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骨质疏松症患者的影像学诊断技术综述

时间:2021-11-17

  摘    要: 骨质疏松症是一种全身性骨病,其是由于多种原因导致的骨密度和骨质量下降,骨微结构破坏,造成骨脆性增加,因此患者容易发生骨折。因此,骨密度和骨质量的诊断性评估和监测对于骨质疏松症患者至关重要。目前,双能X射线吸收法(DXA)、高分辨率外周定量计算机断层扫描(HR-pQCT)、定量超声骨密度仪检测(QUS)、磁共振成像(MRI)等影像学技术可以测量骨密度和骨质量,为临床诊断和治疗提供依据。本文对影像学技术诊断骨质疏松症的应用进展进行综述,分析每种影像学技术的优势和劣势,以期为临床诊断骨质疏松症提供更优的诊断方法,达到早诊断早治疗的目的。

  关键词 :     骨质疏松症;双能X射线吸收法;高分辨率外周定量计算机断层扫描;定量超声骨密度仪检测;磁共振成像;

  Abstract: Osteoporosis is a kind of systemic bone disease, it is caused by various reasons to decrease bone density and bone mass, the destruction of bone microstructure, resulting in the increase of bone fragility, thus patients are prone to fracture. Therefore, the diagnostic evaluation and monitoring of bone density and bone mass is very important for patients with osteoporosis. At present, dual energy X-ray absorptiometry(DXA), high resolution peripheral quantitative computed tomography(HR-pQCT), bone quantitative ultrasonography(QUS), magnetic resonance imaging(MRI) and other imaging techniques can measure bone density and bone mass, so as to provide basis for clinical diagnosis and treatment. This article reviews the application progress of imaging techniques in the diagnosis of osteoporosis, and analyzes the advantages and disadvantages of each imaging technique, in order to provide a better diagnostic method for clinical diagnosis of osteoporosis and achieve the purpose of early diagnosis and early treatment.

  Keyword: osteoporosis; dual energy X-ray absorptiometry; high resolution peripheral quantitative computed tomography; bone quantitative ultrasonography; magnetic resonance imaging;

  骨质疏松症是一种常见的进展性疾病,其特征是骨量减少,骨组织微结构恶化,脆性骨折风险增加[1]。由于脆性骨折的并发症会降低患者的生活质量,骨质疏松症已经成为一个全球性的公共卫生问题。骨质疏松症可以通过临床筛查发现,并进行治疗,以降低骨折的发生率。因此,在高危人群中筛查骨质疏松,以及早期诊断和治疗是改善临床结果的关键。影像学技术在测量骨密度、监测骨骼微结构的变化、预测骨折风险方面具有重要作用,从而为临床早期诊断骨质疏松症提供了检查手段。目前,双能X射线吸收法(DXA)、高分辨率外周定量计算机断层扫描(HR-pQCT)、定量超声骨密度仪检测(QUS)、磁共振成像(MRI)是诊断骨质疏松症的主要影像学方法,这些影像学方法有助于临床早期发现骨质疏松的高危人群,预防脆性骨折的发生,提高患者的生活质量。

  1、 DXA

  DXA是测量骨密度的标准技术。DXA的常用测量部位包括股骨近端、腰椎和桡骨远端。DXA测量以上部位的骨密度时具有较低的辐射剂量(成人脊柱DXA有效剂量为0.013 mSv,髋部DXA为0.009 mSv,而腰椎X线片为0.7 mSv)[2],因此,DXA在测量骨密度方面具有患者受照剂量低的优势。此外,DXA测量的精度误差也很低(短期精度脊柱为1.3%,全髋关节为1.2%,股骨颈为1.4%)[3]。多年以来,DXA一直是诊断骨质疏松症和骨量减少的标准。DXA测量的骨密度值是评估骨骼强度的重要指标,其诊断骨质疏松症和骨量减少的标准是基于所测量的骨密度值。然而,骨密度值是一个绝对值,由于在临床使用不同的骨密度检测仪时测量的绝对值不同,通常使用T值来判断骨密度是否正常。T值是一个相对值,其表示被测人的骨密度与正常同性别青年人骨峰值的差别。世界卫生组织根据T值的大小制定了骨质疏松和骨量减少的判定标准[4]。世界卫生组织对于DXA诊断骨质疏松症和骨量减少的判定标准最初只适用于绝经后的女性,但根据国际临床剂量学协会的指南,这些标准也可能适用于50岁以上的男性[5,6,7]。DXA也用于监测治疗,能够直接测量的最小显着变化取决于相应测量部位的精度误差。一般来说,使用脊柱和髋部的DXA,骨密度变化约5%就显示出治疗效果[8]。
 

骨质疏松症患者的影像学诊断技术综述
 

  目前,腰椎和髋部的骨密度是使用DXA测量的,DXA是诊断骨质疏松症的黄金标准工具[9]。然而,单纯基于骨密度的骨质疏松症诊断有其局限性。DXA是面密度测量,所测量的骨密度是区域骨矿密度,所得数值是皮质骨和松质骨的总和,并不能将二者区分开来[10]。因此,在许多临床情况下DXA容易出现技术错误,如骨质增生、骨折、血管钙化以及采集过程中位置不当等情况,这些情况会导致测量的骨密度偏高或偏低[11]。此外,由于密度测量是面积测量,小个子患者的骨密度会被低估,而高个子患者的骨密度会被高估[8]。

  2 、HR-pQCT

  HR-pQCT是一种先进的三维成像技术,可用于骨折风险的评估和骨质疏松的早期诊断[12]。HR-pQCT的出现引入了一种低辐射技术,可以测量周围部位(特别是桡骨远端和胫骨)的三维容积骨密度以及皮质和骨小梁微结构,从而弥补了DXA作为面密度测量带来的局限性(如不能将皮质骨和松质骨的骨密度区分开来等)。由于HR-pQCT能监测骨骼微结构的改变,因而可以从微观的角度来实现骨质疏松的早期诊断。

  HR-pQCT不仅弥补了DXA的一些局限性,而且相对于临床全身CT扫描仪的空间分辨率有所提高。目前,有文献报道高分辨率HR-pQCT将空间分辨率提高了大约5倍,但仅限于胫骨远端和桡骨[13]。由于HR-pQCT仅限于外周扫描位置,因此与全身CT相比,HR-pQCT的有效辐射剂量要低得多,而且不涉及关键的、对辐射敏感的器官[8]。HR-pQCT的高分辨率、容积采集方案允许对骨小梁和皮质室的容积骨密度、几何形状和微观结构进行量化。许多临床研究已经证明HR-pQCT测量在骨折预测和治疗干预监测中的有效性[14]。在老龄化人群中,已经证明皮质骨和骨小梁的微结构可以独立于DXA面骨密度和临床危险因素预测骨折事件[15]。在类风湿关节炎患者中,糜烂体积、皮质中断和微结构参数已被证明是评估治疗反应敏感计量学的指标[16]。

  但是,HR-pQCT仍存在一些缺点,最突出的是,目前其还没有被批准用于临床。因其设备体积大,不方便搬运,检测费用昂贵,以及维护仪器准确性所需的频繁校正,使其在临床应用受到一定程度的制约。此外,HR-pQCT仅限于外周骨骼部位的测量,无法直接了解腰椎或股骨近端的骨质量,而这些部位是骨质疏松性脆性骨折的常见部位。持续存在的问题还包括运动伪影,这有时会限制对骨骼微结构的形态学分析[17],以及在成像方案上缺乏共识,特别是在儿童和青少年成像方面[18]。

  3 、QUS

  QUS是一种经济的非电离技术,通常在前臂或跟骨等周围区域进行测量。QUS是利用被测量区域的骨骼对超声波的衰减以及反射来反映骨质密度的变化,其测量结果不仅和骨密度相关,还可以反映骨骼力学方面的情况。这是因为被测量区域的超声波速度(如声速、骨传输时间)和振幅(如宽带超声衰减)的变化是由局部组织的密度、弹性和结构决定的。QUS因其便携、操作简单、无辐射、检查费用低的特点而广泛用于医学筛查,其是目前唯一能广泛应用于普查、复查、动态观察骨密度、及时预测并发症风险的仪器。有文献报道QUS可以作为骨质疏松人群骨折风险的预测指标,并且QUS可能提供有关骨质量的信息,而不仅仅是单纯的骨量[19]。

  由于目前的QUS设备不共享与超声相关的精确的参数(如频率、波形、波束模式、瞬态响应、传播时间的定义、衰减程度的定义和精确的测量位置),导致不同型号的测量结果不同。因此,QUS仍然受到缺乏标准化的限制,无论是在所评估的技术参数(如宽带超声衰减、声速、刚度指数、依赖于振幅的声速,以及骨传输时间)方面,还是在所评估的解剖部位(如跟骨、胫骨、桡骨、指骨)方面[20]。有研究表明QUS在风湿性疾病骨质疏松的诊断和监测中不能替代DXA[21]。对于类风湿性关节炎,作者指出QUS与DXA有中到强的相关性,在区分骨质疏松个体和对照组方面表现良好,但QUS在诊断早期类风湿性关节炎的骨质疏松和由皮质类固醇诱发的骨质疏松中出现了相互矛盾的数据[21]。

  4、 MRI

  DXA和HR-pQCT在诊断骨质疏松症方面都会使患者暴露在一定的辐射剂量之下,而MRI因其无创、无辐射、灵敏度高的优点作为评估骨骼质量的另一种诊断手段。

  骨髓填充在骨小梁的空洞中,主要由造血红细胞(红髓区)和脂肪细胞(黄髓区)组成。红骨髓具有造血功能和创伤修复功能,保留着向成纤维细胞、成骨细胞分化的潜能。黄骨髓可以作为造血和骨代谢的能量来源,同时,黄骨髓中的脂肪细胞产生的游离脂肪酸可以通过增加破骨细胞的活性来增加骨吸收,并且能降低成骨细胞的分化和功能,从而影响骨骼代谢[22]。因此,在骨质疏松症患者中红骨髓和黄骨髓的含量会有明显的改变,即骨质疏松症患者椎体中骨矿含量和红骨髓含量会降低,而黄骨髓含量会相应增加[23]。来自固态组织(如骨)的MRI信号非常低是因为T2弛豫时间很短,并且在大多数临床序列中,骨小梁呈暗色[24]。因此,能够对骨小梁网络进行成像是由于来自包裹在骨小梁结构周围的脂肪基质层发出的强烈信号,MRI技术的采集目的是为了最大化骨髓信号并增强松质骨的对比度。

  研究骨髓脂肪分数的MRI技术包括磁共振波谱和化学位移编码的水脂磁共振成像,磁共振波谱是根据水和脂肪的不同化学位移特征来区分水和脂肪信号,化学位移编码的水脂磁共振成像是利用水和脂肪质子的拉莫尔频率差实现水和脂肪的分离。然而,各种其他MRI方法,如皮质骨的超短回波时间成像和骨小梁成像的定量磁化率图,最近也已进入评估骨质疏松的MRI技术范围[25,26]。虽然早期的MRI方法主要利用骨髓产生的信号来成像骨小梁微结构,但更新的方法,如超短回波时间成像和定量磁化率图,能够更直接地成像骨组织,并且最近才被应用于脊柱成像。

  MRI是对骨质疏松进行无辐射定量评估的一个可行选择,而且考虑到目前的各种序列和技术,MRI正在迅速发展。然而,必须承认的是,MRI的方法在诊断骨质疏松症方面还没有在广泛的临床常规中完成最终的实用过渡,这主要与MRI检查存在较多的禁忌证和昂贵的费用有关。并且,磁共振骨成像仍然存在许多挑战,由于分辨率有限和磁化率伪影导致的部分体积伪影造成结构参数值的系统性偏差,特别是形态学参数骨小梁体积分数和骨小梁厚度与HRpQCT相比有很大差异[27]。此外,较长的采集时间使得MRI容易受到运动伪影的影响,这也会对结构分析产生负面影响。

  5 、小结

  以上几种影像学技术可以从骨密度的测量、骨微结构的变化、骨骼对声波的衰减以及反射、检测骨髓成分含量等方面早期诊断骨质疏松症,为临床诊断骨质疏松症和预测骨折风险提供了理论依据,有助于临床早期治疗骨质疏松症,预防骨折的发生,降低骨质疏松患者的致残率和致死率,特别是针对老年患者。但是,每种影像学技术均有各自的优势和不足,因此在临床工作中,还需要开启研究的新视角,拓宽领域开展有关的实证研究,不断完善相关的诊断方法,进而最大程度地降低骨折的发生率,从根本上缓解患者的病情,提高其生活质量。

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