引用本文: 彭静, 周勇, 闵理, 张闻力, 罗翼, 张学磊, 邹昌, 石锐, 屠重棋. 骨质疏松髋部骨折区影像学参数与骨微结构关系研究. 中国修复重建外科杂志, 2014, 28(5): 576-580. doi: 10.7507/1002-1892.20140129 复制
骨质疏松是指骨量减少、骨微结构破坏、骨脆性增加的全身性骨骼疾病[1]。目前,采用双能X线吸收骨密度扫描仪测定骨密度是骨质疏松诊断金标准,骨密度是评价骨强度和预测骨折风险的主要因素之一[2]。 但研究表明根据骨密度预测骨折风险敏感性及特异性较低,在发生骨折和未发生骨折的个体之间,骨密度有很大的重叠[3]。除骨密度外,骨微结构的破坏是骨质疏松重要病理改变之一,对骨强度下降有重要影响。
近年来出现了大量评定骨微结构的测量技术,包括有创与无创两类。有创技术需要侵入性操作,难以广泛实施;无创技术中,定量计算机断层照相技术(quantitative computed tomography,QCT)与MRI可直接测量跟骨及桡骨远端骨微结构,但价格昂贵,而且不能测量髋部及椎体松质骨微结构,难以在临床上广泛使用[4]。因取材困难,目前对髋部骨微结构的研究较少,对活体髋部骨折区张力侧骨微结构的研究更少。了解股骨近端张力侧骨小梁微结构与影像学参数之间关系,对于无创评估髋部骨微结构的变化有重要意义,为此我们进行了相关研究。报告如下。
1 材料与方法
1.1 研究对象
研究分为两组,其中试验组纳入标准:低能量创伤致股骨颈骨折并行人工髋关节置换术患者,年龄> 60岁,血钙、血磷、甲状旁腺激素均在正常范围内。对照组纳入标准:骨盆骨折的青年患者。两组排除标准:肿瘤、遗传疾病、代谢性疾病、局部感染、长期使用激素和酗酒史。
2012年6月-2013年1月,共31例患者符合选择标准纳入研究。其中试验组16例,男7例,女9例;年龄69~88岁,平均78.7岁;体重指数16.1~ 26.3,平均21.5。对照组5例,男2例,女3例;年龄25~ 35岁,平均31.1岁;体重指数20.2~25.6,平均23.2。患者均知情同意。
1.2 骨密度测量
试验组在术前采用双能X线吸收骨密度扫描仪(GE公司,美国)行健侧髋部骨密度检测,扫描模式:标准,146.0 μGy。测量股骨颈、大转子、Ward三角区、全髋面积骨密度,按世界卫生组织(WHO)推荐的骨质疏松诊断标准[5]:骨密度 T值< -2.5诊断为骨质疏松,T值在-1.0~-2.5之间为骨量减少。
1.3 CT检测
两组患者入院时(伤后48 h内)均行健侧髋关节薄层CT扫描(Siemens公司,德国),层距1 mm。扫描完成后将CT图像导出,使用Mimics 10.01软件(Materialise公司,比利时)分析。将连续的CT横截面图像导入Mimics 10.01软件中,转换并自动生成连续的轴位、冠状位、矢状位图像。利用“Crop Project”功能在轴位、冠状位、矢状位对图像进行分割,选择小转子下缘以上的股骨近端部分(图 1)。

定义CT值阈值,选择股骨近端的皮质骨、髓腔、松质骨。Mimics 10.01软件默认CT值226 HU为皮质骨、松质骨分界点,松质骨CT值为(130 ± 100) HU[6],因此本研究定义CT值≥226 HU表示皮质骨;CT值< 226 HU表示股骨近端除皮质骨以外的所有组织,位于皮质骨以内的部分本研究定义为髓腔(实际包含股骨近端真正髓腔、松质骨及松质骨孔隙内的组织);30 HU≤CT值< 226 HU表示松质骨部分。设定相应CT值段,选定髓腔及松质骨部分,在以皮质骨外缘为边界,手动分割股骨近端与髋臼及周围软组织,使用“Region growing”功能,选定髓腔、松质骨并对其进行三维重建(图 2)。通过Mimics 10.01软件测量获得松质骨体积(cancellous bone volume,CV)、髓腔体积(marrow cavity volume,MV),计算两指标比值(CV/ MV)。
1.4 骨微结构检测
1.4.1 标本取材
试验组术中于股骨颈基底部截骨,截骨平面内侧位于小转子上方1 cm处,外侧位于股骨颈基底部,保留截骨取下的股骨颈。在截骨平面上方,切取股骨颈张力侧骨小梁部位(图 3),取10 mm × 5 mm × 5 mm大小松质骨块,冲洗去除边缘残留的骨渣,保存于75%乙醇中备用。
1.4.2 骨微结构检测
骨微结构检测于四川大学口腔疾病研究国家重点实验室完成。取标本采用Micro-CT扫描仪(SCANCO Medical AG公司,瑞士)扫描,标本纵轴(张力侧骨小梁纵轴)垂直于水平面,放置于Micro-CT标本筒内,并用泡沫固定,防止扫描过程中标本移位。扫描参数:能量70 kV,强度114 μA,断层图像分辨率1 024像素× 1 024像素;扫描空间分辨率18 μm。
扫描完成后用仪器配套软件对标本微结构参数进行分析,分析时选定标本中心6 mm2底面积、4 mm高的圆柱形感兴趣区域,计算机自动生成域值提取图像信息,完成图像二值化,并进行三维重建,最后得出骨微结构参数,包括:骨体积分数(bone volume fraction,BV/TV)、骨小梁数量(trabecular number,Tb.N)、骨小梁距离(trabecular spacing,Tb.Sp)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、连接密度(connect density,Conn.D)、结构模型指数(structure model index,SMI)。
1.5 统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,组间比较采用t检验;试验组影像学与骨微结构参数进行Pearson相关分析;检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 影像学及骨微结构参数测量
试验组骨密度值为0.491~0.698 g/cm2,平均0.601 g/cm2; T值为-3.7~-2.0,平均-2.6;根据WHO推荐的骨质疏松诊断标准[5],其中10例为骨质疏松,6例为骨量减少。试验组髋部CV/MV为0.670 1 ± 0.102 0,显著低于对照组的 0.885 0 ± 0.089 1,差异有统计学意义(t= -4.567,P=0.000)。试验组微结构参数: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 试验组参数相关性分析
2.2.1 BV/TV与其他骨微结构参数
试验组BV/TV与Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp、SMI相关,其相关系数r分别为0.693(P=0.030)、0.576(P=0.019)、 -0.580(P=0.019)、 -0.742(P=0.001);但是BV/TV与Conn. D不相关(r=0.457,P=0.075)。
2.2.2 CV/MV与骨微结构参数
试验组CV/MV与骨微结构参数BV/TV、Tb.Th、SMI相关,其相关系数r分别为0.757(P=0.001)、0.733(P=0.001)、-0.608(P=0.013);CV/MV与Tb.N、Tb.Sp、Conn.D不相关,r分别为0.157(P=0.561)、 -0.288(P=0.280)、0.200(P=0.457)。
2.2.3 骨密度值与骨微结构参数
试验组骨密度值与各骨微结构参数BV/TV、Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp、Conn. D、SMI均不相关,相关系数r值分别为-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 讨论
3.1 实验方法及参数确定
髋部骨折为骨质疏松的严重并发症,主要由侧方摔倒引起。患者摔倒时大转子触地,股骨近端骨小梁受力情况与生理状态完全相反,压力侧骨小梁承受张应力,而张力侧骨小梁承受较大的压应力,最大应力可达生理状态张应力的4.3倍[7-8]。de Bakker等[9]发现髋部骨折首先开始于股骨颈及转子区外侧,然后发展至内侧。因此,股骨颈张力侧骨小梁在骨质疏松髋部骨折中可能有重要作用,对其微结构的分析具有重要意义,但目前的无创骨小梁微结构评估方法难以应用于髋部骨折区。
CT图像参数分析中,我们选择CV/MV来反映骨质疏松,主要基于以下原因:① 骨质疏松患者的松质骨会发生退变,骨小梁减少,其间距增大,必然会导致小梁间的空间增大,增大的间隙会由髓腔内软组织填充。有研究也发现,在各种类型骨质疏松患者中,骨髓中的脂肪细胞与松质骨骨量成反比,松质骨小梁退变的过程伴随脂肪细胞的增多[10]。② 骨质疏松发生过程中,不同CT值段的变化不一致,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,同时松质骨小梁间隙主要与CT值< 50 HU的组织百分比关系密切[11]。③ 骨微结构中BV/TV表示标本松质骨小梁体积与标本总体积百分比,CV/MV定义与之类似;BV/TV表示微观变化,CV/MV表示宏观变化,微观的变化可能与宏观变化相关。结合这三方面依据,我们以CV/MV作为CT参数,分析其与骨微结构参数的关系。
在Mimics软件中通过自动导入连续CT图像,选定固定区域CT值,行三维重建并计算该CT值段所有组织体积。在CT值的选择上,目前认为CT值 ≥226 HU表示皮质骨,30 HU≤CT值≤230 HU为松质骨,故我们分割股骨近端皮质骨与周围软组织后,以CT值在30~226 HU的组织体积与CT值< 226 HU组织体积之比代表CV/MV,分析其与松质骨微结构参数的关系。在本研究中,两组CV/MV比较差异有统计学意义,提示该参数能区分骨质疏松与非骨质疏松。
3.2 骨微结构与影像学关系分析
由于骨质疏松在影像学上(骨密度、X线、CT、MRI等)有一定变化,有学者通过分析影像学改变与微结构变化之间的关系,以期用临床影像学检测间接反映骨微结构变化。Legrand等[12]对髂骨活检发现,部分骨微结构指标与腰椎骨密度成较弱的线性关系(r=0.34)。李建赤等[13]对30例中低能量创伤致髋部骨折患者研究发现,患侧大转子区松质骨微结构参数与健侧大转子区骨密度均有一定相关性,相关系数|r|位于0.642~0.889之间。此外,有研究通过对X线片、CT或MRI图像进行纹理分析,其得到的相关特征值与骨微结构有一定相关性,但是这些研究仅针对跟骨、髂骨,而不是髋部松质骨[14-16],并且该方法是在二维图像数据基础上完成,结论有一定局限性[17]。
本研究结果提示,股骨颈骨密度与张力侧骨小梁各微结构参数间无相关性,与李建赤等[13]的研究结果不同。其原因可能为骨密度测定值为皮质骨与松质骨总和,在结构组成上皮质骨是骨量的主要部分,并且松质骨丢失达50%以上测定值才有所反映。股骨颈处松质骨总量要小于大转子区,故可能股骨颈处的骨密度不能反映骨微结构的变化。各骨微结构参数之间也有一定相关性,其中BV/TV与Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp、SMI存在相关性;通过对CT图像分析,发现CV/MV与骨微结构参数BV/TV、Tb.Th、SMI存在相关性,而与Tb.N、Tb.Sp、Conn.D不相关。CV/MV与BV/TV相关,验证了我们选择CV/MV作为观测参数的设想;同时BV/TV与Tb.Th、SMI相关,CT参数CV/MV亦与Tb.Th、SMI相关。提示可通过CT检测结果初步判断张力侧骨微结构性能。Wirth等[18]研究认为内固定的稳定性主要与局部骨微结构关系密切。而本研究结果提示髋部CT参数与股骨颈张力侧松质骨微结构有相关性,如果将骨密度与CT参数相结合可能对预测骨质疏松骨折及骨科内固定稳定性有积极作用,但需要进一步研究。
骨质疏松是指骨量减少、骨微结构破坏、骨脆性增加的全身性骨骼疾病[1]。目前,采用双能X线吸收骨密度扫描仪测定骨密度是骨质疏松诊断金标准,骨密度是评价骨强度和预测骨折风险的主要因素之一[2]。 但研究表明根据骨密度预测骨折风险敏感性及特异性较低,在发生骨折和未发生骨折的个体之间,骨密度有很大的重叠[3]。除骨密度外,骨微结构的破坏是骨质疏松重要病理改变之一,对骨强度下降有重要影响。
近年来出现了大量评定骨微结构的测量技术,包括有创与无创两类。有创技术需要侵入性操作,难以广泛实施;无创技术中,定量计算机断层照相技术(quantitative computed tomography,QCT)与MRI可直接测量跟骨及桡骨远端骨微结构,但价格昂贵,而且不能测量髋部及椎体松质骨微结构,难以在临床上广泛使用[4]。因取材困难,目前对髋部骨微结构的研究较少,对活体髋部骨折区张力侧骨微结构的研究更少。了解股骨近端张力侧骨小梁微结构与影像学参数之间关系,对于无创评估髋部骨微结构的变化有重要意义,为此我们进行了相关研究。报告如下。
1 材料与方法
1.1 研究对象
研究分为两组,其中试验组纳入标准:低能量创伤致股骨颈骨折并行人工髋关节置换术患者,年龄> 60岁,血钙、血磷、甲状旁腺激素均在正常范围内。对照组纳入标准:骨盆骨折的青年患者。两组排除标准:肿瘤、遗传疾病、代谢性疾病、局部感染、长期使用激素和酗酒史。
2012年6月-2013年1月,共31例患者符合选择标准纳入研究。其中试验组16例,男7例,女9例;年龄69~88岁,平均78.7岁;体重指数16.1~ 26.3,平均21.5。对照组5例,男2例,女3例;年龄25~ 35岁,平均31.1岁;体重指数20.2~25.6,平均23.2。患者均知情同意。
1.2 骨密度测量
试验组在术前采用双能X线吸收骨密度扫描仪(GE公司,美国)行健侧髋部骨密度检测,扫描模式:标准,146.0 μGy。测量股骨颈、大转子、Ward三角区、全髋面积骨密度,按世界卫生组织(WHO)推荐的骨质疏松诊断标准[5]:骨密度 T值< -2.5诊断为骨质疏松,T值在-1.0~-2.5之间为骨量减少。
1.3 CT检测
两组患者入院时(伤后48 h内)均行健侧髋关节薄层CT扫描(Siemens公司,德国),层距1 mm。扫描完成后将CT图像导出,使用Mimics 10.01软件(Materialise公司,比利时)分析。将连续的CT横截面图像导入Mimics 10.01软件中,转换并自动生成连续的轴位、冠状位、矢状位图像。利用“Crop Project”功能在轴位、冠状位、矢状位对图像进行分割,选择小转子下缘以上的股骨近端部分(图 1)。

定义CT值阈值,选择股骨近端的皮质骨、髓腔、松质骨。Mimics 10.01软件默认CT值226 HU为皮质骨、松质骨分界点,松质骨CT值为(130 ± 100) HU[6],因此本研究定义CT值≥226 HU表示皮质骨;CT值< 226 HU表示股骨近端除皮质骨以外的所有组织,位于皮质骨以内的部分本研究定义为髓腔(实际包含股骨近端真正髓腔、松质骨及松质骨孔隙内的组织);30 HU≤CT值< 226 HU表示松质骨部分。设定相应CT值段,选定髓腔及松质骨部分,在以皮质骨外缘为边界,手动分割股骨近端与髋臼及周围软组织,使用“Region growing”功能,选定髓腔、松质骨并对其进行三维重建(图 2)。通过Mimics 10.01软件测量获得松质骨体积(cancellous bone volume,CV)、髓腔体积(marrow cavity volume,MV),计算两指标比值(CV/ MV)。
1.4 骨微结构检测
1.4.1 标本取材
试验组术中于股骨颈基底部截骨,截骨平面内侧位于小转子上方1 cm处,外侧位于股骨颈基底部,保留截骨取下的股骨颈。在截骨平面上方,切取股骨颈张力侧骨小梁部位(图 3),取10 mm × 5 mm × 5 mm大小松质骨块,冲洗去除边缘残留的骨渣,保存于75%乙醇中备用。
1.4.2 骨微结构检测
骨微结构检测于四川大学口腔疾病研究国家重点实验室完成。取标本采用Micro-CT扫描仪(SCANCO Medical AG公司,瑞士)扫描,标本纵轴(张力侧骨小梁纵轴)垂直于水平面,放置于Micro-CT标本筒内,并用泡沫固定,防止扫描过程中标本移位。扫描参数:能量70 kV,强度114 μA,断层图像分辨率1 024像素× 1 024像素;扫描空间分辨率18 μm。
扫描完成后用仪器配套软件对标本微结构参数进行分析,分析时选定标本中心6 mm2底面积、4 mm高的圆柱形感兴趣区域,计算机自动生成域值提取图像信息,完成图像二值化,并进行三维重建,最后得出骨微结构参数,包括:骨体积分数(bone volume fraction,BV/TV)、骨小梁数量(trabecular number,Tb.N)、骨小梁距离(trabecular spacing,Tb.Sp)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、连接密度(connect density,Conn.D)、结构模型指数(structure model index,SMI)。
1.5 统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,组间比较采用t检验;试验组影像学与骨微结构参数进行Pearson相关分析;检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 影像学及骨微结构参数测量
试验组骨密度值为0.491~0.698 g/cm2,平均0.601 g/cm2; T值为-3.7~-2.0,平均-2.6;根据WHO推荐的骨质疏松诊断标准[5],其中10例为骨质疏松,6例为骨量减少。试验组髋部CV/MV为0.670 1 ± 0.102 0,显著低于对照组的 0.885 0 ± 0.089 1,差异有统计学意义(t= -4.567,P=0.000)。试验组微结构参数: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 试验组参数相关性分析
2.2.1 BV/TV与其他骨微结构参数
试验组BV/TV与Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp、SMI相关,其相关系数r分别为0.693(P=0.030)、0.576(P=0.019)、 -0.580(P=0.019)、 -0.742(P=0.001);但是BV/TV与Conn. D不相关(r=0.457,P=0.075)。
2.2.2 CV/MV与骨微结构参数
试验组CV/MV与骨微结构参数BV/TV、Tb.Th、SMI相关,其相关系数r分别为0.757(P=0.001)、0.733(P=0.001)、-0.608(P=0.013);CV/MV与Tb.N、Tb.Sp、Conn.D不相关,r分别为0.157(P=0.561)、 -0.288(P=0.280)、0.200(P=0.457)。
2.2.3 骨密度值与骨微结构参数
试验组骨密度值与各骨微结构参数BV/TV、Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp、Conn. D、SMI均不相关,相关系数r值分别为-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 讨论
3.1 实验方法及参数确定
髋部骨折为骨质疏松的严重并发症,主要由侧方摔倒引起。患者摔倒时大转子触地,股骨近端骨小梁受力情况与生理状态完全相反,压力侧骨小梁承受张应力,而张力侧骨小梁承受较大的压应力,最大应力可达生理状态张应力的4.3倍[7-8]。de Bakker等[9]发现髋部骨折首先开始于股骨颈及转子区外侧,然后发展至内侧。因此,股骨颈张力侧骨小梁在骨质疏松髋部骨折中可能有重要作用,对其微结构的分析具有重要意义,但目前的无创骨小梁微结构评估方法难以应用于髋部骨折区。
CT图像参数分析中,我们选择CV/MV来反映骨质疏松,主要基于以下原因:① 骨质疏松患者的松质骨会发生退变,骨小梁减少,其间距增大,必然会导致小梁间的空间增大,增大的间隙会由髓腔内软组织填充。有研究也发现,在各种类型骨质疏松患者中,骨髓中的脂肪细胞与松质骨骨量成反比,松质骨小梁退变的过程伴随脂肪细胞的增多[10]。② 骨质疏松发生过程中,不同CT值段的变化不一致,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,同时松质骨小梁间隙主要与CT值< 50 HU的组织百分比关系密切[11]。③ 骨微结构中BV/TV表示标本松质骨小梁体积与标本总体积百分比,CV/MV定义与之类似;BV/TV表示微观变化,CV/MV表示宏观变化,微观的变化可能与宏观变化相关。结合这三方面依据,我们以CV/MV作为CT参数,分析其与骨微结构参数的关系。
在Mimics软件中通过自动导入连续CT图像,选定固定区域CT值,行三维重建并计算该CT值段所有组织体积。在CT值的选择上,目前认为CT值 ≥226 HU表示皮质骨,30 HU≤CT值≤230 HU为松质骨,故我们分割股骨近端皮质骨与周围软组织后,以CT值在30~226 HU的组织体积与CT值< 226 HU组织体积之比代表CV/MV,分析其与松质骨微结构参数的关系。在本研究中,两组CV/MV比较差异有统计学意义,提示该参数能区分骨质疏松与非骨质疏松。
3.2 骨微结构与影像学关系分析
由于骨质疏松在影像学上(骨密度、X线、CT、MRI等)有一定变化,有学者通过分析影像学改变与微结构变化之间的关系,以期用临床影像学检测间接反映骨微结构变化。Legrand等[12]对髂骨活检发现,部分骨微结构指标与腰椎骨密度成较弱的线性关系(r=0.34)。李建赤等[13]对30例中低能量创伤致髋部骨折患者研究发现,患侧大转子区松质骨微结构参数与健侧大转子区骨密度均有一定相关性,相关系数|r|位于0.642~0.889之间。此外,有研究通过对X线片、CT或MRI图像进行纹理分析,其得到的相关特征值与骨微结构有一定相关性,但是这些研究仅针对跟骨、髂骨,而不是髋部松质骨[14-16],并且该方法是在二维图像数据基础上完成,结论有一定局限性[17]。
本研究结果提示,股骨颈骨密度与张力侧骨小梁各微结构参数间无相关性,与李建赤等[13]的研究结果不同。其原因可能为骨密度测定值为皮质骨与松质骨总和,在结构组成上皮质骨是骨量的主要部分,并且松质骨丢失达50%以上测定值才有所反映。股骨颈处松质骨总量要小于大转子区,故可能股骨颈处的骨密度不能反映骨微结构的变化。各骨微结构参数之间也有一定相关性,其中BV/TV与Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp、SMI存在相关性;通过对CT图像分析,发现CV/MV与骨微结构参数BV/TV、Tb.Th、SMI存在相关性,而与Tb.N、Tb.Sp、Conn.D不相关。CV/MV与BV/TV相关,验证了我们选择CV/MV作为观测参数的设想;同时BV/TV与Tb.Th、SMI相关,CT参数CV/MV亦与Tb.Th、SMI相关。提示可通过CT检测结果初步判断张力侧骨微结构性能。Wirth等[18]研究认为内固定的稳定性主要与局部骨微结构关系密切。而本研究结果提示髋部CT参数与股骨颈张力侧松质骨微结构有相关性,如果将骨密度与CT参数相结合可能对预测骨质疏松骨折及骨科内固定稳定性有积极作用,但需要进一步研究。