一、简介

骨质疏松症是一种以骨矿物质密度( BMD )低下和骨组织微结构恶化为特征的骨病[ 1 ]。双能X射线骨密度仪(DXA )测量BMD被世界卫生组织(WHO)工作组定义为金标准，临床用于诊断骨质疏松症[ 2 ]。骨密度显然是骨强度和骨折风险的主要决定因素之一[ 3 ][ 4 ][ 5 ]，但有时通过骨密度评估骨折风险可能仍然缺乏足够的敏感性[ 6 ]。显然，除此之外还有其他因素BMD可以解释骨强度和骨折风险。它们可能包括骨微结构、骨几何形状和其他骨骼外因素 [ 6 ]。标准 DXA 测量可能无法完全解释具体参考骨微结构的小梁结构，已知会影响骨脆性，但已经提出了替代方法，例如小梁骨评分 ( TBS )，以克服这一问题限制[ 6 ][ 7 ][ 8 ]。TBS最初被定义为通过最小二乘回归线计算评估的 2D 投影图像的双对数表示原点处的斜率，并且是一种新颖的纹理参数，用于评估 DXA 腰椎或人类股骨图像中的像素灰度局部变化可能与骨微结构和脆性骨折风险直接相关[ 6 ]，并可能提高老年人主要骨质疏松性骨折的预测准确性[ 8]。]。从概念上讲，密集的小梁网络与强机械骨强度相关，产生的投影图像具有许多小幅度的精细灰度纹理变化，因此具有陡峭的斜率。相反，松散的小梁网络与较弱的机械骨强度相关，产生的投影图像具有较少的大幅度的精细灰度级纹理变化，因此斜率较浅。此外，小梁骨的机械和结构特性通常是各向异性的而不是各向同性的 [ 9 ][ 10]，这是通过遵循特定测试方向的骨小梁机械行为的变化观察到的。骨小梁的各向异性与这些变化相对应，可以考虑预测骨折风险。在我们之前的论文[ 11 ]中，我们只研究了数字X射线图像沿垂直于前臂方向的初始变差斜率。本研究首先分别计算沿垂直于前臂方向的骨小梁评分值TBS x和沿平行于前臂方向的骨小梁评分TBS y 。TBS x和TBS y的统计进行了计算和分析。TBS y / TBS x的比率用于研究骨小梁的各向异性。如果该比率偏离1，骨小梁将表现出更大的各向异性；反之，如果该比值越接近1，则其各向同性越大。该各向异性随受试者的BMD和年龄而变化，将被报告。

2。材料和方法

学习科目

为了研究位于超远端半径处的骨小梁的TBS x和TBS y特性，招募并参与了BMD测量项目的 98 名男性和 128 名女性成年人的放射线和BMD数据对中国两家医院的放射技师进行的骨质疏松症评估进行了回顾性研究[ 11 ]。参与者最初是通过详细的问卷、病史和体检进行筛选的。他们的年龄从23岁到87岁不等，平均年龄62岁。如果参与者有前臂外伤和癌症病史，则被排除在外。

如图1所示，典型的超远半径数字X射线图像是通过使用商用数字射线照相系统获得的。这些数字X射线图像可以定性地显示由于骨骼微结构恶化而导致的正常骨骼和异常骨骼之间的图像纹理差异。作为四肢 X 射线成像的典型设置，这些数字 X 射线图像的采集参数设置为 55 kVp和 10 mAs（100 mA和 100毫秒），特定 SID（源到图像距离）为100 cm，X 射线焦点为 0.6 mm。没有使用任何附加的X射线过滤。根据探测器规格，数字图像探测器有 3 k × 3k个像素矩阵，像素大小为0.139mm，图像信号的灰度深度为12位。为了减少X射线成像的跟效应，将感兴趣区域（ROI）放置在X射线束的中心（X射线图像的原始点周围）。

使用运行 enCORE 软件版本 13.31 的 GE Lunar Prodigy DXA 扫描仪（GE Healthcare，麦迪逊，威斯康星州）对所有参与者进行超远端半径的BMD测量，该软件旨在使 DXA 更加强大 [ 12 ]。在研究过程中，DXA 扫描仪使用 GE Lunar 铝制脊柱模型进行校准，以避免显着漂移和/或偏移对我们的研究产生任何影响。对于骨密度测量时，每个受试者都被要求坐在扫描台旁边的椅子上，没有任何手臂或轮子。要求受试者在扫描过程中保持前臂不动，并且前臂与工作台的长轴平行地进行扫描。根据制造商提供的操作手册，扫描范围为从手腕中心到前臂近端。

3. 结果

参与者特征

在228名受试者中，43%为男性（98/228），平均年龄为57.7±19.5岁，57%为女性（130/228），平均年龄为65.3±13.3岁。桡骨超远端骨密度男性为0.522±0.088 g/cm 2，女性为0.350±0.103 g/cm 2。男性和女性的超远端半径的平均TBS x均为 1.081 ± 0.096 cm -1 。男性超远端半径的平均TBS y为1.184 ± 0.071 cm -1 ，男性和女性均为1.163 ± 0.069 cm -1 。TBS x和TBS y之间的 Pearson 相关系数对于位于超远端桡骨的骨小梁来说，其值为0.72( p <0.001)，如图4所示。TBS y / TBS x的比值与受试者的BMD呈轻微的正相关，如图5所示，与受试者的年龄呈轻微的负相关，如图6所示，并且随着受试者年龄的增加，TBS y / TBS x 的比值将趋近于 1 ，如图6所示。这些结果表明，位于超远端半径的更健康的骨小梁将具有更大的各向异性。

4。讨论

骨质疏松症被定义为一种全身性骨骼疾病，其特征是骨量密度低和骨组织微结构退化，骨脆性增加以致骨折。目前的研究表明，骨密度的下降往往伴随着骨微结构的恶化。波托等人。引入了一个称为骨小梁评分（TBS）的参数，它是一种纹理指数，用于评估 DXA 扫描仪获取的人体腰椎骨小梁二维投影图像的像素灰度变化[ 6 ]，提供小梁结构的间接指数。TBS被定义为变差函数的双对数变换的初始斜率，它描述了方差相对于滞后距离的变化率。观察到TBS与人类股骨和腰椎骨小梁的微结构参数（例如骨体积分数和小梁数量）之间存在显着相关性 [ 6]。密集的小梁结构产生的二维图像具有大量小幅度的像素值变化，因此在变差函数的原点处有陡峭的斜率和高TBS值。相反，恶化的骨骼结构的 2D 投影生成的图像具有少量高振幅的像素值变化，因此在变差函数原点处具有温和的斜率和较低的 TBS。研究发现TBS与BMD呈正相关，并随着年龄的增长而降低[ 6 ]。

更多研究发现骨小梁微结构显示了小梁网络的空间组织和形态。骨小梁的各向异性也可用于预测骨折风险[ 14 ]。已使用不同的方法来研究小梁射线照片上结构各向异性的特征。股骨颈X线照片采用半定量指数[ 15 ]。该指数基于股骨颈中存在的几个小梁弓。一些牙弓会随着年龄和骨质疏松症而优先消失，对这些牙弓系统的计数可用于确定半定量指数。提出了骨射线照片的分形分析[ 16]。测量的参数提供图像不规则性的整体评估作为粗糙度的指标。首先将最大似然估计器应用于特定方向。然后，以 10 度为步长在 36 个方向上重复该过程。定向结果可以用极坐标图来表示，极坐标图本身可以拟合椭圆；可以表征极坐标图的形状以确定纹理各向异性。快速傅立叶变换（FFT）应用于小梁骨射线照片中的感兴趣区域，所有FFT谱涉及分别对应于纵向和横向小梁的水平和垂直分量[ 10 ]。

在本文中，沿着垂直和平行于前臂的方向的定向骨小梁评分TBS x和TBS y是根据位于超远端半径的小梁的X射线图像计算的。TBS x和TBS y的比值用于评价骨小梁的各向异性。

目前的研究结果表明，TBS的各向异性有潜力用于定量评估超远端桡骨微观结构的年龄相关和/或病理变化，这可能会影响骨脆性。如果应用本研究提出的TBS各向异性，可以直接对常规临床实践中获得的投影X射线图像进行定量评估。除了如当前研究所示量化超远端半径的微观结构外，TBS的各向异性也可用于定量评估其他小梁骨的微观结构。这项研究的总体目的是了解放射学确定的骨小梁微结构是否可以提高临床医生估计患者骨质疏松性骨折风险的能力，而不仅仅是仅使用骨量测量获得的结果。

5. 局限性

这项研究有几个局限性。首先，由于临床环境中沿投影方向的厚度变化，位于超远端半径的骨小梁的不规则形状可能会产生不均匀的骨图像。二、 BMD的所有测量本研究中报告的数据是从 GE Lunar Prodigy DXA 扫描仪获得的，因此由于不同 DXA 扫描仪的超远端半径站点，我们的研究结果不一定可以推断到其他制造商的扫描仪。不同扫描仪的 ROI 可能略有不同。第三，需要开发 X 射线图像采集程序的标准化设置，因为 X 射线探测器接收到的图像信号取决于 X 射线的能量和强度。这应包括开发与数字探测器特性相关的自动补偿技术，以及产生良好再现性的方法。在当前的研究中，我们仅分析了小梁骨的图像，没有处理任何皮质骨的图像。

六，结论

这项研究的结果表明，位于超远端半径的更健康的骨小梁将具有更大的各向异性。小梁骨纹理各向异性的成像分析可能在骨质疏松症和骨骼健康的研究中发挥替代作用。