VIBE-Dixon序列骨髓脂肪定量與骨密度在女性骨質(zhì)疏松癥評(píng)價(jià)中的研究

陸豐 趙艷軍 倪建明 張追陽(yáng) 姜宇

1. 南通大學(xué)無錫臨床學(xué)院無錫第二人民醫(yī)院影像科，江蘇 無錫 214001 2.南通大學(xué)無錫臨床學(xué)院無錫市第二人民醫(yī)院全科醫(yī)學(xué)科，江蘇 無錫 214001

骨質(zhì)疏松癥是以骨強(qiáng)度下降、骨折風(fēng)險(xiǎn)性增加為特征的骨骼系統(tǒng)疾病[1]。骨質(zhì)疏松癥是一個(gè)重要的全球公共衛(wèi)生問題，帶來嚴(yán)重的社會(huì)負(fù)擔(dān)[2-3]。中國(guó)的骨質(zhì)疏松癥患病率在過去十年中顯著增加，尤其是絕經(jīng)后女性的患病率明顯增加，約40 %的50歲以上女性被診斷為絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥[4-5]。絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥可導(dǎo)致嚴(yán)重的后遺癥，包括髖部、脊柱、手腕和其他骨折。早診斷、早干預(yù)是目前防治骨質(zhì)疏松癥及其后遺癥的最有效手段[6]。

目前DXA仍然是診斷骨質(zhì)疏松癥的金標(biāo)準(zhǔn)，但其準(zhǔn)確性受諸多因素影響。骨髓脂肪組織(MAT)是一個(gè)獨(dú)特的脂肪庫(kù)，能動(dòng)態(tài)地影響骨的數(shù)量和質(zhì)量[7]。成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞共同起源于骨髓間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞，存在競(jìng)爭(zhēng)抑制的關(guān)系[8]。在某些與骨量減少和骨質(zhì)疏松癥相關(guān)的綜合征中，骨髓脂肪含量明顯增加[9-10]。另外，絕經(jīng)后MAT在椎骨中含量也明顯升高[11-12]。MRS是測(cè)量人體脂肪含量的標(biāo)準(zhǔn)，但存在掃描時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量范圍小、易受場(chǎng)不均勻性影響等局限。隨著Dixon技術(shù)出現(xiàn)，使得快速、準(zhǔn)確地測(cè)量脂肪成為可能，且與MRS有高度相關(guān)性[13-14]。

本研究采用兩點(diǎn)式VIBE-Dixon技術(shù)測(cè)量腰椎椎體的脂肪分?jǐn)?shù)，探討其與骨質(zhì)疏松癥臨床風(fēng)險(xiǎn)因素的相關(guān)性；評(píng)估層厚對(duì)脂肪分?jǐn)?shù)(fat fraction, FF)測(cè)量結(jié)果的影響。以骨密度(bone mineral density, BMD)為參考標(biāo)準(zhǔn)，比較三個(gè)不同翻轉(zhuǎn)角獲得的FF與骨密度之間的相關(guān)性，探究合適的翻轉(zhuǎn)角以獲得更準(zhǔn)確的FF值用于臨床骨質(zhì)疏松癥的評(píng)估。另外，本研究納入了骨質(zhì)疏松癥風(fēng)險(xiǎn)的主要臨床因素，如年齡、體質(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)、絕經(jīng)情況和運(yùn)動(dòng)情況。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究屬于前瞻性研究，所有志愿者被告知DXA輻射暴露及MRI的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并簽署了書面知情同意書。本研究從2019年7月-2019年12月共納入116名女性志愿者，平均年齡(45±12)歲。根據(jù)受試者年齡、BMI、絕經(jīng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行相應(yīng)分組，比較各組間椎體骨髓FF及骨密度的差異。納入標(biāo)準(zhǔn)：志愿參加腰椎MR定量檢查及骨密度檢查且年齡在21～70歲者。排除標(biāo)準(zhǔn): 患有腰椎骨腫瘤、轉(zhuǎn)移瘤、血管瘤、結(jié)核等病變的患者; 腰椎有壓縮骨折; 患有甲狀腺功能亢進(jìn)、甲狀旁腺功能亢進(jìn)等骨量代謝相關(guān)疾病; 服用影響骨量代謝水平的藥物，如糖皮質(zhì)激素等；屬于磁共振檢查禁忌證者[15]。本研究經(jīng)無錫市第二人民醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(受理編號(hào)：2019W-9)。

1.2 方法

1.2.1腰椎MR VIBE-Dixon掃描及測(cè)量：由1名有經(jīng)驗(yàn)的操作者采用Siemens MAGNETOM Skyra 3 T超導(dǎo)型成像系統(tǒng)對(duì)所有研究對(duì)象行腰椎MR VIBE-Dixon檢查。VIBE-Dixon序列一次成像能產(chǎn)生正相位、反相位、水相、脂肪相4組圖像?；緟?shù)：TR8.21 ms，TE1=2.46 ms，TE2=3.69 ms，層厚2 mm/4 mm，silece per slab=36，F(xiàn)OV=260 mm×207 mm，矩陣=256×192，average=1，flip angle=5°/10°/15°，Bandwidth=1 030 Hz/px，不施加并行采集掃描，掃描前先自動(dòng)勻場(chǎng)，掃描時(shí)間為40 s/20 s。以L3為中心，包括L1～5，包括椎體左、右邊緣。采集完圖像后，再工作站分別測(cè)量L1～4各椎體中間層面水相、脂肪相的信號(hào)強(qiáng)度，感興趣區(qū)避開血管及韌帶。最后利用公式計(jì)算脂肪分?jǐn)?shù)(FF)=I脂肪/(I脂肪+I水)。ROI包括整個(gè)椎體的松質(zhì)骨部分，需避開椎靜脈入口及皮質(zhì)骨等。

1.2.2腰椎DXA檢查：采用GE Healthcare Lunar Prodigy Advance骨密度測(cè)量?jī)x進(jìn)行雙能X線骨密度測(cè)量。檢查前，按照制造商的建議進(jìn)行質(zhì)量控制程序。檢查時(shí)，研究對(duì)象仰臥位，雙下肢抬高，范圍從T12下1/2至L5椎體上1/2。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用Stata 15統(tǒng)計(jì)軟件。兩名技術(shù)人員測(cè)結(jié)果采用組內(nèi)相關(guān)性分析。采用Pearson線性相關(guān)分析評(píng)價(jià)2 mm與4 mm掃描層厚得到的測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性。采用Pearson線性相關(guān)分析評(píng)價(jià)5°、10°、15°翻轉(zhuǎn)角得到的腰椎脂肪分?jǐn)?shù)與骨密度的相關(guān)性。對(duì)年齡組、BMI組、運(yùn)動(dòng)情況組采用單因素方差分析，對(duì)絕經(jīng)組與非絕經(jīng)組采用t檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 觀察者間一致性

由2名具有10年以上經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)專家分別測(cè)量160位志愿者不同掃描參數(shù)的腰椎椎體骨髓脂肪分?jǐn)?shù)，組內(nèi)相關(guān)系數(shù)ICC=0.983(95 %CI為0.976～0.987，P<0.001)。

2.2 不同層厚FF相關(guān)性

比較5°、10°、15°翻轉(zhuǎn)角下2 mm和4 mm層厚的FF，相關(guān)性分別為0.981、0.969和0.972，均為顯著相關(guān)。見表1。

表1 2 mm 和 4 mm FF結(jié)果相關(guān)性

2.3 基線特征

分別獲得5°、10°、15°翻轉(zhuǎn)角，層厚為4 mm時(shí)FF情況。見表2、表3。

表2 四組年齡組研究對(duì)象骨密度以及不同層厚、翻轉(zhuǎn)角的骨髓脂肪含量測(cè)量結(jié)果及比較Table 2 BMD and FF derived from 2 mm and 4 mm slice thicknesses with flip angles of 5, 10 or 15 degrees in each age group

表3 四組BMI研究對(duì)象骨密度以及不同層厚、翻轉(zhuǎn)角的骨髓脂肪含量測(cè)量結(jié)果及比較Table 3 BMD and FF derived from 2 mm or 4 mm slice thicknesses with flip angles of 5, 10 or 15 degrees in each BMI group

2.4 比較3個(gè)不同翻轉(zhuǎn)角的FF與BMD、年齡的相關(guān)性

翻轉(zhuǎn)角增加，F(xiàn)F隨之增大。不同翻轉(zhuǎn)角得到的FF值與腰椎骨密度相關(guān)性均較好。見表4。

表4 不同層厚、翻轉(zhuǎn)角的骨髓脂肪含量測(cè)量結(jié)果與骨密度的相關(guān)性Table 4 Correlations between BMD and FF derived from 2 mm or 4 mm slice thicknesses with flip angles of 5, 10 or 15 degrees

2.5 絕經(jīng)情況比較

比較未絕經(jīng)女性與絕經(jīng)女性的BMD和FF，有明顯差異，P<0.05。見表5。

表5 非絕經(jīng)組與絕經(jīng)組骨密度以及不同層厚、翻轉(zhuǎn)角的骨髓脂肪含量測(cè)量結(jié)果及比較

2.6 不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的比較

不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的志愿者BMD和FF結(jié)果無明顯差異。見表6。

表6 不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)組骨密度以及不同層厚、翻轉(zhuǎn)角的骨髓脂肪含量測(cè)量結(jié)果及比較

3 討論

骨質(zhì)疏松癥患病率隨年齡增長(zhǎng)而增加，女性高于男性[4]。在50歲以上和80歲以上的女性中，分別有33 %和73 %左右的人被診斷為骨質(zhì)疏松癥，而50歲以上男性診斷為骨質(zhì)疏松癥大約是20 %[16]。因此，絕經(jīng)后女性骨質(zhì)疏松癥的早期診斷尤為重要。

Dixon技術(shù)獲得的質(zhì)子密度脂肪分?jǐn)?shù)(proton density fat fraction)所受到的影響因素仍然較多，包括T2*校正、脂肪譜的復(fù)雜性以及T1的偏差。多點(diǎn)式Dixon技術(shù)在解決前兩個(gè)問題上具有一定優(yōu)勢(shì)，但目前還屬于商用序列，臨床普及性較差，尤其是在多中心研究和臨床標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方面存在一定問題。有研究[17-18]表明兩點(diǎn)式與多點(diǎn)式Dixon序列得到的結(jié)果具有很強(qiáng)的相關(guān)性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)影響FF最明顯的因素往往是翻轉(zhuǎn)角的設(shè)定，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回波數(shù)的影響。

組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC)評(píng)估脂肪分?jǐn)?shù)測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性，ICC=0.983，表明測(cè)量具有可重復(fù)性，這與之前的研究結(jié)果是一致的[19]。

對(duì)5°、10°及15°翻轉(zhuǎn)角MR序列分別采用2 mm和4 mm掃描層厚進(jìn)行掃描，得到的脂肪分?jǐn)?shù)與骨密度的相關(guān)性均大于0.98。3 D圖像板塊厚度方向的層厚代表該方向的空間分辨率，該研究說明了空間分辨率不會(huì)對(duì)椎體脂肪含量的測(cè)量產(chǎn)生影響?？梢赃x擇較大層厚進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究，以進(jìn)一步縮短掃描時(shí)間，亦可選擇小的層厚來實(shí)現(xiàn)脂肪容積測(cè)量。翻轉(zhuǎn)角增大，T1加權(quán)的成分增加，繼而測(cè)得的脂肪含量也會(huì)偏高。因此，一般測(cè)量脂肪含量要求用質(zhì)子密度加權(quán)(PDFF)，即用小的翻轉(zhuǎn)角。研究[17]顯示，翻轉(zhuǎn)角增加使脂肪分?jǐn)?shù)偏高，但對(duì)脂肪分?jǐn)?shù)與骨密度相關(guān)性的影響較小。

目前關(guān)于骨髓脂肪對(duì)骨質(zhì)量的影響機(jī)制主要包括兩個(gè)方面：一方面是骨髓脂肪與成骨細(xì)胞共同起源骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，存在競(jìng)爭(zhēng)抑制[20-21]。對(duì)于骨質(zhì)疏松癥患者，脂肪在骨骼中沉積更占優(yōu)勢(shì)[22]；另一方面，是骨髓脂肪的脂毒性[23]。本次研究結(jié)果中骨髓脂肪與骨密度呈中度負(fù)相關(guān)，與之前的研究結(jié)果一致[24]。

有研究對(duì)骨質(zhì)疏松癥的主要臨床風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行相關(guān)性分析，包括年齡、BMI、絕經(jīng)史及運(yùn)動(dòng)等[25]。隨著年齡的增長(zhǎng)骨髓脂肪含量會(huì)增加[26-27]，對(duì)于女性，還必須考慮雌激素的作用，骨髓脂肪細(xì)胞體積的增加與雌激素的丟失有關(guān)[28]。雌激素在維持骨密度方面起著重要的作用。研究[29]表明雌激素對(duì)骨細(xì)胞的作用是通過雌激素受體ER-α和ER-β介導(dǎo)的。另外，雌激素通過調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞前體增殖和脂肪細(xì)胞分化因子的表達(dá)來影響脂肪的形成[30-32]。利用雌激素抑制骨髓脂肪增長(zhǎng)來控制骨質(zhì)疏松的研究也證實(shí)這一觀點(diǎn)[28,33]。本研究顯示，絕經(jīng)期女性骨髓脂肪含量顯著增加，與之前的研究結(jié)果一致[34]。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的骨強(qiáng)度增加可能是通過維持皮質(zhì)和骨小梁體積骨密度或減少骨髓脂肪從而增加成骨細(xì)胞而介導(dǎo)的[35]。絕經(jīng)后婦女可以通過適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)提高骨密度來降低骨折風(fēng)險(xiǎn)[36]。本研究中，不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度志愿者骨髓脂肪含量和骨密度無明顯差異，可能與志愿者自我運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的評(píng)估不準(zhǔn)確有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，腰椎椎體骨髓脂肪分?jǐn)?shù)隨著BMI的增加呈上升趨勢(shì)。而BMI大于28的人群呈下降趨勢(shì)可能由于樣本量太少導(dǎo)致的。目前關(guān)于BMI與椎體骨髓脂肪的相關(guān)研究較少，Burian等[37]的研究發(fā)現(xiàn)BMI與腰椎骨髓脂肪含量不相關(guān)。而BMI大的人群髖部骨折的風(fēng)險(xiǎn)低，可能由于超重帶來的保護(hù)作用[6,38]。

希望未來能進(jìn)行進(jìn)一步的多中心研究，同時(shí)提高樣本量，使VIBE-Dixon測(cè)量腰椎椎體脂肪含量成為臨床評(píng)估骨質(zhì)疏松性骨折的工具。另外，基于VIBE-Dixon序列得到的3 D數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元工具從生物力學(xué)角度評(píng)估臨床骨折風(fēng)險(xiǎn)也是對(duì)VIBE-Dixon數(shù)據(jù)的進(jìn)一步挖掘和應(yīng)用。

當(dāng)然本研究也存在一些不足。首先是樣本量較小；其次僅測(cè)量了正中矢狀位層面，不能完全反映整個(gè)椎體的脂肪信息，會(huì)帶來一定的偏差。另外，本研究是以DXA測(cè)得的骨密度為參考標(biāo)準(zhǔn)，而骨密度本身不能全面反映骨質(zhì)量情況。

總之，運(yùn)用VIBE-Dixon技術(shù)測(cè)量腰椎椎體脂肪分?jǐn)?shù)具有較好的重復(fù)性，受層厚和翻轉(zhuǎn)角影響較小。腰椎椎體骨髓脂肪分?jǐn)?shù)能較好地反映骨質(zhì)量情況，與骨密度有較好的相關(guān)性。