第二章骨密度测量的基础知识与工作原理2012

1、Version 10.01第第二讲二讲 骨密度测量的基础知识与工作原理骨密度测量的基础知识与工作原理ISCD 骨密度测量临床医生和技术员培训教程(CCD/CDT)2012 2学习要点学习要点介绍并描述现有的骨测量设备解释下列仪器的工作原理：DXA中轴双能X-线骨密度测量仪(DXA)外周双能X-线骨密度测量仪(pDXA)QCT/pQCT定量超声 (QUS) 现有骨密度测量设备的准确性的比较和对照 3学习要点学习要点介绍并描述现有的骨测量设备解释下列仪器的工作原理：DXA中轴双能X-线骨密度测量仪(DXA)外周双能X-线骨密度测量仪(pDXA)QCT/pQCT定量超声 (Q

2、US) 现有骨密度测量设备的准确性的比较和对照 4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轴骨中轴骨5 5C 分析 L1-L4 髂嵴在L4和L5之间 肋骨与 T12 相连DXA基础解剖概念基础解剖概念: 腰椎腰椎6 6C375位女性进行腰椎椎体个数研究，年龄50-85岁83.5% 5个腰椎 最低的肋骨与T12相连 7.5% 4个腰椎 最低的肋骨与T11或T12相连 1.9% 6个腰椎 最低的肋骨与T12或L1相连 7.2% 5个腰椎 最低的肋骨与T11相连 人类脊椎解剖差异人类脊椎解剖差异 Peel NF, et al. J Bone Miner Res 199

3、3;8:719.6个无肋骨的椎体7 7椎体形态图可帮助正确标记椎体椎体形态图可帮助正确标记椎体L5 通常看起来像领结L4 看起来像 X或HL1-L3 U-型当出现解剖异常时，请注意标记保持一致L5T128 8C 感兴趣区（测量区）为: 股骨颈 全髋 大转子 Wards 区 （不用于临床）DXA 基础解剖概念基础解剖概念: 股骨近端股骨近端9学习要点学习要点介绍并描述现有的骨测量设备解释下列仪器的工作原理：DXA中轴双能X-线骨密度测量仪(DXA)外周双能X-线骨密度测量仪(pDXA)QCT/pQCT定量超声 (QUS) 现有骨密度测量设备的准确性的比较和对照 10中轴骨和外周骨测量设备中轴骨和

4、外周骨测量设备中轴骨测量设备 两种X线原理的设备：DXA， QCT 测量髋部和腰椎 也可测量前臂和全身周围骨测量设备 两种主要测量技术：X线和超声 测量指骨、前臂或跟骨11中轴骨测量技术中轴骨测量技术双能X线骨密度测量仪(DXA)定量CT(QCT)12中轴骨中轴骨 DXA“金”标准重复性好（精确性好*）辐射剂量低在绝大多数流行病研究中使用 在绝大多数临床药物试验中使用* 见第七讲见第七讲13外周骨测量技术外周骨测量技术外周骨DXA（pDXA）单能X线吸收测量仪（SXA）定量超声（QUS）放射摄片技术（RA）外周骨QCT （pQCT）14DXA骨密度测量仪的原理骨密度测量仪的原理:吸收测量仪吸收

5、测量仪衰减指的是在X 线光束里光子(photons)数目与能量的减少（如：它的强度）衰减主要取决于组织的密度与厚度15DXA骨密度测量仪的原理（骨密度测量仪的原理（2）组织越致密，它所含有的电子就越多。 如：氢=1， 钙=20组织里电子的数目，决定了组织衰减X-线光束里的光子的能力如果衰减的程度可以被定量的话，那么组织的密度也可以被定量性地评估16用于区分骨和软组织导致的衰减入摄电子束 (Io) X-线进入的地方发射束 (I) X-线穿出的地方衰减 Io - I 依赖于x-线能量X-线的衰减线的衰减17为为什么要使用双能？什么要使用双能？在低能 (30-50 keV)下 骨衰减大于软组织衰减在

6、在高能高能 (70 keV)下 骨衰减与软组织衰减相似用于区分骨和软组织导致的衰减低能低能高能高能18双能产生方式双能产生方式K缘滤过器 (X-线滤过器) GE电压转换器 (X-线转换器) Hologic强度强度020406080100020406080 100 120 140keV转换器转换器滤滤过过器器19GE用铈(cerium)滤过器，两种能量峰值分别为40和70Kev.Norland 用钐(samarium) 滤过器，两种能量峰值为45 和 80 keVK缘滤过器需要 脉冲计数（能量区分）探测器 外校正（见第3章）双能产生方式：双能产生方式：K缘滤过器缘滤过器 20双能产生方式：双能产

7、生方式：电压转换器电压转换器Hologic用高电压发生器，以开关方式将交流电进行半周期的高低能转换能量峰值为 50 keV 和 85 keV.电压转换需要 电流整合探头 内校正（见第3章）21双能的产生与临床应用双能的产生与临床应用临床应用不受下列因素影响： 双能产生的方式 探测器的种类在比较不同厂家的设备的测量结果时有影响2222C中轴中轴DXA扫描仪组成扫描仪组成X线源，校准仪，探头软组织Courtesy of Dr. Bobo Tanner光子探光子探测测器器探探测测器校准装置器校准装置骨能源能源床面床面能源校正能源校正仪仪开关开关23笔笔束束点采集单探头采集速度慢 扫描架固定 费用低2

8、4扇扇束束线采集多探头采集速度快 宽角扇束窄角扇束25扇束带旋转扫描架的设备扇束带旋转扫描架的设备仰卧位，腰椎侧位扫描26扇束不带旋转式扫描架的设备扇束不带旋转式扫描架的设备侧卧位，腰椎侧位扫描27不同制造厂所生产的骨密度仪测得的不同制造厂所生产的骨密度仪测得的骨密度值不可比骨密度值不可比不同的双能量产生方式不同的校准器不同的探头不同的边缘探测(edge detection)软件不同的感兴趣区（ROI）28外周骨外周骨DXA（pDXA)体积小易携带辐射小扫描时间短易操作价格低29多种外周骨多种外周骨DXA设备间的差异设备间的差异测量部位 指骨(Schick) 前臂 (Norland, GE)

9、跟骨(Norland, GE) 前臂和跟骨(GE)扫描信息采集方式 笔束 (大多数) 锥束 (GE and Shick)同一扫描部位可以有不同感兴趣区 (例如跟骨) 在为什么不同设备的测量结果不可比的原因的章节中阐述30CT原理的骨密度测量仪原理的骨密度测量仪 QCTFrom Institut fur Medizinshche Physik Universitat Erlangen-Nurnberg31QCT任何市场销售的CT机型特殊软件参照体模脊椎单层扫描脊椎单层扫描髋部投照体积扫描髋部投照体积扫描32QCT 检测资料检测资料From Institut fr Medizinishche Ph

10、ysik Universitt Erlangen-Nrnberg33QCT特殊软件 感兴趣区(ROI): L1-L3 松质骨或皮质骨ROI参照体模 与患者一同扫描或分别扫描 CT衰减值 (单位:HU)经骨当量值校准 有些设备无需使用体模 34QCT体积骨密度 (mg/cm3)精确性低于前后位腰椎 DXA测量：1-3% 3D（螺旋CT）也许可改善精确度辐射剂量比DXA测量高 QCT 60 Sv (30 Sv scout, 10 Sv /单层) 中轴骨 DXA 1-5 Sv 乳腺像 450 Sv35BMC: 0.125 grams面积:0.250 cm2 BMD: 0.5g/cm20.50.50.

11、5体积密度 1 g/cm31.01.01.0体积密度 1 g/cm3BMC: 1.0 grams面积:1.0 cm2 BMD: 1.0g/cm2DXA与与QCT面积与体积密度的测量面积与体积密度的测量举例举例: 女性椎体女性椎体 男性椎体男性椎体BMD=BMC面积面积36外周骨外周骨QCT专用CT扫描仪 前臂易移动易操作与脊椎QCT相比 辐射小体积骨密度 (g/cm3)测量区（ ROI） 皮质和松质骨37定量超声定量超声 QUS38比DXA的技术更多样化无辐射测量的不是骨密度（BMD）定量超声定量超声 (QUS)39定量超声仪的多样性定量超声仪的多样性测量部位 跟骨，指骨，胫骨及多部位传导 轴

12、向或横向传导介质 凝胶和水数据采集 固定点和影像不同输出方式不同较正方法40超声测量参数超声测量参数传播声速 (SOS) 单位：米/秒（m/s） 取决于骨密度和弹性信号衰减 (BUA) 单位：分贝/兆赫兹（dB/Mhz/cm） 取决于骨密度和结构分布41定量超声工作原理图定量超声工作原理图横向转导横向转导TransmitterReceiver跟骨跟骨water bathFrequencyAbsorptionTime健康人骨质疏松症骨质疏松症SOSBUA)GelCourtesy of Dr. Nelson Watts142超声计算出的参数超声计算出的参数硬度 stiffnes (GE)定量超声指

13、数 (Hologic)BMD预测值 (Hologic)注：注： 硬度，硬度，QUI和估计和估计BMD专用术语，不是专用术语，不是生物力学上的测量固结构特性的硬度。生物力学上的测量固结构特性的硬度。 43学习要点学习要点介绍并描述现有的骨测量设备解释下列仪器的工作原理：DXA中央双能X-线骨密度测量仪(DXA)外周双能X-线骨密度测量仪(pDXA)QCT/pQCT定量超声 (QUS) 现有骨密度测量设备的准确性的比较和对照 4444C准确性准确性测量真实值的能力 准确性由国际标准组织(ISO)定义，它同时受系统误差（真实值）和随机误差（精确性）的影响ISO 3534:3.1145真实性真实性测量

14、数值真实性的能力还没有一个完善的方法来测量骨标本中骨矿物质含量的“真正数值”通常是以系统误差(systematic difference)来表示 真值与测量值的误差的百分比所有的技术都有相关的测量性误差 FDA 510K 认为BMD测量的误差必须小于10%ISO 3534：3，1246真实性的确定：骨灰重法真实性的确定：骨灰重法这是用来确定骨矿物质含量的“真正数值”的实验室方法 去除骨标本上的软组织并干燥 放置在钛坩锅，并细心秤重 在火炉内将其焚化，然后秤其剩余骨灰的重量骨灰仅是剩下来矿物质，因为所有其它的物质(如，胶原蛋白)都已经被焚化47真实性的确定：骨灰重法真实性的确定：骨灰重法（续）（

15、续）通过比较骨灰重的克数与先前使用DXA 所测量到的骨矿物质含量(克数)来确定系统准确性的误差如果DXA检测 BMC=0.95克，而骨灰重=1.0克，则准确性误差=5%48精确性（精确性（Precision）比较对相同物体或个人的连续测量结果误差是自然界随机产生的通常是以精确性误差来表示 测量值之间的误差百分比活体或离体（标本）测量的评估在监测病人过程中，精确性对于区别出真正的生物性变化与随机性误差是很重要的ISO 3534: 3.14-3.1549精确性好真实性好系统误差（真实性）与随机误差（精确性）系统误差（真实性）与随机误差（精确性）精确性差真实性好精确性好真实性差低准确性低准确性高准确性高准确性50精确性真实性 误差 (%)误差 (%)正位腰椎1-24-10侧位腰椎2-35-15股骨 1.5-3 6前臂 15全身 13Based on Genant HK, et al. J Bone Miner Res. 1996;11:707.中轴中轴 DXA51精确性真实性误差 (%)误差 (%)前臂1-24-6跟骨1-24-6手 1-25外周外周 DXABa