基于髋部和脊柱定量CT（QCT）骨密度测量体模软件检测方法有限元分析在成人骨质疏松 症诊治中的临床应用2015年国际临床骨密度学会 (ISCD)官方共识（第二部分）

摘要：国际临床骨密度学会（ISCD)已经形成了新的基于定量CT(QCT)的脊柱及髋部有限元分析（FEA)的临床应用官方建 议。ISCD定量CT工作组回顾了 QCT临床应用证据，并在2015临床骨密度测量发展大会提出了新的报告建议。在这里，我 们对支持ISCD官方建议的医学证据、理论基础、争议和进一步研究的建议进行探讨。第一部分和第三部分论述了髋关节 QCT的临床应用，并讨论了利用以其它疾病诊断为目的的CT扫描（如结肠成像），从而进行骨质疏松症随机筛查的临床可 行性。

关键词：骨质疏松症;官方共识;定量CT;有限元分析

引言

本文为定量CT(QCT)工作组报告的第二部分, 陈述了 QCT临床应用的演进,并为国际临床骨密度 学会（ISCD)新的官方意见提供了相关证据。本部 分重点阐述了基于定量CT有限元分析（FEA)骨强 度评估的临床价值,并介绍ISCD对FEA新的官方 立场。第一部分介绍了髋部QCT的临床应用价值, 第三部分基于体素/张量的形态学分析、统计学参数

图等先进方法。第三部分还论述了如何从获得的 CT扫描获得可靠的骨密度（BMD)信息，以解决除 了骨质疏松症之外的诊断问题（比如CT扫描通常 不使用标准QCT应用中使用的扫描内标定模型）。 基于FEA的骨强度测量的临床应用已在之前的文 章中简要讨论过,但自那时以来，又发表了大量的临 床研究,巩固并进一步证明了将整体几何结构和局 部骨密度整合到脊柱、髋部或前臂骨强度计算中 FEA的价值。

FEA方法学概述

有限元（FE)法常用于机械工程中，以计算刚 度、强度以及受外力影响的复杂结构的内部应变和 应力。常有人将骨骼比喻为老式的钢桥，因为它与 骨小梁结构有惊人的相似性。因此，FEA被用来模 拟骨骼的力学行为、提高保真度已经40余年。计算 由最终可能导致骨折的外部载荷引起的骨内应变和 应力的复杂问题，可通过创建具有已知材料属性的 元素网格来解决，在局部和整体上均衡力和力矩。 大多数用于骨骼分析的FEA软件仍处于试验阶段， 但 VirtuOst 软件（ON Diagnostics, Berkley, CA)最近 获得美国食品和药物管理局（FDA)的批准，用于鉴 别骨折风险患者和随访治疗效果。

在骨骼方面，^FE模型不同于均匀FE模型，前 者需要高空间分辨率图像，以便显示仅含有骨骼材 料的网格元素。然而在脊柱和髋关节中，高分辨率 在活体是无法实现的，为了说明这一点，图1选用的 是桡骨远端。从全身临床CT扫描获得的QCT图像 上应用均匀的FE模型进行后处理。在整个椎体或 髋部应用网格分析技术，使得其在单位毫米的图像 内同时包含有矿化骨和骨髓。均匀化 (homogenization)这一术语用于表示确定骨髓混合 物特性的平均化过程，是FE分析的基本输入参数。

通过双能量X射线吸收测定法（DXA)测量面 积骨密度（aBMD),通过QCT测量体积骨密度 (vBMD)和通过骨强度的FE分析预测衰竭的可行 性已经被许多体外研究在骨骼标本中所证实。对于 这些研究的阐述，骨强度在物理参数中被明确定义 为一种施加在骨骼上导致其位移并最终骨折的力。 力-位移曲线（force-lisplacement curve)的斜率被定 义为刚度。曲线上能达到的最大力Fu表示破坏骨 骼所需的极限力（也称为极限载荷或破坏载荷）。 最大力Fu点的曲线下的面积（AUC)表示产生骨折 所需的能量。强度（Strength)是一个更常应用于材 料研究而非结构研究的概念，但在后一种研究中，它 是极限载荷的同义词，并且是最常被报道的FE结 果变量。极限载荷随着骨骼体积的增加而增大，但 较大的骨骼通常必须在生理和病理载荷条件下（例 如跌倒）支持更大的重量。对于均匀材料（例如一 处均匀变形的骨小梁），力-位移曲线可以被转换 成应力-应变曲线（stress~strain curve),其中应力被 定义为施加的力除以样本的抵抗面积。应力和应变 之间的线性关系的斜率表示杨氏模量（Young’ s

modulus)。破坏材料所需的最大应力称为极限强 度。应力应变曲线下的面积具有单位体积能量密度 的物理意义。杨氏模量、最大应力和能量密度是材 料的固有性质，与形状无关。而相反,极限力和刚度 是与外形有关的结构特性参数。

材料和结构变量的不同对应用于计算骨强度的 成像技术有着重要的影响。例如，QCT或者DXA测 量的骨矿物质含量（BMC)像结构特性一样是一个 外延变量，因为骨骼体积越大,包含的矿物质就越多 而且越坚硬。相反，QCT测量的vBMD是一个与材 料特性（如极限强度或极限模量）相_致的内涵变 量，因为vBMD本质上是独立于骨骼大小的。因此， 当与QCT所测得的vBMD相关联时,极限载荷或刚 度应当调整其大小。有趣的是，aBMD与结构特性 相关性更好，这很可能是因为DXA能利用单投影并 提供面积密度来部分调整大小。混合变量aBMD的 强度预测水平取决于解剖部位、载荷配置以及特定 的样品采集区域。

—些脊柱和股骨的体外研究结果显示DXA、 QCT、FE的结果与骨的结构特性有着很好的相关性 (r =0.6-0. 9)。表1显示的是胸腰椎和髋部在典 型的骨折-负重状态下FE研究的概述。在大多数 研究与骨破坏性载荷相关或有预测作用的成像技术 中，QCT的预测性较DXA略好。在椎体研究中，FE 方法预测骨骼负载失效或表观极限强度实验中展现 出最高的相关性和最低的误差，但决定系数并不总 是明显高于QCT变量。

按尺寸校正的骨骼形态或本质特性、按vBMD 校正的骨质量、按面积校正的外力（表观应力）以及 按身高校正的位移（表观拉伸），吸引人们从关注骨 强度转移到关注依赖外加负荷和患者体重的骨折风 险。基于简单的量纲分析，也有人认为不同于最大 受力，最大压力基本独立于骨的大小和重量，因此它 可提供一个更为客观的骨折危险因素。

体外实验的阳性结果为流行病学研究脊柱和髋 部均一性FE分析的使用提供了坚实的依据，用以 确定骨强度或预测脊柱及髋部骨折或确定骨强度随 着年龄的变化以及相关治疗。然而，现在被用于估 算骨强度的FE技术方法仍然有一些限制，这些限 制大致被分为3类。

几何结构和网格

QCT评价骨结构的分辨率有限。在这种情况 下，脊柱和髋关节的致密骨往往比图像体素尺寸要

薄。虽然有效的算法可以分割髋关节骨皮质，但同 时评估皮质厚度和孔隙度仍然是一个重大的挑战。

用于脊柱和髋关节的FEA网格技术主要有两 种,一是忽略皮质和骨小梁区别的体素网格技术，二 是包括可变或恒定厚度致密层的平滑网格技术。前 者使用相同的关系将材料属性分配给致密骨和骨小 梁，而后者则为每个分隔间使用不同的关系。固定 骨皮层厚度的建模方法提高了椎体内FE预测的准 确性。令人惊讶的是，在髋关节中加入骨皮质似乎 并没有对椎体的强度预测产生同样的影响。这很可 能归因于部分容积伪影、图像分割质量以及每个分 隔所使用的材料模型。总的来说，当单元尺寸缩小 时,FE分析解决边界值问题必须集中在_种分析 解法

材料特性   

骨骼是一种具有多维度、非均质、各向异性和弹 性特征的材料，能承受即时的塑性变形和损伤。然 而,在基于QCT的有限元模型中，只有vBMD用来 决定密质骨和骨小梁的物质特性，受很多因素的 影响：

I.   纵向研究中，在细胞外基质（ECM)水平，骨 组织的成分与解剖部位、性别、年龄、时间无关。定 量背散射电子成像研究也证实这_观点，发现在同 _解剖部位的健康骨组织具有相似的钙含量分布。 另外一项压痕实验也提示成人椎体ECM的平均杨 氏模量与年龄和性别无关。然而，随着年龄增加，骨 的微损伤增加，骨的韧性相应地减低。某些特殊疾 病如成骨不全等，会改变ECM的物质特性,这种情 况应该在FEA中加以考虑。

II.  在骨小梁结构水平，骨的机械性能完全由骨 的体积分数决定。所谓的结构是指骨小梁的各向异 性及方向。假设结构相似的骨组织具有相同的平均 钙含量分布，那么我们就可以从vBMD中估测出骨 体积分数。一些研究利用QCT图像估测骨小梁结 构，但收效甚微,其原因与临床CT图像的空间分辨 率不高有关。

III.      在FE分析中，骨骼vBMD和机械性能之间 的关系，与解剖结构、性别、年龄、疾病无关。由于骨 构造的不同，vBMD单独使用时常需要区别不同载 荷情况下的不同参数。显然，骨质疏松并不改变体 积分数、结构和性能间的关系,但其他骨骼疾病的影 响不能排除在外，还需要进行调查研究。

IV.  皮质骨的性能通常由松质骨推断得来，这使

得椎体或髋关节的测量值不能准确匹配。

V.   利用线性FE分析，骨结构的刚度常与强度 具有良好的相关性。但是，总的来说,非线性分析可 提供更好的强度结果。

总之，骨的物质特征对载荷率及周期数敏感。 如：髋关节骨折好发于碰撞，而椎体骨折常源于疲 劳。大多数FEA专注于准静态单调加载，而载荷率 和周期数的参数校正将结果进行标化，并保存于不 同个体间的相对骨强度。

载荷情况

对有限元模型进行验证的体外实验经常受到的 质疑是，它们并不代表真实的患者在现实生活中的 载荷情况。在活体内受到外力的大小和方向，特别 是在特定的跌倒中，只能进行粗略估计，从而影响骨 强度结果的计算。这个问题是真实存在的，但是这 些体外实验的目的并不是完全符合个体的实际情 况，而是要对具有代表性的解剖学和负荷模式进行 基于QCT的FEA验证。为了解决这一问题，有研 究在多种载荷条件下进行FEA,如脊柱轴向压缩、 前屈和扭转，以及臀部的不同姿势和坠落场景的模 拟，初步结果表明，负荷与椎体刚度值高度相关。最 近发表的一项针对步行和爬楼梯的髋关节个体化载 荷情况首次进行了 FEA研究。这种有限元模型的 精化对骨折风险预测的收益还不清楚，仍需要进一 步调查。受到其他力学领域的启发,工程师们也开 始研究骨骼和关节的随机载荷，以解释骨骼力和力 矩的意外变化,这样可能有助于制定更好的统计学 策略来评估未来的骨折风险。

综上所述，QCT的FEA是基于力学的基本原 理，结合患者的个体情况和通用特性,计算出临床相 关负荷下的骨力学性能。准静态骨强度是关键的结 果变量,不应与已经包含在有限元模型精化中的形 态学性质相结合。体外实验是未来在皮质厚度和材 料性能方面进行改进测试的金标准。据报道，使用 体素模型对椎体和髋关节的准确性约为15% (均方 根误差）。参考更多临床病例的具体负荷情况将有 助于提高FEA的准确性，以达到预测骨折风险目 标。尽管同质FEA的精度主要依赖于QCT图像采 集、校准和处理的精度。然而，骨强度的变异系数可 能会被vBMD与材料特性的非线性关系所放大。由 于体素有限元模型的生成可以完全自动化，只有更 复杂的四面体或六面体网格与皮质的识别可能会适 度影响FEA的精度。

以下部分，我们将陈述对FEA的IS⑶官方 共识。

ISCD官方共识

对髋部和腰椎FEA的官方共识

在以下各节中，脊柱和髋关节的FEA分别指椎 体或股骨强度。

FEA可以用于骨折风险评估吗？

ISCD官方共识

基于QCT的FEA可评估骨强度来预测绝经后 妇女椎体骨折。

等级：Fair-B-W

基于QCT的FEA评估椎体强度，与脊柱DXA —样，可预测老年男性椎体骨折。

等级：Fair-B-W

基于QCT的FEA评估股骨强度，与髋部DXA _样，可预测绝经后妇女和老年男性髋部骨折。 等级：Fair~B-W

理由：在男性中，腰2椎体强度的标化风险比 (standardized hazard ratio, HR)要高于腰 1 -腰 4 椎 体的双能X线吸收测定法（DXA) aBMD值。在女性 中，腰2椎体强度的比值比（odds ratio, OR)要高于 腰2椎体的vBMD。与脊柱aBMD相似，其他两项 女性研究亦显示，区分椎体骨折时，AUC值较大或 强度参数相关性较高。

在男性中，MrOs研究中髋部强度的HR要高于 DXA的aBMD值。大部分研究表明，在女性中，FEA 对髋部骨折的鉴别能力与股骨总aBMD或vBMD 测量结果一致。从体外生物力学测试来看，相较于 DXA的aBMD, FEA对于脊椎和髋关节破坏载荷是 _个比较好的替代方法。除了相关性之外,FEA可 以为任何载荷情况提供定量估算。

讨论:体外研究表明，FEA的使用可预测脊柱 和髋骨骨折。当判断脊椎的破坏载荷时，脊柱的 FEA优于DXA的脊柱aBMD且优于或相当于QCT 脊柱vBMD。当预测髋关节的破坏载荷时，髋关节 FEA优于或相当于DXA的髋关节aBMD,优于QCT 髋关节vBMD或骨矿含量。FEA和QCT测量方法 必须具有可比性，即整个髋关节测量而不是仅测量 股骨颈部，整个椎体测量而不是仅测量中央小梁 部分。

与体外研究结果相同，在体研究中DXA和FEA

预测或鉴别脊椎骨折，再次强调了 DXA投影成像的 局限性。一项对老年男性的队列研究中，整个椎体 极限载荷和BMD积分的HR和AUC要明显高于 DXA的aBMD。日本女性的脊柱研究中也得出相似 的结论，但并未给出具体的AUC值。FEA计算的危 险值或OR的置信区间远远大于DXA的置信区间， 因此，这两种技术间点估计值差异可能无法达到显 著统计学意义。

在髋部两者的数值差异是非常小的，但这种差 异是否具有统计学意义却鲜有报道。在回顾性分析 中，髋部FEA的极限载荷提高了骨折预测的准确 性，但与DXA相比略有差异。有趣的是，在研究中， 发现髋部骨折和股骨近端骨折之间的关联存在性别 差异，但DXA测量的髋部aBMD预测髋部骨折并无 性别差异。在一项流行病学研究中，比较了髋部骨 折的DXA、QCT和FEA在男性和女性中的OR值， 该值不依赖于脊柱、髋部、桡骨或肱骨等各种骨质疏 松骨折类型，OR值在vBMD最高而在aBMD则最 低，但两者的置信区间大部分重叠。目前，支持 FEA用于骨折预测的体内研究数量太少，仍存在争 论，但离体的生物力学研究却强烈支持这一证据。 虽然骨强度（或BMD)与体外测量的破坏载荷的相 关性高于体内骨折的相关性,但实际的跌倒情况并 不能够被完全模拟。基于体外数据表明，有限元模 拟的极限骨强度可能优于DXA测量的aBMD。

FEA可以用于诊断骨质疏松症吗？

ISCD官方共识

如果应用当前WHO推荐的T值，FEA并不能 用于诊断骨质疏松症。

等级:Good-A-W

理由：WHO对于DXA的诊断分类定义具有排 他性。因此，除DXA以外的技术缺乏等效分类，并 不是这些技术的问题，而是WHO分类缺陷所致。 由于少量流行病学数据被DXA所采用，这种历史局 限性在当时是可以理解的。

讨论:其他非DXA技术都存在相同的问题，如 脊柱或髋部的QCT。WHO诊断标准的具有一定的 局限性，例如确定骨折风险高的受试者却未被诊断 为骨质疏松症或骨质减少症。基于其他骨密度测量 技术的诊断标准已经被讨论过。我们重点关注用于 脊椎和髋部的QCT或FEA。

_般来说，大多数的替代标准都是基于骨折预 测相关的受检者特征曲线（ROC)。具体诊断的标

准要求在ROC上选择一个确定的点,或者是一个明 确的敏感性-特异性或AUC阈值。在密度测量技 术中，不基于ROC分析这种方法是诸技术之间风险 梯度差异的原因之_。在ROC分析的情况下，例 如，对于给定的技术，AUC阈值可以定义为导致 DXA等价诊断，然而，风险预测只能针对某个特定 的DXA进行匹配vBMD或强度值。

因此，潜在的问题是诊断和风险预测的二元性， 其两者的结合具有技术特异性，目前需要通过WHO 定义与DXA相关联。而为其他技术定义诊断标准 并不能解决这个问题，因为这些不能等同于DXA。 只有在诊断和风险预测一致时，才能避免对单一技 术的依赖。在这种情况下，年龄依赖的T值或Z值 的任何技术才可以通用。

髋部FEA的骨强度阈值，等同于aBMD的T 值。对于aBMD而言,T值为-1时,相当于女性股 骨强度值4000牛，男性股骨强度值5000牛。对于 脊柱而言，抗压强度值120 mg/cm³相当于女性骨强 度6000牛，相当于男性骨强度8500牛。尽管骨小 梁vBMD值并不能完全等同于WHO定义的aBMD 值，但骨小梁vBMD值120 mg/cm³和80 mg/cm³常 被定义为骨量减少和骨质疏松的临界值。需要注意 的是，上述强度临界值与CT扫描设备无关。

FEA能够用于决策治疗吗？

ISCD官方共识

基于QCT的FEA评估脊椎或股骨强度，需要 结合临界值和相关临床风险因素，可以用于决策药 物治疗。

等级：Fair-B-W

理由：如果条件允许，脊柱和股骨DXA测量可 以作为制定临床治疗决策的优选方案。

如前所述，脊柱和股骨的FEA可分别用于预测 脊柱骨折和髋部骨折。如果骨强度足够低，并且存 在额外的危险因素，初始化治疗方案就存在合理性。 FEA椎体骨强度对应vBMD值（80 - 120) mg/cm³ 以及股骨强度值对应aBMD T值（-1 ~ - 2. 5)的 相关研究已有发表，这些研究可以指导骨强度测量 对骨折风险评估的影响,从而指导干预决策。

讨论:该患者是否需要治疗，取决于患者骨折风 险是否超过特殊界值。类似于FRAX评分,BMD评 估骨折风险是系统评分的_部分。因此，治疗决策 并不仅仅是基于BMD或T值阈值，同时也考虑到其 他骨折风险。尽管如此，BMD起着重要作用，但与

许多其他危险因素相反，它可以通过治疗增加（即 相关的骨折风险可以降低）。如前所述，已经描述了 与aBMD髋关节T值和QCT脊柱vBMD值相当的 强度阈值。罗彻斯特队列研究发表了男性和女性股 骨强度在（30 -80)岁之间的年龄相关变化,但椎体 抗压强度的正常数据仍然缺失。

FEA可用于监测治疗效果吗？

ISCD官方共识

基于QCT的FEA评估椎体或股骨骨强度可以 用于监测年龄和治疗相关的改变。

等级：Fair-B-W

理由：FEA用于监测年龄相关的改变，相关的 研究已有许多。在体的FEA研究已公布了精确 数据。

女性脊柱骨强度的FEA已成功地用于监测多 种药物治疗效果的前瞻性研究，例如阿仑膦酸钠、伊 班膦酸盐、雷洛昔芬、特立帕肽、狄诺塞麦以及奥当 卡替。在男性研究中有特立帕肽以及利塞膦酸盐。

女性髋关节骨强度的FEA也用于监测多种药 物治疗效果的前瞻性研究，例如阿仑膦酸钠、伊班膦 酸盐、甲状旁腺素（PTH)、狄诺塞麦以及奥当卡替。 大多数研究对绝经后妇女进行了评估。这些研究中 的一部分也采用了脊柱以及髋关节DXA。在男性 中，FEA仅被用于脊柱的特立帕肽及利塞膦酸钠治 疗评估。

讨论:关于年龄和治疗相关的vBMD变化FEA 研究已有报道。这些研究表明FEA测得的改变高 于aBMD所测得变化。目前为止,在体的FEA研究 的准确性仅有_篇文献报道。在相同的CT扫描方 案下,1. 9% CVrms与0. 9%全股骨vBMD积分相符 合,而使用3 mm层厚的QCT误差要好于1 mm。 KV和mAs参数在3个研究中也存在差异,但有研 究报告基于体素的FEA准确度与QCT结果非常相 近，主要是因为FEA过程高度自动化，且QCT精度 误差来源于扫描和图像分割过程。对于非体素 FEA、网格划分、材料特性和边界分割定义都需要额 外操作和干预，因此QCT的精准数据并不能简单地 由在没有更深层次证据的FEA中所得出。

未来研究的其他问题

对于骨强度的测量，FEA是可以选择的方法之 —。在控制良好的体外实验中，CT分辨率、图像处 理和骨本质模型构建方面的进展导致FEA影响髋

部和脊柱骨强度的程度，而这些都是通过密度测量 法所无法得到的。然而，由于不良载荷相关的随机 因素的影响，这种体外FEA的优异性不一定会转化 为骨折风险预测的改善，除非对大规模的队列研究 所证实。尽管如此，FEA有可能成为骨强度测量的 金标准，它不仅可用于评估治疗效果,而且也可用于 确定合成代谢策略的靶向区域。在临床实践中，来 自QCT分析的密度和几何参数的组合是否能够提 高FEA的准确性，仍需要进_步调查。

FEA的更深层次提高，将包括小梁结构、多孔 皮质和患者特定边界的自动光滑网格形成和更精确 建模。尤其，肌肉骨骼生物力学将为生理活动、跌倒 和可适应个体解剖学的其他创伤提供载荷情况的概 率分布。微裂纹、骨密度、胶原交联和/或矿物结晶 度相关的老化组织材料性质，都是将来需要考虑的 因素，以获得更高的骨折预测准确度。

未来的任务还包括：在国际层面上不断改进

QCT和FEA方法，并将所提出的介入阈值与其他前 瞻性研究进行整合，从而保证FEA的准确性。为了 提高QCT和其他基于CT分析方法的可接受性，应 通过改进硬件设备和采用低剂量扫描方法进一步减 少辐射剂量。

总结

IS⑶的官方共识阐述了基于QCT的髋关节和 脊柱FEA在诊断骨折风险评估和骨质疏松症临床 评估中的应用。文章在2007版的基础上补充了脊 柱QCT的描述。在广泛回顾的基础上，介绍了支持 IS⑶官方共识的证据。从过去的几年来看，FEA仍 然是_个快速发展的领域。因此，建议在不久的将 来再次进行回顾性证据收集，以便在新形势下及时 更新ISCD证据。

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