各類骨密度檢測設備的工作原理及實現(xiàn)技術比較分析

周俊，唐昊，李詠雪

1.總后勤部衛(wèi)生部藥品儀器檢驗所 計量室，北京 100071；2.第三軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程系，重慶 400038

各類骨密度檢測設備的工作原理及實現(xiàn)技術比較分析

周俊1,2，唐昊2，李詠雪1

1.總后勤部衛(wèi)生部藥品儀器檢驗所 計量室，北京 100071；2.第三軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程系，重慶 400038

本文闡述了各類骨密度儀的檢測原理和技術性能特點，比較、分析了它們的臨床應用范圍，并對骨密度檢測的金標準雙能X射線吸收骨密度儀的測量原理和臨床應用作了重點介紹。

骨密度儀；測量原理；雙能X射線吸收骨密度儀

隨著人們物質生活水平和衛(wèi)生條件的提高，人口老齡化悄然來臨，骨質疏松發(fā)生率日益增高，由此帶來的骨質疏松性骨折等病癥給很多人帶來困擾。國際骨質疏松基金會調查顯示：全世界50歲以上女性有1/3會出現(xiàn)骨質疏松性骨折，50歲以上男性有1/5會出現(xiàn)骨質疏松性骨折；到2050年，5000萬左右的中國人會因骨質疏松而發(fā)生不同程度的骨折。預防和治療骨質疏松刻不容緩，而其技術基礎是檢測評估骨密度。因此，目前骨密度儀的臨床地位正日益提高，骨密度儀發(fā)展和創(chuàng)新已成為當今世界醫(yī)學研究的一大熱點。

1 骨密度儀的基本結構原理和分類

骨密度（Bone Mineral Density，BMD）是骨礦物質密度的簡稱，是骨骼強度的重要指標，它可以反映骨質疏松的程度[1]。目前臨床上所使用的各類骨密度儀，其結構原理都大致如下：將某種物質（通常為攜帶一定能量的射線或者機械波）透射人體目標骨骼和軟組織，使用特定的探測器對透射的物質進行檢測以獲得相關投射信息，利用計算機進行處理，即可得到目標部位的骨密度。

骨密度儀的種類較多，按測量原理和檢測手段可分為單純X射線機（X-ray Photodensitometry）、單光子吸收骨密度儀（Single Photon Absorptionmetry，SPA）、單能X射線吸收骨密度儀（Single Energy X-ray Absorptionmetry，SXA）、雙光子吸收骨密度儀（Dual Photon Absorptionmetry，DPA）、雙能X射線吸收骨密度儀（Dual Energy X-ray Absorptionmetry，DEXA）、定量CT（QCT）、PET-CT（Positron Emission Tomography-Computed Tomography）和超聲波骨密度儀（Ultrasound Bone Densitometer，UBD）等[2]。目前，臨床上使用最普遍的是雙能X射線吸收骨密度儀和超聲骨密度儀。前者是骨密度檢測的金標準[3]，后者主要用于體檢普查。

2 各類骨密度檢測設備的工作原理及優(yōu)缺點

2.1 單純X射線機

使用X射線機檢測骨密度時，需要將與骨密度等效的鋁楔或者鋁階梯同人體目標部位一起拍攝X片，之后通過黑度計對X片進行測試判讀，得到骨密度值[4]。此種測量骨密度的方法也稱X射線片光密度測量法，測量的精確度和準確度較高，優(yōu)于光子吸收骨密度儀，但易受X片質量和等效鋁楔或鋁階梯加工精度影響。

2.2 單光子吸收骨密度儀（SPA）

SPA采用241Am（镅，半衰期432.2a）同位素放射源發(fā)出的射線對目標部位進行照射，并利用碘化鈉探測器接收其穿透人體的射線，再根據(jù)朗伯-比爾公式處理，計算出骨密度M。此方法簡單、快捷、廉價、輻射小、重復性高，尤其適用于軟組織附著較少的骨骼，缺點是不能單獨反映骨小梁的代謝變化[5]，且存在同位素衰減和放射源相對不穩(wěn)定等問題。

2.3 單能X射線吸收骨密度儀（SXA）

SXA測試機理與SPA類似，以X射線放射源取代SPA的同位素光子放射源[6]，目的是克服放射性同位素衰減、放射源相對不穩(wěn)定等問題，應用效果良好，臨床應用較為廣泛。

2.4 雙光子吸收骨密度儀（DPA）

DPA檢測原理與單光子吸收骨密度儀（SPA）類似，它利用同位素153Gd發(fā)出兩種不同能量的射線，測量其穿過人體目標部位后射線的光子流率，利用兩組朗伯-比爾公式進行處理得到骨密度[5]。此種方法能夠最大限度地消除人體其他組織對骨密度的影響，特別適用于軟組織較厚的部位，擴大了SPA的使用范圍。缺點是輻射劑量較大，并且測量結果受人的體位和運動影響很大，該儀器在醫(yī)院已基本停用[7]。

2.5 雙能X射線吸收骨密度儀（DEXA）

DEXA采用過濾式或對球管分時施加不同高壓的方法產生兩種不同能態(tài)的X射線，對目標部位進行分別照射，同時檢測通過人體目標部位的光子流率，同樣利用兩組朗伯-比爾公式進行處理，進而計算出骨密度[8]。DEXA做全身掃描骨密度檢測的時間較短，只需十幾分鐘，輻射劑量較小，抗干擾、穩(wěn)定性好，所獲取的圖像精密度、分辨率高，被世界衛(wèi)生組織（WHO）推薦為骨密度檢測“金標準”[2]。

2.6 定量CT（QCT）

定量CT又分為帶體模和不帶體模兩種類型。帶體模定量CT工作時需要將目標部位與已知密度的羥磷灰石體模一同掃描，以羥磷灰石掃描結果作為參考，將目標部位掃描CT值與羥磷灰石掃描CT值作比較，得出骨密度[9]。不帶體模定量CT是以肌肉和脂肪組織CT值作為參考，比較目標部位與肌肉、脂肪組織的CT值，得出骨密度。定量CT是目前唯一能夠測試區(qū)分骨松質與骨皮質的儀器，但其放射劑量大，掃描時間較長，測量準確性相對較低，不便于復雜結構的測量。

2.7 超聲波骨密度儀（UBD）

UBD檢測骨密度的方法主要有3種：寬帶超聲衰減測量法（Broadband Ultrasound Attention，BUA）、聲速法（Speed of Sound，SOS）和SOS與BUA綜合參數(shù)超聲強度測量法，其中聲速法應用最為廣泛[10]。聲速法是通過儀器的超聲換能器在體外對目標部位發(fā)出一束超聲波，當聲波到達軟組織與骨組織交界面時會有一定量的超聲反射回來，并且被超聲換能器接收端接收，另一部分聲波則繼續(xù)折射進入骨組織，當遇到骨的內壁時，又一次部分反射，再次被超聲換能器接收端接收，由此可得到聲波在骨組織內的傳播時間，再通過一系列公式可得到聲波在骨組織內的傳播速度，最后利用公式計算得出骨密度[11]。超聲骨密度儀操作簡單、價格便宜、對人體危害小、適用于人群普查，但精準度一般[12]。

3 不同骨密度測量技術比較

不同的骨密度測量技術，其測量的技術指標也有所差異，常見骨密度測量技術比較，見表1。

通過表1對比可以發(fā)現(xiàn)：雙能X射線測量能達到的準確度較高，其精密度也排在前3位，除超聲骨密度儀外其輻射劑量最低，對人傷害最小。綜合來說雙能X射線吸收骨密度儀性能最好，適合醫(yī)院及臨床廣泛使用。

表1 常見骨密度測量技術比較[13]

4 雙能X射線吸收骨密度儀（DEXA）的原理

DEXA之所以被醫(yī)學界稱作“金標準”，是基于其獨特而先進的測量技術原理，下面對DEXA做一詳細介紹。

4.1 測量原理

雙能X射線吸收骨密度儀通過兩種不同能態(tài)的X射線穿過人體組織，不同組織對X射線的吸收不同，對穿過人體的X射線進行計算機處理，得到骨礦含量等骨情況。低能X射線遇到骨骼時比遇到軟組織衰減程度更大，而高能X射線在骨骼組織和軟組織內衰減程度相當，可利用相關公式得到所需骨密度[14]。

4.2 臨床應用

臨床上并不直接應用骨密度進行診斷，一般會將其轉換成T值和Z值[15]。T值是將被測者的骨密度與同性別、同種族正常青年人群的平均骨密度相比較得出，其含義，見表2。具體計算公式如下：

2-

其中Ms為被測者骨密度，單位g/cm；Ms為同性別同種族正常青年人群的平均骨密度，單位g/cm2。

表2T值的含義

Z值是將被測者的骨密度與同性別、同種族、同年齡人群的平均密度相比較得出。Z值的計算公式與T值類似，只是以同齡人的骨密度均值為比較對象。

5 結語

目前，市場上的骨密度儀種類繁多，而適合醫(yī)院使用的骨密度儀主流產品有兩種：超聲骨密度儀和雙能X射線吸收骨密度儀。超聲骨密度儀優(yōu)點主要體現(xiàn)在其方便快捷且無輻射，雙能X射線吸收骨密度儀優(yōu)點主要體現(xiàn)在其精度和準確度高、輻射低。雙能X射線吸收骨密度儀是骨密度檢測的“金標準”，在骨密度檢測中具有舉足輕重的地位。

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Comparative Analysis of the Working Principle and Implementation Technology between Various Bone Mineral Density Testing Devices

ZHOU Jun1,2, TANG Hao2, LI Yong-xue1
1.Measuring room, Institute for Drug and Instrument Control of Health Department GLD of PLA, Beijing 100071, China; 2.Department of Biomedical Engineering, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China

This paper elaborated the testing principle and technical characteristics of varieties of bone densitometer so as to compare and analyze their range of clinical use. It also focused on introduction of the measurement principle and clinical application of dual energy X-ray absorptiometry, which is the gold standard for bone mineral density detection.

bone densitometer; detection principle; dual energy X-ray absorptiometry

R318.6；TH772.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.020

1674-1633(2016)06-0081-03

2015-12-21

2015-12-29

2015年度軍隊后勤科研計劃（CW15B045）。

李詠雪，高級工程師。

通訊作者郵箱：yxjlzx@vip.sina.com