摘要
国际临床骨密度学会(ISCD)已经形成了新的基于定量CT(QCT)的脊柱及髋部有限元分析(FEA)的临床应用官方建议。ISCD定量CT工作组回顾了QCT临床应用证据，并在年临床骨密度测量发展大会提出了新的报告建议。在这里，我们对支持ISCD官方建议的医学证据、理论基础、争议和进一步研究的建议进行探讨。第一部分和第三部分论述了髋关节QCT的临床应用，并讨论了利用以其它疾病诊断为目的的CT扫描(如结肠成像)，从而进行骨质疏松症随机筛查的临床可行性。
引言
本文为定量CT(QCT)工作组报告的第二部分，陈述了QCT临床应用的演进，并为国际临床骨密度学会(ISCD)新的官方意见提供了相关证据。本部分重点阐述了基于定量CT有限元分析(FEA)骨强度评估的临床价值，并介绍ISCD对FEA新的官方立场。第一部分介绍了髋部QCT的临床应用价值，第三部分基于体素/张量的形态学分析、统计学参数图等先进方法。第三部分还论述了如何从获得的CT扫描获得可靠的骨密度(BMD)信息，以解决除了骨质疏松症之外的诊断问题(比如CT扫描通常不使用标准QCT应用中使用的扫描内标定模型)。基于FEA的骨强度测量的临床应用已在之前的文章中简要讨论过，但自那时以来，又发表了大量的临床研究，巩固并进一步证明了将整体几何结构和局部骨密度整合到脊柱、髋部或前臂骨强度计算中FEA的价值。
FEA方法学概述
有限元(FE)法常用于机械工程中，以计算刚度、强度以及受外力影响的复杂结构的内部应变和应力。常有人将骨骼比喻为老式的钢桥，因为它与骨小梁结构有惊人的相似性。因此，FEA被用来模拟骨骼的力学行为、提高保真度已经40余年。计算由最终可能导致骨折的外部载荷引起的骨内应变和应力的复杂问题，可通过创建具有已知材料属性的元素网格来解决，在局部和整体上均衡力和力矩。大多数用于骨骼分析的FEA软件仍处于试验阶段，但VirtuOst软件(ONDiagnostics，Berkley，CA)最近获得美国食品和药物管理局(FDA)的批准，用于鉴别骨折风险患者和随访治疗效果。
在骨骼方面，μFE模型不同于均匀FE模型，前者需要高空间分辨率图像，以便显示仅含有骨骼材料的网格元素。然而在脊柱和髋关节中，高分辨率在活体是无法实现的，为了说明这一点，图1选用的是桡骨远端。从全身临床CT扫描获得的QCT图像上应用均匀的FE模型进行后处理。在整个椎体或髋部应用网格分析技术，使得其在单位毫米的图像内同时包含有矿化骨和骨髓。均匀化(homogenization)这一术语用于表示确定骨髓混合物特性的平均化过程，是FE分析的基本输入参数。
通过双能量X射线吸收测定法(DXA)测量面积骨密度(aBMD)，通过QCT测量体积骨密度(vBMD)和通过骨强度的FE分析预测衰竭的可行性已经被许多体外研究在骨骼标本中所证实。对于这些研究的阐述，骨强度在物理参数中被明确定义为一种施加在骨骼上导致其位移并最终骨折的力。力-位移曲线(force-displacementcurve)的斜率被定义为刚度。曲线上能达到的最大力Fu表示破坏骨骼所需的极限力(也称为极限载荷或破坏载荷)。最大力Fu点的曲线下的面积(AUC)表示产生骨折所需的能量。强度(Strength)是一个更常应用于材料研究而非结构研究的概念，但在后一种研究中，它是极限载荷的同义词，并且是最常被报道的FE结果变量。极限载荷随着骨骼体积的增加而增大，但较大的骨骼通常必须在生理和病理载荷条件下(例如跌倒)支持更大的重量。对于均匀材料(例如一处均匀变形的骨小梁)，力-位移曲线可以被转换成应力-应变曲线(stress-straincurve)，其中应力被定义为施加的力除以样本的抵抗面积。应力和应变之间的线性关系的斜率表示杨氏模量(Young’smodulus)。破坏材料所需的最大应力称为极限强度。应力应变曲线下的面积具有单位体积能量密度的物理意义。杨氏模量、最大应力和能量密度是材料的固有性质，与形状无关。而相反，极限力和刚度是与外形有关的结构特性参数。
材料和结构变量的不同对应用于计算骨强度的成像技术有着重要的影响。例如，QCT或者DXA测量的骨矿物质含量(BMC)像结构特性一样是一个外延变量，因为骨骼体积越大，包含的矿物质就越多而且越坚硬。相反，QCT测量的vBMD是一个与材料特性(如极限强度或极限模量)相一致的内涵变量，因为vBMD本质上是独立于骨骼大小的。因此，当与QCT所测得的vBMD相关联时，极限载荷或刚度应当调整其大小。有趣的是，aBMD与结构特性相关性更好，这很可能是因为DXA能利用单投影并提供面积密度来部分调整大小。混合变量aBMD的强度预测水平取决于解剖部位、载荷配置以及特定的样品采集区域。
一些脊柱和股骨的体外研究结果显示DXA、QCT、FE的结果与骨的结构特性有着很好的相关性(r=0.6～0.9)。在大多数研究与骨破坏性载荷相关或有预测作用的成像技术中，QCT的预测性较DXA略好。在椎体研究中，FE方法预测骨骼负载失效或表观极限强度实验中展现出最高的相关性和最低的误差，但决定系数并不总是明显高于QCT变量。
按尺寸校正的骨骼形态或本质特性、按vBMD校正的骨质量、按面积校正的外力(表观应力)以及按身高校正的位移(表观拉伸)，吸引人们从
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