骨微观结构的检测

骨微观结构包括骨小梁厚度、骨小梁密度、骨小梁间距、皮质骨多孔性等等,分析有关参数有利于进一步评估和分析骨强度、预测骨折风险、评估治疗效果。下表、图概括了在不同分辨率条件下可以观察到的骨微观结构及其理化参数与特征。

骨微观结构和骨质量

骨微观结构和骨质量

定量CT描述皮质骨和松质骨形态结构

随着CT技术由单排发展到目前的64排或者256排螺旋CT技术,其空间分辨率不断提高,层厚不断减小,能更好地描述皮质骨和松质骨的形态学结构。其中引人注目的为高分辨定量CT(high-resolution QCT,hrQCT)和显微CT(micro-CT,μCT)。hrQCT的像素尺寸为0.1mm×0.1mm~0.3mm×0.3mm,层厚0.2~1.0mm,检测的部位为脊柱、股骨近端和前臂,主要应用于骨宏观结构和骨小梁微观结构的评价、有限元分析、松质骨或皮质骨的容积骨密度;而μCT的像素尺寸为1~100μm,层厚1~100μm,检测的部位为前臂、胫骨远端(以髂骨翼标本为主)或活体动物的骨标本,主要应用于皮质骨和松质骨微观结构评价、有限元分析、器官水平和组织水平的容积骨密度。

hrQCT分辨率可以到达0.5mm,这已经到达了骨小梁的数量级,但是对于典型的骨小梁(厚度100~400μm、间距200~2000μm)仍不能清晰的描述骨小梁形态,存在着明显的部分容积效应。于是,人们借助先进的数学方法-比如结构分析法(texture analysis)、碎形分析法(fractal analysis)等等从原图像中获取与松质骨相关的数据。结构分析法获得的形态学参数与标准组织形态学获得的参数相似;碎形分析法主要应用于骨小梁排列方式的研究。碎形分析法评估hrQCT获得的脊柱影像能很好地区分椎体骨折和非椎体骨折,并且优于椎体松质骨BMDQCT。在一项为期一年的PTH1-34治疗实验中,治疗组表观骨体积分数(apparent bone volume fraction,app BV/TV)和表观骨小梁密度(apparent trabecular number,app Tb.N)明显增加并部分独立于BMD,这提示hrQCT是纵向分析活体椎体微观结构的有效方法,并能提供BMD之外的更多的有效的信息。

显微CT用于药物疗效观察 显微CT用于药物疗效观察 显微CT用于药物疗效观察 显微CT用于药物疗效观察

显微CT用于药物疗效观察

注:和安慰剂组比较(A),抗骨质疏松症药物雷尼酸锶治疗后(B)髂骨翼活检标本显微CT显示松质骨及皮质骨微结构的明显作用。65岁绝经后骨质疏松患者抗骨质疏松症药重组人PTH1-34 (Teriparatide)治疗21个月后髂骨翼活检标本显微CT显示松质骨及皮质骨微结构得到显著改善。

目前,获得中轴骨结构参数仍有一定难度。基于视野范围缩小有利于提高空间分辨率的认识,高分辨率肢端定量计算机断层扫描技术(high-resolution peripheral quantitative micro-CT,HR-pQCT)得到了发展。Rüegsegger的研究组比较了HR-pQCT和μCT所获得参数的相关性,在离体测量中,两者相关性好。他们第一次成功利用HR-pQCT获得了人活体肢端图像并商品化Xtreme CT(Scanco,Switzerland)它是目前唯一运用于临床的HR-pQCT机型,能对人体前臂和胫骨进行扫描,像素分辨率为82μm,物理分辨率为100μm。

Boutroy等的研究显示,Xtreme CT具有较高的精确度(对于测量整体BMD、松质骨BMD、皮质骨BMD的精确度为0.7%~1.5%;对于测量骨小梁结构参数的精确度为2.5%~4.4%),而且Xtreme CT获得的肢端骨小梁结构参数能对既往是否有骨折、是否绝经进行区分。Xtreme CT测得的BMD、骨结构参数、骨力学性能参数与标准方法之间有较强的相关性。近年来,Xtreme CT被更广泛的运用于临床研究之中。Boutroy等完成了第1次利用Xtreme CT的横断面研究,该研究表明桡骨远端和胫骨远端的骨结构参数随年龄而改变并与既往是否存在骨质疏松症性骨折相关。Dalzell等也进行了类似的研究,并进一步发现末端骨结构参数存在着性别差异。与同年龄段的男性比较,女性的皮质骨密度和厚度、骨小梁厚度较低;骨小梁数目较少而骨小梁分离度较高并且在50岁以后女性皮质骨密度和厚度降低的更快。

Khosla等的研究也表明成年男性的桡骨拥有更厚且更多板状骨小梁,且随着增龄以骨小梁变薄为主而网状结构没有变化,而在女性骨量的丢失往往导致骨小梁间距的增加等结构的改变。在青春期,男性的末端骨结构参数也优于女性。末端骨结构参数还存在着人种差异。Wang等比较了绝经前黄种人和白种人桡骨远端和胫骨远端的骨结构参数后发现,女性黄种人骨横截面积较小而皮质骨厚度、骨小梁厚度、总体vBMD却较高。东亚女性在大体尺寸较小的骨中含有较厚的骨小梁,部分解释了流行病学调查中东亚女性骨质疏松症性骨折发生率低于白种人女性的现象。目前,还没有关于男性末端骨结构在不同人种之间差异性的报道。慢性肾病患者,桡骨远端和胫骨远端的皮质骨和松质骨结构遭到破坏,易于骨折。

Bacchetta等的研究进一步表明整体vBMD、皮质骨厚度、松质骨vBMD与血清脂联素成负相关。在原发性甲状旁腺功能亢进症女性患者中,由于持续高浓度水平的PTH的作用致使桡骨远端皮质骨厚度、皮质骨横截面积、骨小梁数目等降低,而胫骨无明显变化。在继发性骨质疏松症中,由于原发疾病的多样性从而导致了不尽相同的骨结构改变。现阶段,利用Xtreme CT评价骨质疏松症治疗疗效的研究较少。Rizzoli等利用Xtreme CT对雷尼酸锶和阿仑磷酸钠进行了比较,发现雷尼酸锶能显著提高皮质骨厚度、皮质骨面积和松质骨密度而阿仑磷酸钠干预后却无显著改变。此外,通过有限元进一步分析Xtreme CT获得的参数,有利于对骨骼力学性能的理解。

μCT的分辨率达到了6μm,如果使用同步加速器能到达更高的分辨率。μCT能清楚显示骨小梁结构,其获得的骨微结构参数与传统组织学方法具有良好的相关性,μCT是评价其他较低分辨率CT和MRI精确性的金标准。μCT辐射量高、检查口径狭小,所以目前主要检测离体标本或动物标本,一般只是在临床前期的动物实验中使用μCT评估药物或疾病对骨微观结构的影响。

磁共振检查骨小梁形态与皮质骨多孔

磁共振(magnetic resonance,MR)技术利用强磁场和电磁脉冲序列获取三维影像。松质骨由棒状和层状骨小梁相互连接而成,其周围充满着富含水和脂肪的骨髓组织,从而导致骨和骨髓的磁化率明显不同,在骨-骨髓界面存在着明显的敏感梯度。此外,组成骨基质的质子,其T2弛豫时间十分短。于是,在T2加权MR扫描图像中,骨组织图像通过周围骨髓组织表达高信号而间接显影。

当前,实验研究和临床研究的热点是通过改变磁场强度、磁场范围、信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)、扫描时间、脉冲序列等等而获得不同的骨结构信息。直到最近,随着SNR有效序列、高磁场强度(3-Tesla)、线圈阵列的使用,才实现了MR对人活体近端股骨的扫描。而以往,MR由于SNR的限制,只能扫描活体人类肢端骨骼。在相同SNR下,3-Tesla磁场强度扫描标本比1.5-Tesla具有更小的剩余误差,而且部分独立于SNR。现在,更高磁场强度(7-Tesla)系统正在开发中,有望对全身进行扫描。Techawiboonwong A等使用超短回波时间MR技术(ultrashort echo-time MR imaging)评价活体皮质骨含水量,发现其与年龄和疾病相关,有望成为皮质骨多孔性的替代指标。在体外实验中,分辨率为92μm的MR获得的骨微观结构参数与传统组织学获得的参数相似。但是,在人活体扫描中,由于分辨率不够,存在着部分容积效应,经常高估BV/TV、Tb·Th等值。3T MRI与HRpQCT获得的参数之间亦有较大差异,可能是由于两者均存在部分容积效应所致。

有限元分析评价骨力学性能

有限元分析(finite element analysis,FEA)是目前流行的分析不规则物体的力学方法。FEA将不规则物体分割成若干个单元,各单元以节点相连,形成有限元网格(finite element mesh,FEM),然后进行力学分析,计算整体力学特性。FEM最大的优势在于能对异质性和不规则几何形状的材料进行分析。在骨力学中,FEM分为三个步骤:首先是界定骨的几何形态及边界,其次是定义材料性能,比如弹性模量等,最后是模拟载荷。以往骨组织有限元模型建立需采用磨片法、微观切片法等对样品加工,获取模型数据。其操作过程繁杂,对模型本身有不可避免的数据损耗,且难以完成几何形状复杂、数据量大的分析。

近年来,在各种影像学扫描基础上,有限元分析法得到了迅猛的发展,进一步加深了我们对骨骼在生理和病理过程中力学性能变化的理解。比如,Sun等的研究发现骨关节炎患者的股骨头和股骨颈的松质骨弹性模量和骨强度远高于骨质疏松症者,从生物力学角度阐释了同一患者不可能在同一时间罹患骨关节炎和骨质疏松症两种疾病;Silva等发现在健康者中椎体松质骨对于力量传导远较皮质骨重要,不同原因导致了椎体内水平方向骨小梁与垂直方向骨小梁的吸收,前者是因为应力适应性的改变而后者是由于微损伤。既往发生过脆性骨折的女性患者和老年男性患者,FEA参数均显著恶化。由于MRI的部分容积效应,基于MRI扫描建立的有限元模型一直没有得到广泛的应用。

Rajapakse等先后以显微MRI和μCT扫描了3个部位(股骨近段、胫骨近段及第三腰椎)的松质骨标本并分别建立有限元模型,发现这两者之间有良好的相关性,随后又对胫骨远端进行了类似的研究,进一步说明基于显微MRI扫描建立的有限元模型可应用于整体骨的力学研究。目前,FEM也应用于各种骨质疏松药物疗效的评估中。服用二磷酸盐一年二磷酸盐可以减少椎体内部骨小梁的疲劳而且明显减少易于骨折区域的骨折发生率。在一项为期18个月的比较PTH1-34与阿仑膦酸钠治疗效果的研究中,PTH1-34通过改善松质骨密度和强度能更显著的改善椎体强度,而这种效应仅能为基于QCT扫描的有限元模型解释而非DXA-BMD。在一项为期超过2年的研究中,有限元模型表明PTH1-34能增加椎体强度30%以上。

高分辨CT和显微CT观察骨病变

骨折

平片不能清晰显示骨折结构,或临床上不能用骨质疏松并发骨折解释患者的症状时,宜选择CT或MRI观察断端局部的骨质情况。CT可显示骨折断端骨小梁稀疏、骨皮质变薄,但分布尚均匀,不应出现局部骨质缺损、破坏、异常骨化、钙化或骨内外的软组织肿块。对于年龄大于20岁的患者,长骨骨髓腔内均以含脂肪成分较多的黄骨髓为主。因此,在CT图像上其密度往往低于肌肉。如骨折或非骨折处的骨髓腔内容物密度增高(不明显者应与健侧比较),应高度怀疑有骨髓浸润性病变存在,并继续寻找肿瘤病灶,多数情况下,肿瘤来源于转移性癌或甲状旁腺(下图)。

 股骨骨髓转移癌

股骨骨髓转移癌

注:男,67岁,肺癌左股骨转移患者,通过股骨上段的轴面CT平扫图,上图为骨窗像,下图为软组织窗像,左侧股骨(图的右侧)皮质完整,但其骨髓腔内容物密度明显高于右侧股骨骨髓密度,提示该段股骨骨髓为转移性癌组织。

甲状旁腺病变

甲状旁腺瘤的体积较小,特别是异位的小腺瘤的发现与定位常要B超、CT(下图)、MRI、SPECT等多种影像方法互相配合,一般先选择价格便宜的B超,如未发现肿瘤,或有怀疑,应再依次选择CT、SPECT或MRI。具有较长病史的所有甲旁减患者CT均可能发现颅内基底核、大脑半球及小脑齿状核等多发、对称、不规则形态的钙化灶。

 左侧甲状旁腺瘤

左侧甲状旁腺瘤

注:男,21岁,甲状腺下极平面CT轴面平扫像示气管左旁、左侧甲状腺下极后方一软组织密度小结节病变(白↑),为甲状旁腺腺瘤,其密度低于甲状腺(黑↑)。

骨坏死

骨坏死(osteonecrosis)的早期CT表现为坏死区内骨小梁结构紊乱,股骨头内的星芒状骨小梁结构消失,其中间有点片状密度增高影,周围的正常骨松质呈骨质疏松改变。CT发现骨质坏死区的关节面骨板壳下微骨折及关节面骨板壳的轻微塌陷均较平片早,其敏感性与特异性高。CT能显示平片难以显示的骨缺血坏死继发的关节囊肿胀、关节腔积液。平片能显示骨缺血坏死征象,如骨质碎裂、变形,肉芽组织对死骨的吸收与替代,死骨周围的反应性骨质增生硬化带,CT亦显示得更佳(下图)。

 双股骨头缺血性骨坏死(CT片)

双股骨头缺血性骨坏死(CT片)

注:女,53岁,双侧股骨头密度增高,星芒状骨小梁结构消失,有丛状骨质增生及小囊状骨质吸收区,左侧股骨头前内方骨皮质塌陷,关节及髋臼有退行性改变。

骨关节病变

CT能直接显示椎间盘膨出或突出的位置、形态及其与周围结构的关系。椎间盘突出的伴随征象,如椎间盘内的“真空征”、椎间盘突向椎体终板内所形成的许莫结节、椎体终板的骨质吸收与增生、小关节退行性变等。如椎间盘病变伴有较明显的神经系统表现,或考虑行手术治疗者,一般需进一步行CT或MRI检查以评价其与椎管内结构的关系。

 腰椎间盘突出症

腰椎间盘突出症

注:男,47岁,L4-5椎间盘平面CT轴面平扫示L4-5椎间盘向左后方突出,其密度高于肌肉,同平面硬膜囊受压变形,左侧L4-5椎间孔变窄。

 腰椎间盘退行性变

腰椎间盘退行性变

注:男,39岁,左图为椎间盘软组织窗图像,示L3-4椎间盘膨出,椎间盘内有“真空征”。右图为L3椎体下终板平面骨窗像,示下终板内有许莫结节,其周围及椎体边缘有骨质增生。

肾性骨营养不良症

对伴有骨质硬化及甲旁亢样改变的肾性骨营养不良症(renal osteodystrophy),X线征象可能要与骨转移瘤等疾病鉴别,如X线表现疑有骨质破坏但不能肯定,则要借助CT或MRI来确定是否有小的骨质破坏灶及骨髓内是否有肿瘤浸润。

特殊代谢性骨病变

一、变形性骨炎

CT特别是高分辨CT有利于显示结构较复杂或结构重叠较多等部位(如颅底、脊椎、骨盆等)的变形性骨炎(osteitis deformans)病变特征。如平片不能解释其症状变化的原因,更有必要应用CT检查了解是否合并病理性骨折或更清晰地显示骨折的程度和范围。变形性骨炎骨折后其骨痂形态具有一定特征,骨痂形成量大、呈山丘状,但骨痂边缘清晰。少数可能恶变为骨肉瘤、纤维肉瘤、淋巴瘤及巨细胞瘤等。因为变形性骨炎高密度病变掩盖了平片难以显示的病变。CT可发现,在骨质硬化区内出现边缘不规则的骨质破坏,或在病变范围以外的软组织内出现呈浸润性生长的肿块病变。

二、骨纤维结构不良症

CT对骨纤维结构不良症(osteofibrous dysplasia)内的囊变、坏死、液化、出血、钙化和骨化显示较好,能克服平片有组织结构重叠的缺陷。如遇下列情况应考虑进行CT检查。当早期发现疑似本症的小病变,或因病变内交织骨含量少,平片表现无特异性时,CT可显示微量钙化的小灶交织骨(毛玻璃样征象,下图)、脊柱及骨盆,有利于早期诊断。

 骨纤维结构不良症(小灶交织骨)

骨纤维结构不良症(小灶交织骨)

注:女,9岁,CT轴面扫描(图左为软组织窗,图右为骨窗)示右尺骨内有斑片状密度低于皮质的含钙病灶(↑),为交织骨的钙化。

骨纤维结构不良症 骨纤维结构不良症

骨纤维结构不良症

注:女,9岁,头颅CT轴面(A)及冠状面(B)平扫像,示蝶骨大部分区域骨质增厚,皮质骨与松质骨不能分辨,被毛玻璃样物质代替(↑),以冠状面像观察较佳。

三、骨溶解症(CT可清晰显示骨溶解症,osteolysis)

在平片所示的骨质密度减低区域及其周围无软组织密度变化(下图),而骨质破坏病变内或病变周围能见到代替正常骨组织的多呈软组织密度的病理组织。CT亦能显示某些结构较复杂或不规则骨骼的骨质吸收病变的边缘形态,对骨溶解症的诊断亦有较大意义。

     大块骨溶解症 大块骨溶解症 大块骨溶解症 大块骨溶解症

大块骨溶解症

注:男,65岁,大块骨溶解症平片及CT片。左上图和右上图为平片,示双额骨、颧骨有大块骨质吸收、消失,边界清晰,上颌牙齿因齿槽骨吸收而完全脱落。下图为CT片。下图左为软组织窗,右下图为骨窗,示双侧颧骨、额骨骨质吸收、溶解,呈软组织密度的膜状,骨质吸收的周围区域未见肿块病变。

四、骨肿瘤

大部分的晚期骨肿瘤平片检查即已能满足临床需要,不必再行CT检查。对平片不能确诊的早期或中期骨肿瘤,应行CT检查。平片已发现骨肿瘤,如需进一步了解肿瘤与周围结构的关系、肿瘤内部的详细情况亦应进行CT检查。对结构复杂、重叠较多的颅面骨、脊柱、骨盆、胸壁,尤其是颅底、骶椎部的骨肿瘤,平片只能发现较大的肿瘤病变,不能描述病变内部的详情及其周围结构的关系。因此,上述区域的骨肿瘤,平片检查的主要目的是大致定位,CT 是手术或放射、化学治疗前、后的必要检查项目。CT的主要优点如下:

  1. 横断体层成像避免了结构重叠,能清楚显示肿瘤的确切来源及其与周围结构的关系(下图)。
  2. 增强后CT较易判断已侵入软组织的肿块的轮廓、范围及其对脂肪间隙、肌肉及周围较大血管的侵犯情况,提供更准确、更全面的肿瘤空间定位情况。
  3. 能发现平片检查阴性或可疑的病变,更清晰显示某些与定性有关的影像特征(如钙化、膨胀性骨破坏等)。
  4. 可明确肿瘤的血供,发现肿瘤内的出血、坏死及囊变区;较早期发现肿瘤在无骨小梁破坏的骨髓内的侵犯范围(其密度比一般黄骨髓的密度高),帮助定性并为活检正确定位及导向。
  5. 更易显示肿瘤对关节的破坏及其引起的滑囊积液。
  6. 更易发现恶性骨肿瘤对邻近骨骼的侵犯。
  7. 更易早期判断手术后肿瘤是否复发。

 坐骨转移癌

坐骨转移癌

注:女,56岁,乳腺癌右侧坐骨转移。CT示右侧坐骨大块骨质破坏并被软组织密度肿块代替,CT清晰显示肿瘤破坏关节面,侵犯盆腔及后方关节囊。

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小程序

内容拓展

    骨密度检测

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