定量CT對股骨頭松質骨骨密度的測量

李現龍 許樂洋 范永前

復旦大學附屬華東醫院骨科，上海 200040

髖部骨折通常是指股骨頸骨折及股骨粗隆間骨折，隨著人口老齡化問題的加劇以及工傷事故和交通意外的增多，近年來髖部骨折的發生率在不斷增加。雙能X線吸收測量法(dual-energy X-ray absorptiometry，DXA)測量髖部面積骨密度(areal bone mineral density，aBMD)已被大家熟悉和應用。在大多數國家，通過DXA測量髖部區域的aBMD來協助診斷骨質疏松癥，間接確定患者發生髖部脆性骨折的風險以及評估治療骨質疏松的療效已成為共識。但目前DXA在臨床上的應用尚存在一定的局限性，使得DXA對骨質疏松性骨折患者以及受試者的股骨頭BMD的測量結果并不理想。定量CT(quantitative computed tomography，QCT)是將CT機配合QCT專用體模，利用QCT專業分析軟件對腰椎和髖關節骨密度進行測量的方法。QCT可以在CT重建后的任意感興趣區域(region of interest，ROI)內進行三維測量，從而使股骨頭體積骨密度(volumetric bone mineral density，vBMD)的測量成為可能。本研究將QCT測量脊柱vBMD的方法原理應用于測量股骨頭內不同層面的松質骨vBMD，探討該方法的可重復性以及進一步比較雙側股骨頭松質骨相對應層面的vBMD是否存在差異性，以期為QCT測量股骨頭不同層面松質骨vBMD的臨床應用提供參考。

1 材料和方法

1.1 一般資料

該研究是回顧性研究。在本研究開始時，所有受試者的圖像均提前獲得。在2016年3月至2018年3月期間于我院進行髖部QCT檢查的受試者中，排除有影響骨代謝的慢性疾病(如腎臟、甲狀旁腺、腎上腺疾病及惡性腫瘤等)病史者及使用可影響骨代謝的藥物(如糖皮質激素類、雙膦酸鹽類等)者。最終納入受試者共330人，其中女性239人，男性91人，年齡53～99(77.5±10.4)歲。將其中股骨頸骨折以及因各種原因僅可獲得一側髖關節圖像的患者歸為A組，共149人，其中女性108人，男性41人，年齡53～97(80.6±9.9)歲；將剩余的可獲得雙側髖關節清晰圖像的患者歸為B組，共181人，其中女性131人，男性50人，年齡53～99(74.9±10.2)歲。復旦大學附屬華東醫院倫理委員會已通過對本研究的審批，所有進行QCT檢查的受試者均已知曉該研究內容并簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

采用SIEMENS SOMATOM Definition Flash 64排CT機及Mindways公司(Mindways Software Inc. Austin，TX，USA)的5樣本固體體模。掃描參數為管電壓120 kV，管電流150 mAs，床高155.5 mm，SFOV 500 mm，層厚1 mm，標準算法重建。掃描范圍為從髂嵴至股骨上段。掃描時受試者取仰臥位并雙手上舉抱頭，將QCT標準體模放置于受試者髖關節下方，體模盡量貼緊受試者，體模中線與受試者體位中線重疊。

1.3 測量軟件與方法

將CT原始圖像從CT主機傳輸至QCT工作站進行文件的自動合成與測量，采用QCT Pro Version 4.2.3軟件中的“Slice Range Pick”模塊對CT定位片圖像進行截取，圖像的范圍至少要包含股骨頭至小粗隆之間的區域。采用QCT Pro軟件中“3D Spine Exam Analysis”軟件分析模塊，測量原理同椎體骨密度測量原理。在CT橫斷面圖像上瀏覽包含股骨頭的層面，將含有綠色十字的定位框放置在待測一側的股骨頭中心位置。軟件自動生成股骨近端橫斷面、矢狀面和冠狀面的重建圖像，手動調整圖像位置，使股骨頸長軸在橫斷面和冠狀面上均與水平線平行，矢狀面上黃色十字位于股骨頭中心(圖1A～C)。在“Rotation”設置步驟中，為了盡量減少位置選取所帶來的差異，筆者設定上、中、下3層“Rotation”，它們均與股骨頸長軸平行，并且上、中、下3層分別靠近股骨頸上部皮質、經股骨頸中心、靠近股骨頸下部皮質(圖1D)。進入設置ROI步驟，手動調整ROI的厚度為5 mm，在避免包含皮質骨的前提下，使得在冠狀面上的上、中、下3層ROI分別靠近股骨頸上部皮質、經股骨頸中心、靠近股骨頸下部皮質，在橫斷面和矢狀面上盡可能多的包含股骨頭的松質骨(圖2)。記錄測量的上、中、下3個層面ROI的vBMD(mg/cm3)。

圖1 QCT Pro軟件“3D Spine Exam Analysis”軟件分析模塊中手動調整圖像.A：橫斷面上股骨頸長軸與水平線平行；B：冠狀面上股骨頸長軸與水平線平行；C：矢狀面上十字位于股骨頭中心；D：與股骨頸長軸平行的3個平面上確定上、中、下三層Rotation，使其分別靠近股骨頸上部皮質、經股骨頸中心、靠近股骨頸下部皮質。Fig.1 Manually adjusting the image in the QCT Pro software “3D Spine Exam Analysis” analytics module. A: The horizontal line is parallel to the long axis of the femoral neck on the axial plane; B: The horizontal line is parallel to the long axis of the femoral neck on the coronal plane; C: The yellow cross is located in the center of the femoral head on the sagittal plane; D: The upper, middle and lower layers of rotation are determined on 3 planes parallel to the long axis of the femoral neck, which are located close to the upper part of the femoral neck, the center of the femoral neck, and the lower part of the femoral neck.

圖2 QCT Pro軟件“3D Spine Exam Analysis”軟件分析模塊中手動調整ROI，使得ROI在冠狀面上的上、中、下3個層面分別靠近股骨頸上部皮質、經股骨頸中心、靠近股骨頸下部皮質，在橫斷面和矢狀面上盡可能多的包含股骨頭的松質骨Fig.2 Manually adjusting the ROI position in the QCT Pro software “3D Spine Exam Analysis” analytics module. The ROIs are located at the upper, middle and lower layers of the coronal plane, respectively, near the upper part of the femoral neck, the center of the femoral neck, and the lower part of the femoral neck. Including as much of the cancellous bone of the femoral head as possible on the axial plane and sagittal plane.

QCT測量股骨頭3個層面的松質骨vBMD的可重復性研究：由2名操作者在各自獨立的條件下對A組患者單側股骨頭在不同時間進行2次測量，分別計算并記錄平均值。

QCT測量同一患者的雙側股骨頭相對應層面的松質骨vBMD的差異性研究。由2名操作者在各自獨立的條件下對B組患者雙側股骨頭進行測量，計算并記錄平均值。

1.4 統計學處理

2 結果

2.1 QCT測量股骨頭3個層面的松質骨vBMD的可重復性研究

兩名操作者分別獨立的測量A組患者的單側股骨頭上、中、下3個層面的股骨頭松質骨vBMD值2次，計算并記錄2次測量的平均值，結果見表1。(1)上層：兩名操作者測量值分別為139.73(117.69，164.84) mg/cm3、138.69(114.70，165.12) mg/cm3；兩名操作者對股骨頭上層的測量結果差異無統計學意義(P>0.05)。(2)中層：兩名操作者測量值分別為157.78(126.97，177.22) mg/cm3、155.76(124.26，175.67) mg/cm3；兩名操作者對股骨頭中層的測量結果差異無統計學意義(P=0.05)。(3)下層：兩名操作者測量值分別為146.60(112.35，171.69) mg/cm3、141.44(111.20，167.70) mg/cm3；兩名操作者對股骨頭下層的的測量結果差異無統計學意義(P>0.05)。

2.2 QCT測量同一患者的雙側股骨頭相對應層面的松質骨vBMD的差異性研究

兩名操作者分別獨立的測量B組患者的雙側股骨頭上、中、下3個層面的股骨頭骨松質的vBMD值，匯總數據后計算并記錄測量的平均值，結果見表2。(1)上層：左、右兩側的vBMD分別為(167.72±47.96) mg/cm3、(169.03±47.88) mg/cm3，同一患者雙側的股骨頭上層的松質骨vBMD的差異無統計學意義(P>0.05)。(2)中層：左、右兩側的vBMD分別為(182.37±48.39) mg/cm3、(177.25±50.79) mg/cm3，同一患者雙側的股骨頭中層的松質骨vBMD的差異有統計學意義(P<0.05)。(3)下層：左、右兩側的vBMD分別為(171.49±49.07) mg/cm3、(162.14±51.22) mg/cm3，同一患者雙側的股骨頭下層的松質骨vBMD的差異有統計學意義(P<0.05)。

表2 QCT測量同一患者的雙側股骨頭骨松質的vBMD結果Table 2 Volumetric cancellous BMD results of bilateral femoral head in the same patient by QCT

3 討論

隨著社會老齡化問題的加劇，髖部骨折已經成為危害老年人生活質量及生命健康的重要危險因素。股骨頸骨折和股骨粗隆間骨折多數為低能量損傷，主要發生于骨質疏松的老年人。在過去的20年中，醫學影像學作為一種非侵入性的方法，其發展使之已成為科研人員和臨床醫生日益重要的工具。

DXA是一種基于X線的技術，可以準確地測量特定部位(腰椎、髖部和前臂遠端)的aBMD。但DXA在臨床工作中的應用存在如下缺點：(1)用DXA測量髖部BMD時需要患者擺放特定的體位，髖關節骨折以及椎體骨折患者往往難以完成；(2)DXA是二維平面測量，測量結果為aBMD，其無法準確測量某一特定區域內的vBMD，并且很難分辨出那些由于退行性病變引起的aBMD增高的骨質疏松的患者；(3)由于髖臼與股骨頭的重疊，使得目前髖關節DXA的ROI不包含股骨頭(一般為股骨頸、股骨轉子、股骨轉子間和全髖關節)。

QCT是一種三維非投影技術，能夠從CT圖像數據中計算出諸如體積和密度等的特定參數，用于量化脊柱、股骨近端、前臂和脛骨的vBMD，是了解骨的數量及質量的強有力工具，并具有其他密度測量技術所不具備優點：(1)可以較好地區分皮質骨和松質骨；(2)ROI的松質骨含量受退行性變的影響小；(3)可以提供三維解剖結構和密度等信息。在理想情況下，QCT測量的vBMD結果的精確度誤差為1.5%～3.0%，優于DXA[1-2]。相對于DXA的二維成像，QCT的三維成像是其主要優勢，這一優勢使得QCT能夠對骨的特定位置的改變進行量化。QCT的掃描部位包括腰椎、髖部和脛骨。在QCT檢查中，vBMD評估大多數是對松質骨的測量，因為松質骨的轉換速度比皮質骨快得多(松質骨的骨代謝活性約為皮質骨的8倍)，這對于監測疾病的發展和治療后的變化更敏感[3-6]。與髖關節相比，脊柱的松質骨比例更大。因此，在《原發性骨質疏松癥診療指南(2017)》中，推薦使用QCT測量椎體的vBMD來預測絕經后婦女椎體骨折風險以及骨質疏松藥物療效觀察[7-8]。而股骨頭也含有較大比例的松質骨，并且脆性骨折很少涉及股骨頭，同時在治療髖部骨折時使用的內固定物，其在股骨頭中的位置、深度以及術后是否發生并發癥等均與股骨頭骨質的良好與否有關[9]。有研究顯示，髖部骨折和非髖部骨折患者之間的松質骨BMD 的差異遠高于二者之間皮質骨的差異，在骨質疏松骨量減少的情況下，增加骨小梁的強度可以改良骨的“結構性冗余”，從而提高發生骨折的閾值，說明松質骨對于預防骨折的重要性[10-11]。雖然皮質骨在髖部骨折中起到重要的作用，但是當股骨粗隆和股骨頸部的骨小梁強度不足以抵抗跌倒所帶來的額外負荷時，骨皮質才參與其中，并且一旦皮質骨受累，在組織水平上皮質骨與松質骨對抵抗負荷所做的貢獻是相同[12-13]。因此，對股骨頭內的松質骨測量很有意義。目前，QCT是唯一能夠對股骨頭BMD進行評估的方法。然而因為目前軟件條件限制，測量股骨頭BMD的ROI多數為垂直于股骨頸長軸的平面(如QCT Pro軟件中的“CTXA Hip Exam Analysis”軟件分析模塊)，同時多數研究是對尸體的股骨頭或離體的股骨頭進行的，這些測量方式對臨床的指導意義有限[14]。本研究創新性地應用QCT Pro軟件中“3D Spine Exam Analysis”軟件分析模塊，將測量椎體骨密度的方法應用于測量股骨頭中平行于股骨頸長軸的不同平面ROI的松質骨vBMD值。

在本研究中，2名操作者分別獨立測量A組患者的單側股骨頭上、中、下3個層面的股骨頭的松質骨vBMD。結果顯示，2名操作者測量同一股骨頭的相同位置的松質骨vBMD數值差異無統計學意義(上層：Z=-1.446，P>0.05；中層：t=1.978，P=0.05；下層：Z=-1.658，P>0.05)，證明了將QCT Pro軟件中“3D Spine Exam Analysis”軟件分析模塊應用在股骨頭測量方面具有可重復性強的特點。雖然測量結果會因為ROI的手動放置而造成測量結果不穩定，但經過培訓，不同操作者之間的測量差異無明顯統計學意義，這為后續在體股骨頭方面的研究提供了新的方法。

在對B組患者進行雙側股骨頭相同位置的松質骨vBMD差異性的研究中，發現同一患者的兩側股骨頭的上層vBMD差異無統計學意義(Z=-0.764，P>0.05)，但兩側的股骨頭的中層和下層vBMD差異有統計學意義(中層：Z=-3.787，P<0.05；下層：t=5.212，P<0.05)，且兩個層面的vBMD均為左側大于右側[左側中層為(182.37±48.39) mg/cm3，右側中層為(177.25±50.79) mg/cm3，左側下層為(171.49±49.07) mg/cm3，右側下層為(162.14±51.22) mg/cm3]，出現該差異的原因尚不清楚，且報告雙側股骨近端骨密度存在差異的文獻較少。Wu等[15]利用DXA對女性體操運動員雙側股骨近端骨密度的測量中發現，體操運動員的左側股骨近端的aBMD高于右側，且正式隊員(訓練時間為28 h/周)的雙側差異較替補隊員(訓練時間為12 h/周)的更明顯，但運動員的兩側下肢肌力并未發現明顯差異。研究者推測其原因可能是體操運動員使用左腿起跳，右腿著陸，這種作用力方式的不同導致了兩側股骨近端aBMD的差異。考慮到骨密度與加載于骨骼上的負荷有關，并且近年來越來越多的研究將肌肉與骨骼看作是緊密聯系一個整體[16-18]。骨骼與肌肉在生長和運動的綜合功能上深度整合，二者在器官、細胞和分子的層面上互相影響，肌-骨單位(bone-muscle unit)正是源于此[19-21]。Valentin等[22]在利用MRI對軀干肌肉的測量中就發現，在成人群體(45～60歲)中，左側的豎脊肌和腹直肌均比右側的體積大，但這種現象在年輕群體(18～25歲)中表現不明顯。由此推測，人群存在優勢側，并且在日常生活中，人的身體兩側會因為姿勢或運動等原因導致受力并不完全相同，這種長期的受力不均衡以及兩側肌肉含量不同可能是導致人的兩側股骨頭的骨密度存在差異的原因，該問題有待未來進一步探討。

本研究尚存在一定的局限性：(1)本研究考慮到股骨頸骨折患者因其股骨頸的移位，尋找股骨頸軸線的誤差較大，故將股骨頸骨折的受試者納入A組，僅測量未發生骨折一側的股骨頭的vBMD值。因此，將QCT Pro軟件中“3D Spine Exam Analysis”軟件分析模塊應用于股骨頸骨折患者的骨折側的可重復性尚未確定；(2)本次研究為回顧性研究，未收集到患者優勢側位置等信息，因此未能研究同一患者雙側股骨頭vBMD差異的原因；(3)該測量方法目前為完全人工調整圖像方位以及ROI位置，有待技術人員開發相應的程序進一步減少因手動調整所帶來的誤差。

綜上，將QCT Pro軟件中“3D Spine Exam Analysis”軟件分析模塊應用于測量股骨頭骨密度的方法是一種可重復性高的且有較高臨床價值的方法，理論上對于QCT可掃描到的骨頭的松質骨均可以測其vBMD值，值得推廣。同時，受試者雙側股骨頭的vBMD存在差異的現象仍有待進一步的研究。