定量CT（QCT）骨密度测量体模软件检测方法 测量北京城乡老年人股骨近段骨密度与骨结构比较

摘要 目的分析北京城区与农村老年人群的股骨近段骨密度（bone mineral density, BMD)与骨结 构参数差异。方法回顾性分析2012年12月1日至2013年12月1日接受髋部定量CT (quantitativecomputed tomography, QCT)扫描的174名50~70岁的北京居民的相关临床资料，根据居住地分为城区组（n=118) (男性46名、女性72名）和农村组（n = 56)(男性31名、女性25名）。统计学分析由QCT测得的股骨颈体 积骨密度（femoral neck volumetric bone mineral density, FN vBMD)、全髋体积骨密度（total hip volumetric bone mineral density, TH vBMD)、股骨颈面积骨密度（femoral neck areal bone mineral density, FN aBMD)、股骨大粗 隆面积骨密度（trochanter areal bone mineral density, TR aBMD)、股骨粗隆间面积骨密度（intertrochanter areal bone mineral density, IT aBMD)和全骨宽面积骨密度（total hip areal bone mineral density, TH aBMD)等参数以及股 骨近段骨强度（hip strength analysis, HSA)参数，包括股骨颈干角（neck shaft angle, NSA)、颈宽度（femur neck width, FNW)、骨宽轴长（hip axis length, HAL)、股骨颈横截面惯性矩（cross~sectional moment of inertia, CS- MI)、股骨颈横截面面积（cross~sectional area, CSA)、曲率比率（buckling ratio, BR)、平均骨皮质厚度 (averaged cortical thickness, ACT)、截面模数（section modulus, SM)等在两组人群中的差异。结果城乡男女身 高比较，差异均无统计学差异（P>0.05),城区老年男性体质量（73.66±12.63) kg显著高于农村男性（67.8土 9.58) kg (P<0.05);城乡男性之间的 FNvBMD、THvBMD、FNaBMD、TRaBMD、ITaBMD、THaBMD、NSA、 FNW、HAL、CSMI、CSA、BR、ACT、SM各项指标差异均无统计学意义；农村女性HAL显著高于城区女性 HAL (109.41mmvs 104.23 mm),差异有统计学意义（P<0.05);其余骨密度及骨结构参数比较，差异无统计 学意义（P>0.05)。结论除老年女性HAL城乡之间存在差异外，本研究人群股骨近段QCT骨密度与骨结构参 数无城乡差别。

髋部骨折是老年人较常见的骨折，以其致残 率、病死率高，并且产生高昂的医疗费用为特点， 严重影响了患者的生活质量。股骨近段骨密度 (bone mineral density, BMD)和骨几何结构是髋 部发生骨折的主要影响因素，其次还有髋部肌肉、 身体的平衡性等因素影响着髋部骨折发生。有研 究指出，采用双能X线吸收仪（dual~energyX—ay absorptiometry, DXA )测量股骨近段面积骨密度 (areal BMD, aBMD)并进行骨几何结构分析，可 以提高对老年髋部骨质疏松骨折危险性的预 测^M。但由于DXA空间分辨率低、二维成像的 特点，使得其测量髋关节BMD与骨几何结构具有 ^_定的局限性。定量 CT (quantitative computed tomography, QCT)的计算机体层X线骨密度系统 (computed tomography X-ray absorbtiometry, CTXA) 和骨结构分析系统（bone investigational toolkit, BIT)可获得体积骨密度（volumetric BMD, vBMD)、aBMD ^M以及股骨近段骨强度（hip strength analysis, HSA)数据 ¹⁵。QCT 对髋部 BMD测量具有较好的重复性，与DXA测量具有 较高的一致性^[4’⁶ ,且QCT与DXA对老年人HSA 测量具有较高的相关性^&]。QCT对股骨近段BMD 和HSA的测量是一种三维测量方法，其空间分辨 率高，相对于DXA, QCT测量的精确度高。国内 相关研究报道了髋部骨折与髋部BMD、HSA的关

系^^-2,⁴ ,以及分析年龄对股骨颈骨密度和骨结 构的影响^&0 ,但国内很少有不同地域或生活环境 之间股骨近段BMD与HSA差异比较的报道，本 研究采用QCT对北京城区与顺义农村健康老年人 群进行股骨近段BMD与HSA测量，比较可能存 在的差异，以为研究城乡老年人群髋部骨质疏松 性骨折等相关问题奠定研究基础。

资料与方法

一般资料

本组研究对象来自前瞻性城乡流行病调查

(prospective urban rural epidemiology, PURE) ¹¹¹ 中 北京地区人群，回顾性分析2012年12月1日至 2013年12月1日接受髋部QCT扫描的50~70岁北 京居民共174人，其中西城区社区（城区组，北京 积水潭医院新街口院区附近）居民118名（男性46 名、女性72名），年龄51~69岁；顺义区农村居民 56名（农村组，男性31名、女性25名），年龄54~ 70岁。排除标准：（1)既往髋部骨折；（2)曾服用 激素类药物；（3)髋部肿瘤、结核及放射化疗 史；（4)甲状旁腺功能亢进等骨代谢相关疾病。 本研究经过北京积水潭医院伦理委员会审核通过， 所有受试者签署知情同意书。

方法

QCT扫描方法：米用Toshiba Aquilion 64排

CT扫描仪配置Mindways 5样本固体体模（Mind- ways Software Inc., Austin, TX, USA) 进行扫描。 受试者采取仰卧位，双手置于头顶，将体模置 于受试者髋部下方。扫描范围上至髋臼顶，下 至股骨小粗隆下方3 cm。扫描参数：120 kV, 150 mAs,层厚 1. 0 mm,层间隔 1 mm, SFOV 50 cm,床高78 cm,标准重建算法。

QCT分析方法：将原始图像传至QCT工作 站自动合成测量文件之后，依据QCT操作手册， 采用 Mindways QCT 分析软件（Mindways Software Inc. , Austin, TX, USA)的 CTXA 功能自动去除 软组织并将近段股骨从三维层面旋转和移动后， 产生二维的平面投影图像，通过旋转将近段股 骨按照二维投照标准放置，即股骨在矢状位和 冠状位垂直水平线，股骨颈在轴位上呈水平状 态，测得左侧股骨近段各解剖部位BMD (图 1);再用 QCT PRO Bone Investigational Toolkit (BIT) Version2.0分析软件在上述二维图像上

将ROI置于股骨颈最窄区域的中心，测量出各 项HSA参数（图2)。所有测量内容由同一名测 量者完成。

检测指标：股骨近段各解剖部位BMD包括股

骨颈体积骨密度（femoral neck volumetric bone mineral density, FN vBMD)、全髋体积骨密度 (total hip volumetric bone mineral density, TH vBMD)、股骨颈面积骨密度（femoral neck areal bone mineral density, FN aBMD)、股骨大粗隆面积 骨密度（trochanter areal bone mineral density, TR aBMD)、股骨粗隆间面积骨密度（intertrochanter areal bone mineral density, IT aBMD) 和全髋面积骨 密度（total hip areal bone mineral density, TH aBMD)。HSA参数包括（1)股骨颈干角（neck shaft angle, NSA):股骨颈长轴与股骨干长轴之间 的角度；（2)股骨颈宽度（femur neck width, FNW):股骨颈测量感兴趣区内股骨颈宽度的平均 值；⑶髋部轴长（hip axis length, HAL):沿股骨

Patient W〇nnat«n | Eriraction | Rotation R〇ls | Resuls | Report |

图 1 CTXA 测得左髋 FN vBMD、TH vBMD、FN aBMD、TR aBMD、IT aBMD 和 TH aBMD Fig 1 FN vBMD, TH vBMD, FN aBMD, TR aBMD, IT aBMD, and TH aBMD of left hip measured by CTXA

FNvBMD:股骨颈体积骨密度；THvBMD:全髋体积骨密度；FNaBMD:股骨颈面积骨密度；TRaBMD:股骨 大粗隆面积骨密度；ITaBMD:股骨粗隆间面积骨密度；THaBMD:全髋面积骨密度

图2骨结构分析系统测得左侧股骨近段 骨强度参数

Fig 2 Hip strength parameters of left hip assessed by bone investigational toolkit

颈长轴从骨盆内缘至大转子外缘的距离；（4)股骨 颈横截面惯性矩（cross-sectional moment of inertia, CSMI): CSMI是表征骨刚度的几何学指数，是与 股骨颈长轴垂直横截面的转动惯量，与骨受力时 的弯曲变形密切相关，是与扭转力相关的第二面 矩，由横截面积增量乘积的积分与距截面中性轴 的距离的平方决定；（5)股骨颈横截面面积 (cross-sectional area, CSA):表征抵抗轴向压缩 的指标，其数值越大，表明骨骼的机械强度越大； (6)曲率比率（buckling ratio, BR):力学上衡量 管状物皱折强度，是骨骼几何结构的不稳定性的体 现。其值越大，表明骨骼的机械强度与稳定性就越 低，骨骼在外力的作用下就越易折断；（7)平均

骨皮质厚度（averaged cortical thickness, ACT); (8)截面模数（section modulus, SM):力学上衡 量管状物的抵抗弯曲载荷的指标，SM = CSMI/y。 SM数值越大，强度越高。

统计学方法

采用SPSS Statistics 23.0统计分析软件，对 两组人群测量结果按性别分组统计，Kolmogorov- Smirnov法分别进行正态性检验，符合正态分布的

变量以均数±标准差（X±s)表示，不符合正态分 布的变量以中位数（四分位间距）M (P25~ P75)]表示。正态分布变量比较采用独立样本t 检验，非正态分布变量比较采用秩和检验。以P< 0.05为差异有统计学意义。

结 果

城乡两组人群男性居民_般资料及股骨近段 BMD、HSA 参数

两组人群中男性身高差异无统计学意义（P>

I.   05),而城区老年男性体质量大于农村男性（P< 0.05)(表 1)。

在QCT测量得到的BMD和HSA各参数中， FN vBMD、TH vBMD、FN aBMD、TR aBMD、IT aBMD、TH aBMD、FNW、CSA、ACT 符合正态分 布，NSA、HAL、CSMI、BR、SM不符合正态分 布。通过独立样本t检验和秩和检验统计分析，城 乡两组人群男性之间的FN vBMD、TH vBMD、FN aBMD、TR aBMD、IT aBMD、TH aBMD、NSA、 FNW、HAL、CSMI、CSA、BR、ACT、SM 所有参数 差异均无统计学意义（P>0.05)(表2)。

城乡两组人群女性居民的_般资料及股骨近 段BMD、HSA参数分析

两组人群中女性年龄、身高、体质量及体质 量指数（body mass index, BMI)差异均无统计学 意义（P>0.05)(表 3)。

在QCT测量得到的BMD和HSA各参数中， FN vBMD、TH vBMD、FN aBMD、TR aBMD、IT aBMD、TH aBMD、FNW、CSA、ACT 符合正态分 布，NSA、HAL、CSMI、BR、SM不符合正态分 布。通过独立样本t检验和秩和检验分析发现： 顺义区农村女性HAL高于西城区社区女性HAL,中 位数分别为 109. 41 mm 和 104. 23 mm (P<0. 05);

反映出部分骨强度情况，采用HSA可以得出更多 的反应骨强度的骨几何结构的信息，对BMD起到 了补充及优化的作用^^-12。国内相关研究采用病 例对照研究的方法对髋部脆性骨折人群样本和健 康对照组样本分析，发现两组对比除股骨近段 BMD存在差异外，HSA部分参数亦存在显著差 异，并得出股骨近段BMD联合HSA可以提高对 老年髋部骨质疏松骨折危险性的预测^²,⁴ ,这 在一定程度上体现了股骨近段HSA的价值。但国 内大部分研究基于DXA测得BMD与HSA分析其 与髋部骨折的关系，DXA是_种二维测量方法, 其准确率可能受肢体摆放位置变化与股骨近段形 态不同的影响^M, QCT是一种三维测量方法，国 内研究对中国人群股骨近段BMD的QCT和DXA 两种测量结果进行比较发现，两者具有较高的_ 致性^H，且QCT的HSA空间分辨率和测量精确 性均较高^&4。目前已有研究报道QCTHSA和 DXA HSA具有较高的相关性&¹⁵ ,徐黎等^[7通 过对北京地区老年人股骨近段骨结构的比较，得 出QCT与DXA对北京地区老年人股骨HSA参数 测量具有较高的相关性。本研究通过QCT测量得 到北京城区和农村地区老年人股骨近段BMD和 HSA相关参数，统计分析各参数在城乡之间的差 异，为研究城乡老年人群髋部骨质疏松性骨折发 生率差异问题提供依据。

NSA是指股骨颈长轴与股骨干长轴之间的角 度，_些研究认为髋部骨折人群的NSA大于对照 人群，根据物理力学原理推测是由于NSA较大时 力臂相对较长，当受到如跌倒等外力时，易发生 髋部骨折^¹⁶ ; Alonso ^M提出NSA每增加1 SD, 女性髋部骨折发生概率增加3. 48倍；而另一些研 究持其相反意见^E7-18。Tuck等^M认为NSA在男 性髋部骨折组与非骨折组间并不存在差异，得出 从NSA预测男性髋部骨折并不可靠。然而，在此 次城乡之间样本人群比较中，NSA并无明显差 异。FNW是股骨颈测量感兴趣区内股骨颈宽度的 平均值，有研究认为FNW越小其对于弯曲的抵 抗能力越弱，因而发生骨折的风险越高；而另有 研究认为FNW越大则相应的髋轴长越大，发生 骨折的风险也越高^B0-21。然而徐铮等⁰得出随着

FNaBMD的降低，FNW增宽，然而FNW不是独 立于FNaBMD起作用。CSMI表示皮质骨的骨量， 更重要的是表示皮质骨分布情况，是表征骨刚度 的几何学参数，反映骨的弯曲强度，距离骨中轴 越远的骨皮质处骨量分布越多，CSMI也就相对越 高，因此骨膜下股骨的抗弯曲力相对比较强。 CSA是表征抵抗轴向压缩的指标，它的数值越 大，则骨骼的机械强度也越大。SM是CSMI与管 状骨截面中心到边缘距离的比值，与一个截面的 弯曲和扭转力呈反比^M, BR是管状骨截面半径 与皮质骨厚度的比值，SM和BR都是衡量管状物 抗弯曲和抗皱折强度的指标。SM值越大，管状 骨强度越高，而BR越大，其稳定性越低，在外 力作用下越易折断。庄华烽等®论述了皮质骨因 素在维系髋部骨强度的重要意义，随着年龄的增 长，ACT在结构上和数量上发生变化，从而导致 骨质疏松性髋部骨折更容易发生。Ward等^²发 现50岁以后的成年人，皮质骨的厚度每10年以 14%的速度在减少。在股骨颈去松质骨情况下， 股骨颈强度仅有小于10%的下降，提示松质骨在 股骨颈强度中所起作用较小，皮质骨起主要 作用^M。

本研究采用定量CT对北京地区城乡老年人 股骨近段骨密度与骨结构分析比较，结果发现只 有城乡女性之间HAL差异有统计学意义（P< 0. 05),由表4得出顺义区农村老年女性HAL比 北京城区老年女性HAL普遍较大，股骨近段骨结 构因地域不同而存在一定的差别，这可能与不同 生活环境的饮食、生活习惯不同等因素相关。目 前探讨HAL与髋部骨折关系的争议很大，HAL 的定义方法不同，结果也因此不尽相同； Faulkner 等^得出HAL与髋部骨折呈显著正相关，原因 是随着HAL增加，力臂增长；而Karlsson等^M 发现髋部骨折患者的HAL较对照组短；有相关文 献报道HAL每增加一个标准差，髋部骨折的危险 性增加1. 3倍²³。本研究结果提示HAL可能是 北京城乡女性髋部脆性骨折发生率差异的影响 因素。

然而，除城乡老年女性HAL有差异外，其余 参数在城乡老年女性差异无统计学意义（P>

II.  05)。而对于城乡老年男性，上述所有参数 (FN vBMD、TH vBMD、FN aBMD、TR aBMD、IT aBMD、TH aBMD、NSA、FNW、HAL、CSMI、 CSA、BR、ACT、SM)差异均无统计学意义 (P>0. 05),说明用上述这些无差异的指标并不能 很好地解释同种族城乡之间髋部脆性骨折发生率 可能存在的差异。但这种结果可能与多种因素有 关，其_,虽然本研究样本取自PURE中按严格 要求选取的北京地区城乡人群，但可能随着人们 生活质量的提高，城乡之间人群饮食、生活习惯 等差异越来越小；其二，本研究样本量较小，拟 在进一步的研究中增大样本量；其三，本研究 HAL在城乡女性之间存在差异，而在男性之间不 存在差异，可能是因为本研究样本的城乡男性之 间的年龄、体质量、BMI存在差异所致。黄际远 等¹²⁷研究，也证实了 HAL与身高、体质量呈正相 关，与年龄、BMI、股骨各部位骨密度呈弱相关或 无相关性。

综上，除老年女性HAL城乡之间存在差异 外，本研究人群股骨近段的QCT骨密度与骨结构 参数在城乡无明显差别，HAL可能是北京城乡女 性髋部脆性骨折发生率差异的影响因素。

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