股骨近端骨密度定量 CT 測量及其在骨折手術(shù)前評估的作用

危 杰 伊 辰 王滿宜 王 軍 張玉富 高 明 蘇永彬 王 玲 徐 黎 程曉光

. 骨科影像學 Orthopaedic radiology .

股骨近端骨密度定量 CT 測量及其在骨折手術(shù)前評估的作用

危 杰 伊 辰 王滿宜 王 軍 張玉富 高 明 蘇永彬 王 玲 徐 黎 程曉光

目的探討定量 CT ( quantitative computed tomography，QCT ) 測量股骨近端的松質(zhì)骨骨礦物質(zhì)密度 ( bone mineral density，BMD ) 對股骨近端內(nèi)固定物頭釘?shù)倪x擇的指導價值。方法選擇 2011 年 1 月至 2011 年 12 月，我院收治的 50 例股骨頸骨折或股骨粗隆間骨折患者作為骨折組，其中男 23 例，女 27 例，年齡 17～94 ( 63.8±16.3 ) 歲；招募 75 位年齡匹配的健康受試者作為健康組，其中男 18 例，女 57 例，年齡23～76 ( 61.2±10.4 ) 歲。使用 QCT 分別對骨折組健側(cè)和健康組雙側(cè)股骨近端的不同興趣區(qū)域內(nèi)的 BMD 進行測量和分析。結(jié)果骨折組健側(cè)股骨頭、股骨頸及粗隆部的骨密度分別為 ( 153.0±37.6 ) mg / cm3、( 24.9± 39.7 ) mg / cm3、( 26.6±30.6 ) mg / cm3，健康組 ( 左側(cè)股骨近端 ) 股骨頭、股骨頸及粗隆部的骨密度分別為( 220.2±46.1 ) mg / cm3、( 74.8±49.1 ) mg / cm3、( 70.8±41.3 ) mg / cm3，骨折組各部分骨密度均低于健康組，差異有統(tǒng)計學意義 ( P＜0.05 )。股骨頭與股骨頸和股骨粗隆部的骨密度下降的平均值不平行。結(jié)論骨質(zhì)疏松是股骨近端骨折的危險因素；股骨粗隆部的骨密度并不能完全反映股骨頭的骨密度；QCT 是目前測量股骨頭骨密度的惟一方法；術(shù)前使用 QCT 評估股骨頭的 BMD 對于內(nèi)固定物頭釘?shù)恼_選擇提供了依據(jù)。

骨密度；體層攝影術(shù)，X 線；髖骨折；骨釘；定量 CT

隨著世界人口老齡化的加劇，髖部骨折已經(jīng)成為危害老年人健康的重要因素，世界衛(wèi)生組織估計，在未來很長的一段時間內(nèi)，其發(fā)病數(shù)量和發(fā)生率都將呈不斷上升的趨勢。股骨粗隆間骨折是最常見的髖部骨折之一，此類骨折多數(shù)為低能量損傷，主要發(fā)生于骨質(zhì)疏松的老年人[1-2]。手術(shù)復位、內(nèi)固定已成為股骨粗隆間骨折治療的首選方法。目前可供選擇的內(nèi)固定材料雖有許多種，但其頭釘大致可分為兩類：拉力螺釘類和螺旋刀片類。拉力螺釘可以為骨折端加壓，以促進骨折的愈合，但其需要股骨頭擁有良好的骨質(zhì)以提供足夠的把持力，否則加壓過程將由于螺釘?shù)陌纬龆鵁o法實現(xiàn)；螺旋刀片在被打入時可以起到打壓植骨的作用，以增加局部的骨密度，但對于骨質(zhì)良好的患者將造成骨折端分離[3-5]。因此股骨頭骨質(zhì)的好壞直接影響頭釘類別的選擇。

目前對于骨密度評估的主流方法是雙能 X 線吸收測量法 ( dual-energy X-ray absorptiometry，DXA )[6-7]。由于 DXA 是二維平面的測量，其無法準確測量某一特定區(qū)域內(nèi)的骨密度；另外由于髖臼與股骨頭的重疊，使得 DXA 無法對股骨頭的骨密度進行測量[8-11]。定量 CT ( quantitative computed tomography，QCT ) 可以在 CT 重建后的任意感興趣區(qū)域 ( region of interest，ROI ) 內(nèi)進行三維測量，從而使股骨頭的骨密度評估成為可能。本研究使用 QCT測量和比較股骨近端骨折患者和健康受試者的股骨近端的松質(zhì)骨骨礦物質(zhì)密度 ( bone mineral density，BMD )，以探討其對內(nèi)固定物選擇的指導價值。

資料與方法

一、一般資料

選擇 2011 年 1 月至 2011 年 12 月，我院收治的股骨頸骨折或股骨粗隆間骨折的 50 例患者作為骨折組，其中男 23 例，女 27 例，年齡 17～94 ( 63.8±16.3 ) 歲。招募 75 位年齡匹配的健康受試者作為健康組，其中男 18 例，女 57 例，年齡 23～76 ( 61.2±10.4 ) 歲。

二、CT 掃描采集

采用多層螺旋 CT ( 東芝 16 排 CT ) 和美國 Mindways 公司的 QCT 體模對雙側(cè)髖關(guān)節(jié)進行 QCT 掃描。掃描范圍從髂嵴至股骨上段，采用標準化的方法掃描條件，掃描參數(shù)為 120 kVp，250 mA，層厚為1 mm，一個 36 cm FOV 的螺旋重建模式的 512×512矩陣。

三、圖像處理

使用商業(yè)軟件 QCT Pro ( Mindways，Austin TX，USA )，測量股骨近端各部分 ( 股骨頭、股骨頸和股骨粗隆 ) 的體積骨密度 ( vBMD，g / cm3)。使用商業(yè)圖像分析軟件 Virtual Place-M ( 醫(yī)學影像實驗室，東京，日本 ) 對骨折組健側(cè)和對照組的雙側(cè)股骨近端進行三維重建，選定 ROI，可直接顯示其內(nèi)的骨小梁 BMD 測量值。

四、ROI 的選定

在股骨近端，使用 CT 來選定 ROI。將股骨頭分為近端、中部和遠端 3 個部分 ( 圖 1 )。圖 1a 中，直線 a 為經(jīng)過股骨頭中心的股骨頸的中軸線；直線 b 為垂直于 a 的股骨頭切線，與 a 相交于點 A；直線 c 為在股骨頭頸交界處垂直于 a 的線，與 a 相交于點 B；作出線段 AB 的三等分點 C 和 D；直線 d，e，f 分別為 AD，DC，CB 的中垂線；直線 g 為經(jīng)過股骨頸最狹窄處的 a 的垂線；h 為大小轉(zhuǎn)子之間最寬處的 a 的垂線。d，e，f，g，h 5 條線即為 5 個 ROI 的中心層面，每個 ROI 包含 9 個 CT 層面，在每個 ROI 內(nèi)選擇松質(zhì)骨體質(zhì)最大的區(qū)域進行測量。以遠、中、近3 部分的平均值作為股骨頭的 BMD 值。

五、統(tǒng)計學分析

兩組數(shù)據(jù)之間的比較使用 t-檢驗進行分析，多于 2 個變量的數(shù)據(jù)采用土耳其檢驗-雙向重復檢驗-ANOVAs 進行分析。計量資料采用 x-±s 表示。

結(jié) 果

骨折組與健康組在年齡方面差異無統(tǒng)計學意義( P＞0.05 )。在健康組中，我們比較了左側(cè)和右側(cè)股骨近端的 BMD，在各個區(qū)域內(nèi)，差異也無統(tǒng)計學意義 ( P＞0.05 )，而股骨頭 BMD 明顯大于股骨頸和股骨粗隆間的 BMD ( 表 1 )。

將骨折組與健康組相對應的區(qū)域分別進行比較，以評估股骨近端不同區(qū)域 BMD 的差異性。在健康組中，股骨頭近端 1 / 3 的 BMD 均值 ( 209.3± 45.1 ) mg / cm3低于中部 ( 212.22±49.7 ) mg / cm3、遠端 1 / 3 ( 222.7±56.8 ) mg / cm3的均值，但是差異無統(tǒng)計學意義 ( P＞0.05 )。然而，在骨折組中，股骨頭近端 1 / 3 的均值 ( 160.9±42.3 ) mg / cm3則明顯高于中 ( 150.3±40.5 ) mg / cm3、遠端 1 / 3 ( 144.9± 38.6 ) mg / cm3的均值，且差異有統(tǒng)計學意義 ( P＜0.05 ) ( 表 2 )。研究發(fā)現(xiàn)骨折組股骨近端各部分的BMD 均低于對照組，且差異有統(tǒng)計學意義 ( P＜0.05 ) ( 表 3 )。

圖1 a：每個樣本按 ROI 選定方法分為 5 個區(qū)域，使用 QCT 進行測量；b：股骨頭近端 1 / 3 的 ROI 中心層面；c：股骨頭中部 1 / 3 的ROI 中心層面；d：股骨頭遠端 1 / 3 的 ROI 中心層面；e：股骨頸的 ROI 中心層面；f：轉(zhuǎn)子間的 ROI 中心層面Fig.1 a: Each sample was divided into 5 parts according to the ROI selection method, which were then measured by QCT; b: ROI central level in the 1 / 3 proximal femoral head; c: ROI central level in the 1 / 3 femoral head; d: ROI central level in the 1 / 3 distal femoral head; e: ROI central level in the femoral neck; f: ROI central level in the femoral trochanter

表1 健康組不同區(qū)域雙側(cè) BMD 值對比 ( mg / cm3)Tab.1 Comparison of bilateral BMD in different ROI in the healthy group ( mg / cm3)

表2 骨折組和健康組股骨頭不同區(qū)域 BMD 值 ( mg / cm3)Tab.2 Comparison of bilateral BMD in different ROI in the healthy group ( mg / cm3)

表3 骨折組和健康組不同區(qū)域 BMD 值的對比 ( mg / cm3)Tab.3 Comparison of BMD in different ROI in the fracture and healthy groups ( mg / cm3)

在骨折組與健康組中，我們均發(fā)現(xiàn)有一定數(shù)量的樣本，其股骨頭、股骨頸和股骨粗隆部區(qū)域 BMD值分布情況與樣本總體的均值不平行。在健康組中，有 7 例男性 ( 38.9% ) 和 11 例女性 ( 19.3% ) 的股骨頭與股骨頸的 BMD 值分布情況與樣本總體的均值不平行，有 2 例男性 ( 11.1% ) 和 11 例女性 ( 19.3% )的股骨頭與股骨粗隆部區(qū)域的 BMD 值分布情況與樣本總體的均值不平行。與此同時，在骨折組中，有5 例男性 ( 21.7% ) 和 8 例女性 ( 29.6% ) 的股骨頭與股骨頸的 BMD 值，以及 5 例男性 ( 21.7% ) 和 9 例女性 ( 33.3% ) 的股骨頭與股骨粗隆部區(qū)域的 BMD 值分布情況與樣本總體的均值不平行 ( 表 4 )。

表4 骨折組和健康組股骨頭與股骨近端的 BMD 不平行差異率( % )Tab.4 Ratios of the differences between BMD of the femoral head and that of the proximal femur in both groups ( % )

討 論

本研究使用 QCT 測量和比較股骨近端骨折患者和健康受試者的股骨近端的松質(zhì)骨 vBMD，探討其對股骨近端內(nèi)固定物頭釘?shù)倪x擇的指導價值。股骨粗隆間骨折內(nèi)固定失效的原因很多，其中螺釘在股骨頭頸中的位置、深度以及股骨頭骨質(zhì)的良好與否尤為重要[12-19]。螺釘在股骨頭頸中的位置、深度與手術(shù)技巧有關(guān)，而股骨頭骨質(zhì)的良好與否決定了對于內(nèi)固定材料的合理選擇。股骨粗隆間骨折內(nèi)固定材料無論髓內(nèi)或髓外，其頭釘部分可分為拉力螺釘類和螺旋刀片類兩類。拉力螺釘可以為骨折端加壓以促進骨折的愈合，但其需要股骨頭擁有良好的骨質(zhì)以獲得足夠的把持力[5,12-13,20-21]。對于股骨頭骨質(zhì)較差的患者，拉力無法完成，而常發(fā)生螺釘在加壓過程中的拔出。螺旋刀片在被打入時可以增加螺釘周圍的骨密度[3-4]，但對于正常骨質(zhì)者，此作用不明顯，反而常常造成骨折端的分離，影響骨折愈合。因此，股骨頭的骨質(zhì)好壞對于頭釘?shù)倪x擇至關(guān)重要，正確地選擇頭釘可以有效地降低頭釘由于發(fā)生切割和拔出而失效的幾率。QCT 是目前惟一能夠?qū)τ诠晒穷^骨密度進行評估的方法。

文獻報道，無論使用 QCT 還是 DXA 進行測量，受骨質(zhì)疏松、基礎(chǔ)代謝率及激素水平等因素影響，老年人的髖部 BMD 值均低于年輕人[22-25]。因此本研究中，在年齡方面進行匹配，骨折組與健康組年齡差異無統(tǒng)計學意義，避免了年齡因素對于髖部BMD 值的影響。研究結(jié)果顯示骨折組平均 BMD 值顯著低于健康組，從而進一步證明骨質(zhì)疏松是髖部骨折的獨立危險因素。

目前對于股骨頭骨質(zhì)的評估尚無成熟的方法。因而在臨床工作中，對于股骨近端骨折內(nèi)固定物頭釘?shù)倪x擇尚缺乏重要的理論依據(jù)[26]。近年來，QCT 已逐漸成為分析髖部形態(tài)和測量 BMD 的有效手段[27-29]，但其在臨床工作中尚未得到廣泛應用[25,30-31]。由于 QCT 可以通過重建三維圖像來測量股骨近端的真實形態(tài)和股骨頭的 BMD，并且不像DXA 等二維測量方法那樣會受到髖臼遮擋的影響。研究中發(fā)現(xiàn)，股骨頭 BMD 值與粗隆部 BMD 值并非平行，DXA 僅對于粗隆部 BMD 的測量并不一定反應股骨頭 BMD 的真實情況，因而有必要對于股骨頭BMD 進行直接評估，從而指導內(nèi)固定物頭釘?shù)暮侠磉x擇。

本研究存在一些局限性。首先，在骨折組中，我們測量的健側(cè)股骨近端的 BMD 值而不是骨折側(cè)的。雖然在對照組中，我們對比了雙側(cè)股骨近端的BMD 值，結(jié)果顯示雙側(cè)股骨近端的 BMD 值大致相等，差異無統(tǒng)計學意義，但骨折組是否存在差異尚不明確。其次，目前國際上尚無 QCT 測量數(shù)據(jù)提供健康人群股骨頭的 BMD 值范圍，因此缺乏正常值數(shù)據(jù)。需要在未來的工作中進一步增加樣本量加以獲得。另外測量區(qū)域的確定目前是人工手動，存在測試者個體差異，因而有必要開發(fā)三維自動確定 ROI的方法，以減少測量誤差。

總之，骨質(zhì)疏松是股骨近端骨折的危險因素；股骨近端的 BMD 并不能完全反映股骨頭的 BMD；QCT 對股骨頭的 BMD 直接評估對于股骨粗隆間骨折內(nèi)固定物頭釘?shù)暮侠磉x擇十分必要。

[1]Xue L, Zha L, Chen Q, et al. Randomized controlled trials of proximal femoral nail antirotation in lateral decubitus and supine position ontreatment of intertrochanteric fractures. Scientifc World Journal, 2013, 2013:276015.

[2]Foss N, Kehlet H. Hidden blood loss after surgery for hip fracture. J Bone Joint Surg Br, 2006, 88(8):1053-1059.

[3]Yang YH, Wang YR, Jiang SD, et al. Proximal femoral nail antirotation and third-generation Gamma nail: which is a better device for the treatment of intertrochanteric fractures? Singapore Med J, 2013, 54(8):446-450.

[4]Ostrum RF, Tornetta P, 3rd, Watson JT, et al. Ipsilateral proximal femur and shaft fractures treated with hip screws and a reamed retrograde intramedullary nail. Clin Orthop Relat Res, 2014, 472(9):2751-2758.

[5]McCormack R, Panagiotopolous K, Buckley R, et al. A multicentre, prospective, randomised comparison of the sliding hip screw with the Medoff sliding screw and side plate for unstable intertrochanteric hip fractures. Injury, 2013, 44(12):1904-1909.

[6]Watts NB. Fundamentals and pitfalls of bone densitometry using dual-energy X-ray absorptiometry (DXA). Osteoporos Int, 2004, 15(11):847-854.

[7]Tauchmanova L, Nuzzo V, Del Puente A, et al. Reduced bone mass detected by bone quantitative ultrasonometry and DEXA in pre- and postmenopausal women with endogenous subclinical hyperthyroidism. Maturitas, 2004, 48(3):299-306.

[8]Shim VB, Pitto RP, Anderson IA. Quantitative CT with finite element analysis: towards a predictive tool for bone remodelling around an uncemented tapered stem. Int Orthop, 2012, 36(7):1363-1369.

[9]Ramamurthi K, Ahmad O, Engelke K, et al. An in vivo comparison of hip structure analysis (HSA) with measurements obtained by QCT. Osteoporos Int, 2012, 23(2):543-551.

[10]Kalkwarf HJ, Laor T, Bean JA. Fracture risk in children with a forearm injury is associated with volumetric bone density and cortical area (by peripheral QCT) and areal bone density (by DXA). Osteoporos Int, 2011, 22(2):607-616.

[11]Ito M, Wakao N, Hida T, et al. Analysis of hip geometry by clinical CT for the assessment of hip fracture risk in elderly Japanese women. Bone, 2010, 46(2):453-457.

[12]Born C, Karich B, Bauer C, et al. Hip screw migration testing: first results for hip screws and helical blades utilizing a new oscillating test method. J Orthop Res, 2011, 29(5):760-766.

[13]Xu Y, Geng D, Yang H, et al. Treatment of unstable proximal femoral fractures: comparison of the proximal femoral nail antirotation and gamma nail 3. Orthopedics, 2010, 33(7):473.

[14]O'Malley N, Deeb A, Bingham K, et al. Outcome of the dynamic helical hip screw system for Intertrochanteric hip fractures in the elderly patients. Geriatr Orthop Surg Rehabil, 2012, 3(2):68-73.

[15]Frei H, Hotz T, Cadosch D, et al. Central head perforation, or “cut through,” caused by the helical blade of the proximalfemoral nail antirotation. J Orthop Trauma, 2012, 26(8): e102-107.

[16]Goffin J, Pankaj P, Simpson A. The importance of lag screw position for the stabilization of trochanteric fractures with a sliding hip screw: a subject-specific finite element study. J Orthop Res, 2013, 31(4):596-600.

[17]Kuzyk P, Zdero R, Shah S, et al. Femoral head lag screw position for cephalomedullary nails: a biomechanical analysis. J Orthop Trauma, 2012, 26(7):414-421.

[18]Schwarzkopf R, Takemoto R, Kummer F, et al. Helical blade vs telescoping lag screw for intertrochanteric fracture fxation. Am J Orthop (Belle Mead NJ), 2011, 40(9):452-456.

[19]Geller J, Saifi C, Morrison T, et al. Tip-apex distance of intramedullary devices as a predictor of cut-out failure in the treatment of peritrochanteric elderly hip fractures. Int Orthop, 2010, 34(5):719-722.

[20]Laohapoonrungsee A, Arpornchayanon O, Phornputkul C. Two-hole side-plate DHS in the treatment of intertrochanteric fracture: results and complications. Injury, 2005, 36(11): 1355-1360.

[21]Verettas DA, Ifantidis P, Chatzipapas CN, et al. Systematic effects of surgical treatment of hip fractures: gliding screwplating vs intramedullary nailing. Injury, 2010, 41(3):279-284.

[22]Keyak JH, Sigurdsson S, Karlsdottir G, et al. Male-female differences in the association between incident hip fracture and proximal femoral strength: a fnite element analysis study. Bone, 2011, 48(6):1239-1245.

[23]Marshall LM, Zmuda JM, Chan BK, et al. Race and ethnic variation in proximal femur structure and BMD among older men. J Bone Miner Res, 2008, 23(1):121-130.

[24]Nicks KM, Amin S, Melton LJ 3rd, et al. Three-dimensional structural analysis of the proximal femur in an age-stratified sample of women. Bone, 2013, 55(1):179-188.

[25]Ohnaru K, Sone T, Tanaka K, et al. Hip structural analysis: a comparison of DXA with CT in postmenopausal Japanese women. Springerplus, 2013, 2:331.

[26]Herman A, Landau Y, Gutman G, et al. Radiological evaluation of intertrochanteric fracture fixation by the proximal femoral nail. Injury, 2012, 43(6):856-863.

[27]Nishiyama KK, Ito M, Harada A, et al. Classifcation of women with and without hip fracture based on quantitative computed tomography and fnite element analysis. Osteoporos Int, 2014, 25(2):619-626.

[28]Khoo BC, Brown K, Zhu K, et al. Differences in structural geometrical outcomes at the neck of the proximal femur using two-dimensional DXA-derived projection (APEX) and threedimensional QCT-derived (BIT QCT) techniques. Osteoporos Int, 2012, 23(4):1393-1398.

[29]Maeda Y, Sugano N, Saito M, et al. Comparison of femoral morphology and bone mineral density between femoral neck fractures and trochanteric fractures. Clin Orthop Relat Res, 2011, 469(3):884-889.

[30]Walker MD, Saeed I, McMahon DJ, et al. Volumetric bone mineral density at the spine and hip in Chinese American and White women. Osteoporos Int, 2012, 23(10):2499-2506.

[31]Liu XS, Cohen A, Shane E, et al. Bone density, geometry, microstructure, and stiffness: Relationships between peripheral and central skeletal sites assessed by DXA, HR-pQCT, and cQCT in premenopausal women. J Bone Miner Res, 2010, 25(10):2229-2238.

( 本文編輯：王萌 李貴存 )

Measurement of bone mineral density of the proximal femur with quantitative computed tomography and its role of assessment before the surgical treatment of fractures

WEI Jie, YI Chen, WANG Man-yi, WANG Jun, ZHANG Yu-fu, GAO Ming, SU Yong-bin, WANG Ling, XU Li, CHENG Xiao-guang. Beijing Jishuitan Hospital, Beijing, 100035, PRC

ObjectiveTo investigate the potential value of the measurement of the cancellous bone mineral density ( BMD ) of the proximal femur by quantitative computed tomography ( QCT ) in the choice of adequate head screws in the management of proximal femur fractures.MethodsA total of 50 patients with femoral neck or intertrochanteric fractures who were adopted from January 2011 to December 2011 were studied as the fracture group, including 23 males and 27 females. Their average age was ( 63.8±16.3 ) years old ( range: 17-94 years ). Other 75 age-sex matched and healthy patients were treated as the healthy group, including 18 males and 57 females. Their average age was ( 61.2±10.4 ) years old ( range: 23-76 years ). The BMD in different regions of interest ( ROI ) of the proximal femur were measured and analyzed by QCT for uninjured sides of the fracture group and bilateral sides of the healthy group.ResultsThe BMD of the femoral head, femoral neck and trochanter in the fracture group were ( 153.0± 37.6 ) mg/cm3, ( 24.9±39.7 ) mg/cm3and ( 26.6±30.6 ) mg/cm3respectively, which were obviously lower than ( 220.2± 46.1 ) mg/cm3, ( 74.8±49.1 ) mg/cm3, ( 70.8±41.3 ) mg/cm3in the healthy group. And the differences between them were statistically signifcant ( P＜0.05 ). It was noticed that the decrease of BMD of the femoral head was not parallel with that of the neck and trochanter on average.ConclusionsOsteoporosis is a risk factor for proximal femoral fractures, and the BMD of the femoral trochanter sometimes can’t fully refect that of femoral head. So far, QCT is the only way to assess the BMD of the femoral head. Thus, the preoperative QCT assessment of the BMD of the femoral head is quite helpful in the choice of proper head screws of the implants.

Bone density; Tomography, X-ray; Hip fractures; Bone nails; Quantitative computed tomography

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.11.007

R683.4, R445

首都衛(wèi)生發(fā)展科研專項自主創(chuàng)新項目 ( 首發(fā) 2014-2-112 )；首都臨床特色應用研究項目 ( z141107002514072 )

100035 北京積水潭醫(yī)院創(chuàng)傷骨科 ( 危杰、伊辰、王滿宜、王軍、張玉富、高明 )，放射科 ( 蘇永彬、王玲、徐黎、程曉光 )

危杰，Email: weijiejst@sina.com

2014-08-13)