基于随机场理论提取DXA图像三维结构特征参数及骨质疏松评估的方法研究

Dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) is the most widely used clinical mean to diagnose osteoporosis. However, both clinical pratice and research showed that Bone mineral density (BMD) is not sufficient to predict bone fracture risk. Bone microstructure is an essential factor to be considered during diagnosis of osteoporois. This study will develop the method to extract the three-dimensional structural parameters and improve the accuracy to predict osteoporotic fracture. First, we will start with obtaining characteristic parameters of vertebra using the stochastic theory. Second, we will investigate the relation between the parameters and bone structures, such as bone volume fraction, trabecular thickness, number and spacing. Third, we will conduct compressive progressive loading and fatigue loading, and reveal how the change of bone structure influences the elastic modulus, strength, plastic deformation, and constitutive relation of vertebra. Finally,we will apply the technique to compare with the clincial data available in our hospital to test its efficacy and provide a new way to better predict osteoporotic fracture.

目前骨质疏松评估主要是依据骨密度值，然而大量临床案例表明，仅依靠骨密度值，难以准确预测骨质疏松引起的骨折风险，还需进一步引入重要的骨微结构信息。本项目认为，临床骨密度测量（DXA）得到的X射线二维投影图像蕴含着骨的三维结构信息，因此将对骨三维结构特征参数的提取方法及其在预测骨质疏松骨折风险方面的应用进行理论和实验研究。首先，将利用随机场理论，研究从DXA图像提取骨三维结构参数的方法，重点提取两个参数，它们分别表征微观结构的特征尺寸及其分布特征；其二，研究这两个参数与骨体积比、骨小梁结构之间的关系；其三，采用实验和理论方法，进行累进压缩和疲劳压缩实验，将微观结构和宏观力学测量观察相结合，探究骨三维结构参数对骨的弹性模量、塑性屈服、强度极限等的影响规律，并基于实验结果推导引入特征参数的椎体骨本构关系；其四，与本科室临床数据比较，初步验证该方法的有效性，为提高临床骨折风险预测的准确性提供新思路。

双能X射线（DXA）测量的骨密度是目前临床诊断骨质疏松和预测骨质疏松骨折风险的金标准。但临床实践表明，仅依靠骨密度值，常导致骨质疏松诊断与骨折风险评价较大偏差，成为骨科临床的难题。本项目首先证实了临床DXA测得的骨密度精度足够，其诊断不准确可能不是由于精度的问题，而是忽略了骨微结构等重要骨质量信息。本项目针对37个人体椎体标本（来源于19个捐献者），利用随机场理论对DXA原始数据进行分析，不局限于骨密度的数值，而是关注其分布，旨在反映骨结构特点，从而获取全新的特征参数c和L。两个参数与年龄均没有相关性，两个参数中只有c与骨密度值具有一定相关性。利用显微CT技术获取椎体骨真实的微结构信息，将特征参数与显微CT得到的多个骨小梁结构参数进行比较，明确与骨小梁结构参数具有相关性的特征参数。利用生物力学对椎体骨进行压缩实验获取椎体骨真实力学性能，将特征参数与生物力学测试得到的力学性能进行比较，明确与椎体骨最大承载具有相关性的特征参数。在所得到的两个特征参数中，参数c包含了更多的椎体骨结构信息，与力学性能更具相关性，可能是未来提高骨质疏松诊断和骨折风险预测准确性的希望。在研究过程中还发现，骨质疏松不仅削弱骨骼性能，同时会造成软骨退变。研究显示，无论是骨质疏松引起骨流失时，还是骨质疏松治疗药物维生素D补充引起的骨生长时，其上的软骨均发生相应的改变。因此，骨骼作为软骨力学基底所起到力学作用不可忽视，值得进一步研究。虽然本项目研究结果应用于临床尚需要开展较大范围的临床研究，确定特征参数是否可以独立用来预测骨质量，或是需要与骨密度以某种模型来共同诊断，但研究结果为未来骨质疏松诊断准确性的提高提供了新的参考。