骨密度測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)與工作原理

1、Version 10.01 骨密度測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)與骨密度測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)與 工作原理工作原理 王猛 中日友好醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 2 C 學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn) 介紹并描述現(xiàn)有的骨測(cè)量設(shè)備 解釋下列儀器的工作原理： DXA 中軸雙能X-線(xiàn)骨密度測(cè)量?jī)x(DXA) 外周雙能X-線(xiàn)骨密度測(cè)量?jī)x(pDXA) QCT/pQCT 定量超聲 (QUS) 現(xiàn)有骨密度測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確性的比較和對(duì)照 3 C 學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn) 介紹并描述現(xiàn)有的骨測(cè)量設(shè)備 解釋下列儀器的工作原理： DXA 中軸雙能X-線(xiàn)骨密度測(cè)量?jī)x(DXA) 外周雙能X-線(xiàn)骨密度測(cè)量?jī)x(pDXA) QCT/pQCT 定量超聲 (QUS) 現(xiàn)有骨密度測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確性的

2、比較和對(duì)照 4 C 脊椎 肋骨和胸骨 骨盆 股骨近端 外周骨外周骨 上肢末端上肢末端 下肢末端下肢末端 中軸骨中軸骨 5 C 5 C 分析 L1-L4 髂嵴在L4和L5之間 肋骨與 T12 相連 DXA基礎(chǔ)解剖概念基礎(chǔ)解剖概念: 腰椎腰椎 6 C 6 C 375位女性進(jìn)行腰椎椎體個(gè)數(shù)研究， 年齡50-85歲 83.5% 5個(gè)腰椎個(gè)腰椎 最低的肋骨與最低的肋骨與T12相連相連 7.5% 4個(gè)腰椎個(gè)腰椎 最低的肋骨與最低的肋骨與T11或或T12相連相連 1.9% 6個(gè)腰椎個(gè)腰椎 最低的肋骨與最低的肋骨與T12或或L1相連相連 7.2% 5個(gè)腰椎個(gè)腰椎 最低的肋骨與最低的肋骨與T11相連相連 人類(lèi)脊

3、椎解剖差異人類(lèi)脊椎解剖差異 Peel NF, et al. J Bone Miner Res 1993;8:719. 6個(gè)無(wú)肋骨的椎體 7 C 7 椎體形態(tài)圖可幫助正確標(biāo)記椎體椎體形態(tài)圖可幫助正確標(biāo)記椎體 L5 通?？雌饋?lái)像領(lǐng)結(jié) L4 看起來(lái)像 X或H L1-L3 U-型 當(dāng)出現(xiàn)解剖異常時(shí)，請(qǐng) 注意標(biāo)記保持一致 L5 T12 8 C 8 C 感興趣區(qū)（測(cè)量區(qū)）為: 股骨頸股骨頸 全髖全髖 大轉(zhuǎn)子大轉(zhuǎn)子 Wards 區(qū)區(qū) （不用于（不用于 臨床）臨床） DXA 基礎(chǔ)解剖概念基礎(chǔ)解剖概念: 股骨近端股骨近端 9 C 學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn) 介紹并描述現(xiàn)有的骨測(cè)量設(shè)備 解釋下列儀器的工作原理： DXA 中

4、軸雙能X-線(xiàn)骨密度測(cè)量?jī)x(DXA) 外周雙能X-線(xiàn)骨密度測(cè)量?jī)x(pDXA) QCT/pQCT 定量超聲 (QUS) 現(xiàn)有骨密度測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確性的比較和對(duì)照 10 C 中軸骨和外周骨測(cè)量設(shè)備中軸骨和外周骨測(cè)量設(shè)備 中軸骨測(cè)量設(shè)備 兩種X線(xiàn)原理的設(shè)備：DXA， QCT 測(cè)量髖部和腰椎 也可測(cè)量前臂和全身 周?chē)菧y(cè)量設(shè)備 兩種主要測(cè)量技術(shù)：X線(xiàn)和超聲 測(cè)量指骨、前臂或跟骨 11 C 中軸骨測(cè)量技術(shù)中軸骨測(cè)量技術(shù) 雙能X線(xiàn)骨密度測(cè)量?jī)x(DXA) 定量CT(QCT) 12 C 中軸骨中軸骨 DXA “金”標(biāo)準(zhǔn) 重復(fù)性好（精確性好*） 輻射劑量低 在絕大多數(shù)流行病研究中使用 在絕大多數(shù)臨床藥物試驗(yàn)中使用

5、* 見(jiàn)第七講見(jiàn)第七講 13 C 外周骨測(cè)量技術(shù)外周骨測(cè)量技術(shù) 外周骨DXA（pDXA） 單能X線(xiàn)吸收測(cè)量?jī)x（SXA） 定量超聲（QUS） 放射攝片技術(shù)（RA） 外周骨QCT （pQCT） 14 C DXA骨密度測(cè)量?jī)x的原理骨密度測(cè)量?jī)x的原理:吸收測(cè)量?jī)x吸收測(cè)量?jī)x 衰減指的是在X 線(xiàn)光束里光子(photons)數(shù) 目與能量的減少（如：它的強(qiáng)度） 衰減主要取決于組織的密度與厚度 15 C DXA骨密度測(cè)量?jī)x的原理（骨密度測(cè)量?jī)x的原理（2） 組織越致密，它所含有的電子就越多。 如： 氫=1， 鈣=20 組織里電子的數(shù)目，決定了組織衰減X-線(xiàn)光 束里的光子的能力 如果衰減的程度可以被定量的話(huà)，那么組織

6、 的密度也可以被定量性地評(píng)估 16 C 用于區(qū)分骨和軟組織導(dǎo)致的衰減 入攝電子束 (Io) X-線(xiàn)進(jìn)入的地方 發(fā)射束 (I) X-線(xiàn)穿出的地方 衰減 Io - I 依賴(lài)于x-線(xiàn)能量 X-線(xiàn)的衰減線(xiàn)的衰減 17 C 為為什么要使用雙能？什么要使用雙能？ 在低能 (30-50 keV)下 骨衰減大于軟組織衰減 在在高能高能 (70 keV)下 骨衰減與軟組織衰減相似 用于區(qū)分骨和軟組織導(dǎo)致的衰減 低能低能 高能高能 18 C 雙能產(chǎn)生方式雙能產(chǎn)生方式 K緣濾過(guò)器 (X-線(xiàn)濾過(guò)器) GE 電壓轉(zhuǎn)換器 (X-線(xiàn)轉(zhuǎn)換器) Hologic 強(qiáng)度強(qiáng)度 0 20 40 60 80 100 020406080

7、100 120 140 keV 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 濾濾過(guò)過(guò)器器 19 C GE用鈰(cerium)濾過(guò)器，兩種能量峰值分別為40和 70Kev. Norland 用釤(samarium) 濾過(guò)器，兩種能量峰值為 45 和 80 keV K緣濾過(guò)器需要 脈沖計(jì)數(shù)（能量區(qū)分）探測(cè)器 外校正（見(jiàn)第3章） 雙能產(chǎn)生方式：雙能產(chǎn)生方式：K緣濾過(guò)器緣濾過(guò)器 20 C 雙能產(chǎn)生方式：雙能產(chǎn)生方式：電壓轉(zhuǎn)換器電壓轉(zhuǎn)換器 Hologic用高電壓發(fā)生器，以開(kāi)關(guān)方式將交流電 進(jìn)行半周期的高低能轉(zhuǎn)換 能量峰值為 50 keV 和 85 keV. 電壓轉(zhuǎn)換需要 電流整合探頭 內(nèi)校正（見(jiàn)第3章） 21 C 雙能的產(chǎn)生與臨床應(yīng)

8、用雙能的產(chǎn)生與臨床應(yīng)用 臨床應(yīng)用不受下列因素影響： 雙能產(chǎn)生的方式 探測(cè)器的種類(lèi) 在比較不同廠家的設(shè)備的測(cè)量結(jié)果 時(shí)有影響 22 C 22 C 中軸中軸DXA掃描儀組成掃描儀組成 X線(xiàn)源，校準(zhǔn)儀，探頭 軟組織 Courtesy of Dr. Bobo Tanner 光子探光子探測(cè)測(cè)器器 探探測(cè)測(cè)器校準(zhǔn)裝置器校準(zhǔn)裝置 骨 能源能源 床面床面 能源校正能源校正儀儀 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 23 C 筆筆束束 點(diǎn)采集 單探頭 采集速度慢 掃描架固定 費(fèi)用低 24 C 扇扇束束 線(xiàn)采集 多探頭 采集速度快 寬角扇束窄角扇束 25 C 扇束帶旋轉(zhuǎn)掃描架的設(shè)備扇束帶旋轉(zhuǎn)掃描架的設(shè)備 仰臥位，腰椎側(cè)位掃描 26 C 扇束

9、不帶旋轉(zhuǎn)式掃描架的設(shè)備扇束不帶旋轉(zhuǎn)式掃描架的設(shè)備 側(cè)臥位，腰椎側(cè)位掃描 27 C 不同制造廠所生產(chǎn)的骨密度儀測(cè)得的不同制造廠所生產(chǎn)的骨密度儀測(cè)得的 骨密度值不可比骨密度值不可比 不同的雙能量產(chǎn)生方式 不同的校準(zhǔn)器 不同的探頭 不同的邊緣探測(cè)(edge detection)軟 件 不同的感興趣區(qū)（ROI） 28 C 外周骨外周骨DXA（pDXA) 體積小 易攜帶 輻射小 掃描時(shí)間短 易操作 價(jià)格低 29 C 多種外周骨多種外周骨DXA設(shè)備間的差異設(shè)備間的差異 測(cè)量部位 指骨(Schick) 前臂 (Norland, GE) 跟骨(Norland, GE) 前臂和跟骨(GE) 掃描信息采集方式 筆

10、束 (大多數(shù)) 錐束 (GE and Shick) 同一掃描部位可以有不同感興趣區(qū) (例如 跟骨) 在為什么不同設(shè)備的測(cè)量結(jié)果不可比的 原因的章節(jié)中闡述 30 C CT原理的骨密度測(cè)量?jī)x原理的骨密度測(cè)量?jī)x QCT From Institut fur Medizinshche Physik Universitat Erlangen-Nurnberg 31 C QCT 任何市場(chǎng)銷(xiāo)售的CT機(jī)型 特殊軟件 參照體模 脊椎單層掃描脊椎單層掃描 髖部投照體積掃描髖部投照體積掃描 32 C QCT 檢測(cè)資料檢測(cè)資料 From Institut fr Medizinishche Physik Universi

11、tt Erlangen-Nrnberg 33 C QCT 特殊軟件 感興趣區(qū)(ROI): L1-L3 松質(zhì)骨或皮質(zhì)骨ROI 參照體模 與患者一同掃描或分別掃描 CT衰減值 (單位:HU)經(jīng)骨當(dāng)量值校準(zhǔn) 有些設(shè)備無(wú)需使用體模 34 C QCT 體積骨密度 (mg/cm3) 精確性低于前后位腰椎 DXA測(cè)量：1-3% 3D（螺旋CT）也許可改善精確度 輻射劑量比DXA測(cè)量高 QCT 60 Sv (30 Sv scout, 10 Sv /單層) 中軸骨 DXA 1-5 Sv 乳腺像 450 Sv 35 C BMC: 0.125 grams 面積:0.250 cm2 BMD: 0.5g/cm2 0.5

12、 0.5 0.5 體積密度 1 g/cm3 1.0 1.0 1.0 體積密度 1 g/cm3 BMC: 1.0 grams 面積:1.0 cm2 BMD: 1.0g/cm2 DXA與與QCT 面積與體積密度的測(cè)量面積與體積密度的測(cè)量 舉例舉例: 女性椎體女性椎體 男性椎體男性椎體 BMD= BMC 面積面積 36 C 外周骨外周骨QCT 專(zhuān)用CT掃描儀 前臂 易移動(dòng) 易操作 與脊椎QCT相比 輻射小 體積骨密度 (g/cm3) 測(cè)量區(qū)（ ROI） 皮質(zhì)和松質(zhì)骨 37 C 定量超聲定量超聲 QUS 38 C 比DXA的技術(shù)更多樣化 無(wú)輻射 測(cè)量的不是骨密度（BMD） 定量超聲定量超聲 (QUS)

13、 39 C 定量超聲儀的多樣性定量超聲儀的多樣性 測(cè)量部位 跟骨，指骨，脛骨及多部位 傳導(dǎo) 軸向或橫向 傳導(dǎo)介質(zhì) 凝膠和水 數(shù)據(jù)采集 固定點(diǎn)和影像 不同輸出方式 不同較正方法 40 C 超聲測(cè)量參數(shù)超聲測(cè)量參數(shù) 傳播聲速 (SOS) 單位：米/秒（m/s） 取決于骨密度和彈性 信號(hào)衰減 (BUA) 單位：分貝/兆赫茲（dB/Mhz/cm） 取決于骨密度和結(jié)構(gòu)分布 41 C 定量超聲工作原理圖定量超聲工作原理圖 橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)橫向轉(zhuǎn)導(dǎo) TransmitterReceiver 跟骨跟骨 water bath Frequency Absorption Time 健康人 骨質(zhì)疏松癥骨質(zhì)疏松癥 SOS BUA

14、 ) ) Gel Courtesy of Dr. Nelson Watts 1 42 C 超聲計(jì)算出的參數(shù)超聲計(jì)算出的參數(shù) 硬度 stiffnes (GE) 定量超聲指數(shù) (Hologic) BMD預(yù)測(cè)值 (Hologic) 注：注： 硬度，硬度，QUI和估計(jì)和估計(jì)BMD專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)，不是專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)，不是 生物力學(xué)上的測(cè)量固結(jié)構(gòu)特性的硬度。生物力學(xué)上的測(cè)量固結(jié)構(gòu)特性的硬度。 43 C 學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn) 介紹并描述現(xiàn)有的骨測(cè)量設(shè)備 解釋下列儀器的工作原理： DXA 中央雙能X-線(xiàn)骨密度測(cè)量?jī)x(DXA) 外周雙能X-線(xiàn)骨密度測(cè)量?jī)x(pDXA) QCT/pQCT 定量超聲 (QUS) 現(xiàn)有骨密度測(cè)量設(shè)備的

15、準(zhǔn)確性的比較和對(duì)照 44 C 44 C 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 測(cè)量真實(shí)值的能力 準(zhǔn)確性由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)定義，它同時(shí)受 系統(tǒng)誤差（真實(shí)值）和隨機(jī)誤差（精確性）的 影響 ISO 3534:3.11 45 C 真實(shí)性真實(shí)性 測(cè)量數(shù)值真實(shí)性的能力 還沒(méi)有一個(gè)完善的方法來(lái)測(cè)量骨標(biāo)本中骨礦物質(zhì) 含量的“真正數(shù)值” 通常是以系統(tǒng)誤差(systematic difference)來(lái)表 示 真值與測(cè)量值的誤差的百分比 所有的技術(shù)都有相關(guān)的測(cè)量性誤差 FDA 510K 認(rèn)為BMD測(cè)量的誤差必須小于10% ISO 3534：3，12 46 C 真實(shí)性的確定：骨灰重法真實(shí)性的確定：骨灰重法 這是用來(lái)確定骨礦物質(zhì)含量的

16、“真正數(shù)值”的實(shí) 驗(yàn)室方法 去除骨標(biāo)本上的軟組織并干燥 放置在鈦坩鍋，并細(xì)心秤重 在火爐內(nèi)將其焚化，然后秤其剩余骨灰的重量 骨灰僅是剩下來(lái)礦物質(zhì)，因?yàn)樗衅渌奈镔|(zhì)(如， 膠原蛋白)都已經(jīng)被焚化 47 C 真實(shí)性的確定：骨灰重法真實(shí)性的確定：骨灰重法 （續(xù)）（續(xù)） 通過(guò)比較骨灰重的克數(shù)與先前使用DXA 所測(cè)量到 的骨礦物質(zhì)含量(克數(shù))來(lái)確定系統(tǒng)準(zhǔn)確性的誤差 如果DXA檢測(cè) BMC=0.95克，而骨灰重=1.0克，則 準(zhǔn)確性誤差=5% 48 C 精確性（精確性（Precision） 比較對(duì)相同物體或個(gè)人的連續(xù)測(cè)量結(jié)果 誤差是自然界隨機(jī)產(chǎn)生的 通常是以精確性誤差來(lái)表示 測(cè)量值之間的誤差百分比 活體

17、或離體（標(biāo)本）測(cè)量的評(píng)估 在監(jiān)測(cè)病人過(guò)程中，精確性對(duì)于區(qū)別出真正的 生物性變化與隨機(jī)性誤差是很重要的 ISO 3534: 3.14-3.15 49 C 精確性好 真實(shí)性好 系統(tǒng)誤差（真實(shí)性）與隨機(jī)誤差（精確性）系統(tǒng)誤差（真實(shí)性）與隨機(jī)誤差（精確性） 精確性差 真實(shí)性好 精確性好 真實(shí)性差 低準(zhǔn)確性低準(zhǔn)確性 高準(zhǔn)確性高準(zhǔn)確性 50 C 精確性真實(shí)性 誤差 (%)誤差 (%) 正位腰椎1-24-10 側(cè)位腰椎2-35-15 股骨1.5-36 前臂15 全身13 Based on Genant HK, et al. J Bone Miner Res. 1996;11:707. 中軸中軸 DXA 51 C 精確性真實(shí)性 誤差 (%)誤差 (%) 前臂1-24-6 跟骨1-24-6 手 1-25 外周