骨密度的测定方法

作者单位: 300211, 天津市天津医院 骨密度的测定方法 温孝恒 　　许多疾病和人体的衰老过程都可以影响骨 代谢, 造成骨矿物质含量的改变; 尤其骨量的减 少所致的骨质疏松日益引起人们的重视和广泛 的研究。随着人口寿命增长和社会老龄化, 作为 老年性常见疾病之一的骨质疏松症及其骨折的 治疗在国家耗资巨大, 给患者及其家庭带来沉 重经济负担、肉体上和精神上的痛苦, 而且可以 造成患者畸形、丧失劳动及生活自理能力, 甚至 死于术中或术后并发症。我国人口众多, 骨质疏 松症患者数目惊人。自 80 年代, 全国相关各个学 科的众多科技工作者和临床医学家开展了有关骨 质疏松预防、治疗、检测仪器等多方面的研究。 为了了解骨矿物含量的变化规律和建立对 骨质疏松的发生、发展的定量测定和研究, 以便 探索骨质疏松症的防治; 人们不断地发明测定 骨矿物含量 (Bone M inera l Con tan t, BM C ) 的 方法。本文将全面地介绍如下。 1　X 线摄片法 本世纪 60 年代以前, 人们是根据骨骼 X 线平片判断骨密度 (Bone M inera l D en sity, BM D )。国内学者们做了大量研讨[1, 2 ]。按观测 部位、方法、不同又可粗略分为三类。 111　骨皮质厚度测定、腰椎侧位椎体高度测定 　使用游标卡尺测量左手第二掌骨 (或股骨中 段, 或锁骨, 或第 2、3、4 骨)皮质厚度, 或测量 第 3 腰椎侧位椎体中点高度与椎体前缘的高度 比值, 评定有关参数的变化, 为诊断骨质疏松提 供依据。方法简单, 易于普及, 无需专门设备。因 受诸多因素 (如 X 线片技术质量、视觉偏差 ⋯⋯)影响, 此类方法不够精确, 重复性差。其中 以第 3 腰椎侧位椎体测量法较好。 112　骨质密度的肉眼　肉眼观察X 线片 上骨骼密度、皮质厚度与形态、骨小梁形态、数 量、分布特点来判定有无骨质疏松, 可粗略地分 为轻、中、重度骨质疏松。此外, 人们特别地观察 了股骨上端和跟骨的骨小梁吸收消失的规律, 据此而定股骨上端小梁类型的 Singh 指数 法[3 ]、跟骨小梁类型的指数法 (Calcaneal M o r2 pho logic index) [4 ]。本类方法易于应用, 无需测 量仪器, 简单快捷; 但观察医师必须具备一定经 验, 更不能作出定量诊断。而且只有当矿物质丢 失 30～ 50% 时, 人们的肉眼才能识别出X 线片 上的密度改变, 所以不能观测出较早期骨密度 的变化。并且受主观影响较大。 113　X 线片光密度测量法　本方法是应用与 骨密度等效的铝阶梯 (早期用象牙梯)同欲测量 部位一起摄片, 然后通过光密度计判读, 得出骨 密度值。纯铝等效值为 1mm 厚的铝等于 130m g 骨矿物质[5 ]。有人用的是铝楔, 同骨进行 摄片, 然后用显微密度计进行测试, 微机处理后 得出数据。这类方法受X 光片质量, 摄片各环 节条件影响, 甚至铝梯、尤其铝楔的加工精度也 会影响本方法测得结果的临床意义。此类测量 的精度和准确度在不同条件下可小于 2% , 也 可大于 20% , 一般认为大于光子吸收骨密度仪 测量法。 2　光子吸收骨密度仪法 通过测定单能光子束或双能光子束穿透骨 组织时, 光子束的能量因骨矿物质的吸收的减 弱来测量骨密度, 因为其衰减程度与该部位的 骨矿物质的含量相关。此类型仪器可分为三种。 211　单光子吸收骨密度仪 (Single Pho ton A b2 so rp t iom etry, SPA )　1963 年美国Cam eron 和 So reson 最先设计并使用单光子 Χ射线吸收法 测定骨矿物质含量 (BM C) 和骨密度 (BM D ) [6 ] , 96中国骨质疏松杂志　1998 年 2 月第 4 卷第 1 期 之后, 包括我国在内一些国家相继也生产了此 类仪器[7, 8 ]。仪器价格便宜, 易于操作, 其照射剂 量为 01002—01005cGy, 远低于常规 X 线胸片 时的量, 其精密度和准确度可达±2%。所使用 的放射性核素因厂家不同而异。SPA 早期产品 采用125 É (碘) 放射源, 其 EΧ (能量) 为 27keV (千电子伏特) , T 015 (半衰期) 为 60 天。每年需 更换 3 次放射源, 无形提高价格。我国 1985 年 研制的 SPA 仪采用 241Am (镅) , EΧ= 60keV , T 015为 433 年, 无需更换。 工作原理、放射源顶端有一直径为 2mm 孔, 光子束直接从此射向同一直线上的有铅屏 敝的单孔准直器内, 其内装有接受装置。准直器 探头和放射源固定在同一可移动的支架上, 移 动速度由控制电路完成, 扫描 1 次仅需几分钟。 显示屏将显现因骨矿物质吸收而衰减的CPM 而描记的负向曲线。测量时前臂缠以水袋或浸 在水槽中以消除周围软组织的影响; 最常用的 部位为非优势一侧的桡骨中远 1ö3 交界处。由 计算机或人工选择尺桡骨曲线É °值, 计算机显 示骨宽 (BW )、BM C、BM D 等参数值。有的此种 仪器还可标示是否在正常范围内。 然而, 尺桡骨外形不规整, 不同平面BM C 差异大, 常用的尺桡骨中远 1ö3 交界处的骨干 比较均匀, 但 90% 为密度骨, 与以松质骨为主 的腰椎骨变化相关性差。丹麦产 1100A 型和我 国产BH 26012 型二维骨密度仪是对尺桡骨超 远端部位进行二维扫描, 计算机自动定位于尺 桡骨间距 5～ 8mm 处, 此处松质骨可达 60% , 这样扫描通过计算机处理可得到一幅尺桡骨远 端骨密度形态图, 并对曲线积分处理后报告各 参数结果。 SPA 的诞生为开展关于骨质疏松研究和 临床应用提供了较客观的定量检测手段, 仪器 价格低廉, 设备简单, 易于推广, 适用于大面积 人口普查[9 ]。大量应用研究表明, 正常骨密度值 男性高于同龄女性; 青少年时, 随年龄增加 BM D 值增加, 并与身高、体重相关; 40 岁以后, 先女性后男性进入骨矿含量丢失期, 而且女性 比同龄男性丢失速率高, 80 岁以后此速率减 慢。此外临床应用时应注意诸如人种、民族、地 区、季节、职业等因素对解释数值结果的影响; 还要考虑偏食, 烟酒不良嗜好的影响和个体差 异。最好动态地观察个人骨密度值的变化更有 益些。操作者工作水平, 测定部位准确程度, 放 射源强度等各个因素可以影响BM D 的测定 值[10 ]。 SPA 方法存在着不足之处: 测量部位需用 水囊, 使用不便; 不能直接测定脊椎、股骨上端 等重要部位, 更不能测全身的骨密度, 而且前臂 的骨密度与它们的相关性还不能令人满意。 212　双光子吸收骨密度仪 (D ual Pho ton A b2 so rp t iom etry, D PA ) 　这是国外 70 年代的产 品。采用 153 Gd (钆) 为放射源, 发射能量为 44keV 和 100keV 的两种光子, T 015为 242 天。 对软组织和骨质有不同穿透能力, 不需“水浴”。 可检查腰椎、股骨上端或全身[11 ]。一般是使受 检者躺在床上, 放射源置于受检者背侧,N a I 晶 体探测器置于体前, 距源 40cm。由脉冲高度分 析器分别对扫描范围内各像素点计数, 经计算 机处理打印出结果。D PA 在欧美发达国家里获 得广泛应用[12 ] , 作了大量的研究工作和临床应 用, SPA 已被淘汰。D PA 应用放射性核素, 但 是很安全, 局部受辐射剂量为 01018cGy, 全身 受辐照剂量仅为定量 CT (Q CT ) 法的 1%～ 10%。 D PA 还存在着一些缺点: 测量时间过长, 整个检查过程约 30 分钟。Χ射线计数率存在统 计涨落, 两种能量光子的干扰等因素使精密度、 准确度和图像分辩率还不够理想。每 1～ 115 年 需要更换 1 次价格昂贵的153Gd 放射源, 很不方 便。 213　双能 X 射线骨密度仪 (D ual Energy X2 ray A b so rp t iom etry, D EXA ) 　早在 60 年代初 期 Jacob son [13 ]就用双能 X 射线法来测定骨密 度。至 80 年代中后期研制出实用的D EXA。其 工作原理与D PA 基本相同, 主要差别是用微 焦点小功率 X 射线管代替153 Gd 同位素放射 07 CH IN ESE JOU RNAL O F O ST EO PORO S IS V o l. 4 N o. 1 1998 源。此类仪器通过开关交替地改变高压或使用 K 边过滤器的办法产生两种不同能量的X 射 线束, 各厂家、型号不同, 一般为 40keV 和 70keV 两种 (或 80 与 100, 或 100 与 140)。射线 穿过人体之后, 低、高能量光子分别被薄的、厚 的晶体所接受, 逐个像素测定的讯号传送到计 算机进行数据处理, 报告出骨密度及相关的多 种数据。这就是人们称之为第三代的骨密度仪。 D EXA 是以X 射线管为光源, 所以不工作 时无放射污染, 也不存在光子统计涨落和衰减, 一只 X 线管可以使用数年, 无需经常更换, 是 D PA 不可比拟的。在X 线管的管流为 1mA 时, 它产生的光子流量是153Gd 源的 500～ 1000 倍, 因此, D EXA 测量时间短: 全身扫 10～ 15 分 钟, 腰椎或髋只需几分钟。精密度高: 测人体为 110% , 测模型达 015%。准确度也高: 采用“自 动内部参考系统”对每个扫描结果进行轴对轴 校准, 图像分辩率高, 可达 1～ 2mm , 重复性好。 病人所受辐照剂量约是 X 线胸透的 1ö10, 为 012～ 510mR 之间。对于操作者也是比较安全 的, 当然也要注意个人所受辐照的累积量。病人 仰卧扫描床上, 仪器可自动定位, 可以仰卧时对 腰椎骨进行侧位扫描。厂家提供模式骨对仪器 进行Q C, 还可以对小动物、新生儿做骨密度测 定。先进的软件技术为医学实践和科研提供了 方便[14～ 16 ] , 而且D EXA 还可以测量全身不同 部位的脂肪组织总量 (Fat t issue m ass)、非脂 肪组织总量 (L ean t issue m ass) 和脂肪组织比 例 (% Fat) 等, 对营养研究和肥胖症、神经性厌食 症监测等亦有重要意义[17 ]。。使骨密度的测量 技术进入成熟期。 近几年, 我国越来越多的大型医院装备了 D EXA 仪, 使国内的这方面技术与国际先进水 平接轨[18 ] , 为骨质疏松研究开辟新天地。 3　定量计算机断层扫描法 定量的计算机断层扫描 (Q uan t ita t ive Compu ted Tomography, Q CT ) 法是由诺贝尔 生理学奖获得者Houn sfield 发明。它利用XCT 的成像原理, 即人体组织对X 线吸收不同而X 光子衰减计算出任何部位的组织密度。它的基 本密度单位为 CT 值, 以 göcm 3 表示, 而不是 BM C (göcm )和BM D (göcm 2)值。化部位为 L 3 椎体。此法优点在于准确性高和对松质骨的 灵敏度高, [19 ] , 但是Q CT 法缺点为重复性差, 受骨内无机盐、水、脂肪含量影响, 病人所受辐 照剂量是光子吸收法的几十倍到百多倍, 需要 昂贵仪器和复杂的软件及训练有素的操作人 员, 使得此法在临床上推广应用受到限制[20 ]。 4　光子散射法 光子散射法 (Pho ton Scat t ring M ethod) 于 70 年代初应用临床。原理: 在 Χ或X 线与物质 作用时, 辐射能量部分交给物质原子核外电子, 产生康普顿电子, Χ光子能量减弱, 方向改变。 当 Χ能量在 2M eV～ 5M eV (百万电子伏特) 间 与绝大多数轻元素 (中等原子序数) 相互作用 时, 产生康普顿效应的几率最大。使用放射性核 素或X 线作为辐射源[21 ] , 用高敏度的探头测量 人体外周骨骼部位产生的康普顿射线, 其强度 取决于原子核外电子密度。 此方法使病人受到很高剂量的辐照, 甚至 比Q CT 法还要高; 不能用于中轴骨测量; 仪器 不能普及等欠缺使得本测定骨密度方法至今尚 不能被广泛使用。 5　中子活化分析法 中 子活化分析法 (N eu tron A ct ivat ion A nalysis,NAA )是H evesy 于 1936 年首先开发 的, 随着核技术的发展和电子计算机的引用, NAA 成为广泛应用的核医学研究手段。70 年 代初,NAA 开始用于人体内钙的测定[22 ]。即首 先用核射线轰击人体内无放射性的48Ca, 使其 成为有放射活性的49Ca, 再用高分辩本领的 Ge (L i)探测器对49Ca 发出的高能 Χ射线立即进行 测量。49Ca 的 T 015为 818 分钟。利用一定公式计 算出原有稳定核素含量。 运用NAA 测定人体骨密度可在手骨、脊 17中国骨质疏松杂志　1998 年 2 月第 4 卷第 1 期 柱或躯干骨进行, 也可以在全身水平进行全身 钙 (TB ca)含量测定。然而, 此法使病人受到高剂 量辐照, 需要中子源和好的防护设备, 应用仪器 复杂, 成本高。虽然经过多年努力, 改进了精密 度和准确度, 不断进行临床实验研究, 但目前仅 在中用于研究工作。 6　超声骨密度测量法 利用超声 (U lt rasound, U S) 测量骨质变化 是近些年来发展起来的新技术, 用宽波段超声 衰减信号来评估骨密度变化, 至今与D EXA 竞 争地发展着。分湿系和干系两类。湿系是将跟 骨置于水槽中进行。干系则无需此槽而利用耦 合剂进行。目前实用的两种: (一)跟骨超声骨质 测量仪: 罗先正氏用此种仪器测定了 95 名健康 人[23 ] , 其中 63 名同时做了D EXA 的腰椎检查, 32 名同时做了D EXA 股骨颈检查。超声骨密 度测定有三个参数: 11 声速 (SO S) , 反映骨的 弹性和密度; 21 宽波段超声衰减 (B roadband U ltrasound A ttenuat ion, BUA ) ; 31SO S 和 BUA 的结合参数 Stiffness (ST F)。超声检查 骨密度无放射性, 价格适中, 仪器易于携带。精 确性误差为 2%。超声波直接测量骨的弹性系 数, 可以灵敏地检测骨强度的变化, 并认为超声 测量和D EXA 骨量的测量是相辅相成的, 会更 好地预测骨折发生之可能。 (二) Soundscan 2000 骨质疏松检测仪: 由M yriad 公司新近推 出的超声诊断骨质疏松的仪器。它是利用双频 超声技术, 沿长骨轴向 (胫骨中段)检测骨密度, 骨质量, 反映骨弹性、骨脆性。重复性好, 误 差为 011% , 精确率高, 操作简便, 5 分钟完成全 部检测过程, 无需校正。该系统容纳 113 万个完 整病历。一些以色列学者用此种技术做了较多 工作[24, 25 ]。他们认为, 骨质疏松对身体健康的 影响并不是骨的缩减, 而是骨脆性增加, 它是疏 松骨骨折的主要原因; 断言骨密质是决定骨强 度, 也是抵抗骨折的主要因素, 骨密质2外骨膜 内表面的再吸收胜于骨小梁内的再吸收, 并认 为此种仪器优点颇多。然而世界多数学者一直 认为骨质疏松的产生是由于骨量的丢失, 骨内 膜下松质骨改变最为灵敏, 是发生骨质疏松骨 折的主要原因。超声骨质检测仪在我国有少量 单位使用, 有待今后继续考察国内外应用结果, 展开研讨。 综上所述, 测量骨密度的种种方法各有所 长和应用限制。其中, X 线测量法简便易行, 无 需昂贵设备, 多数医院容易做到。SPA 仪我国 已能生产, 易普及, 适用于多数医院临床工作, 操作简便, 投资回报迅速。而D EXA、U S、Q CT 的仪器引进使我国在骨质疏松研究手段与国际 水平靠拢, 它们比较适于大型医院或研究单位 使用。 参 考 文 献 1　朱宪彝主编: 代谢性骨病学, 天津科技出版社; 1984; 282- 288 2　陈肾志: 骨量的X 线测量; 中华骨科杂志, 1991; 11 (1) : 55 - 57 3　Khairi M RA , et al: Femo ral trabecu lar pattern index and bone m ineral con ten t m easurem en t by pho ton abso rp tion in sen il o steopo ro sis. J Bone Jo in t Surg (Am ) 1976; 58 (2) : 221 4　T ham aria NL , et al: T he trabecu lar pattern of the calcium as index of o steopo ro sis. J Bone Jo in t su rg (B r) 1983; 65: 195 5　Keane BE, et al: Q uan titative evaluation of bone m ineral by radiograph ic m ethod. B rit J Radio l 1959; 32: 162 6　Cam eron JR , et al:M easurm en t of bone m ineral in vivo: A n imp roved m ethod. Science 1963; 142: 230 7　陈恒良等: FT - 647 型单能光子骨密度仪, 核电子学与探 测技术; 1989, 9 (1) : 18 8　金余恒等: BM D - 4 型骨密度扫描仪, 原子能科学技术; 1992, 26 (1) : 35 9　叶伟胜等: 单色光子扫描吸收法在体测量 531 例正常人尺 桡骨骨矿含量及其统计分析; 天津医药, 1987, 15 (11) : 676 - 680 10　张家驹等: Χ单光子吸收仪测定骨矿物质含量的若干人体 因素的影响, 中华核医学, 1988, 8 (1) : 53～ 54 11　M azess RB, et al: To tal body and reginal bone m ineral by dual pho ton abso rp tiom etry in m etab ic disease. Calcif T is2 sue In t 1984; 36: 8 12　W ahner HW : Single2and dual2pho ton abso rp tiom etry in o steopo ro sis and o steom alacia. Sem in In N uc M ed 1987; 17: 305 (下转第 63 页) 27 CH IN ESE JOU RNAL O F O ST EO PORO S IS V o l. 4 N o. 1 1998 Endocrino logy, 1991, 128: 259. 10　Roodm an GD. A dvances in bone b io logy: the o steoclast. Endocri Rev, 1996, 17: 308. 11　D em ulder A , Suggs SV , Zsebo KM , et al. Effects of stem cell facto r on o steoclast2like cell fo rm ation in long2term hum an m arrow cu ltu res. J BoneM iner Res , 1992, 7: 1337. 12　M undy GR. L ocal facto rs regu lating o steoclast function. In: R ifk in BR , Gay CV , eds. B io logy and physio logy of the o steoclast. Boca Raton; CRC P ress, 1992: 185. 13　Ho row itsM C. Cytok ines and estrogen in bone: an ti2o steo2 po ro tic effect. Science, 1993, 30: 626. 14　Felix R , Cecchn iM G, F leisch H. M acrophage co lony stim 2 u lating facto r resto re in vivo bone reso rp tion in the O Pö O P o steopetro tic mouse. Endocrino logy, 1990, 127: 2592. 15　T aichm an RS, Reilly M J , V erm a RS, et al. A ugm ented p roduction of in terleuk in26 by no rm al hum an o steob lasts in response to CD 34+ hem atopo ietic bone m arrow cells in vitro. B lood, 1997, 89: 1165. 16　M undy GR. Pep tides and grow th regu lato ry facto rs in bone. Rheum D is C lin N o rth Am , 1994, 20: 577. 17　J ilka RL , H angoc G, Giraso le G, et al. Increased o steoclast developm ent after estrogen lo ss: m ediation by in terleuk in2 6. Science, 1992, 3: 88. 18　Kim ble RB,M atayo sh i AB, V ann ice JL , et al. Sim ultane2 ous b lock of in terleuk in21 and tumo r necro sis facto r is re2 qu ired to comp letely p reven t bone lo ss in the early po sto2 variectom y period. Endocrino logy, 1995, 136: 3054. 19　T urm er RT , R iggs BL , Spelsberg TC. Skeletal effects of estrogen. Endocr Rev, 1994, 15: 275. 20 　M ano lagas SC, Bellido T , T ilka RL. Sex stero ids, cy2 tok ines and the bone m arrow: new concep ts on the patho2 genesis of o steopo ro sis. C iba Found Symp, 1995, 191: 187. 21　Kim ble RB, V ann ice JL , B loedow DC, et al. In terleuk in21 recep to r an tagon ist decreases bone lo ss and bone reso rp2 t ion in ovariectom ized rats. J C lin Invest, 1994, 93: 1959. 22　J ilka RL ,W illiam s D ,M ano lagas SC. O variectom y in m ice increase o steocalcin levels in the serum and enhances o s2 teob last p rogen ito r fo rm ation in the bone m arrow. Bone M iner, 1994, 25: S15. 23　M ano lagas SC, Knutson S, J ilka RL. T he senescence ac2 celerated mouse (SAM 2Pö6) , a model of sen ile o steopo ro2 sis, exh ib its decreased o stecoclastogenesis and fails to up2 regu late th is p rocess fo llow ing ovariectom y. J Bone M iner Res, 1993, 8: Supp l 1: S141. (上接第 72 页) 13 　Jacobson B: X2ray Spectropho tom etry in vivo. Am er J Roen t 1964; 91 (1) : 702 14　Pun KK, W ong FHW : Impo rtance of bone density m ea2 su rem en t in the m anagem ent and treatm en t of o steo2 po ro sis. Sing m ed J 1984 (in p ress) 15　Jonsen CC: C lin ical use of bone densit iom etry. N ew Engl J M ed 1991; 324: 1105 16 　B lake GM , et al: In tersite comparision of the Ho logic QDR 21000 dual Energy X2ray Bone densitom eter. B r J Radio l 1991; 64: 440 17　H eym sfield SB, et al: Body compo sit ion of hum ans com 2 parison of two imp roved four2compartm en t models yhat differ in expense, techn ical comp lex ity and radiation ex2 po sure. Am J C lin N utr 1990; 52: 52 18　孟昭亨等: 252 例正常人双能X 线骨密度 (D EXA ) 测量及 其临床应用, 创伤骨科学报, 1993, 2: 101- 105 19　Cann CE: Q uan titative CT fo r determ ination of bone m in2 eral density: A review. Radio logy 1988; 166: 509 20　程晓光: Q CT 测量骨密度, 创伤骨科学报 1991; (2) : 124 - 126, 128 21　Royle GJ , Speller RD: L ow A ngle X2ray Scattering fo r bone A nalysis. Phys M ed B io l 1991, 36 (3) : 383 22　Chestnu t CH , et al: M easurem en t of to tal body calcium (bone m ass) by neu tron activation analysis. A pp licab ili2 ty to bone w asting disease in Parfit t AM , D uncan H ( eds) clin ical aspect of m etabo lic bone disease. Am ser2 dam: Excerp ta; 1973: 28- 36 23　罗先正等: 跟骨超声骨质测量与双能X 线吸收骨密度测 量 1 全国第二届骨质疏松学术会议论文汇编, 1995, 37—39, 南京 24　Fo ldes Jet al: U ltrason icM easurem en t of the T ib ia: In it ial Evaluation of N ovel A pp roach, P roccedings of the Fourth Bath Conference on O steopo ro sis and Bone M in2 eralM easurem en t, 20224 June. 1994, p. 58 25　L iberm a UA , et al: A ge2related Changes in N o rm al Fe2 m ale and M ale Popu lations and Co rrelations to Po st2 m enopausal o steopo ro sis (PM O ) Patien ts. Bone 1995; 16 (1 Supp l) : 18 36中国骨质疏松杂志　1998 年 2 月第 4 卷第 1 期