二重エネルギーX線吸収測定法

X線ビームが均質な物質を通過すると、深さ方向の強度は${\displaystyle t}$材料内部は、ビール・ランバートの法則で説明できる。 $${\displaystyle I(t)=I_{0}e^{-\mu t},}$$ どこ${\displaystyle I_{0}}$は初期ビーム強度であり、${\displaystyle \mu }$は線形減衰係数です。DXAの場合、上記の式は質量減衰係数（減衰係数を物質の密度で割った値）で表されることがよくあります。${\displaystyle \rho }$): $${\displaystyle I(t)=I_{0}e^{-\mu t}=I_{0}e^{-({\frac {\mu }{\rho }})t\rho }=I_{0}e^{-({\frac {\mu }{\rho }})\sigma },}$$ どこ${\displaystyle (\mu /\rho )}$は質量減衰係数であり、${\displaystyle \sigma }$は面積密度です。不均質な材料の場合、${\displaystyle n}$別々の材料の場合、吸収の関係は次のように与えられます。^{[ 4 ]}$${\displaystyle I=I_{0}e^{-\sum _{i=1}^{n}({\frac {\mu }{\rho }})_{i}\sigma _{i}},}$$ どこ${\displaystyle (\mu /\rho )_{i}}$そして$\displaystyle \sigma _{i}}$は、物質の質量減衰係数と面積密度である。${\displaystyle i}$、 それぞれ。

軟組織と骨は、X線に対する減衰係数が異なります。^{[ 5 ]}体内を通過する単一のX線ビームは、軟組織と骨の両方によって減衰されますが、単一のビームから骨による減衰量を決定することはできません。しかし、減衰係数はX線のエネルギーによって変化し、^{[ 5 ]}重要なことに、減衰係数の比率も変化します。

骨と軟組織の混合物を含むサンプルを考えます。2 つの単色X 線ビームの単純化されたケースでは、高エネルギーおよび低エネルギーの X 線ビームの吸収は次のように与えられます。^{[ 6 ]}

上付き文字は${\displaystyle H}$そして${\displaystyle L}$それぞれ高エネルギービームと低エネルギービームを指し、添え字は${\displaystyle b}$そして${\displaystyle s}$それぞれ骨と軟部組織を指します。

骨の面積密度は、まず2つの式を整理することによって得られます。${\displaystyle I^{L}}$そして${\displaystyle I^{H}}$式1および式2で定義される、$\displaystyle \sigma _{s}}$それらを等しく設定し、結果として得られた方程式を整理して$\displaystyle \sigma _{b}}$: ^{[ 6 ]}$${\displaystyle \sigma _{b}={\frac {R_{s}\ln(I^{H}/I_{0}^{H})-\ln(I^{L}/I_{0}^{L})}{(\mu /\rho )_{b}^{L}-R_{s}(\mu /\rho )_{b}^{H}}},}$$ どこ${\displaystyle R_{s}}$これは、2つのエネルギーレベルにおける軟組織の質量減衰係数の比である。 $${\displaystyle R_{s}={\frac {(\mu /\rho )_{s}^{L}}{(\mu /\rho )_{s}^{H}}},}$$ 骨の面積密度、$\displaystyle \sigma _{b}}$は、測定によって得られる。${\displaystyle I^{H}}$そして${\displaystyle I^{L}}$既知の値を使用して${\displaystyle I_{0}^{H}}$そして${\displaystyle I_{0}^{L}}$（スキャナによって異なる）骨と軟組織の質量減衰係数の既知の値（既知の高エネルギーレベルと低エネルギーレベル）。軟組織の密度、$\displaystyle \sigma _{s}}$も同様の方法で入手できる。^{[ 6 ]}

未知の割合で混合された2種類の物質を含む組織サンプルを考えてみましょう。${\displaystyle f_{1}}$そして${\displaystyle f_{2}}$定義上、材料は2種類しかないので${\displaystyle f_{1}+f_{2}=1}$式1と式2（骨と軟組織をより一般的な1と2に置き換えたもの） から、比率を定義する。$${\displaystyle R={\frac {\ln(I^{L}/I_{0}^{L})}{\ln(I^{H}/I_{0}^{H})}}.}$$ これは次のように表されることが示せる。^{[ 7 ]}

サンプル中に材料１のみが存在する特殊な場合（すなわち${\displaystyle f_{1}=1,f_{2}=0}$）、 それから${\displaystyle R}$これは、それらのエネルギーレベルにおける質量減衰係数の比率にすぎない。 $${\displaystyle R={\frac {({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{L}}{({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{H}}}=R_{1},}$$ これは定数です${\displaystyle R_{1}}$これは、2つのエネルギーレベルにおける材料1の質量減衰係数の既知の値を使用して計算できます。同様に、定数値${\displaystyle R_{2}}$は、両方のエネルギーレベルにおける材料2の質量減衰係数の比として計算でき、これは、${\displaystyle f_{1}=0,f_{2}=1}$式3に代入する。

体組成測定では、DXA画像の骨のない領域のピクセルは、脂肪と除脂肪軟組織コンパートメントの混合物とみなされます。^{[ 8 ]}より高いエネルギーレベル（例えば70 keV）では、脂肪と除脂肪軟組織コンパートメントの両方の質量減衰係数は類似しています。^{[ 7 ] [ 9 ] [ 10 ]}近似すると、

式3に代入すると、 $${\displaystyle R\approx {\frac {({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{L}f_{1}+({\frac {\mu }{\rho }})_{2}^{L}f_{2}}{({\frac {\mu }{\rho }})^{H}(f_{1}+f_{2})}}={\frac {({\frac {\mu }{\rho }})_{1}^{L}f_{1}+({\frac {\mu }{\rho }})_{2}^{L}f_{2}}{({\frac {\mu }{\rho }})^{H}}}=R_{1}f_{1}+R_{2}f_{2},}$$ 定義により${\displaystyle f_{1}+f_{2}=1}$代入${\displaystyle f_{2}=1-f_{1}}$上記に代入して整理すると^{[ 7 ]が得られる。}$${\displaystyle f_{1}={\frac {R-R_{2}}{R_{1}-R_{2}}}}$$ そして $${\displaystyle f_{2}=1-f_{1}={\frac {R_{1}-R}{R_{1}-R_{2}}}.}$$したがって、式4 の仮定が成り立つ場合、2つの材料の相対的な割合は、測定値を使用して推定できます。${\displaystyle R}$既知の値${\displaystyle R_{1}}$そして${\displaystyle R_{2}}$[ ^{7 ]​}

DXAスキャナーの一種は、管電圧80kVのセリウムフィルターを使用しており、その結果、有効光子エネルギーは約40～70keVになります。 [ ^{11 ]別}のタイプのDXAスキャナーは、管電圧100kVのサマリウムフィルターを使用しており、有効エネルギーは47～80keVになります。 ^{[ 11 ]}また、管電圧は、電源の周波数と同期して、低値（例えば70kV）と高値（例えば140kV）の間で連続的に切り替えることができ、その結果、有効エネルギーは45～100keVの間で交互に変化します。^{[ 11 ]}

二重X線吸収測定法とレーザーの組み合わせでは、レーザーを使用してスキャンされた領域の厚さを測定し、軟組織内の脂肪組織と脂肪組織の割合の変動を制御して精度を向上させることができます。^{[ 12 ]}

DXAは面積を用いてBMDを計算するため、質量を体積で割った真の骨密度を正確に測定するものではありません。^{[ 13 ]} DXA BMDを体積骨密度と区別するために、研究者はDXA BMDを面積​​骨密度（aBMD）と呼ぶことがあります。^{[ 14 ]}骨の大きさの違いによる交絡効果は、骨密度の計算において深さの値が欠落していることに起因します。^{[ 15 ]}体積ではなく面積で割ることの結果、BMDは身長の高い人や骨の大きい人では過大評価され、身長の低い人や骨の小さい人では過小評価されます。^{[ 16 ] [ 17 ]}

体積骨密度（vBMD）を測定する定量的コンピュータ断層撮影（QCT）などの3次元画像診断法は、aBMDよりも骨折リスクとの相関が強いことが示されています。ただし、どちらの測定値も骨折リスクと有意な関連性を示し、骨折のある人とない人を区別することができます。 ^{[ 18 ]} QCTと比較して、DXAスキャンは安価であり、患者に与える電離放射線の線量も少なくなります。^{[ 19 ]}

骨ミネラル含有量を面積で割ってaBMDを計算する際に深さ情報が不足する問題を補正するために、骨ミネラル見かけ密度（BMAD）スコアを計算することでこれを補正する方法が提案されている。^{[ 20 ]}これらの方法は、例えば、さまざまな骨のサイズを考慮するために幾何学的仮定を用いて骨のサイズを考慮しようとするものであり、例えば、${\displaystyle Area^{3/2}}$脊椎の椎骨については、${\displaystyle Area^{2}}$大腿骨、大腿骨頸部、前腕の場合。^{[ 21 ] [ 22 ]}

米国予防サービス特別委員会は、65歳以上の女性はDXAスキャンを受けるべきであると推奨している。^{[ 23 ]}男性が検査を受けるべき年齢は不明確であるが、^{[ 23 ]}一部の情報源では70歳を推奨している。^{[ 24 ]}リスクのある女性は、リスクが通常の65歳の女性と同等になった時点でスキャンを受けることを検討すべきである。^{[ 23 ]}

シェフィールド大学のFRAX計算機を使用すると、個人のリスクを推定できます。この計算機は、過去の脆弱性骨折、グルココルチコイドの使用、喫煙、過度のアルコール摂取、関節リウマチ、親の股関節骨折の既往歴、慢性腎疾患および肝疾患、慢性呼吸器疾患、フェノバルビタールまたはフェニトインの長期使用、セリアック病、炎症性腸疾患、およびその他の臨床的リスク因子を考慮に入れています。^{[ 25 ]}

骨密度（BMD）値は通常、TスコアまたはZスコアとして示されます。Tスコアは、被験者のBMDと、同性の若年成人集団の平均値との差を標準偏差で表したもので、Zスコアは、同年齢同性の人の平均BMDより標準偏差分低い値として定義されます。^{[ 26 ]}

1994年に世界保健機関の研究グループが閉経後の女性の骨粗鬆症を診断するためのTスコアに基づく基準を確立しました。^{[ 27 ]}

• ${\displaystyle T\geq -1.0}$： 普通
• ${\displaystyle -1.0>T>-2.5}$骨減少症（軽度の骨密度低下）
• ${\displaystyle T\leq -2.5}$骨粗鬆症

これらの値は、若く健康な白人女性の参照集団を使用して決定されました。^{[ 28 ]}国際臨床骨密度測定学会（ISCD）は、すべての民族グループの男性と女性のTスコアを計算するために、統一された白人（人種調整なし）女性の参照データベースを使用することを推奨しています。^{[ 29 ]} BMD自体が民族によって異なるため、異なる民族グループに個別の参照データセットを使用すべきかどうかについては議論があり、いくつかの研究では、白人の参照データセットを使用すると、東アジア人^{[ 30 ]}およびインド人^{[ 31 ]}の集団で骨粗鬆症の過剰診断につながると示唆されています。ISCDはまた、閉経前の女性、50歳未満の男性、および子供にはTスコアではなくZスコアを使用することを推奨しています。^{[ 32 ]}

2025年、米国食品医薬品局は、 DXAによる股関節全体の骨密度を、骨折リスクのある骨粗鬆症の閉経後女性に対する治験薬の臨床試験を支援するための検証済み代替エンドポイントとして認定した。^{[ 33 ]}

異なるメーカーが製造したDXA装置によるBMD測定値には統計的に有意な差が報告されている。^{[ 34 ]}このため、多施設臨床試験ではスキャナー間のキャリブレーションが推奨される。^{[ 35 ]}さらに、個々の施設がスキャナーを交換する場合、正確な長期評価を可能にするために、古いスキャナーと新しいスキャナー間のキャリブレーションが推奨される。^{[ 36 ]}

ストロンチウムサプリメントを摂取すると、ストロンチウムはカルシウムよりもX線を強く吸収するため、DEXA法では骨密度が過大評価される。^{[ 37 ]}

DXAは海綿骨スコアの測定にも使用できます。^{[ 38 ] [ 39 ]}

DXAは、比較的安価で、アクセスしやすく、使いやすく、成人の骨密度を正確に推定できるため、骨密度測定に最も広く使用されている技術です。^{[ 40 ]}

国際臨床骨密度測定学会（ISCD）の公式見解では、骨量減少を引き起こす可能性のある疾患がある場合、骨量減少を引き起こすことが知られている医薬品を処方される場合、または治療を受けていてモニタリングが必要な場合、患者は骨密度検査を受けるべきである。ISCDは、骨密度と小児の骨折リスクとの間に明確な相関関係はないと述べている。小児の骨粗鬆症の診断は、骨密度測定基準に基づいて行うことはできない。Tスコアは小児には使用が禁止されており、DXAレポートにも表示されるべきではない。したがって、成人の骨粗鬆症と骨減少症に関するWHO分類は小児には適用できないが、Zスコアは診断の補助として使用できる。^{[ 41 ]}

一部のクリニックでは、栄養性くる病、ループス、ターナー症候群などの疾患を持つ小児患者に対して、DXAスキャンを定期的に実施している場合があります。^{[ 42 ] DXAは、骨成熟度[ 43 ]}および体脂肪組成^{[ 44 ]}を測定することが実証されており、薬物療法の効果を評価するために使用されています。^{[ 45 ]}また、小児科医が小児期の骨量獲得障害の診断と治療のモニタリングを行う際にも役立つ可能性があります。^{[ 46 ]}

しかし、DXAは小児科ではまだ初期段階にあるようで、DXAには広く認められている限界と欠点があります。診断目的のDXAスキャンは専門センター以外では実施すべきではないという見解が^{あり、これら}のセンター以外でスキャンが実施された場合は、その分野の専門家と相談せずに解釈すべきではないという見解もあります^{[ 47 ]} 。さらに、骨密度が低い成人に投与される医薬品のほとんどは、厳密に監視された臨床試験でのみ子供に投与できます。

DXAで測定した全身カルシウムは、成人では全身カルシウムの生体内中性子放射化を用いて検証されている^{[ 48 ] [ 49 ]}が、これは小児には適しておらず、小児サイズの動物で研究が行われている^{[ 48 ] [ 49 ] 。}

DXA装置を操作するために必要な資格については、米国の各州で異なっている。^{[ 69 ]}例えば、カリフォルニア州では特定のX線骨密度測定監督者および操作者許可証が必要であるが、^{[ 70 ]}メリーランド州ではDXA技師に対する要件はない。^{[ 71 ]}

オーストラリアでは、規制は州や準州によって異なります。^{[ 72 ] [ 73 ]}例えば、オーストラリア・ニュージーランド骨ミネラル学会が提供する臨床骨密度測定コースは、南オーストラリア州を除くすべてのオーストラリアの州で認められていますが、南オーストラリア州では、申請者は南オーストラリア州EPAが実施する別の試験を受ける必要があります。^{[ 74 ]}