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1、华中科技大学 博士学位论文 骨折愈合影像定量评价的研究 姓名：潘晓华 申请学位级别：博士 专业：骨科 指导教师：杨述华;肖德明 20090401 2 华华 中 科中 科 技技 大 学 博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 骨折愈合影像定量评价的研究骨折愈合影像定量评价的研究 中中 文文 摘摘 要要 第一部分 骨折愈合定量 CT(QCT)评价的有效性 第一部分 骨折愈合定量 CT(QCT)评价的有效性 目的：目的：探讨定量 CT(QCT)评价骨折愈合的有效性和准确性。 方法：方法：将 24 只健康新西兰兔,随机分成 2 组:A 组（骨折愈合组，右胫骨 中段横形骨折、克氏针内固定）和
2、 B 组（不愈合组，右胫骨中段横断骨 折，制作 5mm 骨缺损后以骨蜡封填断端和髓腔）,分别于第 2、4、8、12 周各处理 3 只：行两侧胫骨的 X 线摄片及拔出克氏针、定量 CT 检测，其 后处死、将骨折段取下行组织学分析（以健侧胫骨相应节段为对照） ；以 X 线摄片和组织学表现为骨折愈合及不愈合的金标准， 以统计学方法 （受 试者工作特征曲线 ROC）分析定量 CT 检测参数的评价效能，并以健侧胫 骨相应节段为对照、观察定量 CT 参数结果的变化趋势。 结果：结果：A 组：X 线摄片和组织学证实骨折在第 2、4 周骨折线清晰、为纤 维骨痂填充，第 8 至 12 周骨折线模糊至消失，骨皮质
3、恢复完整连续性； B 组：X 线摄片和组织学表现为在第 2、4 周骨折线清晰，骨化不活跃， 第 8 至 12 周骨折线仍存在，骨细胞和骨小梁稀少；定量 CT 检测结果经 ROC 分析，材料学参数骨痂骨密度（BMD） 、骨痂骨矿含量(BMC)的曲线下 面积（准确度）为 0.781Vs0.750, 结构学参数横截面积（CSA）和截面 惯性矩(CSMI)的曲线下面积（准确度）为 0.781vs0.469(p0.05)，材 料学参数和结构学参数乘积引伸所得的力学强度参数-横截面积力学强 3 华华 中 科中 科 技技 大 学 博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 度指数 BSICSA、截面
4、惯性矩力学强度指数 BSICSMI的曲线下面积（准确度） 为 0.913vs0.813(p0.05), 骨痂骨密度（BMD） 、横截面积（CSA）、横 截面积力学强度指数 BSICSA三者相比较曲线下面积（准确度）为 0.905 vs0.921 vs 0.905(p0.0 5),各参数值均呈现随着骨折愈合与不愈合 的进程出现上升或下降的表达趋势(p0.05)。 结论:结论:定量计算机断层扫描CT(QCT)技术测量骨折局部形态具有区分和反 映骨折愈合与骨折不愈合模型及过程的潜能，所筛选出具有准确度的参 数有骨痂骨密度(BMD)、横截面（CSA）和横截面力学强度指数(BSICSA)， 这些参数具有
5、和传统 X 线平片诊断相一致的评价效能，并具有准确、特 异的优越性。 第二部分 定量 CT(QCT)参数结果和骨折组织结构和力学特性的相关性 第二部分 定量 CT(QCT)参数结果和骨折组织结构和力学特性的相关性 目的： 目的： 探讨和评估定量 CT(QCT)参数结果和骨折端组织结构及力学特性 参数的相关性。 方法：方法：将 60 只 4 月龄健康新西兰兔,于其胫骨中段制造横行骨折、克氏 针内固定模型，随机分成 4 组,分别于第 2、4、8、12 周组处理：行两侧 胫骨的 X 线摄片及拔出克氏针、定量 CT 扫描检测，其后处死、以健侧胫 骨为对照、取 7 对标本行激光共聚焦显微镜分析新骨形成率
6、及骨组织形 态计量学分析骨小梁体积分数和骨小梁数，8 对标本进行生物力学四点 4 华华 中 科中 科 技技 大 学 博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 弯曲试验测量载荷及刚度，将定量 CT 参数结果与相应组织学、生物力学 参数结果进行统计学回归分析。 结果：结果：第 2、4、8、12 周组骨折模型的骨小梁体积分数、骨小梁数、新 骨形成率和载荷及刚度均现出显著统计学差异(p0.05)， 均反映出骨折 段的组织学和生物力学变化的过程，定量 CT 参数骨痂骨密度（BMD） 、横 截面积（CSA）及骨折端横截面力学强度指数 BSI（CSA）也表现出显著统计 学差异( p 0.05)，相
7、关分析表明 QCT 参数-横截面、骨密度及骨力学 强度指数（BSICSA）和新骨形成率(BFR)、组织计量学指标骨小梁的体积 比和数目呈显著正相关(r 分别为 0.500.90, p Eta time. Conclusions:The LIUPS can effectively accelerate the fracture hea1ing process，CSA and BMD at the fracture site assessed by QCT may serve as quantitative indices in evaluation of distal radius fractu
8、re healing , showing the potential diagnostic superiority of precision, substantivity and sensitivity. 【Key words】quantitative computed tomography(QCT); Distal radius; fracture healing; low-intensity ultrasound (LIUS) 1 华华 中 科中 科 技技 大 学 博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 缩略语缩略语 BMC bone mineral content BMD b
9、one mineral density CT computer tomographie DEXA dual energy x-ray absortiometry QCT quantitative Computertomographie CSA cross sectional area CSMI cross sectional moment of inertia BSICSA CSA Bone Strength Indices BSICSMI CSMI Bone Strength Indices ROC the receiver operating charcteristic curve CLS
10、M Confocal Laser Scanning Microscopy BFR bone formation ratio BV/CV bone volumn ratio TB.N trabecular number LIUS low-intensity ultrasound ROI range of interesting 独创性声明独创性声明 本人郑重声明， 本学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 的总结。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完
11、全意识到本人将承担本声明引起的一切法律后果。 学位论文作者签名： 潘晓华 日期：2009 年 5 月 10 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 2009 年 5 月 10 日
12、 日期：2009 年 5 月 10 日 12 华华 中 科中 科 技技 大 学 博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 正 文 正 文 前 言 前 言 骨折后，骨开始愈合，血管与结缔组织自骨外膜移至骨折区，形成 一个稠密的纤维组织袖环绕骨折处称骨痂，以稳定该区域。骨痂将明显 地增大骨折断端的面惯性力矩和极惯性力矩，以期于愈合阶段增加骨对 弯曲和扭转的强度和刚度。当骨折已愈合，骨逐渐恢复其正常强度骨痂 袖逐渐消失，骨乃恢复其正常大小和形态，如何客观、准确反映这一过 程是目前骨科领域的薄弱环节和研究热点。 现在的评价金标准是根据临床症状、体征和X线平片的综合评估，因 患者和检查者主、客
13、观因素的差异，对骨折愈合评价具有不确切性，X 线平片虽然可以显示出骨折端的骨痂、骨皮质连续性和骨髓腔相通的形 态改变，但不能量化反映出其进程及生物力学强度的量值变化，其成像 效果还会受到多种因素干扰。X线图像是X线束穿透某一部位不同密度和 厚度组织结构后的投影总和，是该穿透路径各层投影相互叠加在一起的 影像。正位X线投影中，前、中和后部的组织结构重叠的结果能使体内某 些组织结构投影因累积增益而得到很好的显示，也可使体内另一些组织 结构投影因减弱抵消而较难或不能显示。骨折愈合与否及处于不同发展 阶段其骨痂形态不同、骨骼的几何构型不同、形态也不一致。其厚与薄 的部分或分界明确、或逐渐移行，厚的部分
14、吸收X线多，透过的X线少， 薄的部分则相反， 在X线片和荧屏上显示出黑白对比和明暗差别以及相应 13 华华 中 科中 科 技技 大 学 博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 的演变，其界面差别或渐次移行与它们厚度间差异相关。这一目前评价 骨折及其愈合的金标准，由于它将立体的骨骼结构变成一维或单平面的 影像，其成像的密度、对比度、锐利度不能够形成量化，所以密度、对比度、锐利度不能够形成量化，所以对骨折断 端变化反映是局限的、欠缺精度和客观的。X线影像技术是当今用于临床 评判骨折愈合的重要手段，常规X线检查时骨盐含量须达到25%，才能经 目测分辨，否则骨痴愈合情况不能获得显示 1，因
15、此x线中骨痴的显像明 显滞后于实际出现的时间。 双能x线吸收法双能x线吸收法有可能测量出骨折愈合过程中骨矿密度(BMD)的变 化， Blokhuis 2等测定了 40 只山羊胫骨骨折使用外固定架固定后，骨 折端在骨折愈合过程中双能x线吸收的变化， 测定结果显示骨矿密度和扭 转强度、扭转刚度、区域比率、刚度指数有相关性,但是数值是单平面测 量所得；Cattermole 3等人用双能x线吸收仪测定 5 例使用交锁髓内钉固 定的胫骨干骨折患者愈合过程中骨折端变化， 发现由于骨折内固定稳定、 BMD相对变化小，测定结果和普通x线相比无明显优越性。 超声超声穿越骨折端的速率和其刚度成正比，临床上已开始利
16、用骨定量 超声仪(QUS)评价骨质疏松并预测其骨折发生的危险性， 它是一种无创技 术，测定指标包括：宽波段超声衰减(BUA)、声速(SOS)及由两者推算出 的刚度。BUA与骨密度、弹性有关；SOS与骨密度和结构有关，而综合二 者视为全面反映骨质量的刚度指数，Njeh 4等使用Myriad超声系统测定 发现用物理方法所测骨折间隙与SOS有明显的相关性， 但超声测定精度会 14 华华 中 科中 科 技技 大 学 博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 受到不规则的骨折端形态及周围软组织影响，超声探头放置部位也会干 扰观察结果 5 脉冲响应法脉冲响应法是一种快速振动分析方法，骨折端愈合过程中，其强度 不断增加，因强度测定只能在实验室对离体骨进行，而刚度是与强度有 关的 6，通过脉冲响应法分析在体骨的固有频率等可以
