雙能X線吸收法測量膝關節骨密度及其影響因素分析

顧新豐 段敬瑞 鄭昱新 錢齊榮

骨密度是臨床診斷骨質疏松的重要指標，目前常用檢測部位為髖部和腰部[1]。膝關節作為下肢負重的重要關節，雖然不是骨質疏松性骨折的好發部位，但它是骨關節炎、運動損傷等疾病最常見的發病部位[2]。但目前的髖部和腰椎的骨密度測量結果不能反映膝關節局部骨密度情況[2]。而對于行人工膝關節置換及交叉韌帶重建患者來說，膝關節局部的骨密度的測量尤為重要，是疾病進展、圍手術期隨訪的重要指標，對一些膝關節局部的骨質疏松也能起到早期診斷的作用。因此，對膝關節進行骨密度測定具有相當重要的臨床意義[3～6]。但目前還沒有商業化應用于膝關節骨密度的測定的標準模塊和測量方法。

目前常用的骨密度測定方法有雙能X線吸收檢測(dual energy X-ray absorptiometry, DXA)、定量計算機斷層照相術(quantitative computed tomography, QCT)、定量超聲(quantitative ultrasound, QUS)等。由于DEXA法具有方法簡單，結果可靠，有可參考的正常值范圍等諸多優點，該測量方法的結果是目前公認的骨質疏松癥的診斷標準[1,7,8]。現有的關于膝關節骨密度的測定的少量報道也均采用該方法[9～11]。但各家報道的方法各不相同，包括測量采用的測量軟件、測量時膝關節體位、感興趣區(regions of interest, ROI)的選擇等均有差別很大。而這些差別對骨密度測量結果是否有影響，也未見詳細報道。

本研究試圖對采用DXA方法測量膝關節骨密度的影響因素分析，從而確定合適的膝關節骨密度具體測量方法，為該方法的標準化提供依據，以期早日用于臨床。

對象與方法

1.研究對象：自2016年1月～2017年5月共納入上海中醫藥大學附屬曙光醫院健康受試者30例，其中女性17例，平均年齡34.5±3.3(28～43)歲，平均身高161.7±5.6(151～177)cm，平均體重56.8±9.4(45～75)kg，平均體重指數23.6±3.2(20.7～30.1)kg/m2。男性13例，平均年齡36.7±10.3(26～66)歲，平均身高175.0±7.0 (161～189)cm，平均體重69.4±13.6(54～86)kg，平均體重指數24.2±4.4(21.1～31.5)kg/m2。參與者均自愿參與，排除膝關節疾病，Kellgren-Lawrence(K-L)分級≤1級。0級：正常；1級：有可疑骨贅； 2級：有明確骨贅，關節間隙可疑狹窄；3級：中等量骨贅，關節間隙明確變窄；4級：大量骨贅形成，關節間隙明顯變窄。本研究經筆者醫院倫理學委員會批準。

2.放射學測量:取左膝負重屈膝位X線。為了達到良好的精確度，使用跖趾關節位片(metatarso-phalangeal，MTP)。使膝關節前方與第1跖趾關節平齊，能更好的觀察關節間隙。使用65kV和20mAs攝X線片。對X線片進行K-L分級[12]。

3.膝關節骨密度測量：仰臥位測量膝關節骨密度，使用GE公司的Prodigy Advanced骨密度儀，該骨密度儀有髖部、腰椎和小動物3個模塊，前兩者ROI不能隨意選擇，不適用于膝關節測量，因而選用小動物模塊測量。該模塊能自定義ROI，同時測量結果以骨密度絕對值(g/cm2)來表示，后期可以考慮開發出專門用于膝關節骨密度測量的模塊。同時，由于目前也沒有膝關節骨密度的金標準測量方法，只能測量該方法的測量者間及測量者內的重測信度，無法通過設立金標準測量方法的對照組進行效度測量。以左膝關節線為掃描中心，掃描長度120mm，包括股骨髁及脛骨結節。保持小腿與掃描床面平行，使用下肢固定器固定足于髖關節內旋15°，保持髕骨向上。分別于伸膝位和屈膝10°位各掃描1次。1周后，由同一位研究者再用相同方法，于屈膝10°復測1次。掃描后，保存數據，協同另一位研究者采用3種ROI選擇方法分別進行ROI選擇測量[13]。 ROI A方法采用內、外側髁間隆突的最高點向遠端延伸20mm，內外側達脛骨髁邊緣；ROI B方法采用內、外側髁間隆突的最高點向遠端延伸10mm，內外側達脛骨髁邊緣；ROI C方法采用緊貼脛骨平臺內、外關節面，向下延伸10mm范圍，內外側達脛骨髁邊緣(圖1～圖3)。從而得到兩批獨立數據。研究流程見圖4。負責測試分析的研究者均具備國際臨床骨密度測量學會(International Society for Clinical Densitometry, ISCD)審核的技術員證書，在正式開始研究之前，研究者按照前述3種方法經過>10個樣本的測量分析練習以保證具有較好的熟練度。

圖1 ROI A內、外側髁間隆突的最高點向遠端延伸20mm，內外側達脛骨髁邊緣

圖2 ROI B內、外側髁間隆突的最高點向遠端延伸10mm，內外側達脛骨髁邊緣

圖3 ROI C緊貼脛骨平臺內、外關節面，向下延伸10mm范圍，內外側達脛骨髁邊緣

圖4 研究流程圖

4.統計學方法：采用SPSS 19.0統計學軟件進行統計分析：比較第1次伸、屈膝位掃描的骨密度值，用配對t檢驗，分析伸、屈膝對3種ROI骨密度測量的影響，以P<0.05為差異有統計學意義。計算第1、2次掃描的短期內重復測量的組內相關系數(intraclass correlation coefficient, ICC)，評價由于重新放置體位及ROI選擇等因素造成的觀察者內可重復性。計算第2次掃描的兩位研究者間獨立選擇ROI后兩組骨密度間的ICC，評價觀察者間可重復性。ICC 等于個體的變異度除以總的變異度，通常認為ICC>0.80為一致性較好。

結 果

所有受試者均完成了第1次的伸、屈膝掃描及1周后的第2次屈膝位掃描。經3種ROI分析顯示，膝關節伸屈對BMD測量結果在ROI A和B均有明顯影響，對C組影響不顯著,詳見表1。

表1 伸、屈膝對骨密度測定的影響

同一觀察者對屈膝位3種ROI的復測ICC，除ROI A組的內側ICC值<0.8，其余組均>0.8，其中ROI C內、外側的ICC均>0.9。說明ROI C的選取方法可重復性最高。觀察者間復測ICC，所有ICC值均>0.8，說明均具有較好的可重復性，其中ROI B組相關性稍差，ROI C組ICC值最高，詳見表2。

表2 觀察者內、觀察者間復測重復性

討 論

通過膝關節BMD的測定能了解膝關節局部的骨質疏松情況，最近文獻報道的二磷酸鹽治療一些老年患者的膝痛，該類患者可能是以膝關節骨密度減少為首要表現的骨質疏松患者[14]。而BMD測定既能起到早期診斷作用，還能對治療效果起監測作用。另外，膝關節骨密度測定經常用于膝關節手術后的局部骨量變化，如膝關節置換、前交叉韌帶重建術后。而Akamatsu等[15]研究表明，內側/外側髁BMD比值與內外側骨贅、關節間隙狹窄程度、膝痛程度呈正比，因而他們認為該BMD比值是監測膝關節內側OA患者嚴重程度的一個重要的潛在指標。

目前，膝關節BMD測定沒有標準的測量方法，包括測量軟件、測量部位、ROI的選擇、正常人群的參考值、骨質疏松的判定均無標準。同時，測量方法也受多方面影響。DXA是檢測診斷骨質疏松的重要標準。其利用X線球管發射高、低兩種不同能量的X線穿透身體后，獲得兩種不同的線性衰減值，從而換算成相當于羥基磷灰石的骨密度，即為骨礦密度克數，其與被測骨面積的比值即為每平方厘米的骨骼上羥基磷灰石的克數。此種檢測法可有效地評估被測者的骨密度，低于正常值2.5個標準值即可診斷為骨質疏松[1,6,16]。DXA是目前臨床使用最廣泛的骨密度測量方法。具有放射劑量少、測量方便快捷、檢測數據精確、可重復性好等諸多優點，因而被作為骨密度測量的金標準方法。因此，本研究也采用DXA方法進行膝關節骨密度的測定。但鑒于目前還沒有商業化的膝關節BMD測量軟件，本研究使用小動物模型測量軟件，其具有可自定義ROI的優點，也有研究者使用腰椎、前臂、髖關節假體測量軟件等測量軟件，但該類軟件無法完全自定義ROI，因而測量比較困難[4,9～11,13]。

對于膝關節BMD測量時屈膝角度目前尚存爭議，大多文獻不提測量時屈膝的角度問題。Stilling等[17]研究表明不同的屈膝角度對骨密度測量結果影響較大。這在本研究中也得到證實，但對ROI C影響不明顯。因此考慮伸屈膝影響BMD的主要原因可能與股骨的體位變化有關，在ROI C中，未涉及股骨側，因而影響不大。一些研究者采用完全伸膝位，也有研究者采用屈膝5°～30°不等。由于很多OA患者存在一定程度的屈曲攣縮，無法完全伸直[15]。而且脛骨平臺有一定后傾，屈膝一定角度后不僅能觀察和測量膝關節間隙，而且更能確保BMD測量的信度。因此筆者建議適當屈膝10°左右，并且確保每次測量的屈膝角度相同。

ROI的選擇是BMD測量的核心問題[18]。對髖、腰椎來說，有現成的軟件進行選擇測量。但對膝關節來說，必須要手動進行選擇。確定一種簡單、重復性好而又能精確反映BMD變化的ROI選擇方法，顯得尤為重要。腓骨、髕骨以及一些內植物如人工關節等的存在，又增加了ROI的選擇難度。目前，ROI的選擇的爭議主要集中在大小、是否包括關節間隙和關節軟骨、是否測量股骨、是否測量側位等方面。Murphy等[19]的ROI選擇不包括關節間隙，以脛骨近端和股骨遠端開始分別向遠、近端各7mm選取7個ROI，分別測定BMD，該選取方法簡便，但未分內、外側分別測量而且股骨測量時未考慮髕骨的影響。Akamatsu等[15]將脛骨近端分成5個正方形區域，取內側2個ROI代表脛骨內側骨密度，外側2個ROI代表外側骨密度。緊貼股骨內外側髁遠端各取1個相同的ROI，分別代表股骨內、外側髁骨密度。該方法雖然避開了髕骨，但存在著畫線困難，不能大批量測量的缺點。本研究僅測量脛骨側BMD，3種ROI選擇方法均具有畫線簡單、可重復性高的特點。但ROI C組受伸屈膝及股骨側影響小，在觀察者內和觀察者間重復性更高，因而更適合臨床應用。

當然本研究也存在一定的缺點，首先受試者病例數不多，對年齡也未分層，因此無法確定出正常參考值。考慮到臨床應用的易推廣性，本研究僅選取脛骨側正位ROI，還不夠全面。而且DXA法不能測量體積骨密度。

由于DXA法測量膝關節骨密度具有廉價、快捷、重復性好等諸多優點，如果能標準化操作流程及方法，制定出正常參考值，膝關節BMD測量方法有望進入臨床。