腰椎MR彌散成像與定量CT骨密度測量的相關性研究

方浩 何杰 左盼莉 李曉娜 崔建嶺

·論著·

腰椎MR彌散成像與定量CT骨密度測量的相關性研究

方浩 何杰 左盼莉 李曉娜 崔建嶺

目的探討腰椎椎體表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)值與定量CT(quantitative computed tomography,QCT)所測骨密度(bone mineral density,BMD)的相關性。方法對121例腰腿痛患者進行腰2～4椎體QCT檢查,并根據(jù)骨密度分為骨密度正常組、骨密度減少組及骨質疏松組。再對患者進行腰椎MR檢查，先行常規(guī)矢狀面T2WI、T1 WI和橫軸面T2WI掃描；彌散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)采用自旋回波單次激發(fā)回波平面成像序列(b值為0和600 s/mm2),行椎體矢狀位DWI掃描，在ADC圖上測量腰2～4椎體ADC值。最后分析ADC值與骨密度的相關性。結果男性各組間ADC值差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；女性骨密度正常組ADC(0.45±0.13)×10-3mm2/s，與骨量減少組(0.302±0.0677)×10-3mm2/s及骨質疏松組(0.2869±0.0475)×10-3mm2/s比較，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。Spearman相關分析發(fā)現(xiàn)，男性BMD與ADC值無相關性，女性BMD與ADC值呈正相關(r=0.545，P<0.01)。結論DWI可從骨髓分子運動水平研究骨質疏松的病理生理變化，對骨質疏松進行無創(chuàng)性定量評估。

骨密度；骨質疏松；磁共振彌散成像；計算機體層攝影術

隨著社會老齡化的加速到來，骨質疏松越來越受到關注，據(jù)統(tǒng)計，骨質疏松在我國60歲以上人群中發(fā)病率為56%，其中女性發(fā)病率高達60%～70%。骨質疏松導致的骨折嚴重影響老年人生活質量，并給社會帶來一系列經(jīng)濟負擔，已經(jīng)成為一個重要的公共健康問題。目前骨密度(bone mineral density,BMD)測量仍是評價骨質疏松的最敏感和最特異的方法，定量CT(quantitative computed tomography,QCT)作為一種對骨密度的容積測量，較雙能X線(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)具有更高的準確性[1]。但是骨強度并不僅僅由BMD影響，還受骨質量的影響，骨質量是除骨密度外構成骨強度的重要因素。磁共振彌散加權成像(diffusion weighted imaging,DWI)能夠無創(chuàng)性評價骨質疏松的骨髓病理生理變化[2]，來反映骨質量的改變。以往對DWI與BMD關系的研究多限于絕經(jīng)后女性，且對DWI的定量指標與骨密度相關性的結果仍存在廣泛的爭議[3-5]。本研究采用3.0T高場強MR 研究不同性別腰椎椎體DWI定量指標與QCT所測骨密度的相關性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2012年11月至2013年5月于河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院脊柱外科門診因腰腿痛行腰椎MR檢查的121例患者，均簽署知情同意志愿書。121例患者QCT和MR檢查，年齡20～90歲；其中男49例，年齡20～82歲，平均(52±17)歲；女72例，年齡21～90歲，平均(55±16)歲。根據(jù)QCT檢查結果的BMD值，將男性患者分為正常組22例，平均(45±17)歲，骨量減少組17例，平均(53±13)歲，和骨質疏松組10例，平均(69±7)歲；女性患者劃分為3組，正常組26例，平均(40±13)歲，骨量減少組21例，平均(62±10)歲和骨質疏松組25例，平均(65±9)歲。

1.2 入選標準 (1)無內(nèi)分泌及代謝性疾病；(2) 未服用激素等影響骨代謝的藥物；(3) 無腫瘤及放療、化療、手術史；(4)MR檢查椎體無形態(tài)及信號異常。

1.3 實驗設備及方法 (1)QCT BMD測量：采用德國Siemens 公司Sensation 16層螺旋CT及美國Image analysis公司提供的5柱形標準體模和QCT 5000分析軟件；測量部位腰2～4椎體，結果以mg/cm3表示；骨質疏松采用國際臨床骨密度協(xié)會(ISCD) 2007年推薦的診斷標準[6]，骨量減低 BMD 閾值為 120 mg/cm3(相當于 DXA T 值 =-1.0SD )，骨質疏松 BMD 閾值為80 mg/cm3(相當于DXA T值=-2.5SD)。(2)腰椎MR采用德國Siemens公司3.0T Verio磁共振機。常規(guī)腰椎掃描采用矢狀位T1WI (TR/TE=624/11 ms)、T2WI(TR/TE=3 500/88 ms)和矢狀位T2WI(TR/TE=3 800/105 ms)，用于排除椎體病變。椎體DWI掃描采用自旋回波單次激發(fā)回波平面成像序列(spin-echo single-shot echo-planar imaging sequence)，矢狀位，TR/TE=5500/100 ms，層厚5 mm，視野28 mm，矩陣128×256，平均次數(shù)(NEX)2次，b值為0，600 s/mm2，在自動生成的ADC圖上測量腰2～4椎體ADC值，每個椎體測量3次取平均值。見圖1。

圖1 b=0,b=600腰椎彌散圖及ADC圖，分別在腰2～4椎體ADC圖上測量ADC值

1.4 統(tǒng)計學分析 應用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件，分別比較不同性別3組不同骨密度的DWI測量值差異，并對椎體DWI測量值與QCT測量的骨密度值進行相關性分析。正態(tài)性方差齊計量資料的均數(shù)比較采用t檢驗、單因素方差(ANOVA)分析；非正態(tài)或方差不齊計量資料采用非參數(shù)秩和檢驗(Wilcoxon rank sum test法)，相關分析采用Pearson或Spearman法，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 男性組DWI及QCT測量指標 男性不同骨密度組ADC值差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，ADC值無隨骨量改變的趨勢。Pearson相關分析，ADC值與BMD無相關性(P>0.05)。見表1。

組別 DWIADC(mm2/s，×10-3)QCTBMD(mg/cm3)正常組(n=22)0．31±0．09154±25減少組(n=17)0．29±0．06105±11骨質疏松組(n=10)0．30±0．0966±10

2.2 女性組DWI及QCT測量指標 女性DWI指標的變化狀況及與QCT測量的BMD的相關性：隨著骨量減少，ADC值降低。ADC值組間比較，協(xié)方差分析調(diào)整年齡因素后，骨密度正常組與骨量減少組有統(tǒng)計學差異(P=0.001，P<0.05)；骨密度正常組與骨質疏松組差異有統(tǒng)計學意義(P=0.000，P<0.05)；骨量減少組與骨質疏松組差異無統(tǒng)計學意義(P=0.440，P>0.05)。見表2。

組別 DWIADC(mm2/s，×10-3)QCTBMD(mg/cm3)正常組(n=26)0．45±0．13164±26減少組(n=21)0．30±0．0799±12骨質疏松組(n=25)0．29±0．0559±20

2.3 Spearman相關分析 腰2～4椎體ADC值與BMD呈正相關(r=0.545，P=0.000，P<0.05)。見圖2、3。

3 討論

DWI用于骨質疏松癥能反映骨組織內(nèi)水分子的彌散運動情況,椎體骨髓脂肪的改變會導致相應細胞外間隙的改變，進而改變水分子的彌散狀況。因此椎體的DWI這種MR功能性成像技術，可從分子微觀彌散運動的角度來反映骨髓的變化狀況，為骨質疏松的研究提供了一個新的視角。ADC值能定量反映組織內(nèi)單純水分子隨機擴散的程度，ADC值越大，表示水分子的彌散運動越快，單位時間擴散的距離越大[7，8]。本研究用3.0T MR行椎體DWI掃描，其梯度場強切換率為45 mT/ms，比1.5T MR掃描速度快，信噪比和空間分辨率高，運動偽影明顯減少。

圖2 不同骨密度ADC值

圖3 72例女性患者腰2～4椎體的ADC值(橫坐標，mm2/s，×10-3)與QCT所測BMD(縱坐標，mg/cm3)相關性散點圖(r=0.545)

本研究結果表明在女性中，ADC值與BMD呈線性正相關，即隨骨密度降低，ADC值也下降。ADC的降低是由于骨質疏松時，增加的骨髓脂肪填充了擴大的骨小梁間隙[7，9]。骨髓灌注降低也可能是ADC降低的一個原因[5，7]。另一個解釋是紅骨髓比黃骨髓有更多的細胞內(nèi)水和鄰近的自由水[3]，黃骨髓增加，水分子彌散受限，從而導致ADC值降低。Hatipoglu等[3]對51例受試者做腰1～4椎體DWI掃描，按DXA所測骨密度分組，結果顯示ADC值隨BMD降低。有報導對1組絕經(jīng)后女性腰3椎體的DWI及DXA研究也顯示不同骨密度組ADC值存在差異，ADC與BMD呈正相關[10]。Yeung等[4]對40例絕經(jīng)后女性和20例年輕女性對照組做椎體ADC值測量，對照組、試驗組BMD正常組及試驗組BMD降低組，ADC值依次降低，本研究的結果與以上結果均呈一致趨勢。但Yeung等[4]的研究顯示其試驗組不同骨量組別間ADC值無明顯差異，而只在年輕對照組和試驗組BMD正常組及試驗組BMD降低組之間存在差異，這與該文采用DXA測量值對于骨質疏松分類有關，由于DXA難以避免椎體增生、腹主動脈鈣化所造成的影響，使得評價存在不準確性，而且其年輕對照組也未行骨密度測量而主觀認為其應該骨量正常，這也會對比較結果造成一定影響。Griffith等[5]對103名絕經(jīng)后老年女性的研究指出椎體的ADC值在骨質疏松組、骨量減少組和正常組間無明顯差異，ADC值與BMD無相關，但顯示ADC與骨髓脂肪含量呈弱的負相關，表明隨骨髓脂肪的增加，分子彌散降低。另外該研究的DWI掃描僅限于腰3椎體，而BMD測量的是腰1～4椎體的均值，可能會對結果產(chǎn)生一定影響。

本研究結果顯示男性的ADC值在各組間無明顯差異，與骨密度無相關性。本研究還發(fā)現(xiàn)在骨密度正常組中，男性ADC值低于女性。以往的研究已證實，男女兩性的骨髓脂肪含量不同，男性椎體有更多的骨髓脂肪[11]，因此彌散受限，ADC值較女性低。一項對椎體進行動態(tài)增強的骨髓灌注研究也顯示，椎體的骨髓灌注和脂肪沉積的確存在男女性別的差異[12]，本研究結果表明正常骨密度組男性的ADC值低于女性，也間接證實在相同骨密度下，男性椎體的脂肪含量多于女性。也有研究認為絕經(jīng)后女性較相應年齡的男性有較多的椎體內(nèi)脂肪[5，13]，以往研究均為同年齡組不同性別的差異，但對于相同骨密度組不同性別的差異還未有相關文獻報導。本研究的其他2組男女兩性之間并無差異，可能與男女性別組骨量減少的程度不均衡及男性骨質疏松組人數(shù)較少有關。本研究結果顯示女性的ADC與QCT測得的骨密度呈正相關，而男性無相關，這可能與研究對象年齡與骨質疏松診斷標準中的年齡不完全符合有關(骨質疏松診斷標準僅用于圍絕經(jīng)期及絕經(jīng)后女性及50歲以上男性)，另外對于男性骨質疏松的診斷一直參照女性標準，男女兩性間的差異還有待進一步研究。

綜上所述，DWI可基于常規(guī)腰椎磁共振成像基礎上對骨質疏松進行無創(chuàng)性定量評估，為骨質疏松的研究開拓了一個新的領域，提供了一個從骨髓分子運動水平研究其病理生理變化的平臺。

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Correlationbetweenapparentdiffusioncoefficientandbonemineraldensitymeasuredbyquantitativecomputedtomographyinhumanlumbarspine

FANGHao*,HEJie*,ZUOPanli,etal.*DepartmentofCT/MR,TheThirdHospitalofHebeiMedicalUniversity,Shijiazhuang050051,China

ObjectiveTo investigate the correlation between apparent diffusion coefficient (ADC) detected by magnetic resonance (MR) diffusion weighted imaging (DWI) and bone mineral density (BMD) measured by quantitative computed tomography (QCT) in human lumbar spine.Methods121 patients with lumbocrural pain underwent volumetric bone mineral density measured by QCT at the site of lumbar spine (L2～4).According to the bone mineral density,all the subjects were divided into three groups:normal bone density group,osteoporosis group,osteopenia group.After routine MRI examination (Sagittal T2WI,T1WI and Axial T2WI),DWI was performed with single shot spin-echo planar imaging sequence (b = 0,600 s/mm2) and ADC values were measured.Finally the correlation between ADC and BMD was analyzed.ResultsThere were no significant differences in ADC values among different male groups.As compared with those in normal bone density group,ADC values were significantly decreased in osteoporosis group [(0.2869±0.0475)×10-3mm2/s vs (0.45±0.13)×10-3mm2/s,P<0.01)] and in osteopenic group [(0.302±0.0677)×10-3mm2/s vs (0.45±0.13)×10-3mm2/s,P<0.01)] in females.ADC values were positively correlated with BMD values (r=0.545,P<0.01) in females,but ADC values were not related to BMD values in males.ConclusionDWI can quantitatively evaluate osteoporosis noninvasively by observing the pathological changes of vertebral bone marrow at molecular movement level.

bone density; osteoporosis；magnetic resonance diffusion weighted imaging; computed tomography

10.3969/j.issn.1002-7386.2014.05.002

050051 石家莊市，河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院CT/MR室，河北省骨科生物力學重點實驗室(方浩、何杰、李曉娜、崔建嶺)；西門子(中國)有限公司醫(yī)療業(yè)務領域磁共振事業(yè)部(左盼莉)

何杰，050051 河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院；

E-mail：jiehe2004@aliyun.com

R 814.42

A

1002-7386(2014)05-0648-04

2013-09-11)