医学影像技术在骨质疏松症中的研究进展

骨质疏松症是一种以骨量降低和骨组织显微结构退化为特点的全身性、代谢性骨病，伴有骨折风险增加。常见的骨折部位为脊柱、腕部和髋部，其中髋部骨折可造成患者失去活动及独立的生活能力甚至死亡。

国际骨质疏松基金会估算每年因骨质疏松症而造成的骨折（脆性骨折）为890 万次，也就是说平均每3秒钟就有一人发生脆性骨折，而其中大多数脆性骨折的发生可以预防的。因此，早期诊断和准确评估骨质疏松症成为研究热点。不同的医学影像技术可用于评估骨质疏松症患者的骨骼质量。X 线、双能X 线吸收测定（dual energy X-ray absorptiometry，DXA）、超声、计算机断层扫描（computed tomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI） 等医学影像技术在骨质疏松症的研究中得到越来越广泛的应用。本文旨在综述临床上常用的医学影像技术在骨质疏松症研究中的新进展。

1. X线

骨质疏松症在X 线片上的主要影像学特征是骨通透性增加、骨皮质变薄、骨小梁结构变化。骨通透性增加是由于骨矿物质含量逐渐下降和伴随骨小梁微结构变化导致的，然而只有当骨质疏松症发生到晚期时，也就是当骨质流失量达总骨量的30%以上时才能发现。

骨皮质变薄是骨皮质内层和骨内膜层重吸收的结果，在椎体中，这一特征伴随骨通透性增加则形成典型的“相框”征，也称“幽灵椎体”。在骨质疏松症的早期，可看到骨皮质内边缘的扇形结构，称为“骨内扇形结构”，但这一征象是非特异性的，也可在以快速骨转换为特征的病理条件下发现，如甲状旁腺功能亢进和肾性骨营养不良等。骨小梁主要分布在长骨末端，其为骨吸收过程提供了更大的表面积，且骨小梁比骨皮质对代谢变化更敏感，所以骨质疏松症早期就会发生骨小梁结构变化。

根据这一特性，研究人员利用X 线成像技术研究出骨质疏松症诊断和分级的半定量指标，而在这些指标中，Singh 等提出的股骨近端指标和Jhamaria 等提出的跟骨指标应用最为广泛。然而，上述半定量指标存在很大的差异，并且X线片本身的质量（曝光程度）和软组织的重叠（特别是Singh 指数）也会对结果造成干扰。这些非特异X 线表现的判读受主客观因素影响大，且对早期的骨量丢失不敏感，这使得X 线检查已不能胜任骨质疏松症的筛查和评估，但在发生脆性骨折，尤其是椎体骨折时，X 线检查仍是首选方法。

2. DXA

目前，DXA 是诊断和评估骨质疏松症和骨量减低的可靠方法。在临床中，因其检测费用低和辐射少（1~10 μSv），常用于疑似骨质疏松症的筛查。但由于DXA 的成像原理是平面投影技术，其测算出的骨密度（bone mineral density，BMD）会受到骨质增生、体重及血管钙化等立体因素的影响，可能造成一定比例的漏诊。为了更好地理解骨强度，学者们从DXA 中推算出BMD 以外的其他参数。

骨小梁评分（trabecular bone score，TBS）是美国FDA 新认证的一种灰度纹理分析参数，TBS 可从腰椎DXA 数据中获得，能够提供骨微观结构和骨强度信息，其主要优点是获取简单且成本低廉。虽然TBS 不是骨小梁微结构的直接测量指标，但已被证明与绝经后妇女和50 岁以上男性的椎体、髋部等脆性骨折风险相关。TBS 也被证明与2 型糖尿病患者的脆性骨折风险相关，因此TBS 可作为这类患者骨折风险评估的有力工具。

TBS 还可评估原发性甲状旁腺功能亢进、类风湿性关节炎和慢性肾病等以骨质流失为特征疾病的骨强度。除TBS 外，学者们还从DXA 图像中导出其他参数，包括髋轴长度（hip axis length，HAL）、横截面积、外径、截面模量、屈曲比、横截面惯性矩和颈轴角等，而这些几何参数中只有HAL 与绝经后妇女髋部骨折风险相关。

虽然TBS 等参数在骨质疏松症的早期诊断和评估中展现了良好的应用前景，但其仍不能单独应用于指导骨质疏松症的治疗，其临床应用价值有待深入研究。

3.超声

定量超声（quantitative ultrasound，QUS）是一种有效的无创评估骨强度的替代方法，该技术分析超声波与骨组织之间的相互作用。QUS 通常用于外周骨检测，包括指骨、跟骨、桡骨和胫骨的远端干骺端，但QUS 仅在跟骨中得到的骨小梁测量参数和由DXA 在腰椎和股骨颈测量参数具有强相关性，所以跟骨常作为QUS 的检查部位。

有学者报道，跟骨QUS 已被证明可预测绝经后女性和65 岁以上男性的脆性骨折。也有研究表明，尽管DXA 仍是治疗决策的首选方法，但如果不能进行DXA 扫描，则可根据足跟QUS结果结合临床风险因素评估开始对骨质疏松症进行药物干预。由于上述特点加之其检测低成本、仪器便携和操作简单，QUS 目前主要用于社区医院等基层医疗机构对人群进行骨质疏松症筛查；又因其无电离辐射的优势，QUS 可对婴幼儿及孕妇进行骨质疏松症筛查。

虽然QUS 具有明显优势，但其结果的重复性不佳，导致结果不易比较，大大限制了其在骨质疏松症诊疗上的应用。但随着超声技术在肺部疾病及肿瘤诊断方面的迅猛进展，我们有理由相信在不久的将来超声技术将在骨质疏松症的诊疗中发挥关键作用。

4. CT

CT 是应用最广泛的三维成像方式，除了常规CT扫描外，定量CT（quantitative CT，QCT）成像方式也常用于骨骼研究。QCT 在骨质疏松症研究中的优势是能够准确计算出选定体积内的BMD（volumetric-BMD，v-BMD），而不受其他组织重叠影响。由QCT 计算得到的v-BMD 是骨密度真实的测量值，而不是DXA测量的面积骨密度（areal BMD，a-BMD），并可避免DXA 因脊柱退行性改变、血管钙化和周围软组织中的其他硬化病变而高估BMD。

除了密度测量优势，QCT 提供了骨小梁的测量方法，所以QCT 比DXA检测骨质疏松症更敏感。研究评估了QCT 在骨折预测和纵向监测中的临床应用，QCT 通过脊柱v-BMD预测脊柱骨折的能力与DXA 相当或更好；QCT 还广泛用于监测年龄、疾病和治疗相关的BMD 变化。

尽管如此，在临床实际工作中DXA 应优先于QCT，而QCT的使用应与常规CT 扫描同步，以限制辐射暴露。高分辨率外周定量CT（high-resolution peripheral quantitative，HR-pQCT）是一种可用于外周骨骼三维在体动态研究的非侵入性技术。由于高空间分辨率和高信噪比，HR-pQCT 可直接显示骨小梁显微结构。

不仅如此，HR-pQCT 还能以极低的放射剂量评估桡骨远端和胫骨骨皮质的骨密度、骨小梁显微结构和力学参数。尽管HR-pQCT 在骨质疏松症的应用仅限于外周骨，但已证明外周骨BMD 和刚度等参数的测量与QCT 在腰椎和股骨近端测量得出的参数间存在强相关性。HR-pQCT 可测量包括全骨v-BMD、骨小梁BMD（trabecular bone BMD，Tb.BMD）和骨皮质BMD（cortical bone，Ct.BMD）。

Stein等在桡骨远端和胫骨处应用HR-pQCT 记录到绝经后原发性甲状旁腺功能亢进妇女的骨皮质变薄、Tb.BMD 和Ct.BMD降低。在绝经后伴有2 型糖尿病和脆性骨折史的妇女中，HR-pQCT 记录到桡骨远端和胫骨远端的骨皮质骨孔隙度和孔隙体积均增加，尽管这些患者的a-BMD 正常甚至升高，但其骨皮质孔隙率增加和骨小梁显微结构受损可部分解释患者脆性骨折发病率高的原因。

HR-pQCT 在骨领域的这些应用为学者们对骨质疏松症和相关代谢性骨病中的骨退化研究提供了新的思路和方法。不仅如此，HR-pQCT 能够通过纵向图像配准观测骨转换的动态过程。有学者报道，HR-pQCT 利用图像衍生的微观有限元模型估计局部骨组织载荷特性，该研究进一步发现，骨吸收更频繁地发生在低应变能密度的部位，而骨形成更频繁地发生在高应变能密度的部位。

将HR-pQCT 用于观测骨转换过程不仅能够实现对骨代谢的动态检测，而且能够用于准确评估药物等对抗措施的作用效果。但因准备耗时、费用较高和辐射暴露等因素，目前将HR-pQCT 用于观测骨转换动态变化的应用仍处在实验阶段。

5. MRI

常规MRI 对于骨形态及骨小梁的描绘不及CT，但随着高分辨率MRI 的发展，对骨精细结构的展示成为可能。虽然其具有无辐射的优势，但高分辨率MRI 在骨质疏松症的应用中必须考虑到一些局限性，如在与单个骨小梁尺寸相似的分辨率下，可能会出现部分体积效应；此外，MRI 的检测时间过久。因此，适合描绘骨小梁等骨精细结构的MRI 骨形态学方案仍在研究中。

有学者证实，作为骨髓微环境重要组成部分的骨髓脂肪组织（marrow adipose tissue，MAT）含量与BMD呈负相关。目前MRI 评估骨质疏松症的另一方向为通过各种技术准确判断骨成分和MAT 含量。扩散加权成像、动态对比增强灌注MRI 和氢质子核磁共振波谱（H-proton magnetic resonance spectroscopy，H-MRS）等技术已成为骨成分研究的有力手段。而作为MRI技术的最新拓展，H-MRS 不仅可以用来量化MAT 含量，还可以进一步分析其成分。

基于H-MRS 的MAT成分分析是骨质疏松症的一个新兴研究领域。但上述MRI 在骨质疏松症中的两个研究方向都未能提供直接的骨密度数值，都是通过相关性算法推断出结果；且与先前介绍的影像技术比较，经过MRI 筛查的临床群体样本量小，缺乏MRI 的定量参数和骨的纵向研究，所以目前MRI 在临床上仍不适合用于骨质疏松症的诊断和评估，但其在骨质疏松症的鉴别诊断中仍然扮演着不可替代的角色。近年来，随着MRI 技术和设备的不断优化，结合目前影像组学和人工智能的迅猛发展，未来的MRI技术有望成为骨质疏松症筛查、诊断和评估的新策略和新方法。

6. 结语

本文介绍了骨质疏松症研究中不同医学影像技术的研究进展，特别是强调了不同技术的临床应用和局限性，并且针对研究现状提出了存在的问题和潜在的研究方向。X 线虽不能满足骨质疏松症诊疗的临床需求，但在诊断脆性骨折时仍是首选方法。DXA 由于其低成本和低电离辐射，是临床中最常用的定量检测技术；除了BMD 外，还可从DXA 图像中提取其他参数，TBS 和HAL 已在研究中得到广泛验证，这些参数可提高骨折风险预测的准确性。

超声在预测骨折风险（跟骨QUS）的潜在价值已得到充分证明，然而，重复性低和无法比较极大地限制了它的使用。高分辨率医学影像技术虽然目前未能广泛使用，但结合影像组学和人工智能等技术的高速发展，高分辨率医学影像技术未来将扩大对骨质疏松症发生发展的认识。