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骨质疏松症的影像学研究进展

原发性骨质疏松症为一种老年人常见疾病,其患病率随人口平均寿命的延长和人口老龄化而不断增加。骨质疏松所导致的骨折直接影响着患者的生活质量,缩短其寿命,而且治疗费用高昂,故早期诊断和预测尤为重要。骨强度不仅与骨矿含量相关,还取决于骨质量和更新代谢。其中,骨微结构最为重要,是骨脆性的决定因素,独立于骨密度起作用。因此在评估骨质疏松症时,必须大力拓展和优化骨密度之外的诊断技术。本文就骨质疏松的影像学研究现状与临床应用做一综述。

 

1.骨密度(BMD

 

骨矿物密度(BMD)是第一个非侵入性定量评估骨特性的参数,在一定程度上能够预测患者的骨折风险。然而,近50%发生脆性骨折的绝经后妇女的骨密度值高于世界卫生组织所定义的骨质疏松阈值(即T分数等于或低于-2.5),原因是骨密度不能反映骨质量。骨质量是影响骨强度和骨折风险的第二个骨骼主要特征,其中包括的骨几何分布、骨小梁和皮质微结构都能通过非侵入性成像技术进行评估。骨小梁或皮质结构所提供的信息结合骨密度对评估骨强度、界别骨质疏松症患者和健康人群具有重要价值。而且,骨小梁微结构要比骨密度更能反映治疗效果。

 

2.骨小梁成像

 

2.1X线片常规

 

X线摄影空间分辨率高达40μm,有可能反映骨微结构,但是只有表现为纹理的骨小梁得以显示。骨小梁特性可通过二维纹理分析来展现。基于二维纹理参数的小梁结构模型与直接的三维模型之间存在良好的相关性。它提供的信息补充了骨密度检查的不足。目前,X线摄影主要应用于外周骨(跟骨和桡骨远端)骨小梁结构分析,因为这些部位周围的软组织并不影响图像质量。近年来,X线摄影在腰椎和股骨的良好应用亦见报道。

 

2.2高分辨率磁共振成像

 

以往骨密度最常被用作骨折风险的替代参数,最近的研究表明骨密度有严重的限制性:在MORE临床试验中,7700妇女接受了雷洛昔芬的治疗,该治疗使这群妇女骨折风险降低了40%,但是使用骨密度这一替代参数,这群妇女骨折风险只降低4%。相对于骨密度而言,MR对骨小梁微结构的监测评估更敏感。随着磁共振成像技术的进步,磁共振扫描仪在活体的空间分辨率已经接近于骨小梁的直径,且其所具有的空间分辨率低和扫描时间长的问题将得到进一步克服。目前已开展多项优化图像采集和后处理,校准测量数据方面的研究。

 

2.2.1MR成像的基础

 

当应用骨小梁MR成像时,要必须意识到骨小梁本身并不是可视的,其表现为无信号结构,周围包绕高信号骨髓脂肪。这种无信号是由于骨具有非常短的T2弛豫时间以及在骨-骨髓界面的偏共振效应所导致的。许多成像参数都会影响骨小梁的显示。具有更长TE和更高场强的梯度回波序列会增加磁化率伪影,因而容易高估小梁骨的厚度。所以,不同的磁共振成像测量只有在使用相同的采集技术的情况下才具可比性。大部分体内骨小梁MR成像研究集中在外周骨上进行,Krug等人利用3.0T磁共振成功实现股骨近端高分辨率成像。股骨近端作为中轴骨常受到骨质疏松骨折影响,因此其测量结果更具有显著的相关性。然而,目前由于线圈设计及相应信噪比的限制,骨小梁MR成像只能显示1mm厚的小梁骨,而且红骨髓会模糊小梁骨的显示。Krug等人的研究还显示7TMRI在骨小梁结构成像方面的巨大潜力。

 

2.2.2MRI的后处理和结构量化分析技术

 

高分辨磁共振图像的后处理过程中的人为因素需要减少到最低,每个阶段都需标准化以确保高度重复性。骨小梁结构的量化可以通过五个方面来实现,包括:1)厚度;2)形状;3)骨小梁方向;4)骨小梁网络的连接性或复杂性;5)有限元模型(FEM)。厚度参数包括骨体积分数(BV/TV)和骨小梁厚度(Tb.Th)。骨小梁的形状参数需要高分辨率三维数据,该参数包括表面曲率测量,如结构模型指数(SMI)和骨小梁结构的数字化拓扑分析(DTA)。DTA提供了一个框架,通过其骨小梁的连接参数很容易得到确定。骨小梁方向和各向异性的量化可以通过平均截距长度(MIL)的方法来实现,并且该方法可以进一步扩展到三维结构上。有限元模型除了用于描述骨小梁网的形态,还被用来直接计算骨小梁的力学性能。以上量化措施大多数需要将MR灰阶数据二值化。相关函数和模糊逻辑方法被用于确定厚度参数和连接参数,而标度指数法(SIM)则作为一形状参数用来确定单一骨小梁的维数。

 

2.2.3高分辨率磁共振成像的临床应用

 

迄今为止,骨小梁的高分辨MRI有两方面的临床应用。首先是用于确定骨质疏松性骨折的患病率和发病率。其次是用于监测骨小梁结构对药物治疗的反应。骨小梁高分辨MRI的参数在判断患者是否存在骨质疏松性骨折方面要比骨密度好,这些参数中以SIM或DTA最为敏感,其次为有限元法,传统参数(如BV/TV或骨小梁数量等)的表现则仅稍优于骨密度。

 

2.3计算机断层扫描(CT)

 

与磁共振成像相比,CT具有直接显示骨结构,空间分辨率高的优点,但缺点是电辐射剂量大,特别是应用到中轴骨上时。最近,高分辨率外周定量CT扫描仪(pQCT)在活体可达到各向同性80ηm的空间分辨率;体外显微CT系统(micro-CT)的骨影像能力更可达数ηm;同步显微CT系统甚至可实现空间分辨率小于1ηm。目前临床上使用的全身MDCT的空间分辨率不足以显示骨小梁的真实结构,但是,它们能够捕捉如脊柱或股骨近端等中轴小梁骨的纹理结构,该纹理结构与真正骨小梁网络有高度相关性。骨小梁微观数据要比BMD更好地判断患者是否有脊椎骨折,同时在监测脊椎的治疗效果方面要比骨密度好。值得注意的是上述两项研究均录有约3mSv辐射剂量,相当于1.5倍的年天然辐射剂量。

 

3.皮质骨的评估

 

骨质疏松所导致的骨丢失既涉及小梁骨,又涉及皮质骨。皮质骨的几何分布,厚度和孔隙度是预测髋部骨折的重要参数。股骨近端骨折的发生率与股骨近端几何分布存在显著相关性;通过DXA测量得到的股骨近端几何分布可用于鉴别骨质疏松症患者。1.5T磁共振也能准确评估股骨颈的皮质骨。与骨密度单一参数相比,股骨皮质骨的几何分布作为一个额外的参数,能有效地提高对骨折的预报能力。UTE脉冲序列可以区分正常和非正常皮质骨间的信号差异,通过测量其T1和T2*值间接地获得皮质孔隙度。目前,只有同步显微CT系统才能直接研究皮质骨的孔隙度,但是,有研究发现当空间分辨率得到显著提升时,高分辨率层析技术也可用于研究体内皮质骨的孔隙度。然而,这些研究结果的意义并未完全明了,仍需进一步研究发展结构性参数进行量化。

 

4.骨髓功能成像

 

目前,动态增强磁共振成像、磁共振扩散成像和磁共振波谱技术已分别用于研究骨髓的组成和功能。一些研究发现,骨髓脂肪增加易发生骨质疏松症,相应的骨折风险亦有所增加。Griffith等人在对110例绝经后妇女脊椎骨髓的研究中发现,骨密度较低的妇女的骨髓动态增强的峰值和斜率较低,而骨髓脂肪含量则较高。Shen等人的研究也得出相类似的结果。上述研究已有力证明骨密度和骨结构是骨折风险的独立决定因素。因此,在评估患者的骨折风险时最好是同时评估患者的骨量和骨结构。目前所有骨微结构的定量测定都缺乏必要的标准和参考数据库,因此,先进的高分辨骨小梁结构成像仍然只能局限在设备先进的实验室和影像中心中进行。

 

骨结构和骨量分析是一个令人兴奋的发展领域。随着近年来磁共振技术和CT的发展和进步,包括3T磁共振的临床应用,临床显微CT的引入,真正的小梁骨结构成像变得更为可行。比起单独使用骨密度,骨量联合骨结构分析能更好地界别骨质疏松患者是否伴有骨折,而且骨小梁结构参数在监测治疗效果方面更为敏感。当然,这些方法的重复性,标准化和临床应用性仍有待进一步改进。新技术如双能CT,高场磁共振成像,磁共振波谱和UTEMRI检查可进一步推进骨微结构成像发展和骨折风险的量化。

 

来源:医学影像学杂志2017年第27卷第4期

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