双能X线吸收法测量膝关节骨密度及其影响因素分析

顾新丰 段敬瑞 郑昱新 钱齐荣

骨密度是临床诊断骨质疏松的重要指标，目前常用检测部位为髋部和腰部[1]。膝关节作为下肢负重的重要关节，虽然不是骨质疏松性骨折的好发部位，但它是骨关节炎、运动损伤等疾病最常见的发病部位[2]。但目前的髋部和腰椎的骨密度测量结果不能反映膝关节局部骨密度情况[2]。而对于行人工膝关节置换及交叉韧带重建患者来说，膝关节局部的骨密度的测量尤为重要，是疾病进展、围手术期随访的重要指标，对一些膝关节局部的骨质疏松也能起到早期诊断的作用。因此，对膝关节进行骨密度测定具有相当重要的临床意义[3～6]。但目前还没有商业化应用于膝关节骨密度的测定的标准模块和测量方法。

目前常用的骨密度测定方法有双能X线吸收检测(dual energy X-ray absorptiometry, DXA)、定量计算机断层照相术(quantitative computed tomography, QCT)、定量超声(quantitative ultrasound, QUS)等。由于DEXA法具有方法简单，结果可靠，有可参考的正常值范围等诸多优点，该测量方法的结果是目前公认的骨质疏松症的诊断标准[1,7,8]。现有的关于膝关节骨密度的测定的少量报道也均采用该方法[9～11]。但各家报道的方法各不相同，包括测量采用的测量软件、测量时膝关节体位、感兴趣区(regions of interest, ROI)的选择等均有差别很大。而这些差别对骨密度测量结果是否有影响，也未见详细报道。

本研究试图对采用DXA方法测量膝关节骨密度的影响因素分析，从而确定合适的膝关节骨密度具体测量方法，为该方法的标准化提供依据，以期早日用于临床。

对象与方法

1.研究对象：自2016年1月～2017年5月共纳入上海中医药大学附属曙光医院健康受试者30例，其中女性17例，平均年龄34.5±3.3(28～43)岁，平均身高161.7±5.6(151～177)cm，平均体重56.8±9.4(45～75)kg，平均体重指数23.6±3.2(20.7～30.1)kg/m2。男性13例，平均年龄36.7±10.3(26～66)岁，平均身高175.0±7.0 (161～189)cm，平均体重69.4±13.6(54～86)kg，平均体重指数24.2±4.4(21.1～31.5)kg/m2。参与者均自愿参与，排除膝关节疾病，Kellgren-Lawrence(K-L)分级≤1级。0级：正常；1级：有可疑骨赘； 2级：有明确骨赘，关节间隙可疑狭窄；3级：中等量骨赘，关节间隙明确变窄；4级：大量骨赘形成，关节间隙明显变窄。本研究经笔者医院伦理学委员会批准。

2.放射学测量:取左膝负重屈膝位X线。为了达到良好的精确度，使用跖趾关节位片(metatarso-phalangeal，MTP)。使膝关节前方与第1跖趾关节平齐，能更好的观察关节间隙。使用65kV和20mAs摄X线片。对X线片进行K-L分级[12]。

3.膝关节骨密度测量：仰卧位测量膝关节骨密度，使用GE公司的Prodigy Advanced骨密度仪，该骨密度仪有髋部、腰椎和小动物3个模块，前两者ROI不能随意选择，不适用于膝关节测量，因而选用小动物模块测量。该模块能自定义ROI，同时测量结果以骨密度绝对值(g/cm2)来表示，后期可以考虑开发出专门用于膝关节骨密度测量的模块。同时，由于目前也没有膝关节骨密度的金标准测量方法，只能测量该方法的测量者间及测量者内的重测信度，无法通过设立金标准测量方法的对照组进行效度测量。以左膝关节线为扫描中心，扫描长度120mm，包括股骨髁及胫骨结节。保持小腿与扫描床面平行，使用下肢固定器固定足于髋关节内旋15°，保持髌骨向上。分别于伸膝位和屈膝10°位各扫描1次。1周后，由同一位研究者再用相同方法，于屈膝10°复测1次。扫描后，保存数据，协同另一位研究者采用3种ROI选择方法分别进行ROI选择测量[13]。 ROI A方法采用内、外侧髁间隆突的最高点向远端延伸20mm，内外侧达胫骨髁边缘；ROI B方法采用内、外侧髁间隆突的最高点向远端延伸10mm，内外侧达胫骨髁边缘；ROI C方法采用紧贴胫骨平台内、外关节面，向下延伸10mm范围，内外侧达胫骨髁边缘(图1～图3)。从而得到两批独立数据。研究流程见图4。负责测试分析的研究者均具备国际临床骨密度测量学会(International Society for Clinical Densitometry, ISCD)审核的技术员证书，在正式开始研究之前，研究者按照前述3种方法经过>10个样本的测量分析练习以保证具有较好的熟练度。

图1 ROI A内、外侧髁间隆突的最高点向远端延伸20mm，内外侧达胫骨髁边缘

图2 ROI B内、外侧髁间隆突的最高点向远端延伸10mm，内外侧达胫骨髁边缘

图3 ROI C紧贴胫骨平台内、外关节面，向下延伸10mm范围，内外侧达胫骨髁边缘

图4 研究流程图

4.统计学方法：采用SPSS 19.0统计学软件进行统计分析：比较第1次伸、屈膝位扫描的骨密度值，用配对t检验，分析伸、屈膝对3种ROI骨密度测量的影响，以P<0.05为差异有统计学意义。计算第1、2次扫描的短期内重复测量的组内相关系数(intraclass correlation coefficient, ICC)，评价由于重新放置体位及ROI选择等因素造成的观察者内可重复性。计算第2次扫描的两位研究者间独立选择ROI后两组骨密度间的ICC，评价观察者间可重复性。ICC 等于个体的变异度除以总的变异度，通常认为ICC>0.80为一致性较好。

结 果

所有受试者均完成了第1次的伸、屈膝扫描及1周后的第2次屈膝位扫描。经3种ROI分析显示，膝关节伸屈对BMD测量结果在ROI A和B均有明显影响，对C组影响不显著,详见表1。

表1 伸、屈膝对骨密度测定的影响

同一观察者对屈膝位3种ROI的复测ICC，除ROI A组的内侧ICC值<0.8，其余组均>0.8，其中ROI C内、外侧的ICC均>0.9。说明ROI C的选取方法可重复性最高。观察者间复测ICC，所有ICC值均>0.8，说明均具有较好的可重复性，其中ROI B组相关性稍差，ROI C组ICC值最高，详见表2。

表2 观察者内、观察者间复测重复性

讨 论

通过膝关节BMD的测定能了解膝关节局部的骨质疏松情况，最近文献报道的二磷酸盐治疗一些老年患者的膝痛，该类患者可能是以膝关节骨密度减少为首要表现的骨质疏松患者[14]。而BMD测定既能起到早期诊断作用，还能对治疗效果起监测作用。另外，膝关节骨密度测定经常用于膝关节手术后的局部骨量变化，如膝关节置换、前交叉韧带重建术后。而Akamatsu等[15]研究表明，内侧/外侧髁BMD比值与内外侧骨赘、关节间隙狭窄程度、膝痛程度呈正比，因而他们认为该BMD比值是监测膝关节内侧OA患者严重程度的一个重要的潜在指标。

目前，膝关节BMD测定没有标准的测量方法，包括测量软件、测量部位、ROI的选择、正常人群的参考值、骨质疏松的判定均无标准。同时，测量方法也受多方面影响。DXA是检测诊断骨质疏松的重要标准。其利用X线球管发射高、低两种不同能量的X线穿透身体后，获得两种不同的线性衰减值，从而换算成相当于羟基磷灰石的骨密度，即为骨矿密度克数，其与被测骨面积的比值即为每平方厘米的骨骼上羟基磷灰石的克数。此种检测法可有效地评估被测者的骨密度，低于正常值2.5个标准值即可诊断为骨质疏松[1,6,16]。DXA是目前临床使用最广泛的骨密度测量方法。具有放射剂量少、测量方便快捷、检测数据精确、可重复性好等诸多优点，因而被作为骨密度测量的金标准方法。因此，本研究也采用DXA方法进行膝关节骨密度的测定。但鉴于目前还没有商业化的膝关节BMD测量软件，本研究使用小动物模型测量软件，其具有可自定义ROI的优点，也有研究者使用腰椎、前臂、髋关节假体测量软件等测量软件，但该类软件无法完全自定义ROI，因而测量比较困难[4,9～11,13]。

对于膝关节BMD测量时屈膝角度目前尚存争议，大多文献不提测量时屈膝的角度问题。Stilling等[17]研究表明不同的屈膝角度对骨密度测量结果影响较大。这在本研究中也得到证实，但对ROI C影响不明显。因此考虑伸屈膝影响BMD的主要原因可能与股骨的体位变化有关，在ROI C中，未涉及股骨侧，因而影响不大。一些研究者采用完全伸膝位，也有研究者采用屈膝5°～30°不等。由于很多OA患者存在一定程度的屈曲挛缩，无法完全伸直[15]。而且胫骨平台有一定后倾，屈膝一定角度后不仅能观察和测量膝关节间隙，而且更能确保BMD测量的信度。因此笔者建议适当屈膝10°左右，并且确保每次测量的屈膝角度相同。

ROI的选择是BMD测量的核心问题[18]。对髋、腰椎来说，有现成的软件进行选择测量。但对膝关节来说，必须要手动进行选择。确定一种简单、重复性好而又能精确反映BMD变化的ROI选择方法，显得尤为重要。腓骨、髌骨以及一些内植物如人工关节等的存在，又增加了ROI的选择难度。目前，ROI的选择的争议主要集中在大小、是否包括关节间隙和关节软骨、是否测量股骨、是否测量侧位等方面。Murphy等[19]的ROI选择不包括关节间隙，以胫骨近端和股骨远端开始分别向远、近端各7mm选取7个ROI，分别测定BMD，该选取方法简便，但未分内、外侧分别测量而且股骨测量时未考虑髌骨的影响。Akamatsu等[15]将胫骨近端分成5个正方形区域，取内侧2个ROI代表胫骨内侧骨密度，外侧2个ROI代表外侧骨密度。紧贴股骨内外侧髁远端各取1个相同的ROI，分别代表股骨内、外侧髁骨密度。该方法虽然避开了髌骨，但存在着画线困难，不能大批量测量的缺点。本研究仅测量胫骨侧BMD，3种ROI选择方法均具有画线简单、可重复性高的特点。但ROI C组受伸屈膝及股骨侧影响小，在观察者内和观察者间重复性更高，因而更适合临床应用。

当然本研究也存在一定的缺点，首先受试者病例数不多，对年龄也未分层，因此无法确定出正常参考值。考虑到临床应用的易推广性，本研究仅选取胫骨侧正位ROI，还不够全面。而且DXA法不能测量体积骨密度。

由于DXA法测量膝关节骨密度具有廉价、快捷、重复性好等诸多优点，如果能标准化操作流程及方法，制定出正常参考值，膝关节BMD测量方法有望进入临床。