老年女性跟骨超聲參數(shù)與股骨近端生物力學(xué)的相關(guān)性

李 明，呂厚辰，張里程，尹鵬濱，唐佩福，張立海

解放軍總醫(yī)院 骨科，北京 100853

骨質(zhì)疏松癥是以骨量減少，骨小梁變細(xì)、斷裂、數(shù)量減少，皮質(zhì)骨多孔、變薄為特征，導(dǎo)致骨強(qiáng)度下降、骨脆性增加及骨折的危險(xiǎn)性增加的全身性骨病[1]。雙能X線骨密度儀(dual energy X-ray absorptionmetry，DXA)通過測(cè)定骨密度(bone mineral density，BMD)及T值診斷骨質(zhì)疏松癥已成為當(dāng)前診斷骨質(zhì)疏松的金標(biāo)準(zhǔn)[2]，但其檢測(cè)對(duì)骨骼強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)等因素缺乏有效評(píng)價(jià)。定量超聲(quantitative ultrasound，QUS)通過測(cè)量寬帶超聲衰減(broadband ultrasound attenuation，BUA)、超聲傳導(dǎo)速度(speed of sound，SOS)及硬度指數(shù)(Stiffness)，不僅可反映骨密度，還可反映骨強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)[3-5]。自1984年Langton等[6]首次報(bào)道采用QUS檢測(cè)骨質(zhì)疏松以來，QUS因其無輻射、操作簡(jiǎn)便、低成本等顯著優(yōu)勢(shì)已得到了廣泛應(yīng)用并逐漸推廣。相關(guān)研究證實(shí)，QUS檢測(cè)參數(shù)與髖部、腰椎骨折風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)[7]。此外，QUS檢測(cè)參數(shù)硬度指數(shù)還可反映骨的力學(xué)性質(zhì)[8-10]。Huopio等[11]通過QUS估計(jì)隨訪患者低能量骨折的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)跟骨硬度指數(shù)與骨折風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，按Cox回歸模型的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差下降計(jì)算，硬度指數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)比(hazard ratio，HR)及95%置信區(qū)間(confidence intervals，CI)為1.90(1.25 ~ 2.91)。Moayyeri等[12]通過前瞻性Meta分析研究發(fā)現(xiàn)，QUS檢測(cè)參數(shù)均與髖部骨折風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)且硬度指數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)性最高，硬度指數(shù)的相對(duì)危險(xiǎn)度(relative risk，RR)為2.26(95% CI： 1.71 ~2.99)。但就當(dāng)前多發(fā)的髖部骨折而言，特定區(qū)域的直接檢測(cè)可更好地預(yù)測(cè)骨折風(fēng)險(xiǎn)，跟骨硬度指數(shù)能夠很好地反映跟骨骨松質(zhì)力學(xué)性質(zhì)，但其與股骨近端生物力學(xué)特性是否相關(guān)尚難以定論。故本文通過對(duì)34例老年女性骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折行跟骨QUS、股骨頭內(nèi)負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)QCT及生物力學(xué)檢測(cè)，探討老年女性跟骨硬度指數(shù)與股骨近端生物力學(xué)彈性模量的相關(guān)程度，進(jìn)而證實(shí)在老年女性中跟骨硬度指數(shù)對(duì)股骨近端生物力學(xué)預(yù)測(cè)能力。

對(duì)象和方法

1 研究對(duì)象 連續(xù)納入2014年1 - 6月于本院骨科行髖關(guān)節(jié)置換的34例骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折的絕經(jīng)女性，年齡56 ~ 93(75.0±10.8)歲。收集股骨頭31例，因手術(shù)致股骨頭破碎3例(表1)?；寄[瘤、關(guān)節(jié)感染、糖尿病和其他可能影響骨代謝的患者均被排除。見表1。

2 股骨頭負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)樣本獲取 術(shù)前對(duì)患者行髖部斷層掃描(computed tomography，CT)，根據(jù)影像資料選定取材區(qū)域?yàn)檠毓晒穷^主要壓力骨小梁方向，取主要壓力與主要張力骨小梁交界處骨質(zhì)。依據(jù)患者股骨頭三維重建影像數(shù)據(jù)結(jié)合3D打印技術(shù)建造取樣模具。關(guān)節(jié)置換術(shù)中留取患者股骨頭標(biāo)本，測(cè)定所取股骨頭標(biāo)本平均直徑為(5.0±0.4)cm，留取股骨頭標(biāo)本置于-20℃保存。待標(biāo)本收集全后，根據(jù)3D打印模型對(duì)股骨頭標(biāo)本主要壓力與主要張力骨小梁交界處骨質(zhì)予以精確取材。

3 QUS測(cè)定BMD 所用設(shè)備為Sahara型跟骨定量超聲儀(Sahara Clinical Bone Sonometer，HOLOGIC，Bedford，MA，USA)，所有患者均于術(shù)前進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試前使用體模校正調(diào)試儀器，被測(cè)者取坐位，用凡士林擦拭被測(cè)者右(或左)足跟的兩側(cè)(超聲探頭接觸的部分)，被測(cè)者將右(或左)腳放置于檢測(cè)臺(tái)上，保持足跟緊貼檢測(cè)臺(tái)后壁后進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)操作過程由骨密度儀自動(dòng)完成。檢測(cè)記錄測(cè)定結(jié)果：超聲傳播速度(SOS，m/s)、超聲振幅衰減平均值(BUA，dB/MH2)、Estimated BMD (Est.BMD，g/cm2)、超聲硬度指數(shù)(QUI/Stiffness)，QUI/Stiffness計(jì)算公式：

上述檢測(cè)均由同一檢查者完成，Est.BMD、SOS、BUA的變異系數(shù)分別為3%、0.22%和3.7%。

4 QCT測(cè)定BMD 所用設(shè)備為Brilliance計(jì)算機(jī) 斷 層 掃 面 儀(Brilliance iCT 728306，Philips，Netherlands)，將-20℃保存1個(gè)月的骨松質(zhì)骨柱(高1 cm，直徑1 cm)取出后，置于PBS緩沖液中于室溫下復(fù)溫，將其置于QCT檢測(cè)平臺(tái)，CT體模置于骨柱下方(QA calibration phantom，Mindways Software，Inc，USA)，掃描層厚為0.625 mm，分辨率為512×512，電壓120 kVp，利用系統(tǒng)軟件進(jìn)行骨松質(zhì)測(cè)量，得出骨松質(zhì)骨柱BMD值。

5 生物力學(xué)測(cè)試 使用Instron3366萬能電子試驗(yàn)機(jī)(Instron，High Massachusetts，USA).上進(jìn)行壓縮性試驗(yàn)，將-20℃保存1個(gè)月的骨松質(zhì)骨柱取出，置于PBS緩沖液中于室溫下復(fù)溫，將圓柱形骨柱置于試驗(yàn)機(jī)壓縮工作臺(tái)中心位置，驅(qū)動(dòng)機(jī)器以1%/min的實(shí)驗(yàn)速度對(duì)試樣施加壓應(yīng)力，直至骨柱破壞，記錄屈服強(qiáng)度(Yield strength)、極限強(qiáng)度(Ultimate strength)和楊氏模量(Young's modulus)。

6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。定量數(shù)據(jù)用-x±s表示，相關(guān)性行偏相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)r表示參數(shù)間的相關(guān)性。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 35例股骨頸骨折患者基本資料Tab. 1 Baseline characteristics of 35 patients with femoral neck fracture (n=34, -x±s)

結(jié) 果

1 跟骨超聲參數(shù)、股骨頭骨柱QCT及生物力學(xué)檢測(cè)指標(biāo) 患者跟骨Est.BMD為(0.249±0.175) g/cm2，Stiffness為47.8±8.4；股骨頭骨柱QCT.BMD為(347.380±52.439) g/cm3，股骨頭骨柱Young's Modulus為(233.7±71.6) MPa (表2)。

2 跟骨超聲參數(shù)、股骨頭骨柱QCT-BMD及股骨頭骨柱生物力學(xué)間相關(guān)性分析 跟骨SOS、BUA、Est.BMD與股骨頭骨柱QCT-BMD均呈正相關(guān)(r=0.411，P＜0.05；r=0.366，P＜0.05；r=0.495，P＜0.01)(圖1ABC)。跟骨Stiffness、股骨頭骨柱Young's modulus與股骨頭骨柱QCT-BMD均呈正相關(guān)(r=0.490，P＜0.01；r=0.483，P＜0.01)(圖1DE)。跟骨Stiffness與股骨頭骨柱Young's modulus呈正相關(guān)(r=0.418，P＜0.05)(圖1F)。

表2 35例股骨頸骨折患者檢測(cè)指標(biāo)Tab. 2 Detection index of 35 patients with femoral neck fracture (n=34, -x±s)

討 論

跟骨為足跗骨，主要由骨松質(zhì)構(gòu)成(90%)，骨重建修復(fù)周期短，故對(duì)骨質(zhì)變化敏感。此外，跟骨支撐體質(zhì)量，屬負(fù)重區(qū)骨，加之跟骨兩側(cè)面近似于平行，骨皮質(zhì)及軟組織較薄，便于進(jìn)行檢測(cè)，故跟骨定量超聲檢測(cè)可更早、更準(zhǔn)確地診斷骨質(zhì)疏松，預(yù)測(cè)髖部及脊柱的骨折危險(xiǎn)[14-15]。

本文通過對(duì)34例絕經(jīng)后老年女性行跟骨QUS及股骨頭負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)骨柱QCT及生物力學(xué)檢查，結(jié)果顯示，跟骨SOS、BUA與負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)QCTBMD均呈正相關(guān)(r=0.411，P＜0.05；r=0.366，P＜0.05)。跟骨Est.BMD與股骨頭負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)QCTBMD呈正相關(guān)(r=0.495，P＜0.01)，考慮原因?yàn)楦羌肮晒穷^骨松質(zhì)負(fù)重區(qū)皆為高含量骨松質(zhì)結(jié)構(gòu)，故存在一定相關(guān)性。上述結(jié)果符合當(dāng)前研究結(jié)果，跟骨超聲檢測(cè)參數(shù)與髖部BMD存在較好相關(guān)性[16-18]。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)跟骨Stiffness、負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)Young's modulus與負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)QCT-BMD均存在相關(guān)關(guān)系(r=0.490，P＜0.01；r=0.483，P＜0.01)。跟骨Stiffness為QUS檢測(cè)參數(shù)BUA與SOS計(jì)算得來，且BUA與SOS均與負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)QCT-BMD相關(guān)，故跟骨Stiffness與負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)QCT-BMD存在相關(guān)性，較BUA與SOS能更好反映骨的質(zhì)量[14]。而且，我們發(fā)現(xiàn)負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)Young's modulus與負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)BMD呈正相關(guān)，提示股骨近端骨松質(zhì)生物力學(xué)與BMD有一定相關(guān)關(guān)系[19]。此外，Lochmüller等[20]通過評(píng)價(jià)跟骨超聲檢測(cè)參數(shù)與股骨、腰椎機(jī)械破壞載荷之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)跟骨Stiffness與股骨機(jī)械破壞載荷呈正相關(guān)(女性r=0.49；男性r=0.55)。而我們分析了跟骨Stiffness與股骨頭負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)Young’s modulus，發(fā)現(xiàn)兩者存在相關(guān)關(guān)系(r=0.418，P＜0.05)，與Lochm üller等研究結(jié)果相符，提示跟骨Stiffness可在一定程度上反映股骨近端粗隆間骨質(zhì)生物力學(xué)性質(zhì)。

圖 1 線性回歸分析A： SOS與QCT-BMD相關(guān)分析； B： BUA與QCT-BMD相關(guān)分析； C： Est.BMD與QCT-BMD相關(guān)分析； D： Stiffness與QCTBMD相關(guān)分析； E： Young’s modulus與QCT-BMD相關(guān)分析； F： Stiffness與Young’s modulus相關(guān)分析Fig. 1 Linear regression analysis A: Correlation between SOS and QCT-BMD; B: Correlation between BUA and QCT-BMD; C: Correlation between Est.BMD and QCT-BMD; D: Correlation between Stiffness and QCT-BMD E: Correlation between Young’s modulus and QCT-BMD;F: Correlation between Stiffness and Young’s modulus

本文研究不足之處：1)因股骨近端骨質(zhì)取材困難，故選擇股骨頭內(nèi)負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)予以替代，股骨頭內(nèi)負(fù)重區(qū)骨松質(zhì)為壓力骨小梁與張力骨小梁交叉區(qū)域，較跟骨骨松質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)不同，可能導(dǎo)致兩者相關(guān)性存在一定差異。2)偏相關(guān)校正因素為骨骼大小(股骨頭直徑)，原因?yàn)楣趋来笮】奢^好地反映患者骨質(zhì)及生物力學(xué)情況，考慮其他影響因素對(duì)骨生物力學(xué)影響性較小而沒有校正。3)選取本研究樣本量較少可能是導(dǎo)致生物力學(xué)性相關(guān)性不顯著的原因。因此，為明確跟骨Stiffness是否能準(zhǔn)確反映股骨近端生物力學(xué)特性，是否存在與其他因素相關(guān)，還需進(jìn)一步研究。

綜上，我們認(rèn)為跟骨超聲檢測(cè)參數(shù)硬度指數(shù)在一定程度上可以反映出股骨近端粗隆間骨質(zhì)生物力學(xué)特性，對(duì)預(yù)測(cè)老年女性骨質(zhì)疏松患者股骨近端骨折風(fēng)險(xiǎn)有一定價(jià)值。

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