第九节 骨密度测量
一、概述
骨组织由两类物质构成：①细胞外物质，包括有机基质、骨样组织和无机物晶体；②骨细胞，主要包括成骨细胞、破骨细胞。骨是一种活的、动态的组织，陈旧骨不断地被分解并被新生骨取代，这种持续的过程一直处于动态平衡中，骨骼矿物质的含量保持相对不变。然而，在一些异常情况下，骨的代谢平衡被打乱时，这个持续的平衡过程就会被打破，造成骨量的增加或减少。
骨的生长和矿物质化受各种因素影响，最重要的是脑垂体分泌的生长激素、甲状腺分泌的降钙素和甲状旁腺分泌的甲状旁腺激素，以及随着饮食在肠道吸收或排泄、维生素D、钙和磷的含量。正常的骨密度随着年龄的变化而变化，从婴儿到35～40岁之间是增加的，而到以后女性每年减少2%～3%，男性每年减少0.25%～1%。
目前，国内外测定骨密度的原理是测定各种放射源释放的γ射线或X射线通过人体后所剩射线和被吸收的射线多少来计算出骨矿物质的含量，即骨密度（BMD）。
常用的测定骨密度的方法有：
1.单光子和单能X射线吸收法（single photon absorptiometry，SPA）
SPA用来测量外周骨的矿物质含量，如测量手指或桡骨的骨皮质。一般使用镅-241或碘-125作为放射源。这种方法的缺点在于它需要更换衰减的放射性核素和空间分辨率不足，而且测量值相对地对代谢刺激不敏感，并且软组织厚度的变化也可以导致骨密度测量结构的不准确。
2.双光子吸收法（dual photo absorptiometry，DPA）
DPA可克服SPA的一些局限，可以测量中轴骨（如脊柱和髋关节）骨密度。放射性核素来自钆-153，并用两个能量级来产生（44和100keV），这样可以获得全身的直线扫描。扫描中可以反映骨小梁的精密结构。它的优点主要是辐射剂量低，诊断准确性高，并且允许多点测量。缺点则是由于是全身扫描，采集时间过长。
3.双能X线吸收法（dual X-ray energy absorptiometry，DXA）
目前，双能X线吸收法是最有效的测定骨矿物质密度的方法，其基础研究在30多年以前就已开始，但应用于临床仅仅是近10年才得以实现。DXA可以测量脊柱、髋关节等全身骨密度，其测定过程是将从X线球管释放的X线通过k-edge吸收过滤，分成高低两种（40keV和70～80keV）X线，以区分患者是正常、骨量减少还是骨质疏松。DXA的光子由低剂量的能量源产生。DXA与DPA均使用相似的检测原理，然而，钆-153的两个能级被X线取代，并能将骨及周围软组织区分开来，利用骨骼和软组织对不同能谱段的X线会产生不同的衰减，即骨骼对45keV左右的X线吸收大，而软组织对80keV左右能谱段的X线吸收大。使用一个区域为基础的2D图像，计算出测量产生的骨矿物质密度，并与实际年龄的正常范围相比较。由于X线管的辐射剂量大于放射性核素的能量，所以扫描时间和散射线都会减少。DXA优于DPA主要在于X线管能产生更多的光子流而使扫描时间缩短，并使图像更清晰，测量结果的准确性和精确性得以提高，是骨密度测定的“金标准”。此外，DXA没有核素衰变问题，目前DXA已基本上取代了DPA。DXA具有测量精度高、时间短、剂量低和价格适中的优点，己广泛地在世界上发达国家所应用。
4.定量CT法（quantitative computed tomography，QCT）
是在临床CT扫描数据的基础上，经过QCT体模校准和专业软件分析，对人体骨骼进行骨密度测量的方法。测量数据由CT来执行，在QCT中，可以获得椎体的横断图像，区分骨小梁和骨皮质。用钙羟基磷灰石作为体模表示骨小梁密度，单位mg/cm3。标准的测量方法：CT扫描3～4个相邻椎体的中平面，通常选用T12～L3或者L1～L4。当患者躺在标准体模上时，扫描椎体的中平面得到椎体的横断图像，根据所有的椎体计算出平均密度，将患者测量值与标准化体模的骨密度相比较。对于腰椎的测量，QCT比其他测量方法有优势，因为它有很高的敏感性及准确性，并能显示测量区域的三维结构，它能区分骨松质和骨皮质，也能排除骨外矿物质对测量的影响。尤其适用于绝经后妇女、骨质疏松患者和使用糖皮质激素治疗的患者的腰椎骨密度测量。
5.MR和定量超声（QUS）测量法
新近还有学者利用MR和定量超声测量法来测量骨矿物质含量。超声成像是基于频率20～100MHz的机械波震动。这种波穿过骨小梁和骨皮质造成微小的震动，逐渐改变传播波的形状、强度、速度，Haus等指出，主要依靠穿带超声衰减和超声速度使鉴定骨组织成为可能。这些技术主要用于测量跟骨的密度。虽然这种方法没有前面的方法准确，但是由于没有电离辐射，便于携带并且成本较低，它仍是筛选疑似骨质疏松患者的很好选择。
目前应用最多的骨密度测量法是双能X线吸收法，下面我们就双能X线吸收法做简要讲述。
二、双能X线吸收法
双能X线骨质密度仪器系统由双能X射线源、扫描床及控制台、探测器及核电子学数据采集电路、计算机控制图像处理及诊断软件、扫描驱动机构等五大部分组成。X射线束通过人体后，X射线能量有了一定的衰减，衰减后的X射线到达CdZnTe探测器，在CdZnTe探测器中光子激发电子空穴对，在探测器外加电场的作用下，电子和空穴分别被正、负极板收集形成电荷脉冲，该电荷脉冲送到ASIC信号读出专用集成芯片中，该芯片由单路或多路前置放大器组成。
另外，双能量调光子骨密度仪也可基本分为测量系统和数据处理系统两部分。数据处理系统就是一台PC计算机配上高分辨彩色显示器、彩色打印机及完整的DXA软件包。数据处理系统接收测量系统传递过来的测量数据并实时地将数据转换成图像进行显示。DXA软件包包含了临床所需的全部功能，即能够提供评价腰椎、股骨、前臂、胫骨、肱骨、侧位腰椎、全身等部位以及身体组织成分的能力。软件包里还有各个年龄组人群骨密度和骨矿物含量的正常值范围，用于与受检者进行对照比较。测量系统较为复杂，它包括双能量调线发生器、单探测器或多探测器阵列、CT床、C型臂、Y方向运动的机械传动机构，还有用于测量与控制的电子学线路部分。测量系统具有单独的自控系统，它控制测量系统的全部运作并将采集到的数据传送给上位机。双能X线以高、低能（40keV和70～80keV）两种能量X线对骨骼及软组织进行测定和计算。此方法的优点是图像分辨率高（1mm），图像清晰度相当于甚至高于X线椎体摄片，精确度高（1%），检查时间短（1分钟），不仅可以检测骨密度，还可以测量人体脂肪含量和肌肉含量等，且避免了使用γ射线测定骨密度需要定期更换放射源的麻烦。
简而言之，DXA是采用两种不同能量的X线，利用高能和低能射线通过被检测的不同衰减分布来计算骨的能量衰减分布，扫描系统将所接受的信号传递到联机的计算机进行数据处理，计算出骨矿物质含量、面积和骨密度。并且，DXA具有扫描时间短、辐射量小、测量精确度和准确度较高、可以检查任何部位骨等优点，患者在检查前无需任何准备。而且，在测量骨密度的方法中，只有DXA建立了世界卫生组织（WHO）推荐的诊断标准，所以，它已成为国际学术界公认的诊断骨质疏松症的“金标准”。因此，建议骨质疏松症易患因素人群，应尽早选择施行DXA骨密度检测。早期发现、早期预防和接受正规治疗，不仅可以改善腰酸背痛的症状，还可减少骨折的危险，最大限度地提高健康水平及生活质量。
三、骨质疏松的诊断标准
骨质疏松常以骨密度（BMD）来定量表示，单位为g/cm2。根据体内诸骨的矿物质含量，骨结构和年龄不同可测得正常BMD量。常用的测量部位为椎体骨、髋骨、跟骨、尺桡骨和胫骨。由于影响BMD的因素（检查方法和设备、年龄、性别、体重和身高、运动、饮食等）较多，各单位最好建立自己的正常参考值。
世界卫生组织（WHO）的诊断标准如下：以T值作为诊断标准，T值含义为测得的BMD与同性别健康年轻人均值比较的差别，单位以标准差（SD）表示。计算公式如下：
诊断标准：①T值≥-1.0SD，为正常；②-1.0SD＜T值＜-2.5SD，为骨量减少；③T值≤-2.5SD，为骨质疏松；④T值≤-2.5SD并发生一处或多处骨折，为严重骨质疏松。
《中国老年骨质疏松症诊疗指南（2018）》推荐使用WHO诊断标准，但建议检查设备所选用的参加数据库采用认可的中国人群数据。
如未做峰值骨密度调查，可用骨丢失百分率（%）诊断法。M＞-12%为正常；M在-24%～-13%为骨量减少；M＜-25%为骨质疏松症；如同时伴有一处或多处骨折，为严重骨质疏松症。
腰椎是进行性骨质疏松症评价时最广泛使用的解剖部位。椎骨（L1～L4）内有大约40%的皮层骨与60%横梁骨，大量的横梁骨及脊柱定位的重要性相对容易使得脊柱可作为基准骨密度数据的重要来源。
髋部、股骨颈、股骨转子、股骨转子间以及Ward（沃德）三角区这5个部位也是DXA测量骨量的重要部位。
四、骨密度测量的临床价值
（一）骨质疏松症的诊断
生理状况的改变和许多病变及其他原因都会导致骨矿物质丢失，例如，老年、妇女绝经、疾病、药物和营养缺乏都可引起骨矿物质的丢失而导致骨密度的降低，最后造成骨质疏松。骨质疏松症分为原发性和继发性两类。原发性又可分为绝经后骨质疏松症（Ⅰ型）和老年性骨质疏松（Ⅱ型）。继发性骨质疏松症是由肾病、甲状腺功能亢进症、甲状旁腺功能亢进症、库欣综合征、药物、营养、遗传、生活习惯等因素引起的骨矿物质减少，骨细微结构（主要是骨小梁）退化，骨脆性增加，严重者可造成骨折、致残，甚至发生并发症而死亡。骨质疏松症患者的骨质丢失往往是全身性的，骨质一旦丢失，目前尚无有效的治疗措施来使骨质恢复正常。因此早期诊断骨质疏松症对确定治疗方案、检测疗效、判断预后和随访均有重要意义。很多骨质疏松症患者早期可无任何症状，且临床上尚没有直接测定骨强度的手段，因此，目前主要通过仪器在体外对骨骼中的矿物质进行测量和定量分析，即测定骨密度来判断是否有骨质疏松症以及严重程度。骨矿物质含量（bonemineral content，BMC）即骨密度测定，能反映不同生理和病理状态下，骨质代谢和骨量的变化，是诊断骨质疏松症的最常用方法。
1.原发性骨质疏松症
机体和骨本身生理性退变引起的骨质疏松症，主要指老年性骨质疏松症，尤其是妇女绝经后由于雌激素减少而导致的骨质疏松症。
2.继发性骨质疏松症
是指由于某些原因（药物或疾病等）而导致的骨质疏松症，引起继发性骨质疏松症的原因很多，可分为内分泌性、营养性、血液性、药物性、缺乏运动性和骨性等。最常见于甲状腺功能亢进症、甲状旁腺功能亢进、糖尿病和长期服用激素（长期应用皮质激素，皮质激素促进分解代谢，使电解质丢失）或卵巢切除术后（雌激素骤减引起）等。
（二）骨质疏松性骨折的预测及骨折愈合的评估
骨质疏松的一个重要并发症是骨折，导致骨折的因素有很多方面，其中骨密度降低是最重要的因素之一。
骨密度测定可预测骨折危险性的理由为：
1.骨的强韧性取决于骨密度。
2.骨折危险性的增加与骨矿物质含量减少的水平相一致。
3.无论丢失情况如何，预防性药物可以减少髋部和脊柱的骨折（一般认为，骨密度每多降低1SD，骨折的相对危险性即可增加1.5～3倍）。骨盆骨折是骨质疏松症引起骨折中数量最大、程度最危险的一种，无论男性还是女性，骨盆骨折的发生率随年龄的增加而升高。骨盆骨折者1年内的死亡率比无骨盆骨折者高15%～20%。因此对于骨盆危险性的预测具有重要的意义。
4.骨质疏松性骨折愈合评估 骨质疏松与骨折愈合的关系复杂，骨质疏松在骨折愈合的不同阶段作用不同。
（三）随访及对治疗效果的估计
骨密度测定不但可用于诊断骨质疏松症，而且可用于随访骨质疏松症的病情变化和评价骨质疏松症药物治疗的效果。鉴于目前骨质疏松症是威胁老年人健康的重要疾病之一，因此，有这样一个观点：测定骨密度被认为与测量血压发现高血压、预防脑血管意外同等重要。通过测定骨密度实现骨质疏松症的早发现、早治疗，可减少由骨质疏松症骨折导致的致残率、死亡率，从而减少家庭、社会的精神和经济负担。对已经明确的骨质疏松症患者来说，可以通过定期进行骨密度测定，了解骨质疏松症的病情变化与评价骨质疏松症药物治疗的效果。一般来说，骨密度每年测一次。
女性在绝经期开始进行雌激素的补充治疗，可减缓骨老化过程并减少50%左右的骨折发生，骨密度测量可以指导临床医师根据治疗反应不断调整治疗方案。长期进行雌激素补充会引起不良反应，通过对服药者骨密度的连续监测，可以得到一个雌激素治疗的最佳剂量，既最大限度防止骨丢失，又不致产生严重不良反应。
五、双能X线吸收法的其他临床应用
目前，双能X线吸收法临床上主要用于骨量测定来对骨质疏松做出诊断，也可以测量和计算全身脂肪、肌肉组织和骨组织，进行人体成分测量分析；进行臀腹脂肪评估，可有效评估向心性肥胖，预测糖尿病及冠心病的发病风险，扩展了临床或科研应用。