探讨不同年龄段健康人群肱骨头区的骨皮质区域性分布差异。
本研究共纳入健康志愿者51人,男27人,女24人;年龄20~88岁,平均48.69岁。所有健康志愿者行肩部CT扫描,按照年龄分为3组:A组(20~39岁)17人;B组(40~59岁)18人;C组(≥60岁)16人。应用骨皮质测量软件Stradwin 5.2读取CT原始影像数据,生成骨皮质的彩色分布图。垂直于肱骨头关节面,将肱骨头高度四等分后建立相互平行的3个横截面;在横断面1、2、3,测量分析肱骨头区前壁、外侧壁和后壁的骨皮质厚度、骨皮质密度和皮质下骨小梁密度。
在A组,骨皮质厚度和密度在肱骨头区前壁、外侧壁、后壁差异均有统计学意义(P值均<0.01);在B、C组,骨皮质厚度和密度在肱骨头区前壁、外侧壁、后壁相似,差异均无统计学意义(P值均>0.05)。后壁的骨皮质厚度和密度在A、B、C组的横截面1、2中均较低。在C组的横截面3,外侧壁的骨皮质厚度和密度值最低。A、B、C组在横断面1、2、3中各个测量点的皮质下骨小梁密度差异均无统计学意义(P值均>0.05)。
在各个年龄段,肱骨头区的骨皮质区域性分布差异程度不同,40岁以后差异程度有所减弱。肱骨头区的外侧壁或者后壁,是骨皮质的薄弱区域。
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肱骨近端骨折多由低能量创伤引起,其发生率占全身骨折的5%~9%[1]。其中以老年骨质疏松性骨折多见,仅低于脊柱和髋部骨折,居骨质疏松骨折的第三位[2]。肱骨近端骨折的病死率和产生医疗费用仅次于髋部骨折,但作为常见的骨质疏松发生部位,肱骨近端的骨皮质和内在骨小梁的分布特点及其随着年龄增加的变化特点则少有文献论述[3,4,5]。肱骨近端由骨皮质和骨松质组成。骨皮质的结构和微结构参与并决定整体骨的机械性能。骨皮质的厚度、多孔性及面积是影响骨强度和内植物稳定的重要因素[6,7]。本研究中,笔者尝试采用定量CT观察方法,对不同年龄健康人群的肱骨头区骨皮质区域性分布差异进行分析,目的是探讨与年龄相关的肱骨近端骨皮质的变化,发现其结构薄弱区域,预测骨折的风险。
纳入标准:(1)年龄≥20岁;(2)当地居民,既往身体健康,无慢性病史。排除标准:(1)明确的代谢性骨病病史;(2)糖皮质激素、免疫抑制剂等影响骨代谢的药物使用史;(3)既往肱骨或肩关节手术史;(4)原发性骨肿瘤或骨转移;(5)先天性畸形;(6)严重的肝肾疾病。
本研究前瞻性纳入在天津医院行肩部CT扫描的健康志愿者51人,男27人,女24人;年龄20~88岁,平均48.69岁。按照年龄分为3组:A组(20~39岁)17人,男9人,女8人;年龄20~37岁,平均27.24岁。B组(40~59岁)18人,男10人,女8人;年龄40~59岁,平均51.06岁。C组(≥60岁)16人,男8人,女8人;年龄61~88岁,平均68.81岁。本研究已经天津医院伦理委员会批准,研究对象均签署知情同意书。
应用美国GE公司Light Speed 16型多排CT对肩部行轴位扫描,平扫范围从肩峰到肱骨中上段。扫描参数:电压120 kV,电流240 mA,层厚10 mm。数据经AW 4.6工作站(GE Healthcare,USA)处理后,使用DICOM影像格式导出。
应用新型骨皮质测量软件Stradwin 5.2(http://mi.eng.cam.ac.uk/~rwp/stradwin/),按照文献[8,9]对其工作原理和具体操作步骤的描述,进行标记与测量:读取DICOM影像数据,依照工作手册在每张CT影像横截面上半自动交互式描绘骨的几何形状,通过3D重建生成骨皮质的彩色分布图,然后标注肱骨头高度,即在冠状面自肱骨头最高点至肱头关节面最低点的距离。垂直于肱骨头关节面,将肱骨头高度四等分,在肱骨头区内建立相互平行的3个横截面,即横截面1~3。见图1。在每个横截面内选取关节面和大结节间的最长轴线,并画出其垂直平分线。在上述两线与横截面内骨皮质的交点,测量肱骨头区前壁、外侧壁和后壁的骨皮质测量指标,包括骨皮质厚度、骨皮质密度和皮质下骨小梁密度。见图2。在解剖上,前壁相当于肱骨小结节,外侧壁和后壁相当于大结节的外侧部和后部。
注:1为横截面1;2为横截面2;3为横截面3;a为关节面和大结节间的最长轴线;b为线段a的垂直平分线
应用SPSS 16.0统计学软件对数据进行分析。服从正态分布的计量资料以±s表示,肱骨头区前壁、外侧壁和后壁的骨皮质指标采用One-way ANOVA方差分析;其中Levene检验方差不齐时,使用非参数统计中的Kruskal-Wallis秩和检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
A组:骨皮质厚度在肱骨头区后壁最小,前壁、外侧壁与后壁比较差异均有统计学意义(P值均<0.01)。在横截面1,前壁和外侧壁骨皮质厚度测量数值接近,但明显高于后壁;在横截面2、3,骨皮质厚度在前壁、外侧壁和后壁呈递减趋势。B组:在肱骨头区横截面1、2、3,骨皮质厚度在前壁、外侧壁和后壁依次递减,但差异均无统计学意义(P值均>0.05)。C组:在肱骨头区前壁、外侧壁和后壁骨皮质厚度差异均无统计学意义(P值均>0.05)。在横截面1、2,骨皮质厚度在前壁、外侧壁和后壁依次减少;在横截面3,骨皮质厚度在外侧壁最小。见表1。
组别 | 例数 | 前壁 | 外侧壁 | 后壁 | 统计值 | P值 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
A组 | |||||||
横截面1 | 17 | 4.92±1.97 | 5.60±1.54 | 2.58±0.93 | Z=20.645 | <0.01 | |
横截面2 | 17 | 5.09±1.24 | 4.17±1.53 | 2.79±1.25 | F=12.417 | <0.01 | |
横截面3 | 17 | 5.21±1.19 | 3.87±1.27 | 3.66±1.37 | F= 7.337 | <0.01 | |
B组 | |||||||
横截面1 | 18 | 2.94±2.18 | 2.86±2.33 | 2.11±1.49 | Z= 1.005 | >0.05 | |
横截面2 | 18 | 3.15±2.21 | 2.08±1.64 | 1.53±1.00 | Z= 4.653 | >0.05 | |
横截面3 | 18 | 3.08±2.10 | 2.58±1.96 | 2.42±1.56 | F= 0.595 | >0.05 | |
C组 | |||||||
横截面1 | 16 | 2.48±1.25 | 2.35±1.65 | 1.09±1.15 | F= 1.507 | >0.05 | |
横截面2 | 16 | 2.47±1.64 | 1.79±1.21 | 1.39±0.97 | F= 2.758 | >0.05 | |
横截面3 | 16 | 2.51±1.42 | 1.79±0.98 | 2.16±1.12 | F= 1.484 | >0.05 |
注:A为20~39岁,B为40~59岁,C为≥60岁
3个组肱骨头区骨皮质密度分布情况与骨皮质厚度相似。肱骨头区前壁、外侧壁和后壁骨皮质密度存在分布差异,在A组尤为显著,其前壁骨皮质密度值最高,组内不同部位比较差异均有统计学意义(P值均<0.01);B、C两组组内比较差异均无统计学意义(P值均>0.05)。见表2。
组别 | 例数 | 前壁 | 外侧壁 | 后壁 | 统计值 | P值 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
A组 | |||||||
横截面1 | 17 | 56 432.28±23 501.47 | 64 589.21±17 302.73 | 29 630.79±10 371.04 | Z=20.331 | <0.01 | |
横截面2 | 17 | 57 467.78±15 230.59 | 48 437.25±16 949.50 | 32 170.42±14 634.98 | F=11.434 | <0.01 | |
横截面3 | 17 | 59 612.64±14 219.24 | 44 609.29±15 361.93 | 44 206.82±15 576.79 | F=5.776 | <0.01 | |
B组 | |||||||
横截面1 | 18 | 34 945.31±26 294.89 | 32 962.99±27 425.58 | 25 047.62±18 378.35 | Z=0.971 | >0.05 | |
横截面2 | 18 | 35 649.15±23 962.56 | 25 870.97±20 310.93 | 27 264.64±21 047.42 | Z=3.758 | >0.05 | |
横截面3 | 18 | 36 169.81±24 932.19 | 30 441.62±23 900.06 | 30 441.88±23 119.81 | F=0.331 | >0.05 | |
C组 | |||||||
横截面1 | 16 | 26 463.27±14 605.90 | 29 979.86±20 803.61 | 22 730.42±16 697.27 | F=0.681 | >0.05 | |
横截面2 | 16 | 26 482.03±16 488.96 | 22 553.26±14 917.02 | 17 495.95±11 658.36 | F=1.545 | >0.05 | |
横截面3 | 16 | 28 732.48±15 634.14 | 21 940.82±11 760.83 | 25 643.42±14 014.42 | F=0.958 | >0.05 |
注:A为20~39岁,B为40~59岁,C为≥60岁
A组:肱骨头区横截面1、2,前壁、外侧壁和后壁的皮质下骨小梁密度相似,后壁最低;在横截面3,亦有类似变化,但外侧壁最低。B、C组:在肱骨近端横截面1~3,皮质下骨小梁密度在前壁、外侧壁和后壁均无差异,外侧壁最低。各组同一横截面的不同区域皮质下骨小梁密度值比较差异均无统计学意义(P值均>0.05)。见表3。
组别 | 例数 | 前壁 | 外侧壁 | 后壁 | F值 | P值 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
A组 | |||||||
横截面1 | 17 | 10 102.17±34.21 | 10 109.29±27.88 | 10 100.37±31.29 | 1.583 | >0.05 | |
横截面2 | 17 | 10 080.45±33.14 | 10 075.34±31.29 | 10 072.91±31.69 | 0.245 | >0.05 | |
横截面3 | 17 | 10 085.59±33.23 | 10 061.49±31.07 | 10 078.67±32.25 | 2.527 | >0.05 | |
B组 | |||||||
横截面1 | 18 | 10 082.51±68.82 | 10 073.60±46.29 | 10 092.46±56.16 | 0.479 | >0.05 | |
横截面2 | 18 | 10 064.37±53.83 | 10 051.28±55.23 | 10 067.67±64.37 | 0.402 | >0.05 | |
横截面3 | 18 | 10 055.17±57.47 | 10 040.63±62.96 | 10 054.64±41.71 | 0.408 | >0.05 | |
C组 | |||||||
横截面1 | 16 | 10 095.50± 86.67 | 10 053.64±59.04 | 10 064.77±68.70 | 1.436 | >0.05 | |
横截面2 | 16 | 10 027.44±40.51 | 10 026.18±54.94 | 10 028.77±54.57 | 0.069 | >0.05 | |
横截面3 | 16 | 10 020.07±58.07 | 10 000.59±46.31 | 10 010.81±56.91 | 0.458 | >0.05 |
注:A为20~39岁,B为40~59岁,C为≥60岁
骨皮质分布图是以多排CT的影像资料为基础,测量骨皮质参数的技术。通过3D重建生成因骨皮质参数不同而呈现不同色彩的分布图,可以直观反映骨皮质的分布及变化趋势。骨皮质分布图最初应用于量化股骨近端骨皮质的骨质量,预测髋部脆性骨折的风险;其优点在于在股骨近端表面数千个点上对骨皮质进行多参数测量,可以精确测量厚度小于3 mm的骨皮质,同时间接减少了受检者的辐射剂量[8,10]。本研究应用Stradwin 5.2在对肱骨近端骨皮质和邻近骨松质骨小梁分别进行骨密度测量的同时,可测量骨皮质厚度,为骨质量的定量分析提供了新的思路。
骨的强度主要由骨量、骨组织在空间的分布形式和骨组织内在成分的属性决定。其中骨的区域性分布差异由于生理负荷的不同,具有明显的不均一性。Homminga等[11]证实,在骨质疏松患者的椎体中,竖直方向即主要承重方向上的骨小梁可以较好地得到保存,水平方向上的骨小梁却有较大程度地丢失。因此,脊柱在承受日常生活中来自轴向载荷的能力得以保存,而来自侧方的载荷则很容易导致椎体发生骨折。在髋部,步态研究证实松质骨的应力峰值在股骨颈压力骨小梁,骨皮质的应力峰值在股骨颈内下区[12]。Chiba等[13]发现,在股骨颈骨折的女性患者中,相对于压力骨小梁,骨量的丢失主要发生在主要张力骨小梁,松质骨的各向异性增加明显。相应地,骨皮质在形态学上也有类似变化,股骨颈下方的皮质厚度显著高于上方[14]。但对于非负重骨,如桡骨远端、肱骨近端,亦为骨质疏松骨折的好发部位,其骨皮质的各向异性变化特点尚不清楚。本研究发现在20~39岁年龄组人群,肱骨头区骨皮质区域性分布差异明显,骨皮质的厚度与密度在各个测量平面的数值分布也不尽相同,具有明显的各向异性,其中后壁最低。在非负重骨,骨皮质的属性更多取决于局部肌肉牵拉力。从解剖学的角度看,肩胛下肌附着于小结节,但在大结节的后部和外侧壁的中下段缺乏肌肉的附着;因此,在日常生活中机械应力作用明显少于小结节。这也许是肱骨头区骨皮质分布有明显区域性的原因。本研究结果显示,20~39岁组肱骨头区各平面前壁、外侧壁和后壁不同部位间骨皮质的厚度与密度测量值差异均有统计学意义(P值均<0.05),而40岁及以上组则未见明显差异:提示随着年龄的增加,肱骨头区骨皮质各向异性程度下降。这是由于上肢骨为非负重骨,在骨重建过程中,而使肱骨近端皮质更容易受到年龄及雌激素缺乏等全身因素影响的缘故。从本研究资料还可以看出,肱骨近端大结节的外侧壁或者后壁骨皮质厚度和密度较前壁为低,是骨皮质的薄弱区域。这也许是大结节骨折在相应年龄段好发的内在骨性因素。
皮质下骨小梁密度是指毗邻皮质的松质骨小梁的密度。本研究结果显示,皮质下骨小梁密度在前壁、外侧壁和后壁数值相似,但在外侧壁和后壁最低,说明大结节骨小梁较为稀疏,增龄引起的骨小梁减少也更为显著,这与以往的文献结果一致[15];同时,提示肱骨近端钢板固定骨折块时,应采用多个螺钉固定,螺钉方向应各向异性,形成立体交叉,以增加即刻的机械稳定性。
本文的不足在于各组样本量小,样本来自同一医院。局限于肱骨近端骨皮质厚度和密度增龄变化的初步描述,缺乏相关的骨强度生物力学实验数据。其次,肱骨近端骨折属于骨质疏松性骨折,多见于老年女性。以后的试验中应在增加样本量的基础上进行各个年龄组的性别差异分析。再者,由于定量CT骨密度测量在国内尚未广泛开展,医院设备有限,无法通过将肱骨近端CT值与已知密度的标准体模进行校准,进而获得单位为mg/m3的骨密度值,仅以CT值表示。但CT值与局部骨密度、骨强度以及体内外内植物的稳定性呈正相关,因此,可准确反映骨皮质形态和骨密度变化[16,17]。
总之,本研究借助骨皮质分布图技术,分析不同年龄段人群肱骨头区骨皮质区域分布的差异性,发现在20~39岁年龄组人群,肱骨头区骨皮质区域性分布差异明显。但40岁以后,各向异性明显减少。肱骨近端大结节的外侧壁或者后壁骨皮质厚度和密度较前壁为低,是骨皮质的薄弱区域。