绝经后女性腰椎vQCT及FEA对骨强度的研究

论文摘要

目的应用vQCT技术测量绝经后女性腰椎容积性BMD并行DXA测量，评价两种检查方法对骨质疏松骨折的预测能力；创建腰2～4节段三维有限元模型，模拟生理载荷下腰椎应力分布，分析骨质疏松及椎间盘退变对应力分布的影响；计算不同程度骨质疏松者骨折小梁比例，探讨有限元法评估骨强度的应用价值：对比vQCT与FEA预测骨折风险的能力，为临床应用影像学方法评估骨强度提供依据。资料与方法1．选取绝经后妇女118例，按腰椎DXA骨密度＞M-1SD、M-1SD～M-2SD、＜M-2SD不伴椎体骨折及伴椎体骨折分为四组。应用GE Light Speed16型MSCT对腰2～4椎体行容积扫描及椎体中轴面扫描，用配套QCT软件测量椎体小梁骨密度（2D-TRAB），将容积扫描数据传输到ADW4.2工作站行VR及MPR处理，利用直方图功能测量容积性BMD，包括整体骨BMD（3D-INT）、皮质骨BMD（3D-COR）、小梁骨BMD（3D-TRAB）。测量CT值分别为60Hu、80Hu、100Hu、120Hu～400Hu的骨小梁容积比例，作为表观骨容量／总容量（AppBV／TV％）。2．选取一例正常女性，将容积扫描原始数据重建成层厚1.25mm轴位图像，用MATLAB及ANSYS软件，创建正常人腰2～4节段的三维有限元模型。3．选取正常、骨质疏松及骨质疏松伴骨折病人各10例，将3D-TRAB、3D-COR代入有限元模型，模拟生理载荷下腰椎应力分布，分析骨质疏松及椎间盘退变对腰椎应力分布的影响；计算椎体内应变≥5000μstrain的骨小梁体积占骨小梁总体积的比例，作为骨折小梁比例F％。4．统计学处理：应用SPSS11.5软件包，比较各组间上述各参数的差异，采用方差分析及协方差分析；比较腰椎间盘退变对骨折小梁比例的影响，进行配对资料T检验；以P＜0.05作为显著性检验水准。对AP-SPINE、2D-TRAB、vBMD、App BV／TV％及F％进行相关与回归分析；经ROC曲线分析2D-TRAB、3D-TRAB、3D-INT、App BV／TV％区分骨折与非骨折的能力。结果1第一部分1．1 2D-TRAB、3D-INT、3D-TRAB、App60BV／TV％、App80BV／TV％、App100BV／TV％、App120BV／TV％骨质疏松伴骨折组明显低于骨质疏松组（P＜0.01）；3D-COR、AP-SPINE、NECK、TROCH、WARD骨质疏松组与骨质疏松伴骨折组间差异无统计学意义（P值分别为0.794、0.863、0.148、0.167、0.144）。1．2总体资料中，AP-SPINE与2D-TRAB、3D-INT、3D-TRAB、3D-COR间相关性均有显著统计学意义（P=0.000），AP-SPINE与3D-INT相关程度最高（R2=0.618）；App BV／TV％与3D-TRAB、2D-TRAB间相关性均有显著统计学意义（P=0.000），App120BV／TV％与3D-TRAB间相关程度最高（R2=0.958）。骨质疏松组AP-SPINE仅与3D-COR间相关系数有统计学意义（R2=0.189）；App BWTV％与3D-TRAB、2D-TRAB间相关系数有显著统计学意义（P=0.000），App60BV／TV％与3D-TRAB间相关程度最高（R2=0.955）。1．3 2D-TRAB、3D-INT、3D-TRAB中3D-INT的AUC最大（0.902），诊断阈值为116.48（敏感度85.7％，特异度75.6％）。AppBV／TV％中App60BV／TV％的AUC最大（0.864），诊断阂值为71.5（敏感度78.6％，特异度82.2％）。1．4 vBMD的测量精度为0.70％～2.25％，App60BV／TV％测量精度最高，两次测量值间精度为0.25％，测量者间精度为0.48％，有利于骨质疏松的疗效监测。2第二部分2．1在正常椎间盘状态下，腰3椎体内应力分布呈三维“工”字形结构，上下终板附近应力水平较高，其次是椎体中心部位，随着骨质疏松程度的增加，小梁骨内高应变区逐渐增加，骨折小梁比例增加，易骨折部位位于小梁中心区域。椎间盘退变后，高应变区向椎体周围转移，以椎体前缘皮质下方为著，骨质疏松伴骨折组骨折小梁比例明显减少（约83.6％）。2．2正常组腰3椎体骨折小梁比例为0.0％，骨质疏松组为0.235％，骨质疏松伴骨折组为21.9％，骨质疏松伴骨折组明显大于正常及骨质疏松组，差异有统计学意义，P值为0.000。2．3 vBMD与F％相关性有显著统计学意义，相关系数为-0.679～-0.861，其中App60 BV／TV％与F％的相关程度最高。结论1．QCT尤其是3D-vQCT可以区分骨质疏松及骨质疏松性骨折，预测骨折风险，其中3D-INT的诊断效果最好。2．App BV／TV％可以反映骨质疏松者骨小梁丢失程度，预测骨折风险，其中App60BV／TV％的诊断效果最好。3．vQCT测量精度高，尤以App60BV／TV％为著，有利于骨质疏松的疗效监测。4．利用MSCT容积扫描图像成功创建了腰2～4椎体有限元模型，可用于模拟腰椎生物力学的研究，为临床诊断骨质疏松、预测骨折风险及骨强度提供较重要的理论依据。5．正常椎间盘状态下，骨质疏松者易骨折部位位于椎体中部。腰椎间盘退变后，椎体内高应变区向周围转移，椎体中部骨折小梁比例减小。6．FEA测量骨折小梁比例与vQCT测量的vBMD值间呈负相关，FEA对评价骨质疏松者骨强度具有重要的临床应用价值。创新点1．在MSCT基础上，应用vQCT技术测量绝经后女性腰椎容积性BMD，分析椎体骨小梁数量的变化，与DXA对比分析其对骨强度的预测价值。2．首次应用16排-MSCT容积扫描数据，创建腰2～4椎体节段三维有限元模型，模型精度高，几何相似性好，适应性强，易于模拟腰椎生理特点。3．国内首次用有限元法模拟不同程度骨质疏松及不同椎间盘状态对腰椎应力分布的影响，为预测骨强度及骨折危险部位提供了依据。4．将vQCT与FEA结合进行骨质疏松症骨强度及预测骨折风险的临床评估，为应用影像学方法对骨质疏松症骨强度评价提供可靠的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 英文缩略词表
• 前言
• 第一部分:绝经后女性腰椎vQCT的定量研究
• 资料与方法
• 结果
• 讨论
• 结论
• 第二部分:绝经后女性腰椎有限元分析
• 资料与方法
• 结果
• 讨论
• 结论
• 参考文献
• 文献综述
• 致谢