醫(yī)學(xué)影像技術(shù)在骨質(zhì)疏松癥中的研究進展

李露琴 孫中洋

1.安徽醫(yī)科大學(xué)第五臨床學(xué)院 東部戰(zhàn)區(qū)空軍醫(yī)院影像科，江蘇南京 210002；2.安徽醫(yī)科大學(xué)第五臨床學(xué)院 東部戰(zhàn)區(qū)空軍醫(yī)院骨科，江蘇南京 210002

骨質(zhì)疏松癥是一種以骨量降低和骨組織顯微結(jié)構(gòu)退化為特點的全身性、代謝性骨病，伴有骨折風(fēng)險增加[1]。常見的骨折部位為脊柱、腕部和髖部，其中髖部骨折可造成患者失去活動及獨立的生活能力甚至死亡[2]。國際骨質(zhì)疏松基金會估算每年因骨質(zhì)疏松癥而造成的骨折（脆性骨折）為890 萬次，也就是說平均每3 秒鐘就有一人發(fā)生脆性骨折[3]，而其中大多數(shù)脆性骨折的發(fā)生可以預(yù)防的[2-3]。因此，早期診斷和準(zhǔn)確評估骨質(zhì)疏松癥成為研究熱點。

不同的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)可用于評估骨質(zhì)疏松癥患者的骨骼質(zhì)量[4]。X 線、雙能X 線吸收測定（dual energy X-ray absorptiometry，DXA）、超聲、計算機斷層掃描（computed tomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)在骨質(zhì)疏松癥的研究中得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文旨在綜述臨床上常用的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)在骨質(zhì)疏松癥研究中的新進展。

1 X 線

骨質(zhì)疏松癥在X 線片上的主要影像學(xué)特征是骨通透性增加、骨皮質(zhì)變薄、骨小梁結(jié)構(gòu)變化[5]。骨通透性增加是由于骨礦物質(zhì)含量逐漸下降和伴隨骨小梁微結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的，然而只有當(dāng)骨質(zhì)疏松癥發(fā)生到晚期時，也就是當(dāng)骨質(zhì)流失量達總骨量的30%以上時才能發(fā)現(xiàn)[5-6]。骨皮質(zhì)變薄是骨皮質(zhì)內(nèi)層和骨內(nèi)膜層重吸收的結(jié)果，在椎體中，這一特征伴隨骨通透性增加則形成典型的“相框”征，也稱“幽靈椎體”。在骨質(zhì)疏松癥的早期，可看到骨皮質(zhì)內(nèi)邊緣的扇形結(jié)構(gòu)，稱為“骨內(nèi)扇形結(jié)構(gòu)”，但這一征象是非特異性的，也可在以快速骨轉(zhuǎn)換為特征的病理條件下發(fā)現(xiàn)，如甲狀旁腺功能亢進和腎性骨營養(yǎng)不良等[5-6]。骨小梁主要分布在長骨末端，其為骨吸收過程提供了更大的表面積，且骨小梁比骨皮質(zhì)對代謝變化更敏感，所以骨質(zhì)疏松癥早期就會發(fā)生骨小梁結(jié)構(gòu)變化。根據(jù)這一特性，研究人員利用X 線成像技術(shù)研究出骨質(zhì)疏松癥診斷和分級的半定量指標(biāo)，而在這些指標(biāo)中，Singh 等[7]提出的股骨近端指標(biāo)和Jhamaria 等[8]提出的跟骨指標(biāo)應(yīng)用最為廣泛。然而，上述半定量指標(biāo)存在很大的差異，并且X線片本身的質(zhì)量（曝光程度）和軟組織的重疊（特別是Singh 指數(shù)）也會對結(jié)果造成干擾。這些非特異X 線表現(xiàn)的判讀受主客觀因素影響大，且對早期的骨量丟失不敏感，這使得X 線檢查已不能勝任骨質(zhì)疏松癥的篩查和評估，但在發(fā)生脆性骨折，尤其是椎體骨折時，X 線檢查仍是首選方法。

2 DXA

目前，DXA 是診斷和評估骨質(zhì)疏松癥和骨量減低的可靠方法[9]。在臨床中，因其檢測費用低和輻射少（1～10 μSv），常用于疑似骨質(zhì)疏松癥的篩查[9]。但由于DXA 的成像原理是平面投影技術(shù)，其測算出的骨密度（bone mineral density，BMD）會受到骨質(zhì)增生、體重及血管鈣化等立體因素的影響，可能造成一定比例的漏診。為了更好地理解骨強度，學(xué)者們從DXA 中推算出BMD 以外的其他參數(shù)[9]。骨小梁評分（trabecular bone score，TBS）是美國FDA 新認證的一種灰度紋理分析參數(shù)，TBS 可從腰椎DXA 數(shù)據(jù)中獲得，能夠提供骨微觀結(jié)構(gòu)和骨強度信息，其主要優(yōu)點是獲取簡單且成本低廉[9-10]。雖然TBS 不是骨小梁微結(jié)構(gòu)的直接測量指標(biāo)，但已被證明與絕經(jīng)后婦女和50 歲以上男性的椎體、髖部等脆性骨折風(fēng)險相關(guān)[9-10]。TBS 也被證明與2 型糖尿病患者的脆性骨折風(fēng)險相關(guān)，因此TBS 可作為這類患者骨折風(fēng)險評估的有力工具[11]。TBS 還可評估原發(fā)性甲狀旁腺功能亢進、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和慢性腎病等以骨質(zhì)流失為特征疾病的骨強度[10-11]。除TBS 外，學(xué)者們還從DXA 圖像中導(dǎo)出其他參數(shù)，包括髖軸長度（hip axis length，HAL）、橫截面積、外徑、截面模量、屈曲比、橫截面慣性矩和頸軸角等，而這些幾何參數(shù)中只有HAL 與絕經(jīng)后婦女髖部骨折風(fēng)險相關(guān)[12-13]。雖然TBS 等參數(shù)在骨質(zhì)疏松癥的早期診斷和評估中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，但其仍不能單獨應(yīng)用于指導(dǎo)骨質(zhì)疏松癥的治療，其臨床應(yīng)用價值有待深入研究。

3 超聲

定量超聲（quantitative ultrasound，QUS）是一種有效的無創(chuàng)評估骨強度的替代方法，該技術(shù)分析超聲波與骨組織之間的相互作用[14]。QUS 通常用于外周骨檢測，包括指骨、跟骨、橈骨和脛骨的遠端干骺端，但QUS 僅在跟骨中得到的骨小梁測量參數(shù)和由DXA 在腰椎和股骨頸測量參數(shù)具有強相關(guān)性[15]，所以跟骨常作為QUS 的檢查部位[15]。有學(xué)者報道，跟骨QUS 已被證明可預(yù)測絕經(jīng)后女性和65 歲以上男性的脆性骨折[16]。也有研究表明，盡管DXA 仍是治療決策的首選方法，但如果不能進行DXA 掃描，則可根據(jù)足跟QUS結(jié)果結(jié)合臨床風(fēng)險因素評估開始對骨質(zhì)疏松癥進行藥物干預(yù)[17]。由于上述特點加之其檢測低成本、儀器便攜和操作簡單，QUS 目前主要用于社區(qū)醫(yī)院等基層醫(yī)療機構(gòu)對人群進行骨質(zhì)疏松癥篩查；又因其無電離輻射的優(yōu)勢，QUS 可對嬰幼兒及孕婦進行骨質(zhì)疏松癥篩查。雖然QUS 具有明顯優(yōu)勢，但其結(jié)果的重復(fù)性不佳，導(dǎo)致結(jié)果不易比較，大大限制了其在骨質(zhì)疏松癥診療上的應(yīng)用。但隨著超聲技術(shù)在肺部疾病及腫瘤診斷方面的迅猛進展，我們有理由相信在不久的將來超聲技術(shù)將在骨質(zhì)疏松癥的診療中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

4 CT

CT 是應(yīng)用最廣泛的三維成像方式，除了常規(guī)CT掃描外，定量CT（quantitative CT，QCT）成像方式也常用于骨骼研究[18]。QCT 在骨質(zhì)疏松癥研究中的優(yōu)勢是能夠準(zhǔn)確計算出選定體積內(nèi)的BMD（volumetric-BMD，v-BMD），而不受其他組織重疊影響[18-19]。由QCT 計算得到的v-BMD 是骨密度真實的測量值，而不是DXA測量的面積骨密度（areal BMD，a-BMD），并可避免DXA 因脊柱退行性改變、血管鈣化和周圍軟組織中的其他硬化病變而高估BMD[18-19]。除了密度測量優(yōu)勢，QCT 提供了骨小梁的測量方法，所以QCT 比DXA檢測骨質(zhì)疏松癥更敏感[18]。研究評估了QCT 在骨折預(yù)測和縱向監(jiān)測中的臨床應(yīng)用，QCT 通過脊柱v-BMD預(yù)測脊柱骨折的能力與DXA 相當(dāng)或更好；QCT 還廣泛用于監(jiān)測年齡、疾病和治療相關(guān)的BMD 變化[20]。盡管如此，在臨床實際工作中DXA 應(yīng)優(yōu)先于QCT，而QCT的使用應(yīng)與常規(guī)CT 掃描同步，以限制輻射暴露。

高分辨率外周定量CT（high-resolution peripheral quantitative，HR-pQCT）是一種可用于外周骨骼三維在體動態(tài)研究的非侵入性技術(shù)[21]。由于高空間分辨率和高信噪比，HR-pQCT 可直接顯示骨小梁顯微結(jié)構(gòu)[21]。不僅如此，HR-pQCT 還能以極低的放射劑量評估橈骨遠端和脛骨骨皮質(zhì)的骨密度、骨小梁顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)參數(shù)[21]。盡管HR-pQCT 在骨質(zhì)疏松癥的應(yīng)用僅限于外周骨，但已證明外周骨BMD 和剛度等參數(shù)的測量與QCT 在腰椎和股骨近端測量得出的參數(shù)間存在強相關(guān)性[21-22]。HR-pQCT 可測量包括全骨v-BMD、骨小梁BMD（trabecular bone BMD，Tb.BMD）和骨皮質(zhì)BMD（cortical bone，Ct.BMD）[21-22]。Stein等[23]在橈骨遠端和脛骨處應(yīng)用HR-pQCT 記錄到絕經(jīng)后原發(fā)性甲狀旁腺功能亢進婦女的骨皮質(zhì)變薄、Tb.BMD 和Ct.BMD降低。在絕經(jīng)后伴有2 型糖尿病和脆性骨折史的婦女中，HR-pQCT 記錄到橈骨遠端和脛骨遠端的骨皮質(zhì)骨孔隙度和孔隙體積均增加，盡管這些患者的a-BMD 正常甚至升高，但其骨皮質(zhì)孔隙率增加和骨小梁顯微結(jié)構(gòu)受損可部分解釋患者脆性骨折發(fā)病率高的原因[24]。HR-pQCT 在骨領(lǐng)域的這些應(yīng)用為學(xué)者們對骨質(zhì)疏松癥和相關(guān)代謝性骨病中的骨退化研究提供了新的思路和方法。

不僅如此，HR-pQCT 能夠通過縱向圖像配準(zhǔn)觀測骨轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程[25]。有學(xué)者報道，HR-pQCT 利用圖像衍生的微觀有限元模型估計局部骨組織載荷特性，該研究進一步發(fā)現(xiàn)，骨吸收更頻繁地發(fā)生在低應(yīng)變能密度的部位，而骨形成更頻繁地發(fā)生在高應(yīng)變能密度的部位[25]。將HR-pQCT 用于觀測骨轉(zhuǎn)換過程不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對骨代謝的動態(tài)檢測，而且能夠用于準(zhǔn)確評估藥物等對抗措施的作用效果。但因準(zhǔn)備耗時、費用較高和輻射暴露等因素，目前將HR-pQCT 用于觀測骨轉(zhuǎn)換動態(tài)變化的應(yīng)用仍處在實驗階段。

5 MRI

常規(guī)MRI 對于骨形態(tài)及骨小梁的描繪不及CT，但隨著高分辨率MRI 的發(fā)展，對骨精細結(jié)構(gòu)的展示成為可能[26]。雖然其具有無輻射的優(yōu)勢，但高分辨率MRI 在骨質(zhì)疏松癥的應(yīng)用中必須考慮到一些局限性，如在與單個骨小梁尺寸相似的分辨率下，可能會出現(xiàn)部分體積效應(yīng)[27]；此外，MRI 的檢測時間過久。因此，適合描繪骨小梁等骨精細結(jié)構(gòu)的MRI 骨形態(tài)學(xué)方案仍在研究中。

有學(xué)者證實，作為骨髓微環(huán)境重要組成部分的骨髓脂肪組織（marrow adipose tissue，MAT）含量與BMD呈負相關(guān)[28]。目前MRI 評估骨質(zhì)疏松癥的另一方向為通過各種技術(shù)準(zhǔn)確判斷骨成分和MAT 含量。擴散加權(quán)成像、動態(tài)對比增強灌注MRI 和氫質(zhì)子核磁共振波譜（H-proton magnetic resonance spectroscopy，H-MRS）等技術(shù)已成為骨成分研究的有力手段[29]。而作為MRI技術(shù)的最新拓展，H-MRS 不僅可以用來量化MAT 含量，還可以進一步分析其成分[30]?；贖-MRS 的MAT成分分析是骨質(zhì)疏松癥的一個新興研究領(lǐng)域。但上述MRI 在骨質(zhì)疏松癥中的兩個研究方向都未能提供直接的骨密度數(shù)值，都是通過相關(guān)性算法推斷出結(jié)果；且與先前介紹的影像技術(shù)比較，經(jīng)過MRI 篩查的臨床群體樣本量小，缺乏MRI 的定量參數(shù)和骨的縱向研究，所以目前MRI 在臨床上仍不適合用于骨質(zhì)疏松癥的診斷和評估，但其在骨質(zhì)疏松癥的鑒別診斷中仍然扮演著不可替代的角色。

近年來，隨著MRI 技術(shù)和設(shè)備的不斷優(yōu)化，結(jié)合目前影像組學(xué)和人工智能的迅猛發(fā)展，未來的MRI技術(shù)有望成為骨質(zhì)疏松癥篩查、診斷和評估的新策略和新方法。

6 結(jié)語

本文介紹了骨質(zhì)疏松癥研究中不同醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的研究進展，特別是強調(diào)了不同技術(shù)的臨床應(yīng)用和局限性，并且針對研究現(xiàn)狀提出了存在的問題和潛在的研究方向。X 線雖不能滿足骨質(zhì)疏松癥診療的臨床需求，但在診斷脆性骨折時仍是首選方法。DXA 由于其低成本和低電離輻射，是臨床中最常用的定量檢測技術(shù)；除了BMD 外，還可從DXA 圖像中提取其他參數(shù)，TBS 和HAL 已在研究中得到廣泛驗證，這些參數(shù)可提高骨折風(fēng)險預(yù)測的準(zhǔn)確性。超聲在預(yù)測骨折風(fēng)險（跟骨QUS）的潛在價值已得到充分證明，然而，重復(fù)性低和無法比較極大地限制了它的使用。高分辨率醫(yī)學(xué)影像技術(shù)雖然目前未能廣泛使用，但結(jié)合影像組學(xué)和人工智能等技術(shù)的高速發(fā)展，高分辨率醫(yī)學(xué)影像技術(shù)未來將擴大對骨質(zhì)疏松癥發(fā)生發(fā)展的認識。