基于髋部和脊柱定量CT有限元分析...
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年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。 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。异常睡眠
FEA方法学概述
湖南工业职业技术学院学报有限元(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效果。 在骨骼方面，μFE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-displacement 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。异硫氰酸荧光素
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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)相一致的内涵变量，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。
一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)。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。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一种分析解法。
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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。
1. 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一观点，发现在同一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。肖斯塔科维奇第五交响曲
2. 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。
3. 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。
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