骨组织性质评价是认识以骨质疏松为代表的骨退行性疾病的重要手段。大量研究提示^[1,2]，将骨结构形态、骨小梁结构、骨材料学等因素考虑在内的“骨质量”的评价^[3]，能进一步提高和完善现有单纯基于骨密度对疾病的评估和骨折风险的预测。目前对于骨组织的评价技术主要有3类：基于影像学技术的骨组织结构形态分析、生物力学评价以及成分分析^[4]。上述3种方法从不同角度、各有侧重对骨组织的性质进行评测，其中基于影像学的结构形态分析方法具有无创或者对待测样本损伤较小的优点，通常优先于其他两类方法进行评价。更重要的是，该类方法还具有对同一个体连续多次纵向观察的优势^[5]，可测定不同时间点的包括骨密度、骨小梁微观结构、力学预测指标等在内的丰富的结构形态学参数，在临床诊断和基础研究领域有着非常广泛的应用。随着分析技术的进步，现有影像评价技术已经可以实现从大体宏观到纳米微观等不同水平通过影像学对骨组织的组织形态、微观结构进行测定和分析(图1)。本文就骨组织影像学评价技术的最新进展进行综述，以期为骨组织相关的临床及基础研究提供参考。

图1 骨组织影像学评价方法 Fig.1 Imaging methods for bone tissue evaluation QCT:定量CT; DXA:双能X线吸收检测； QUS:定量超声； EDX:能量弥散X线； HR-MRI:高分辨核磁成像

图选项

双能X线吸收检测(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)是临床上应用最广泛的骨密度评价技术，也是目前骨密度评价的金标准^[6]。对于非髋部骨折人群，DXA测定髋部骨密度T值＜-2.5时即可以诊断骨质疏松。因此临床上虽然常测定髋部、胸腰椎以及前臂3处的密度值，但无论从疾病的诊断方面还是骨折风险预测方面考虑，髋部骨密度都是最为重要的一处。因此，近年来国内外研究者在常规DXA的基础上进行大量的探索，发现基于DXA测定的图像分析还可以提供更多有价值的信息，并将髋部DXA测定延伸出一种髋部结构分析或髋部强度分析技术(hip structural or hip strength analysis，HSA)^[7,8,9,10]。HSA通过测定髋部几何力学参数，能够估计骨强度(bone strength)的多项指标，具有一定的辅助价值。常见的髋部几何力学参数包括：股骨颈横截面面积(cross-sectional area,CSA)、股骨颈横截面惯性矩(cross-sectional moment of inertia,CSMI)、截面模数(section modulus，Z)以及曲率比率(buckling ratio,BR)等^[11]。上述参数可以在股骨颈、股骨干、粗隆部位进行测定。目前几个较大的临床研究，包括EPOS(European Prospective Osteoporosis Study)髋部骨折队列研究和DOES(Dubbo Osteoporosis Epidemiology Study)骨质疏松队列研究均提示：HSA分析所得的髋部几何力学参数具有在一定程度上能够预测骨折发生风险，可以作为BMD指标的补充^[7,12]。但是目前仍需要大样本的临床试验证实上述指标的有效性，同时给出基于人群的评价标准。

除DXA技术外，临床上另一个应用较为广泛的技术是定量CT(quantitative CT，QCT)。QCT相对于DXA这一二维分析技术，主要优势在于可以实现宏观骨三维结构分析。临床上应用的QCT一般是在常规CT的基础上，附加一个标准骨密度的体模，作为密度标尺。通过特定的算法，计算出骨的三维结构以及单个体素的密度值，准确的区分皮质骨和松质骨，测定各自的体密度值(volumetric BMD)。但由于QCT是在临床CT的基础上展开测试的方法，其分辨率较低，一般为0.5 mm，因而难以实现对骨小梁结构的分析。

因而，后续逐渐研发出高分辨外周骨定量CT(high-resolution peripheral QCT，HR-pQCT)，它的扫描精度可以达到80 μm，可以很好的实现松质骨三维结构的定量分析，精确的测定：骨体积比(bone volume fraction，BV/TV)、骨小梁厚度(trabecular thickness，Tb.Th)、骨小梁间距(trabecular separation，Tb.Sp)、以及骨小梁数量(trabecular number，Tb.N)等骨小梁微观结构参数。需要注意的是，HR-pQCT在临床上一般只能测定桡骨等外周骨，而对于髋部、腰椎等部位，难以测定，并且由于部分容积效应的存在，也可能会导致QCT测定的骨密度值偏离真实值。近年来，有研究者将QCT或HR-pQCT用于相关的临床和基础研究。利用QCT技术可实现三维空间内测量技术的优势，Chiba等^[13]实现了髋关节骨性关节软骨下骨囊腔的形态特征的分析，Shanbhogue等^{[14, 15, 16]}利用HR-pQCT分析了1型糖尿病、低磷酸盐血症性佝偻病以及Klinefelter综合征等不同患者桡骨远端微观结构并进一步预测了骨强度。由于HR-pQCT对骨微观结构的解析能力有较大提高，部分研究逐渐将其与有限元技术结合起来，进一步拓宽了该技术在骨力学性质评价中的应用范围。如Boutroy等探索了基于HR-pQCT的有限元预测指标与腕部骨折发生之间的关系^[17]，Ellouz等^[5]进一步与micro-finite element analysis(Micro-FEA)技术结合起来，通过多次测量HR-pQCT，可以定量的评价骨结构以及骨强度的纵向变化。基于QCT技术的宏观骨以及局部骨小梁的有限元分析，可以将骨微观结构和骨密度分布结合起来，能够更加准确的预测骨力学性质的方法，有利于开展以患者为研究对象的相关研究。

定量超声(quantitative ultrasound densitometry,QUS)是一种具有较高临床潜在价值的骨量评价技术，相对于DXA、QCT而言，它具有简便、廉价、无辐射等优点。自1984年Langton等^[18]首次尝试用QUS技术评价骨密度以来，该技术发展迅速，目前有近10种不同的超声骨密度仪。临床上可以实现不同部位的骨量评价，而其中以跟骨的评价最为常用，且技术最为成熟^[19]。定量超声评价骨量原理如下，当超声波通过骨组织时，由于穿透、反射与吸收等行为的出现，会使得超声波速度发生改变、能量发生衰减，上述改变可间接的反映骨结构特征。因此，从原理上讲，定量超声技术可以提供松质骨骨小梁的结构信息^[20]。临床上所采用QUS技术所用到的两个重要的参数是：声速(speed of sound,SOS)以及幅值衰减(broadband ultrasound attenuation,BUA)。通过以上两个参数，可以计算出骨密度预测值(estimated BMD,Est.BMD,g/cm²)，Est.BMD=0.002592×(BUA+SOS)-3.687)^{[21, 22]}，在一些机器上还可以计算出反应骨量强度的定量超声指数(quantitative ultrasound index，QUI，QUI=0.41×(BUA+SOS)-571)^{[23, 24]}，不同厂家的仪器计算方法可能有异。Moayyeri等^[25]对3个较大的前瞻性研究进行Meta分析提示，BUA和SOS均与骨折风险相关，并且QUI指数与骨折风险之间的关联强度最大，QUI每下降1个SD值，骨折风险增加约1.26倍(HR=2.26，95% CI：1.71~2.99)，Huopio等^[26]的研究结果与之一致，QUI每下降1个SD值，骨折风险增加约0.9倍(HR=1.90，95% CI：1.25~2.91)。虽然有不少研究提示QUS与骨折风险相关，但由于QUS技术目前无统一的骨密度校正体模，导致不同厂家的QUS的结果无法换算，以至于无法通用；同时，由于WHO骨质疏松的诊断标准(基于DXA的标准)并不适用于QUS，并且现有研究也无法归纳出适用于QUS的骨质疏松诊断标准，导致该技术在临床上的应用较为受限。目前QUS尚无法单独用于骨质疏松的诊断，即使用于骨质疏松症的初筛也存在一定的争议，QUS技术的临床应用的潜在价值还有待进一步研究^[27]。

核磁成像技术是现代临床中极为重要的诊断技术。该技术主要利用磁场与射频脉冲使人体组织内运动的氢核(即H+)发生振动而产生射频信号，通过不同组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2 3个参数的差异来评估组织特征及病理变化。由于高磁场能够极大提高信噪比和改善成像分辨率，近年来，高分辨核磁成像(high-resolution MRI，HR-MRI)在临床和基础研究方面也得到了广泛探索和试验。但由于骨骼内氢核含量较少，其应用并不如其他系统广泛。由于MRI具有无电磁辐射的优势，可以完全避免X线带来的辐射损伤，也是一种值得深入研究的技术。在骨成像方面，活体的评价的HR-MRI的分辨率可以达到156 μm×156 μm×300 μm，离体标本可以达到50 μm×50 μm×200 μm。该技术的主要缺点是：(1)基于MRI扫描计算骨小梁结构参数目前精确度方面逊色于micro-CT：(2) 获取清晰图像往往需要较长时间的扫描。因此近年来有研究者从扫描方式和算法方面出发开展了大量研究，以期解决以上两个问题。Banerjee等^{[28, 29]}报道采用稳态自由旋进成像技术(steady state free precession，SSFP)以及GRAPPA重建技术(generalized auto-calibrating partially parallel acquisitions，GRAPPA)，分别在磁感应强度为1.5 T和3.0 T的磁场下实现对骨小梁结构的解析，进一步提高磁感应强度到7.0 T后，可以大大减少扫描时间，实现关节软骨、骨小梁的快速成像^[30]。Greenspan等^[31]进一步尝试了采用磁共振技术评价抗骨质疏松治疗后骨小梁形态结构和骨密度的改变。以上研究均提示：虽然HR-MRI目前应用较为受限，但是在骨微观结构的评价方面仍不失为一种有潜力方法。

显微CT技术(micro-CT)，又叫微计算机断层扫描技术，是一种非破坏性的3D成像技术，可以在不破坏样本的情况下解析样本内部显微结构。它与普通临床的CT最大的差别在于其分辨率极高，可以达到微米(μm)级别；同时与临床CT普遍采用的扇形X线束不同的是，micro-CT采用锥形X线束，可以获得真正各向同性的容积图像，具有很高的空间分辨率和射线利用率。锥形束扫描后通过专用软件将每个角度的图像进行重构，不仅能够观察样本内部的各个截面的信息，还可以实现样品3D结构分析。Micro-CT技术除了可以提供空间任意选区内骨密度外，还可以提供骨小梁三维微观结构参数，包括：BV/TV，Tb.Th，Tb.Sp，Tb.N，连接密度(connectivity density,Conn.D)，各向异性度(degree of anisotropy,DA)以及结构模型指数(structure model index,SMI)等。相对于以上DXA和QCT两类技术，micro-CT技术主要用于离体骨组织标本(髂骨取样)、以及活体小动物的成像分析，其精度可达1~6 μm，可以实现骨小梁结构的定量评价，是目前骨显微结构评价的“金指标”，在结构分析方面已经逐渐取代传统的骨组织病理学方法。近年来，出现的适用于活体分析的桌面型micro-CT，可以实现对小动物骨形态、微观结构的多次动态观察，精度一般可以达到10 μm，为研究骨发生、改建、以及对药物的反应等方面提供了巨大便利。近年来，micro-CT技术在骨组织中的应用和研究进展主要包括：(1) 通过各种新的算法从不同方面评价骨小梁的微观结构，特别是提出了一些新的参数用以进一步区分棒状骨小梁以及板状骨小梁^[32]；(2) 进一步将骨体积密度与微观结构结合起来评价骨强度或者骨质疏松的治疗效果^{[33, 34]}；(3) 借助于micro-CT提供的丰富的微观结构信息，通过数学模型(computational modeling approaches)进一步分析骨小梁的力学性质也是另一个值得关注的研究方向，即采用micro-FEA技术(micro-finite element analysis)并利用数学近似的方法对真实骨微观结构进行模拟，探索骨小梁的力学特征与微观结构之间的联系^{[35, 36]}。Micro-CT较HR-pQCT相比，具有更高解析力，可以为FEA分析提供更加精细的图像，可以进一步提高模型的精确度，该技术可能会进一步改善骨折风险的预测。同时需要注意的是micro-CT技术主要局限包括：(1)对测试样本尺寸有限制，早期机型仅能扫描约15 mm×30 mm以内的标本，新的机型具有100 mm×140 mm的扫描腔；(2) 电离辐射较大；(3) 临床上取样时难以避免空间差异等。

骨组织主要包括以Ⅰ型胶原为主的有机质和羟基磷灰石为主的无机质，在成分分析方面，目前主要从微观形态、光谱分析、物理、化学成分分析方面着手。常用的方法包括：1H and 31P核磁成像光谱分析、FTIR(fourier transform infrared)光谱分析、Raman光谱分析、X射线衍射分析(X-ray diffraction，XRD)、基于扫描电镜的qBEI(quantitative backscattered electron imaging)和能量弥散X射线(energy-dispersive X-ray,EDX)分析、热重分析(gravimetric analyses)、透射电镜(transmission electron microscope)、以及以HPLC(high-pressure liquid chromatography)为主的胶原交联成分分析技术等。上述分析方法各有优势，可以从不同方面提供骨组织的成分信息，如FTIR或Raman光谱分析主要通过测定样品中化学键的激发特征来反应组织成分，提供包括矿物质胶原比值(mineral: matrix ratio)、碳酸根替代含量 (carbonate: phosphate ratio)、胶原交联成熟度 (collagen crosslink ratio) 以及羟基磷灰石晶体尺寸或结晶度(crystallinity)等信息^[37]；EDX分析技术通过分析试样发出的元素特征X射线波长和强度，实现元素相对含量的测定。在骨组织中，特征性的元素包括：Ca、P、C以及F等其他微量元素。EDX分析与扫描电镜成像结合可以实现骨组织的定性分析和成分半定量分析^[38]。XRD分析主要是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法，对于骨组织内矿物质的分析有很大价值，可以实现：物相分析、点阵常数、应力的测定，以及晶粒尺寸和点阵畸变的测定^[39]。Mathavan等^[40]发现在大鼠去势骨质疏松模型中，矿物结晶的厚度会逐渐增加。有研究者认为将上述指标纳入到特定的预测模型中，可能会在一定程度上改善仅依靠BMD单一指标预测骨折风险的效能^[4]。

骨是复杂的多级结构，无论是在微观水平胶原与矿物质的有机组合，还是在宏观水平骨小梁等形态结构的差异，均具有各项异性这一特点，进而导致各个部分的力学性能的差异。矿物质沉积的数量、性质、分布、骨小梁结构特征、骨改建情况等均能在不同程度上影响到骨的力学性能。因此通过上述不同影像学评价手段，从不同方面将骨的宏观特征、微观结构、元素成分等特征与现有的生物力学评价方法结合起来，有助于对骨结构特征进行全面评价，为构建骨强度预测模型提供更加丰富的信息。