基于定量超声骨成像（QUSIB）的肋骨质量评估：面向乳腺癌治疗相关骨折风险预测的无电离辐射新方法

《Ultrasonics》：Rib quality assessment using quantitative ultrasound imaging of bone

为解决乳腺癌患者因放疗及双膦酸盐治疗导致肋骨微结构退化、骨折风险上升的临床难题，本研究通过离体μCT建模结合声波传播模拟，揭示了定量超声骨成像（QUSIB）中背向散射与衰减系数与骨小梁体积分数（BV/TVtb）、皮质骨孔隙率的显著关联，并通过体内测量验证了其可行性，为无创、无辐射的肋骨质量评估提供了新工具。

　　

肋骨，作为人体胸腔的“护卫”，不仅保护着心脏与肺部，其自身的健康状态也密切影响着整体生活质量。然而，对于接受乳腺癌治疗的患者而言，这一看似坚固的骨骼结构却可能变得异常脆弱。放疗和常用的双膦酸盐类药物在对抗癌细胞的同时，也可能对骨骼健康造成“误伤”——前者可能导致骨组织被逐渐“蚕食”，后者虽能增加骨密度，却可能改变骨的材料特性，两者共同作用使得肋骨发生病理性骨折的风险显著增加。据统计，这类骨折在患者中的发生率可达2%至19%，且多在治疗后约五年自发出现，给患者带来持续的疼痛、活动障碍，甚至增加感染与骨肉瘤的风险。传统评估骨骼健康的“金标准”双能X线吸收测定法（DXA）在评估肋骨这类薄而弯曲的骨骼时却“力有不逮”，难以提供准确、可重复的测量结果。因此，临床上亟需一种能够精准、无创且无辐射地评估肋骨质量，并预测骨折风险的新技术。

正是在这样的背景下，一项发表于《Ultrasonics》期刊的研究，将目光投向了定量超声骨成像（Quantitative Ultrasound Imaging of Bone, QUSIB）这一新兴技术。该技术通过分析高频超声波在骨骼中传播时的背向散射和衰减特性，能够非侵入性地反映骨骼的微结构与材料属性。研究团队开展了一项可行性研究，旨在探究QUSIB技术评估乳腺癌治疗背景下肋骨质量的潜力，并验证其超声特征能否预测与骨折风险相关的肋骨结构参数。

研究人员综合运用了计算机模拟与体内测量两种关键技术路径。在计算机模拟（In-silico）部分，他们基于高分辨率微计算机断层扫描（micro-computed tomography, μCT）获取的人体肋骨图像，建立了基础的骨骼模型。随后，通过数字图像处理技术，分别模拟了持续五年放疗造成的骨组织侵蚀效应，以及双膦酸盐治疗导致的组织新生与矿化度改变，共生成了一系列反映不同病理状态的肋骨模型。利用开源软件SimSonic进行二维有限差分时域模拟，研究者模拟了中心频率为6-MHz的宽带超声在这些复杂肋骨模型中的传播过程，精确计算出了背向散射系数（BSC(f)）和衰减系数（α(f)）。在体内（In-vivo）验证部分，研究招募了10名健康志愿者，使用配备128阵元线性阵列探头的超声系统，分别在其第4至第6肋骨的肋前外侧区域（骨折高发区）以及胫骨中段进行了QUSIB测量，获取了相应的超声背向散射参数，并将结果与模拟数据进行比较。

研究结果通过系统的统计分析，揭示了以下重要发现：

3.1. QUSIB参数与结构和材料特性的关联

单变量回归分析显示，除皮质骨厚度外，所有评估的骨骼结构和材料参数（如总骨面积、骨小梁体积分数、皮质骨孔隙率、平均密度和刚度等）均与一个或多个QUSIB参数（特定频段的背向散射与衰减系数、表观积分背向散射AIB_tb、平均衰减α_tb）存在显著关联。其中，皮质骨孔隙率（Ct.Po）和骨小梁体积分数（BV/TV_tb）与超声参数的相关性最强，特别是在7–8 MHz频段的衰减系数与这两个参数关系密切。例如，8 MHz频段的衰减与BV/TV_tb的关联p值小于0.0001。

3.2. 基于偏最小二乘（PLS）回归的预测模型

为了更全面地利用超声信息，研究构建了偏最小二乘（Partial Least Squares, PLS）回归模型。该模型能够利用多个QUSIB参数共同预测骨骼的靶标特性。结果显示，PLS模型对所有靶标参数的预测都具有统计学显著性。其中，对皮质骨孔隙率（R²= 0.58）和骨小梁体积分数（R²= 0.50）的预测能力最强，表明基于QUSIB的多参数分析能够较好地量化这些对骨骼强度至关重要的微观结构特征。

3.3. 体内肋骨与胫骨测量的比较

在健康志愿者身上进行的测量证实了QUSIB技术应用于肋骨的可行性。尽管肋骨（主要包含骨小梁）和胫骨（主要包含皮质骨）在形态和结构上存在本质差异，但测量获得的平均背向散射强度和衰减值在两者之间并无统计学显著差异。不过，肋骨测量的数据表现出更大的变异性，这与其多孔的骨小梁结构特性相符。更重要的是，体内肋骨测量得到的表观积分背向散射（AIB_tb）和平均衰减（α_tb）数值分布与计算机模拟中基线模型得到的结果高度相似（p > 0.01），这有力地支持了将模拟研究中建立的关联模型向实际临床应用转化的潜力。

3.4. 治疗相关的谱变化

对模拟数据的分析还发现，背向散射和衰减系数随频率变化的图谱（谱）会因模拟的治疗类型（放疗或双膦酸盐）不同而发生特征性的偏移。这种治疗依赖性的谱变化，证实了QUSIB参数对于病理变化具有敏感性，能够区分不同类型的骨骼状态改变。

综上所述，本项可行性研究得出结论：定量超声骨成像（QUSIB）的背向散射生物标志物能够稳健地反映肋骨的微观结构，包括骨小梁体积分数和皮质骨孔隙率，并对模拟的放疗及双膦酸盐治疗引起的骨骼改变表现出敏感性。通过计算机模拟建立的预测模型，以及体内测量与模拟数据的一致性，共同证明了QUSIB作为一种无电离辐射、非侵入性工具，在评估乳腺癌患者肋骨质量及预测治疗相关骨折风险方面的巨大潜力。

在讨论部分，作者进一步阐释了其研究意义。首先，该研究成功地将原本主要用于皮质骨分析的CortBS（皮质骨背向散射）方法进行了适应性调整，使其能够应用于以骨小梁为主的肋骨分析，拓展了该技术的应用范围。其次，研究结果弥补了传统DXA在评估特殊骨骼（如肋骨）时的不足，提供了更丰富的微观结构信息。尽管研究存在一些局限性，例如模拟所基于的μCT数据来自男性供体，而乳腺癌患者主要为女性；以及模拟中的骨侵蚀速率可能被高估等，但整体研究框架和初步验证结果依然坚实可靠。这项工作为未来在真实的乳腺癌患者群体中进行纵向研究，验证QUSIB在监测治疗引起的骨质量动态变化和精准预测肋骨骨折风险方面的临床效用，奠定了重要的方法学基础。最终，这项技术有望成为一种常规的临床监测手段，帮助医生更早地识别高风险患者，并及时调整治疗方案，从而改善乳腺癌幸存者的长期生活质量和骨骼健康。