是指骨量減少、骨微結構破壞、骨脆性增加的全身性骨骼疾病[1]。目前,采用雙能X線吸收骨密度掃描儀測定骨密度是骨質疏松診斷金標準,骨密度是評價骨強度和預測骨折風險的主要因素之一[2]。 但研究表明根據骨密度預測骨折風險敏感性及特異性較低,在發生骨折和未發生骨折的個體之間,骨密度有很大的重疊[3]。除骨密度外,骨微結構的破壞是骨質疏松重要病理改變之一,對骨強度下降有重要影響。
近年來出現了大量評定骨微結構的測量技術,包括有創與無創兩類。有創技術需要侵入性操作,難以廣泛實施;無創技術中,定量計算機斷層照相技術(quantitative computed tomography,QCT)與MRI可直接測量跟骨及橈骨遠端骨微結構,但價格昂貴,而且不能測量髖部及椎體松質骨微結構,難以在臨床上廣泛使用[4]。因取材困難,目前對髖部骨微結構的研究較少,對活體髖部骨折區張力側骨微結構的研究更少。了解股骨近端張力側骨小梁微結構與影像學參數之間關系,對于無創評估髖部骨微結構的變化有重要意義,為此我們進行了相關研究。報告如下。
1 材料與方法
1.1 研究對象
研究分為兩組,其中試驗組納入標準:低能量創傷致股骨頸骨折并行人工髖關節置換術患者,年齡> 60歲,血鈣、血磷、甲狀旁腺激素均在正常范圍內。對照組納入標準:骨盆骨折的青年患者。兩組排除標準:腫瘤、遺傳疾病、代謝性疾病、局部感染、長期使用激素和酗酒史。
2012年6月-2013年1月,共31例患者符合選擇標準納入研究。其中試驗組16例,男7例,女9例;年齡69~88歲,平均78.7歲;體重指數16.1~ 26.3,平均21.5。對照組5例,男2例,女3例;年齡25~ 35歲,平均31.1歲;體重指數20.2~25.6,平均23.2。患者均知情同意。
1.2 骨密度測量
試驗組在術前采用雙能X線吸收骨密度掃描儀(GE公司,美國)行健側髖部骨密度檢測,掃描模式:標準,146.0 μGy。測量股骨頸、大轉子、Ward三角區、全髖面積骨密度,按世界衛生組織(WHO)推薦的骨質疏松診斷標準[5]:骨密度 T值< -2.5診斷為骨質疏松,T值在-1.0~-2.5之間為骨量減少。
1.3 CT檢測
兩組患者入院時(傷后48 h內)均行健側髖關節薄層CT掃描(Siemens公司,德國),層距1 mm。掃描完成后將CT圖像導出,使用Mimics 10.01軟件(Materialise公司,比利時)分析。將連續的CT橫截面圖像導入Mimics 10.01軟件中,轉換并自動生成連續的軸位、冠狀位、矢狀位圖像。利用“Crop Project”功能在軸位、冠狀位、矢狀位對圖像進行分割,選擇小轉子下緣以上的股骨近端部分(圖 1)。

定義CT值閾值,選擇股骨近端的皮質骨、髓腔、松質骨。Mimics 10.01軟件默認CT值226 HU為皮質骨、松質骨分界點,松質骨CT值為(130 ± 100) HU[6],因此本研究定義CT值≥226 HU表示皮質骨;CT值< 226 HU表示股骨近端除皮質骨以外的所有組織,位于皮質骨以內的部分本研究定義為髓腔(實際包含股骨近端真正髓腔、松質骨及松質骨孔隙內的組織);30 HU≤CT值< 226 HU表示松質骨部分。設定相應CT值段,選定髓腔及松質骨部分,在以皮質骨外緣為邊界,手動分割股骨近端與髖臼及周圍軟組織,使用“Region growing”功能,選定髓腔、松質骨并對其進行三維重建(圖 2)。通過Mimics 10.01軟件測量獲得松質骨體積(cancellous bone volume,CV)、髓腔體積(marrow cavity volume,MV),計算兩指標比值(CV/ MV)。
1.4 骨微結構檢測
1.4.1 標本取材
試驗組術中于股骨頸基底部截骨,截骨平面內側位于小轉子上方1 cm處,外側位于股骨頸基底部,保留截骨取下的股骨頸。在截骨平面上方,切取股骨頸張力側骨小梁部位(圖 3),取10 mm × 5 mm × 5 mm大小松質骨塊,沖洗去除邊緣殘留的骨渣,保存于75%乙醇中備用。
1.4.2 骨微結構檢測
骨微結構檢測于四川大學口腔疾病研究國家重點實驗室完成。取標本采用Micro-CT掃描儀(SCANCO Medical AG公司,瑞士)掃描,標本縱軸(張力側骨小梁縱軸)垂直于水平面,放置于Micro-CT標本筒內,并用泡沫固定,防止掃描過程中標本移位。掃描參數:能量70 kV,強度114 μA,斷層圖像分辨率1 024像素× 1 024像素;掃描空間分辨率18 μm。
掃描完成后用儀器配套軟件對標本微結構參數進行分析,分析時選定標本中心6 mm2底面積、4 mm高的圓柱形感興趣區域,計算機自動生成域值提取圖像信息,完成圖像二值化,并進行三維重建,最后得出骨微結構參數,包括:骨體積分數(bone volume fraction,BV/TV)、骨小梁數量(trabecular number,Tb.N)、骨小梁距離(trabecular spacing,Tb.Sp)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、連接密度(connect density,Conn.D)、結構模型指數(structure model index,SMI)。
1.5 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,組間比較采用t檢驗;試驗組影像學與骨微結構參數進行Pearson相關分析;檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 影像學及骨微結構參數測量
試驗組骨密度值為0.491~0.698 g/cm2,平均0.601 g/cm2; T值為-3.7~-2.0,平均-2.6;根據WHO推薦的骨質疏松診斷標準[5],其中10例為骨質疏松,6例為骨量減少。試驗組髖部CV/MV為0.670 1 ± 0.102 0,顯著低于對照組的 0.885 0 ± 0.089 1,差異有統計學意義(t= -4.567,P=0.000)。試驗組微結構參數:BV/TV 0.064 5 ± 0.025 9,Tb.N(0.807 8 ± 0.221 2)/mm,Tb.Th (0.083 6 ± 0.021 2) mm,Tb.Sp(1.219 7 ± 0.449 2) mm,Conn.D(1.857 7 ± 1.021 7) / mm3,SMI 1.778 0 ± 0.516 8。
2.2 試驗組參數相關性分析
2.2.1 BV/TV與其他骨微結構參數
試驗組BV/TV與Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp、SMI相關,其相關系數r分別為0.693(P=0.030)、0.576(P=0.019)、 -0.580(P=0.019)、 -0.742(P=0.001);但是BV/TV與Conn. D不相關(r=0.457,P=0.075)。
2.2.2 CV/MV與骨微結構參數
試驗組CV/MV與骨微結構參數BV/TV、Tb.Th、SMI相關,其相關系數r分別為0.757(P=0.001)、0.733(P=0.001)、-0.608(P=0.013);CV/MV與Tb.N、Tb.Sp、Conn.D不相關,r分別為0.157(P=0.561)、 -0.288(P=0.280)、0.200(P=0.457)。
2.2.3 骨密度值與骨微結構參數
試驗組骨密度值與各骨微結構參數BV/TV、Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp、Conn. D、SMI均不相關,相關系數r值分別為-0.003(P=0.990)、0.094(P=0.730)、 -0.011(P=0.968)、 -0.339(P=0.198)、 -0.057(P=0.833)、 -0.071(P=0.794)。
3 討論
3.1 實驗方法及參數確定
髖部骨折為骨質疏松的嚴重并發癥,主要由側方摔倒引起。患者摔倒時大轉子觸地,股骨近端骨小梁受力情況與生理狀態完全相反,壓力側骨小梁承受張應力,而張力側骨小梁承受較大的壓應力,最大應力可達生理狀態張應力的4.3倍[7-8]。de Bakker等[9]發現髖部骨折首先開始于股骨頸及轉子區外側,然后發展至內側。因此,股骨頸張力側骨小梁在骨質疏松髖部骨折中可能有重要作用,對其微結構的分析具有重要意義,但目前的無創骨小梁微結構評估方法難以應用于髖部骨折區。
CT圖像參數分析中,我們選擇CV/MV來反映骨質疏松,主要基于以下原因:① 骨質疏松患者的松質骨會發生退變,骨小梁減少,其間距增大,必然會導致小梁間的空間增大,增大的間隙會由髓腔內軟組織填充。有研究也發現,在各種類型骨質疏松患者中,骨髓中的脂肪細胞與松質骨骨量成反比,松質骨小梁退變的過程伴隨脂肪細胞的增多[10]。② 骨質疏松發生過程中,不同CT值段的變化不一致,其中中等密度段(50~300 HU)比例下降,低密度段(-1 024~50 HU)比例增加,同時松質骨小梁間隙主要與CT值< 50 HU的組織百分比關系密切[11]。③ 骨微結構中BV/TV表示標本松質骨小梁體積與標本總體積百分比,CV/MV定義與之類似;BV/TV表示微觀變化,CV/MV表示宏觀變化,微觀的變化可能與宏觀變化相關。結合這三方面依據,我們以CV/MV作為CT參數,分析其與骨微結構參數的關系。
在Mimics軟件中通過自動導入連續CT圖像,選定固定區域CT值,行三維重建并計算該CT值段所有組織體積。在CT值的選擇上,目前認為CT值 ≥226 HU表示皮質骨,30 HU≤CT值≤230 HU為松質骨,故我們分割股骨近端皮質骨與周圍軟組織后,以CT值在30~226 HU的組織體積與CT值< 226 HU組織體積之比代表CV/MV,分析其與松質骨微結構參數的關系。在本研究中,兩組CV/MV比較差異有統計學意義,提示該參數能區分骨質疏松與非骨質疏松。
3.2 骨微結構與影像學關系分析
由于骨質疏松在影像學上(骨密度、X線、CT、MRI等)有一定變化,有學者通過分析影像學改變與微結構變化之間的關系,以期用臨床影像學檢測間接反映骨微結構變化。Legrand等[12]對髂骨活檢發現,部分骨微結構指標與腰椎骨密度成較弱的線性關系(r=0.34)。李建赤等[13]對30例中低能量創傷致髖部骨折患者研究發現,患側大轉子區松質骨微結構參數與健側大轉子區骨密度均有一定相關性,相關系數|r|位于0.642~0.889之間。此外,有研究通過對X線片、CT或MRI圖像進行紋理分析,其得到的相關特征值與骨微結構有一定相關性,但是這些研究僅針對跟骨、髂骨,而不是髖部松質骨[14-16],并且該方法是在二維圖像數據基礎上完成,結論有一定局限性[17]。
本研究結果提示,股骨頸骨密度與張力側骨小梁各微結構參數間無相關性,與李建赤等[13]的研究結果不同。其原因可能為骨密度測定值為皮質骨與松質骨總和,在結構組成上皮質骨是骨量的主要部分,并且松質骨丟失達50%以上測定值才有所反映。股骨頸處松質骨總量要小于大轉子區,故可能股骨頸處的骨密度不能反映骨微結構的變化。各骨微結構參數之間也有一定相關性,其中BV/TV與Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp、SMI存在相關性;通過對CT圖像分析,發現CV/MV與骨微結構參數BV/TV、Tb.Th、SMI存在相關性,而與Tb.N、Tb.Sp、Conn.D不相關。CV/MV與BV/TV相關,驗證了我們選擇CV/MV作為觀測參數的設想;同時BV/TV與Tb.Th、SMI相關,CT參數CV/MV亦與Tb.Th、SMI相關。提示可通過CT檢測結果初步判斷張力側骨微結構性能。Wirth等[18]研究認為內固定的穩定性主要與局部骨微結構關系密切。而本研究結果提示髖部CT參數與股骨頸張力側松質骨微結構有相關性,如果將骨密度與CT參數相結合可能對預測骨質疏松骨折及骨科內固定穩定性有積極作用,但需要進一步研究。
骨質疏松是指骨量減少、骨微結構破壞、骨脆性增加的全身性骨骼疾病[1]。目前,采用雙能X線吸收骨密度掃描儀測定骨密度是骨質疏松診斷金標準,骨密度是評價骨強度和預測骨折風險的主要因素之一[2]。 但研究表明根據骨密度預測骨折風險敏感性及特異性較低,在發生骨折和未發生骨折的個體之間,骨密度有很大的重疊[3]。除骨密度外,骨微結構的破壞是骨質疏松重要病理改變之一,對骨強度下降有重要影響。
近年來出現了大量評定骨微結構的測量技術,包括有創與無創兩類。有創技術需要侵入性操作,難以廣泛實施;無創技術中,定量計算機斷層照相技術(quantitative computed tomography,QCT)與MRI可直接測量跟骨及橈骨遠端骨微結構,但價格昂貴,而且不能測量髖部及椎體松質骨微結構,難以在臨床上廣泛使用[4]。因取材困難,目前對髖部骨微結構的研究較少,對活體髖部骨折區張力側骨微結構的研究更少。了解股骨近端張力側骨小梁微結構與影像學參數之間關系,對于無創評估髖部骨微結構的變化有重要意義,為此我們進行了相關研究。報告如下。
1 材料與方法
1.1 研究對象
研究分為兩組,其中試驗組納入標準:低能量創傷致股骨頸骨折并行人工髖關節置換術患者,年齡> 60歲,血鈣、血磷、甲狀旁腺激素均在正常范圍內。對照組納入標準:骨盆骨折的青年患者。兩組排除標準:腫瘤、遺傳疾病、代謝性疾病、局部感染、長期使用激素和酗酒史。
2012年6月-2013年1月,共31例患者符合選擇標準納入研究。其中試驗組16例,男7例,女9例;年齡69~88歲,平均78.7歲;體重指數16.1~ 26.3,平均21.5。對照組5例,男2例,女3例;年齡25~ 35歲,平均31.1歲;體重指數20.2~25.6,平均23.2。患者均知情同意。
1.2 骨密度測量
試驗組在術前采用雙能X線吸收骨密度掃描儀(GE公司,美國)行健側髖部骨密度檢測,掃描模式:標準,146.0 μGy。測量股骨頸、大轉子、Ward三角區、全髖面積骨密度,按世界衛生組織(WHO)推薦的骨質疏松診斷標準[5]:骨密度 T值< -2.5診斷為骨質疏松,T值在-1.0~-2.5之間為骨量減少。
1.3 CT檢測
兩組患者入院時(傷后48 h內)均行健側髖關節薄層CT掃描(Siemens公司,德國),層距1 mm。掃描完成后將CT圖像導出,使用Mimics 10.01軟件(Materialise公司,比利時)分析。將連續的CT橫截面圖像導入Mimics 10.01軟件中,轉換并自動生成連續的軸位、冠狀位、矢狀位圖像。利用“Crop Project”功能在軸位、冠狀位、矢狀位對圖像進行分割,選擇小轉子下緣以上的股骨近端部分(圖 1)。

定義CT值閾值,選擇股骨近端的皮質骨、髓腔、松質骨。Mimics 10.01軟件默認CT值226 HU為皮質骨、松質骨分界點,松質骨CT值為(130 ± 100) HU[6],因此本研究定義CT值≥226 HU表示皮質骨;CT值< 226 HU表示股骨近端除皮質骨以外的所有組織,位于皮質骨以內的部分本研究定義為髓腔(實際包含股骨近端真正髓腔、松質骨及松質骨孔隙內的組織);30 HU≤CT值< 226 HU表示松質骨部分。設定相應CT值段,選定髓腔及松質骨部分,在以皮質骨外緣為邊界,手動分割股骨近端與髖臼及周圍軟組織,使用“Region growing”功能,選定髓腔、松質骨并對其進行三維重建(圖 2)。通過Mimics 10.01軟件測量獲得松質骨體積(cancellous bone volume,CV)、髓腔體積(marrow cavity volume,MV),計算兩指標比值(CV/ MV)。
1.4 骨微結構檢測
1.4.1 標本取材
試驗組術中于股骨頸基底部截骨,截骨平面內側位于小轉子上方1 cm處,外側位于股骨頸基底部,保留截骨取下的股骨頸。在截骨平面上方,切取股骨頸張力側骨小梁部位(圖 3),取10 mm × 5 mm × 5 mm大小松質骨塊,沖洗去除邊緣殘留的骨渣,保存于75%乙醇中備用。
1.4.2 骨微結構檢測
骨微結構檢測于四川大學口腔疾病研究國家重點實驗室完成。取標本采用Micro-CT掃描儀(SCANCO Medical AG公司,瑞士)掃描,標本縱軸(張力側骨小梁縱軸)垂直于水平面,放置于Micro-CT標本筒內,并用泡沫固定,防止掃描過程中標本移位。掃描參數:能量70 kV,強度114 μA,斷層圖像分辨率1 024像素× 1 024像素;掃描空間分辨率18 μm。
掃描完成后用儀器配套軟件對標本微結構參數進行分析,分析時選定標本中心6 mm2底面積、4 mm高的圓柱形感興趣區域,計算機自動生成域值提取圖像信息,完成圖像二值化,并進行三維重建,最后得出骨微結構參數,包括:骨體積分數(bone volume fraction,BV/TV)、骨小梁數量(trabecular number,Tb.N)、骨小梁距離(trabecular spacing,Tb.Sp)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、連接密度(connect density,Conn.D)、結構模型指數(structure model index,SMI)。
1.5 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,組間比較采用t檢驗;試驗組影像學與骨微結構參數進行Pearson相關分析;檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 影像學及骨微結構參數測量
試驗組骨密度值為0.491~0.698 g/cm2,平均0.601 g/cm2; T值為-3.7~-2.0,平均-2.6;根據WHO推薦的骨質疏松診斷標準[5],其中10例為骨質疏松,6例為骨量減少。試驗組髖部CV/MV為0.670 1 ± 0.102 0,顯著低于對照組的 0.885 0 ± 0.089 1,差異有統計學意義(t= -4.567,P=0.000)。試驗組微結構參數:BV/TV 0.064 5 ± 0.025 9,Tb.N(0.807 8 ± 0.221 2)/mm,Tb.Th (0.083 6 ± 0.021 2) mm,Tb.Sp(1.219 7 ± 0.449 2) mm,Conn.D(1.857 7 ± 1.021 7) / mm3,SMI 1.778 0 ± 0.516 8。
2.2 試驗組參數相關性分析
2.2.1 BV/TV與其他骨微結構參數
試驗組BV/TV與Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp、SMI相關,其相關系數r分別為0.693(P=0.030)、0.576(P=0.019)、 -0.580(P=0.019)、 -0.742(P=0.001);但是BV/TV與Conn. D不相關(r=0.457,P=0.075)。
2.2.2 CV/MV與骨微結構參數
試驗組CV/MV與骨微結構參數BV/TV、Tb.Th、SMI相關,其相關系數r分別為0.757(P=0.001)、0.733(P=0.001)、-0.608(P=0.013);CV/MV與Tb.N、Tb.Sp、Conn.D不相關,r分別為0.157(P=0.561)、 -0.288(P=0.280)、0.200(P=0.457)。
2.2.3 骨密度值與骨微結構參數
試驗組骨密度值與各骨微結構參數BV/TV、Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp、Conn. D、SMI均不相關,相關系數r值分別為-0.003(P=0.990)、0.094(P=0.730)、 -0.011(P=0.968)、 -0.339(P=0.198)、 -0.057(P=0.833)、 -0.071(P=0.794)。
3 討論
3.1 實驗方法及參數確定
髖部骨折為骨質疏松的嚴重并發癥,主要由側方摔倒引起。患者摔倒時大轉子觸地,股骨近端骨小梁受力情況與生理狀態完全相反,壓力側骨小梁承受張應力,而張力側骨小梁承受較大的壓應力,最大應力可達生理狀態張應力的4.3倍[7-8]。de Bakker等[9]發現髖部骨折首先開始于股骨頸及轉子區外側,然后發展至內側。因此,股骨頸張力側骨小梁在骨質疏松髖部骨折中可能有重要作用,對其微結構的分析具有重要意義,但目前的無創骨小梁微結構評估方法難以應用于髖部骨折區。
CT圖像參數分析中,我們選擇CV/MV來反映骨質疏松,主要基于以下原因:① 骨質疏松患者的松質骨會發生退變,骨小梁減少,其間距增大,必然會導致小梁間的空間增大,增大的間隙會由髓腔內軟組織填充。有研究也發現,在各種類型骨質疏松患者中,骨髓中的脂肪細胞與松質骨骨量成反比,松質骨小梁退變的過程伴隨脂肪細胞的增多[10]。② 骨質疏松發生過程中,不同CT值段的變化不一致,其中中等密度段(50~300 HU)比例下降,低密度段(-1 024~50 HU)比例增加,同時松質骨小梁間隙主要與CT值< 50 HU的組織百分比關系密切[11]。③ 骨微結構中BV/TV表示標本松質骨小梁體積與標本總體積百分比,CV/MV定義與之類似;BV/TV表示微觀變化,CV/MV表示宏觀變化,微觀的變化可能與宏觀變化相關。結合這三方面依據,我們以CV/MV作為CT參數,分析其與骨微結構參數的關系。
在Mimics軟件中通過自動導入連續CT圖像,選定固定區域CT值,行三維重建并計算該CT值段所有組織體積。在CT值的選擇上,目前認為CT值 ≥226 HU表示皮質骨,30 HU≤CT值≤230 HU為松質骨,故我們分割股骨近端皮質骨與周圍軟組織后,以CT值在30~226 HU的組織體積與CT值< 226 HU組織體積之比代表CV/MV,分析其與松質骨微結構參數的關系。在本研究中,兩組CV/MV比較差異有統計學意義,提示該參數能區分骨質疏松與非骨質疏松。
3.2 骨微結構與影像學關系分析
由于骨質疏松在影像學上(骨密度、X線、CT、MRI等)有一定變化,有學者通過分析影像學改變與微結構變化之間的關系,以期用臨床影像學檢測間接反映骨微結構變化。Legrand等[12]對髂骨活檢發現,部分骨微結構指標與腰椎骨密度成較弱的線性關系(r=0.34)。李建赤等[13]對30例中低能量創傷致髖部骨折患者研究發現,患側大轉子區松質骨微結構參數與健側大轉子區骨密度均有一定相關性,相關系數|r|位于0.642~0.889之間。此外,有研究通過對X線片、CT或MRI圖像進行紋理分析,其得到的相關特征值與骨微結構有一定相關性,但是這些研究僅針對跟骨、髂骨,而不是髖部松質骨[14-16],并且該方法是在二維圖像數據基礎上完成,結論有一定局限性[17]。
本研究結果提示,股骨頸骨密度與張力側骨小梁各微結構參數間無相關性,與李建赤等[13]的研究結果不同。其原因可能為骨密度測定值為皮質骨與松質骨總和,在結構組成上皮質骨是骨量的主要部分,并且松質骨丟失達50%以上測定值才有所反映。股骨頸處松質骨總量要小于大轉子區,故可能股骨頸處的骨密度不能反映骨微結構的變化。各骨微結構參數之間也有一定相關性,其中BV/TV與Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp、SMI存在相關性;通過對CT圖像分析,發現CV/MV與骨微結構參數BV/TV、Tb.Th、SMI存在相關性,而與Tb.N、Tb.Sp、Conn.D不相關。CV/MV與BV/TV相關,驗證了我們選擇CV/MV作為觀測參數的設想;同時BV/TV與Tb.Th、SMI相關,CT參數CV/MV亦與Tb.Th、SMI相關。提示可通過CT檢測結果初步判斷張力側骨微結構性能。Wirth等[18]研究認為內固定的穩定性主要與局部骨微結構關系密切。而本研究結果提示髖部CT參數與股骨頸張力側松質骨微結構有相關性,如果將骨密度與CT參數相結合可能對預測骨質疏松骨折及骨科內固定穩定性有積極作用,但需要進一步研究。