定量CT對老年髖部骨折患者的股骨近端形態結構研究

許樂洋 范永前△ 林偉龍 楊豐建 陳 聰 林上進 潘依瀟

(1復旦大學附屬華東醫院骨科 上海 200040; 2上海市老年醫學臨床重點實驗室 上海 200040)

髖部骨折是骨質疏松性骨折最常見的部位之一,它對肢體的活動、功能等方面造成嚴重損害,大大降低老年人的生活質量,甚至帶來生命危險[1-2]。由WHO提供的數據發現,到2050年,在發生髖部骨折的女性人群中,亞洲將占半數以上。識別髖部骨折高風險人群能有效地采取干預策略,減少骨折負擔。

目前,骨質疏松診斷的金標準是骨密度(bone mineral density,BMD),通過雙能X線吸光測量儀(dual-energy X-ray absorptiometry,DXA)進行測定。然而,DXA測定BMD反映的只是骨骼中骨礦含量,而骨礦含量僅是骨質疏松相關髖部骨折眾多危險因素中的一個,那么DXA是否能夠提供額外的非BMD的信息來預測骨折風險呢？在此領域有很多臨床和基礎研究,Goodyear等[3]采用傳統的放射學影像獲得髖關節的形態和質地來預測骨折風險,稱為主動形態建模,同時在此基礎上改進應用主動外表建模來獲取股骨頭和股骨頸內的BMD強度類型,發現從DXA影像中獲得的外形和外表的信息同樣可以預測髖部骨折,但是由此預測髖部骨折人群僅增加3%。Ayoub等[4]發現髖部骨折的人群中股骨頸壓縮強度指數(femoral neck compressive index,FN CSI)、股骨頸表面骨密度(femoral neck bone mineral apparent density,FN BMAD)和骨小梁指數(trabecular bone score,TBS)明顯低于非骨折人群,但是上述指標尚未從生物力學的角度對髖部骨折的風險進行預測。

絕大部分老年髖部脆性骨折是由身體向側方傾倒時所產生的應力瞬間施加在髖部所導致,這種側方應力會導致骨的屈曲以及軸向壓縮。生物力學研究表明,當施加在骨骼上的外力超過了其發生彈性形變(可逆)和塑形形變(不可逆)所能吸收的最大能量時就會發生骨折。通過DXA測得的BMD值只能反映部分骨強度情況[5-6],甚至有研究發現許多骨折高風險人群的BMD在正常范圍內,所以單一的BMD指標并不能理想地預測骨的力學性能。而由學者Beck等[7]提出的髖部幾何結構分析(hip structural analysis,HSA)被認為是較好的評價骨質量的方法。許多相關的研究都發現髖部幾何結構的改變與骨折的發生率有關[8-10]。通過HSA可以幫助我們全面了解骨的幾何結構,對BMD起到了很好的補充優化作用。

當利用DXA進行HSA分析時,只能有效地分析平面圖像,當肢體擺放位置變化時其分析所得數值就會發生相應的改變。并且,其默認平面是對稱的,但現實中股骨頸和股骨粗隆間區域的橫截面并不對稱,所以得出結果只能是一個估算值。而定量CT(quantitative CT,QCT)是對基于CT掃描的三維圖像進行分析[11]。結合外置質量控制體模以及校準體模使其能呈現出活體骨組織的真正幾何結構,從幾何學的視角展現某一特定橫截面骨的礦物質信息,可以幫助我們全面了解骨的幾何結構,是一種真正三維的體積BMD測量技術。利用QCT對髖部幾何結構做進一步分析有助于評估骨強度,為髖部骨折的風險預測提供理論依據。既往的研究多聚焦于股骨頸骨折,但股骨頸骨折和股骨粗隆間骨折在流行病學上仍存在差異,將兩種骨折人群分開進行研究,更有助于闡釋髖部骨折的風險。

資 料 和 方 法

研究對象本研究共納入復旦大學附屬華東醫院2016年3月至2017年1月因髖部脆性骨折(股骨頸骨折、股骨粗隆間骨折)收住入院的老年患者93例,其中男性21例,女性72例,股骨粗隆間骨折31例,股骨頸骨折62例。患者年齡70～96歲,平均年齡(82.31±7.76)歲;其中男性21例,平均年齡(81.61±10.06)歲,女性72例,平均年齡(82.51±7.03)歲;股骨粗隆間骨折31例,平均年齡(84.61±6.50)歲,股骨頸骨折62例,患者平均年齡(81.16±8.13)歲。納入標準:(1)脆性骨折患者,即跌倒外傷(指在平地活動時人體重心高度跌倒發生的骨折);(2)骨折后48 h內來院就診;(3)年齡>70歲。排除標準:(1)患有嚴重骨代謝疾病,如Ⅰ型糖尿病、未經過治療的甲亢、過早絕經(<45歲)、慢性營養不良、慢性肝病、腎性骨營養不良、庫欣綜合征等;(2)服用影響骨代謝的藥物,如皮質類固醇激素、降鈣素、雙膦酸鹽等;(3)酗煙酒史;(4)惡性腫瘤治療中;(5)本次骨折前臥床達1個月以上;(6)既往髖關節置換術或髖部骨折內固定術手術史;(7)高能量損傷導致的髖部骨折如高空墜落、車禍;(8)年齡<70歲。納入研究的患者均填寫髖部骨折信息記錄表,采集信息包括年齡、性別、民族、身高、體重、體質指數、摔倒時的情況以及詳細的既往病史和藥物服用史。 本研究經復旦大學附屬華東醫院倫理委員會批準,研究對象均簽署知情同意書。

研究方法均在術前對健側髖關節行QCT BMD測量及運用配套軟件分析髖部骨結構參數。

QCT測量 髖部BMD測量:采用SOMATOM Definition Flash 64排CT掃描機(德國SIEMENS公司)加墊Mindways公司的5樣本固體體模掃描健側髖關節。掃描范圍:從髂嵴至股骨上段;掃描參數:管電壓120 kV,管電流150 mAs,床高155.5 mm,SFOV 500 mm,層厚1mm,標準算法重建。掃描時將校準體模放置于患者髖關節下方,患者取仰臥位,雙手上舉并抱頭。將CT原始圖像從CT主機傳輸至QCT工作站自動合成測量文件后,采用QCT Pro v 4.2.3軟件中的“Slice Pick”截取CT定位片圖像,從髖臼頂至股骨小粗隆下3～5 cm。采用QCT Pro軟件中CTXA(computed tomography X-ray absorptiometry) Hip軟件分析模塊,在 CT 橫斷面圖像上瀏覽包含股骨頸的層面,將含有綠色十字的定位框放置在待測一側的股骨頸中心位置。軟件自動去除軟組織并生成近端股骨橫斷面、矢狀面、冠狀面的重建圖像,手動調整圖像,使橫斷面上股骨頸長軸與水平線平行,冠狀位與矢狀位上股骨干長軸與豎直線平行,測量髖部及感興趣區(region of interest,ROI)區域的骨密度(圖1、2)。

A:The horizontal line was parallel to the long axis of the femoral neck;B and C:The vertical line was parallel to the long axis of the femoral shaft.

圖1髖部CT重建圖像
Fig1CTreconstructimageofhip

髖部幾何參數測量 采用BIT v 2.0分析軟件。軟件自動將ROI置于股骨頸最窄區域的中心,將ROI自動分為11層軸位圖像,層厚1 mm(圖3)。因亞洲人種股骨頸軸長較白種人短,為避免截取到粗隆區域的骨質,所以通常取1～6層進行髖部幾何參數的分析。記錄股骨頸區域的最小橫截面積(cross-sectional area,CSA)(cm2)、橫截面轉動慣量(cross-sectional moment of inertia,CSMI)(cm4)、截面模量Z值(cross-sectional modulus Z,Z score)(cm3)、屈曲比率(buckling ratio,BR)、皮質骨厚度(crotical bone thickness,CTh)(mm) 以及髖關節軸線長度(hip axis length,HAL)(mm)。另外,軟件還可自動將每一層面分隔為16個扇形區域,并將16個扇形區域劃分為4個象限(圖3),扇形編號2～5為前上象限(superoanterior,SA),扇形編號6～9為前下象限(inferoanterior,IA),扇形編號10～13為后下象限(inferoposterior,IP),扇形編號14～1為后上象限(superoposterior,SP),BIT軟件自動計算出各象限CTh,并生成報告。

圖2 自動選取ROIFig 2 Automatic selection of the ROI

A:Select the minimal CSA automatically;B:The minimal CSA was divided into 11 layers;C:Each layers was splited into 4 quadrants.

圖3BIT軟件測量股骨頸最小橫截面上的相關參數
Fig3ThefemoralneckminimalCSAmeasuredbyBIT

結 果

QCT測量BMD可區分皮質骨與松質骨,對比兩種髖部骨折在全髖(total hip,TH)、股骨頸(femoral neck,FN)、粗隆(trochanter,TR)、粗隆間(intertrochanter,IT)的總體BMD,以及皮質骨與松質骨BMD,兩種髖部骨折的BMD參數均無統計學意義(表1)。

對比兩種髖部骨折的髖部幾何結構參數,股骨頸骨折組的CSA為(1.39±0.25)cm2,小于粗隆間骨折組[(1.53±0.29)cm2,P<0.05];而股骨頸骨折組的HAL為(108.54±7.37)mm,大于粗隆間骨折組[(105.06±6.59)mm,P<0.05]。兩組其余髖部幾何參數比較,差異均無統計學意義。

由表2可知,兩種骨折在股骨頸區域的平均CTh在股骨頸骨折組為(1.16±0.38)mm,略小于粗隆間骨折組(1.17±0.35)mm,但兩組間差異無統計學意義(P>0.05)。進一步利用BIT分析軟件,將股骨頸軸位按象限進行分析。在SA中,股骨頸骨折組的CTh小于粗隆間骨折組[(0.42±0.40)mmvs.(0.59±0.29)mm,P<0.05]。兩組在其他象限差異均無統計學意義(表3)。

ElementsIntertrochanteric fracture (mg/cm3)Femoral neck fracture (mg/cm3)tPTotal TH202.17±40.39202.93±37.96-0.0880.930 FN217.84±38.02217.84±38.02-0.0010.999 TR141.64±29.40141.61±31.040.0040.997 IT236.45±54.27241.27±48.30-0.4360.664Cortical bone TH1 237.27±402.931 174.40±146.25 0.7980.438 FN1 333.37±642.221 361.96±459.24-0.2470.806 TR1 109.55±1 012.567 437.04±5 766.85-0.7680.806 IT1 054.30±118.181 024.99±98.991.2610.211Trabecular bone TH88.13±13.3290.13±14.45-0.6440.520 FN82.54±12.3786.24±15.37-1.1640.247 TR89.83±12.1092.04±15.85-0.6810.497 IT87.51±17.3389.15±17.24-0.4290.669

TH:Total hip;FN:Femoral neck;TR:Trochanter;IT:Intertrochanter.

Hip fracture typeCSA (cm2)CSMI (cm4)CTh (mm)Z (cm3)HAL (mm)BRIntertrochanteric fracture1.53±0.291.48±0.841.17±0.350.84±0.45105.06±6.5916.93±5.17Femoral fracture1.39±0.251.62±1.621.16±0.380.90±0.78108.54±7.3715.75±3.79t2.2650.3050.0260.373-2.2221.248P0.0260.6580.9790.6930.0290.215

CSA:Cross-sectional area;CSMI:Cross-sectional moment of inertia;CTh:Crotical bone thickness;Z:Cross-sectional modulus Z;HAL:Hip axis length;BR:Buckling ratio.

Hip fracture typeSA (mm)IA (mm)IP (mm)SP (mm)Intertrochanteric fracture0.59±0.291.32±0.562.54±0.580.25±0.27Femoral fracture0.42±0.401.38±0.642.61±0.570.25±0.28t0.042-0.459-0.500-0.043P0.044 0.647 0.618 0.966

SA:Superoanterior;IA:Inferoanterior;IP:Inferoposterior;SP:Superoposterior.

為了進一步排除混雜因素的干擾,運用協方差分析,將年齡與性別作為協變量進行控制,發現兩組在髖部各部位的BMD差異依然無統計學意義,在髖部幾何參數上的差異與上述表格一致,表明年齡與性別并未對兩種髖部骨折的BMD及幾何結構的差異造成影響(表4～6)。

ValueTotalCortical boneTrabecular boneTHFNTRITTHFNTRITTHFNTRITF0.3460.4900.2690.0350.1240.8220.4370.4970.1270.1090.0100.408P0.5580.4860.6050.8530.7250.3670.5100.4830.7220.7420.9200.525

Abbreviations as in Tab 1.

表5 兩種髖部骨折髖部幾何結構參數協方差分析(控制年齡及性別協變量)Tab 5 Analysis of covariance of two kinds of hip fractures in hip geometric parameters (control age and sex covariance)

Abbreviations as in Tab 2.

表6 兩種髖部骨折股骨頸軸位各象限皮質骨厚度協方差分析(控制年齡及性別協變量)Tab 6 Analysis of covariance of two kinds of hip fractures in cortical bone thickness of each quadrant (control age and sex covariance)

Abbreviations as in Tab 3.

討 論

骨骼健康的綜合情況通過骨強度來反映,骨強度由骨量與骨質量(骨骼幾何形狀、骨材料性能等[12])來體現。所以BMD僅可解釋部分骨強度變異,其余的變異需用骨結構等其他因素來解釋。甚至有研究發現許多骨折高風險人群的BMD在正常范圍內,所以單一的BMD指標并不能理想地預測骨的力學性能。

過去近30年,DXA測量骨密度已經被廣泛應用于臨床,并且近年來采用雙能DXA自帶的HSA軟件能獲得髖部骨結構的幾何參數,DXA的局限性是不能夠清晰的反映出髖部較為復雜的三維結構特點。QCT法在20世紀80年代正式用于臨床,在臨床CT機的基礎上,增添了外置質量控制體模以及校準體模,把獲取的CT值用羥基磷灰石的密度進行精確替代。不同于傳統的DXA測量BMD,QCT測量的是真正的體積BMD,提高了測量的敏感度和精確度。其不受骨骼大小及形態的影響,可區分松質骨和皮質骨,同時還能夠基于CT的三維數據反映骨的立體結構。此外,CT能夠將獲取的橫斷面圖像進行高精度分辨,防止因重疊造成的誤差。QCT的臨床應用價值已得到國際公認[13]。

通過QCT測量髖部骨結構的參數,我們可以從常規的BMD檢查中得到更多關于骨形態結構方面更加精確的信息,從三維的視角展現某一特定橫截面骨礦物質信息,從而幫助我們全面了解骨的幾何結構,提供額外的非BMD的信息來預測骨折風險,對傳統的單一的BMD測量起到了很好的補充優化作用[14-15]。本研究的數據也顯示(表2),利用QCT測量的髖部幾何結構參數與DXA的結果具有良好的相關性,國外一些研究也證實了DXA與QCT的HSA結果高度相關[16-17]。

作為髖部最為薄弱的區域,股骨頸區的骨強度指標可能也是髖部區域中最為敏感的,其對髖部各種類型骨折風險都有預測意義。既往的研究聚焦于髖部骨折與正常對照人群,而將股骨頸骨折及粗隆間骨折這兩種最為常見的髖部骨折分開研究并不多見,將兩者分開研究更有助于細化髖部骨折的風險預測。所以本研究選取兩種骨折人群中股骨頸區域的相關BMD及HSA參數進行比較,以期發現兩種骨折類型之間的異同。

本研究利用QCT對比了兩種髖部骨折在全髖、股骨頸、粗隆、粗隆間的BMD,并區分皮質骨與松質骨,但在上述部位的BMD差異均無統計學意義。

既往的研究對松質骨的關注程度遠遠超過皮質骨。骨小梁丟失和富含骨小梁的椎體骨折作為骨質疏松的特征,是過去半個多世紀研究骨脆性結構的主流,減少椎體骨折是許多臨床及藥物試驗的終點,這轉移了人們對皮質骨的注意力。但事實上,約80%的骨折是非椎體骨折,并且這些骨折多數發生在皮質骨區域,約70%與年齡相關的四肢骨骨量丟失都發生在皮質骨。DXA在計算某一截面的CTh時,默認這一截面的皮質骨是均勻對稱的,然而我們知道實際上皮質骨是不對稱的。QCT明顯區別于DXA的方面在于,其能夠對從CT上所獲得的數據在三維結構上進行成像,并且能夠取得ROI區域股骨頸全長的連續CT值,從而測定生物力學參數。

本研究比較兩種髖部骨折股骨頸區域的皮質骨平均厚度,股骨頸骨折組,略小于粗隆間骨折組,但兩組間無統計學意義[(1.16±0.38) mmvs.(1.17±0.35) mm]。進一步利用BIT v 2.0軟件,將股骨頸橫斷面劃分成4個象限后發現,在SA中股骨頸骨折組的皮質骨厚度小于粗隆間骨折組[(0.42±0.40)mmvs.(0.59±0.29)mm,P<0.05]。

一項AGES-Reykjavik的研究[18]認為在股骨頸外上象限的CTh是最好的風險預測指標,股骨粗隆間骨折與股骨頸骨折的病例之間比較,股骨頸下方的厚度明顯變薄。Poole等[19]應用皮質骨地圖(cortical bone mapping,CBM)對整個近端股骨的皮質進行研究,發現股骨頸骨折的病例在股骨頸的外上區域指甲大小的區域皮質薄30%,而這在股骨粗隆間骨折的病例中并不明顯。

股骨頸75%為皮質骨,25%為松質骨,大粗隆50%為皮質骨,50%為松質骨,髖部和椎體皮質骨和松質骨分布不同,皮質骨承擔了更多的負荷。有研究表明,在完全剔除股骨頸所有松質骨后,骨的強度并未受到多少影響,因此可以推測,松質骨對股骨頸的骨強度影響有限,但皮質骨對骨強度影響較為明顯[20]。特別是在老年人摔倒時,皮質骨所承擔的損壞載荷將是決定老年人髖部骨折與否的關鍵。

年齡的增長使得股骨近端的皮質厚度降低,進而使髖部結構強度發生改變[21]。已有相關研究指出,HAL作為髖部幾何結構的重要參數之一,與股骨頸骨折相關,老年女性HAL增加1個標準差,骨折的可能性就會提升1.8倍[22]。同時還有研究發現,在發生髖部骨折的老年人群中,HAL要大于同齡的正常人[23]。那么,HAL是否也是導致不同類型髖部骨折的原因？

Duboeuf等[24]認為HAL是股骨頸骨折的預測因子,OR值為 1.64,但并非粗隆間骨折的相關因素。Gnudi等[25]研究表明,粗隆間骨折的女性一般HAL較短,但也有相關報道認為HAL與髖部骨折及骨折類型無關。本研究顯示,股骨頸骨折組的HAL大于粗隆間骨折組,且差異具有統計學意義[(108.54±7.37)mmvs.(105.06±6.59)mm,P<0.05]?？梢酝茰y,髖軸長增加,使得力臂增加,發生股骨頸骨折的危險性加大。

股骨頸的CSA反映股骨頸的粗細程度,本研究對比兩種髖部骨折的CSA,股骨頸骨折組的橫截面積小于粗隆間骨折組[(1.39±0.25)cm2vs.(1.53±0.29)cm2,P<0.05]。說明股骨頸較細的老年人摔倒可能更容易造成股骨頸骨折。本研究測量的是股骨頸最小CSA,比單純測量股骨頸的寬度或內外皮質直徑更能代表股骨頸的粗細程度。

在古典力學中,轉動慣量是剛體繞軸轉動時慣性的量度,轉動慣量在旋轉動力學中的角色相當于線性動力學中的質量,可理解為一個物體對于旋轉運動的慣性,其用于建立角動量、角速度、力矩和角加速度等數個量之間的關系,是衡量剛體抵抗旋轉運動的慣性的物理量。橫截面的轉動慣量(cross-sectional moment of inertia,CSMI)值等于π的1/4與骨的內外半徑4次方的差值的乘積。簡言之,當CSMI值增加時,骨的抗折彎能力也隨之增加。截面模量Z值等于CSMI除以形心距離(即質量中心到內側或外側表面距離中數值較大的一個距離),它與該截面的最大彎曲應力呈負相關,是某一截面彎曲強度的參數,一個橫截面在屈曲時所能承受的最大應力取決于該截面的截面模量,當Z值增加時骨的抗折彎能力也會隨之增加。BR為骨的最大外半徑(質量中心到皮質骨外側緣最大距離)與平均皮質骨厚度的比值。有研究表明[26-27],BR被認為是“骨不穩定”的指標,具有明確的判斷值,當BR>10,就會導致局部結構的不穩定以致結構破壞,對于骨組織即會造成骨折的發生。即CSMI和Z越大,BR越小,骨質量越佳,骨的抗折彎能力越強。

Gnudi等[28]研究表明,髖部骨折患者的CSMI和Z值降低,BR增高;Lacroix 等[29]發現,BR是髖部骨折的獨立風險預測因子。本研究中,兩種髖部骨折的CSMI、Z值及BR的差異均無統計學意義,提示 CSMI、Z值和BR也許不是造成不同類型髖部骨折的因素,但也有可能與兩組研究人群平均年齡均超過80歲有關。

綜上所述,結合QCT的參數可推測HAL較長,股骨頸CSA較小,股骨頸前上象限CTh較薄的老年人跌倒后可能更易發生股骨頸骨折。本研究在HSA的研究基礎上,結合最新的QCT技術,對近端股骨的形態和結構進行分析,并在髖部骨折中將股骨頸骨折和股骨粗隆間骨折分開進行研究,以期提高對這兩類髖部骨折的風險預測,爭取早期采取干預策略。兩種髖部骨折在髖部幾何結構上存在差異的機制,還需進一步研究。