双能X线骨密度测量研究

1　骨密度测量的重要性

中国正在逐步进入老龄化社会,骨质疏松症与动脉硬化、高血压、糖尿病及肿瘤已并列5大老年疾病,目前我国骨质疏松症患者已达8400万人,特别是我国政府已把骨质疏松与糖尿病、老年性痴呆一起列为三大重点攻关的老年性疾病[1]。如何系列化发展国产的骨密度测量仪,并逐步把骨密度测量列为常规普查项目,已成为人们普遍关心和专家高度重视的问题。  对各种测量方法作出评估[2,3],在国产骨密度仪上改善性能指标,达到优良的性能价格比,也值得进一步深入研究。骨矿密度(Bone Mineral Density, BMD)按不同定义,有多种表示方法,如对图1所测骨体而言:设ρB为单位体积骨质的骨矿物含量,即BMDV(g/cm3);按入射X线方向,ρB在穿过部分的积分总和为BMDi(g/cm2),称为该方向的面密度;此BMDi随横向位置j的分布,称为骨矿物分布曲线;而BMDi沿j方向积分,可求得单位长度骨内总的骨矿含量BMC(g/cm);如骨横径为BW(cm),则BMC/BW为单位横径的平均骨矿物含量,称为平均面密度BMDA(g/cm2)。

2　骨密度仪的发展概况[4]

2.1　早期骨密度测量

最早的骨质密度测量是从X光底片的黑化程度上,反映出骨密度的大概定性情况,但无法给出精确的定量数值。

2.2　单光子吸收骨密度仪(Single Photon Absorptiometry,SPA)

利用骨质对γ射线的相对吸收算出骨质中的矿物质密度,能对人体骨密度作定量测量。美国Norland公司最早推出了单光子数字式骨密度测量装置(SPA),它用153Gd作源,在挠骨部位测量由该源产生的前后辐射吸收变化,根据射线与物质相互作用的吸收衰减规律

通过适当的推算,可分别求出骨密度BMDi和线密度BMC。其中I0、I分别对应于人体入射前后的γ射线强度,μm为骨质的质量衰变系数,ρ为其密度,d为透过部分骨的厚度。

这类仪器我国也有生产,典型的有北京核仪器厂FT647型单能光子骨密度计,中国原子能院的BMD-4型骨密度扫描仪和中国科技大学的GBD-928型单光子骨矿物质密度测量仪。其源为241Am,可长期使用,相对操作方便,对挠骨测定无痛无损,能给出人体手臂的骨密度值,有一定参照性。但医学实践发现,人体骨骼中含钙量降低而导致患病的主要部位是腰椎骨和髋角,而不是前臂的挠骨,再由于SPA不能扣除人体软组织对吸收测量的影响,无法直接测量脊椎、髋骨和股骨等深部骨骼,因而不能真正满足临床诊断的需要。国外SPA正逐渐被淘汰。

2.3　双能光子吸收骨密度仪(Dual Photon Absorptiometry,DPA)

它利用放射源发出两种不同能量(E1、E2)的γ射线,测量它们各自通过骨骼(B)和软组织(S)的吸收率,即

式中,I01、I02分别为两种能量(E1、E2)的入射强度,I1、I2则为透射后的输出强度,MB、MS分别为骨骼(下称B)和软组织(下称S)的面密度,μB、μS各为骨和软组织的吸收衰减系数。通过仪器的运算处理,能消去人体软组织对吸收测量的影响,可无损地测出人体深部骨骼中的骨矿含量,相对测量比较准确。美国Lunar公司最早推出了双能光子数字式骨密度仪,临床应用价值比SPA好。但所用双光子源如153Gd源的半衰期不长,需定期更换、校准,使用不便。另外,如源较弱,测量时间太长,而源增强时,成本显著增加,也不利普及。