使用DXA和骨微结构新型评估预测股骨颈螺钉拔出强度

《Archives of Osteoporosis》：Predicting femoral neck screw pullout strength using DXA and novel assessments of bone microarchitecture

　　

摘要
总结：本研究确定了双能X线吸收测定法（DXA）及其他骨微结构新型评估在预测股骨颈螺钉拔出强度方面的表现。髋部特异性DXA在预测螺钉拔出方面的表现与新型方法相当。这些发现支持使用DXA评估骨质量并辅助手术决策。
目的：研究人员的主要目的是确定双能X线吸收测定法（DXA）、骨小梁评分（TBS Ortho）、3D-Shaper和定量计算机断层扫描（qCT）预测置于尸体标本股骨颈的空心螺钉拔出强度的能力。研究人员的次要目标是确定插入扭矩预测螺钉拔出的能力。
方法：研究人员使用20个近端尸体股骨进行了一项生物力学研究。每个股骨均通过各自模态进行成像以评估骨质量。螺钉以标准化配置置入，并使用数字扭矩螺丝刀测量插入扭矩。随后使用机械测试机拔出螺钉以确定峰值拔出强度。使用Spearman相关系数和单变量线性混合效应模型评估螺钉拔出力和每个骨指标之间的关系。
结果：股骨颈的DXA骨密度（BMD）和3D-Shaper体积骨密度（vBMD）与螺钉拔出强度的相关系数最高（r=0.95，p<0.001）。然而，所有成像模态均被发现是螺钉拔出的强预测因子。插入扭矩也是螺钉拔出强度的强预测因子（r=0.86，p<0.001）。
结论：研究人员的发现突显了髋部特异性DXA作为强且可及的螺钉拔出强度预测因子的临床实用性，其表现与TBS Ortho和3D-Shaper等新型成像模态相当。插入扭矩也显示出强预测价值，在术前骨密度数据不可用时，可作为有用的术中工具。

论文解读文章

**研究背景**
股骨颈骨折是老年人群常见的低能量损伤，具有高发病率和死亡率，1年死亡率高达33%。手术治疗包括螺钉固定或关节置换，目前决策主要基于骨折类型和移位程度。然而，固定后可能出现螺钉切出、固定失败和骨折缩短等并发症，提示仅依据骨折特征可能不足，需考虑骨质量。现有多种影像学方法评估体内骨质量：双能X线吸收测定法（DXA）和定量计算机断层扫描（qCT）测量的骨密度（BMD）是骨质疏松诊断标准，但BMD无法完全预测骨折风险。骨小梁评分（TBS Ortho）可提供骨微结构精细评估，3D-Shaper可从标准DXA图像生成三维类似CT的分析。既往研究显示TBS与椎体硬度相关，且独立于BMD预测髋部骨折风险；3D-Shaper可改善髋部骨折风险预测。插入扭矩在术中可测量，与骨质量相关。但尚无研究在股骨颈中评估这些新型微结构分析对螺钉拔出强度的预测能力。因此，研究人员旨在比较DXA、TBS Ortho、3D-Shaper和qCT预测股骨颈空心螺钉拔出强度的能力，并评估插入扭矩的预测价值。该研究发表于《Archives of Osteoporosis》。

**研究内容**
研究人员使用10对（共20个）近端尸体股骨（年龄56-96岁，每十年一名男性和一名女性，无影响骨密度的病史），进行生物力学研究。每个股骨依次接受qCT、DXA、TBS Ortho和3D-Shaper成像。qCT测量股骨颈和股骨头的亨氏单位；DXA使用标准髋部软件，以水模拟软组织；TBS Ortho从DXA图像生成骨小梁评分；3D-Shaper生成体积骨密度（vBMD）和皮质/松质骨数据。随后在透视引导下置入三枚6.5mm空心螺钉（倒三角排列），用数字扭矩螺丝刀测量峰值插入扭矩，取三次平均值。最后用机械测试机以5mm/s速率拔出螺钉，记录峰值力。使用Spearman相关系数和单变量线性混合效应模型分析螺钉拔出强度与各骨指标的关系。

**主要技术方法**
- 影像学评估：qCT（通用电气Discovery CT750 HD）测量股骨颈和股骨头亨氏单位；DXA（Lunar iDXA）结合水模拟软组织获取股骨颈和近端股骨BMD；TBS Ortho（Medimaps TRIP软件）从DXA图像生成近端股骨骨小梁评分；3D-Shaper（Galgo Medical v2.12.1）从DXA图像生成股骨颈和近端股骨vBMD。
- 生物力学测试：使用MTS 858 Bionix系统以5mm/s速率进行螺钉拔出，记录峰值力。
- 统计分析：Spearman相关分析及单变量线性混合效应模型（随机截距对每个尸体），计算伪R2值。样本量基于先前研究，可检测至少0.44的相关系数（80%功效）。

**研究结果**
1. **DXA与3D-Shaper的相关系数最高**：股骨颈DXA BMD和3D-Shaper vBMD与峰值拔出力的Spearman相关系数均为0.95（p<0.001），为所有预测因子中最强。
2. **所有影像模态均强预测**：DXA近端股骨BMD（r=0.92）、qCT股骨头（r=0.89）、3D-Shaper近端股骨vBMD（r=0.88）、TBS Ortho近端股骨（r=0.85）和qCT股骨颈（r=0.82）与峰值拔出力显著相关。
3. **方差解释率**：3D-Shaper股骨颈vBMD解释94.2%的拔出力方差（R2=0.94），DXA股骨颈BMD（R2=0.93），qCT股骨头（R2=0.92），DXA近端股骨BMD和qCT股骨颈（R2=0.91），3D-Shaper近端股骨vBMD（R2=0.91），TBS Ortho近端股骨（R2=0.91）。
4. **插入扭矩强预测**：插入扭矩与峰值拔出力相关系数为0.86（p<0.001），解释89.2%的方差（R2=0.89）。
以上结果通过Spearman相关分析和单变量线性混合效应模型得出。

**讨论与结论**
讨论部分指出，所有影像模态均为强预测因子，但髋部特异性DXA（尤其是股骨颈亚区）表现与新型方法（TBS Ortho、3D-Shaper）相当，甚至优于qCT。这与Bernatz等人在股骨远端的研究（发现TBS Ortho优于DXA）不一致，可能因股骨近端与远端皮质骨和松质骨组成不同，且股骨远端无标准化BMD评估方法。与Eysel等人对椎体的研究（qCT略优于DXA）相比，本研究中DXA与qCT表现相当，可能因脊柱退行性疾病会人为升高BMD。与Iki等人（vBMD优于DXA预测骨折风险）的差异可能源于研究对象（骨质疏松患者 vs. 无骨病病史）及ROI的细微差异。插入扭矩的强预测价值与Ab-Lazid等人（插入扭矩优于qCT和DXA）及Zdeblick等人（腰椎椎弓根螺钉）的结果一致，但Reitman等人发现BMD优于插入扭矩（颈椎），提示不同解剖部位可能影响关系。研究局限性包括：仅评估螺钉拔出（未模拟切出或剪切），无标准化尸体DXA方法，样本年龄范围较窄（无<50岁），未计算骨-螺钉界面刚度，部分螺钉扭矩未记录，未定义各模态的弱化阈值。结论：这是首个将DXA、TBS Ortho、3D-Shaper和qCT与股骨颈螺钉拔出强度关联的研究。髋部DXA BMD表现与新型方法相当，强调区域BMD评估对固定失败预测的重要性，且DXA广泛可用、经济可及。插入扭矩可作为术中实时骨质量评估工具。未来需在股骨近端进行临床验证，并探索其他常见骨折部位。