第二章骨密度測量的基礎(chǔ)知識與工作原理2012

1、Version 10.01第第二講二講 骨密度測量的基礎(chǔ)知識與工作原理骨密度測量的基礎(chǔ)知識與工作原理ISCD 骨密度測量臨床醫(yī)生和技術(shù)員培訓(xùn)教程(CCD/CDT)2012 2學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)介紹并描述現(xiàn)有的骨測量設(shè)備解釋下列儀器的工作原理：DXA中軸雙能X-線骨密度測量儀(DXA)外周雙能X-線骨密度測量儀(pDXA)QCT/pQCT定量超聲 (QUS) 現(xiàn)有骨密度測量設(shè)備的準(zhǔn)確性的比較和對照 3學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)介紹并描述現(xiàn)有的骨測量設(shè)備解釋下列儀器的工作原理：DXA中軸雙能X-線骨密度測量儀(DXA)外周雙能X-線骨密度測量儀(pDXA)QCT/pQCT定量超聲 (Q

2、US) 現(xiàn)有骨密度測量設(shè)備的準(zhǔn)確性的比較和對照 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軸骨中軸骨5 5C 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 6C375位女性進(jìn)行腰椎椎體個數(shù)研究，年齡50-85歲83.5% 5個腰椎 最低的肋骨與T12相連 7.5% 4個腰椎 最低的肋骨與T11或T12相連 1.9% 6個腰椎 最低的肋骨與T12或L1相連 7.2% 5個腰椎 最低的肋骨與T11相連 人類脊椎解剖差異人類脊椎解剖差異 Peel NF, et al. J Bone Miner Res 199

3、3;8:719.6個無肋骨的椎體7 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?？雌饋硐耦I(lǐng)結(jié)L4 看起來像 X或HL1-L3 U-型當(dāng)出現(xiàn)解剖異常時，請注意標(biāo)記保持一致L5T128 8C 感興趣區(qū)（測量區(qū)）為: 股骨頸 全髖 大轉(zhuǎn)子 Wards 區(qū) （不用于臨床）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)有的骨測量設(shè)備解釋下列儀器的工作原理：DXA中軸雙能X-線骨密度測量儀(DXA)外周雙能X-線骨密度測量儀(pDXA)QCT/pQCT定量超聲 (QUS) 現(xiàn)有骨密度測量設(shè)備的準(zhǔn)確性的比較和對照 10中軸骨和外周骨測量設(shè)備中軸骨和

4、外周骨測量設(shè)備中軸骨測量設(shè)備 兩種X線原理的設(shè)備：DXA， QCT 測量髖部和腰椎 也可測量前臂和全身周圍骨測量設(shè)備 兩種主要測量技術(shù)：X線和超聲 測量指骨、前臂或跟骨11中軸骨測量技術(shù)中軸骨測量技術(shù)雙能X線骨密度測量儀(DXA)定量CT(QCT)12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* 見第七講見第七講13外周骨測量技術(shù)外周骨測量技術(shù)外周骨DXA（pDXA）單能X線吸收測量儀（SXA）定量超聲（QUS）放射攝片技術(shù)（RA）外周骨QCT （pQCT）14DXA骨密度測量儀的原理骨密度測量儀的原理:吸收測量儀吸收

5、測量儀衰減指的是在X 線光束里光子(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15DXA骨密度測量儀的原理（骨密度測量儀的原理（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-線光束里的光子的能力如果衰減的程度可以被定量的話，那么組織的密度也可以被定量性地評估16用于區(qū)分骨和軟組織導(dǎo)致的衰減入攝電子束 (Io) X-線進(jìn)入的地方發(fā)射束 (I) X-線穿出的地方衰減 Io - I 依賴于x-線能量X-線的衰減線的衰減17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

6、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雙能產(chǎn)生方式雙能產(chǎn)生方式K緣濾過器 (X-線濾過器) GE電壓轉(zhuǎn)換器 (X-線轉(zhuǎn)換器) Hologic強(qiáng)度強(qiáng)度020406080100020406080 100 120 140keV轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器濾濾過過器器19GE用鈰(cerium)濾過器，兩種能量峰值分別為40和70Kev.Norland 用釤(samarium) 濾過器，兩種能量峰值為45 和 80 keVK緣濾過器需要 脈沖計數(shù)（能量區(qū)分）探測器 外校正（見第3章）雙能產(chǎn)生方式：雙能產(chǎn)生方式：K緣濾過器緣濾過器 20雙能產(chǎn)生方式：雙能產(chǎn)

7、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（見第3章）21雙能的產(chǎn)生與臨床應(yīng)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 探測器的種類在比較不同廠家的設(shè)備的測量結(jié)果時有影響2222C中軸中軸DXA掃描儀組成掃描儀組成X線源，校準(zhǔn)儀，探頭軟組織Courtesy of Dr. Bobo Tanner光子探光子探測測器器探探測測器校準(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關(guān)開關(guān)23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2

8、4扇扇束束線采集多探頭采集速度快 寬角扇束窄角扇束25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扇束不帶旋轉(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不同制造廠所生產(chǎn)的骨密度儀測得的不同制造廠所生產(chǎn)的骨密度儀測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(edge detection)軟件不同的感興趣區(qū)（ROI）28外周骨外周骨DXA（pDXA)體積小易攜帶輻射小掃描時間短易操作價格低29多種外周骨多種外周骨DXA設(shè)備間的差異設(shè)備間的差異測量部位 指骨(Schick) 前臂 (Norland, GE)

9、跟骨(Norland, GE) 前臂和跟骨(GE)掃描信息采集方式 筆束 (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)備的測量結(jié)果不可比的原因的章節(jié)中闡述30CT原理的骨密度測量儀原理的骨密度測量儀 QCTFrom Institut fur Medizinshche Physik Universitat Erlangen-Nurnberg31QCT任何市場銷售的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32QCT 檢測資料檢測資料From Institut fr Medizinishche Ph

10、ysik Universitt Erlangen-Nrnberg33QCT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)備無需使用體模 34QCT體積骨密度 (mg/cm3)精確性低于前后位腰椎 DXA測量：1-3% 3D（螺旋CT）也許可改善精確度輻射劑量比DXA測量高 QCT 60 Sv (30 Sv scout, 10 Sv /單層) 中軸骨 DXA 1-5 Sv 乳腺像 450 Sv35BMC: 0.125 grams面積:0.250 cm2 BMD: 0.5g/cm20.50.50.

11、5體積密度 1 g/cm31.01.01.0體積密度 1 g/cm3BMC: 1.0 grams面積:1.0 cm2 BMD: 1.0g/cm2DXA與與QCT面積與體積密度的測量面積與體積密度的測量舉例舉例: 女性椎體女性椎體 男性椎體男性椎體BMD=BMC面積面積36外周骨外周骨QCT專用CT掃描儀 前臂易移動易操作與脊椎QCT相比 輻射小體積骨密度 (g/cm3)測量區(qū)（ ROI） 皮質(zhì)和松質(zhì)骨37定量超聲定量超聲 QUS38比DXA的技術(shù)更多樣化無輻射測量的不是骨密度（BMD）定量超聲定量超聲 (QUS)39定量超聲儀的多樣性定量超聲儀的多樣性測量部位 跟骨，指骨，脛骨及多部位傳導(dǎo) 軸

12、向或橫向傳導(dǎo)介質(zhì) 凝膠和水?dāng)?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超聲測量參數(shù)超聲測量參數(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 bathFrequencyAbsorptionTime健康人骨質(zhì)疏松癥骨質(zhì)疏松癥SOSBUA)GelCourtesy of Dr. Nelson Watts142超聲計算出的參數(shù)超聲計算出的參數(shù)硬度 stiffnes (GE)定量超聲指

13、數(shù) (Hologic)BMD預(yù)測值 (Hologic)注：注： 硬度，硬度，QUI和估計和估計BMD專用術(shù)語，不是專用術(shù)語，不是生物力學(xué)上的測量固結(jié)構(gòu)特性的硬度。生物力學(xué)上的測量固結(jié)構(gòu)特性的硬度。 43學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)介紹并描述現(xiàn)有的骨測量設(shè)備解釋下列儀器的工作原理：DXA中央雙能X-線骨密度測量儀(DXA)外周雙能X-線骨密度測量儀(pDXA)QCT/pQCT定量超聲 (QUS) 現(xiàn)有骨密度測量設(shè)備的準(zhǔn)確性的比較和對照 4444C準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性測量真實(shí)值的能力 準(zhǔn)確性由國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)定義，它同時受系統(tǒng)誤差（真實(shí)值）和隨機(jī)誤差（精確性）的影響ISO 3534:3.1145真實(shí)性真實(shí)性測量

14、數(shù)值真實(shí)性的能力還沒有一個完善的方法來測量骨標(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)來表示 真值與測量值的誤差的百分比所有的技術(shù)都有相關(guān)的測量性誤差 FDA 510K 認(rèn)為BMD測量的誤差必須小于10%ISO 3534：3，1246真實(shí)性的確定：骨灰重法真實(shí)性的確定：骨灰重法這是用來確定骨礦物質(zhì)含量的“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真實(shí)性的確定：骨灰重法真實(shí)性的確定：骨灰重法（續(xù)）（

15、續(xù)）通過比較骨灰重的克數(shù)與先前使用DXA 所測量到的骨礦物質(zhì)含量(克數(shù))來確定系統(tǒng)準(zhǔn)確性的誤差如果DXA檢測 BMC=0.95克，而骨灰重=1.0克，則準(zhǔn)確性誤差=5%48精確性（精確性（Precision）比較對相同物體或個人的連續(xù)測量結(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表示 測量值之間的誤差百分比活體或離體（標(biāo)本）測量的評估在監(jiān)測病人過程中，精確性對于區(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: 3.14-3.1549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 1.5-3 6前臂 15全身 13Based on Genant HK, et al. J Bone Miner Res. 1996;11:707.中軸中軸 DXA51精確性真實(shí)性誤差 (%)誤差 (%)前臂1-24-6跟骨1-24-6手 1-25外周外周 DXABa