體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)成像定量評(píng)估骨質(zhì)疏松的價(jià)值

田鐵橋 易云平 張思偉

骨質(zhì)疏松癥（ostooporosis，OP）是一種復(fù)雜多因素的全身性疾病，以骨強(qiáng)度受損為特征，導(dǎo)致機(jī)體罹患骨折危險(xiǎn)性增加。目前，臨床上OP 主要的診斷方法仍然采用通過(guò)測(cè)定骨密度（bone mineral density，BMD）來(lái)反映患者骨量情況，雙能X 線吸收測(cè)定（dual energy X-ray absorptiometry，DXA）是應(yīng)用最為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，成為診斷OP 的金標(biāo)準(zhǔn)［1］。但DXA 具有電離輻射，且不能評(píng)估骨微結(jié)構(gòu)的情況，因此對(duì)骨折的預(yù)測(cè)能力有限。體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)成像（introvoxel incoherent motion，IVIM）是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新的成像方法。它能夠在不使用外源性對(duì)比劑的條件下，通過(guò)雙指數(shù)模型將血管內(nèi)水分子擴(kuò)散和組織水分子擴(kuò)散分離出來(lái)。IVIM 模型不僅能反映活體器官組織中水分子擴(kuò)散特性，還可以反映組織血流灌注的情況，為疾病診斷提供更豐富的信息。多項(xiàng)研究表明，通過(guò)對(duì)骨髓中水分子擴(kuò)散和微循環(huán)灌注的定量評(píng)估，發(fā)現(xiàn)正常骨髓與病變骨髓中水分子擴(kuò)散及微循環(huán)差異，此差異能夠鑒別不典型血管瘤與溶骨性轉(zhuǎn)移瘤［2］，鑒別壓縮骨折和轉(zhuǎn)移，以及檢測(cè)強(qiáng)直性脊柱炎、活動(dòng)性骶髂關(guān)節(jié)炎［3］。骨質(zhì)疏松患者由于骨髓中水含量減低、脂肪含量增加及血管硬化等原因亦會(huì)導(dǎo)致骨髓中水分子擴(kuò)散及微循環(huán)灌注異常。本研究旨在探討IVIM 對(duì)原發(fā)性髖部骨質(zhì)疏松的評(píng)估價(jià)值。

資料與方法

1.研究對(duì)象

回顧性分析2015 年1 月～2019 年1 月在廣東省中醫(yī)院門診及住院患者的數(shù)據(jù)資料。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）無(wú)重要臟器疾病史；（2）無(wú)放化療史；（3）近期未服用激素類藥物史及未進(jìn)行影響檢查結(jié)果的檢查和治療；（4）能夠配合MR 檢查，常規(guī)MR 檢查序列髖關(guān)節(jié)無(wú)形態(tài)及信號(hào)異常。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）有骨折病史或其他影響骨代謝的疾病史；（2）服用影響骨代謝藥物；（3）MR 掃描禁忌者；（4）妊娠。所有患者均接受髖部DXA 和MR 檢查。本研究共選取141 例受試者，男59 例，女82 例，正常組48 例（男20 例，女28 例），低骨量組42 例（男17 例，女25 例），骨質(zhì)疏松組51 例（男22 例，女29 例）。年齡23～67 歲，平均（45.9±10.01）歲，所有受檢者均知情同意。

2.檢查方法

DXA 檢查采用Hologic Discovery 雙能X 線骨密度儀。所有受試者進(jìn)行左髖部掃描，并根據(jù)國(guó)際骨質(zhì)疏松委員會(huì)（International Osteoporosis Foundation，IOF）的推薦［4］以左股骨頸區(qū)的結(jié)果作統(tǒng)計(jì)分析。按照DXA 的t 值結(jié)果將受試者分成正常組、低骨量組和骨質(zhì)疏松組。骨質(zhì)疏松診斷標(biāo)準(zhǔn)采用WHO 標(biāo)準(zhǔn)：t 值≥-1SD，為正常；t 值介于-2.5～-1SD，為低骨量；t 值≤-2.5SD 以上為骨質(zhì)疏松。

MR 檢查應(yīng)用Siemens Avanto 1.5 T MR 機(jī)。所有受檢者取仰臥位，相控陣體部線圈，進(jìn)行雙髖部常規(guī)及IVIM 掃描。常規(guī)掃描：采用SE T1WI（TR 598 ms，TE 11 ms）、FSE T2WI（TR 4430 ms，TE 78 ms）橫斷和冠狀位掃描，視野350×350，層厚/層間距3 mm/0.8 mm。IVIM 掃描：采用EPI 序列冠狀位成像，TE 89 ms，TR 5700 ms，視野320×320，b 值取0、50、100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1500，共16 個(gè)值。T2WI 和IVIM 掃描采用SPAIR 壓脂方式來(lái)進(jìn)行。

3.圖像處理

將IVIM 序列掃描所得的原始數(shù)據(jù)應(yīng)用GE AW 4.6 工作站的MADC 軟件行圖像分析，分別獲得慢擴(kuò)散系數(shù)（Dslow）、快擴(kuò)散系數(shù)（Dfast）及灌注分?jǐn)?shù)（F）參數(shù)圖，然后手工在冠狀位將ROI 放置在左股骨頸區(qū)（圖1a～1d），重復(fù)3 次測(cè)量并取平均值分別獲得F、Dfast和Dslow值，每次測(cè)量盡量選擇大小相同的ROI（約10～20 mm2），盡量避開骨皮質(zhì)及血管區(qū)。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

結(jié)果

1.各組間年齡、BMD 與IVIM 參數(shù)的比較

正常組、低骨量組和骨質(zhì)疏松組間各參數(shù)比較的結(jié)果見表1。各組間，正常組的ADC、Dfast、Dslow和F 值均高于低骨量組和骨質(zhì)疏松組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；而低骨量組ADC、Dfast和Dslow值雖均稍高于骨質(zhì)疏松組，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；低骨量組的F 值大于骨質(zhì)疏松組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（圖1～3）。

表1 各組間各參數(shù)的比較

圖1 骨量正常者，女，49 歲。a)DXA 圖、b)雙髖關(guān)節(jié)常規(guī)冠狀位PD-FS 圖；c)～f)IVIM 偽彩圖，c)為Dslow 圖、d)為F 圖、e)為ADC 圖、f)為Dfast圖；左股骨頸BMD 0.840 g/cm2，ROI 于左股骨頸區(qū)：Dslow 0.51×10-3 mm2/s，F(xiàn) 39.4%，ADC 0.47×10-3 mm2/s，Dfast 72.3×10-3 mm2/s

2.BMD 與各IVIM 參數(shù)的相關(guān)性

經(jīng)過(guò)Spearman 相關(guān)分析，BMD 與IVIM 參數(shù)ADC、Dfast、Dslow和F的相關(guān)系數(shù)r分別為0.286、0.264、0.395 和0.440，均為P＜0.01，提示BMD 與IVIM 各參數(shù)均呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)關(guān)系并不密切（相關(guān)系數(shù)小于0.5）；而BMD 與年齡呈負(fù)相關(guān)（r=-0.265，P＜0.01）。

討論

圖2 骨量減低者，女，54 歲。a)DXA 圖、b)雙髖關(guān)節(jié)常規(guī)冠狀位PD-FS 圖；c)～f)IVIM 偽彩圖，c)為Dslow 圖、d)為F 圖、e)為ADC 圖、f)為Dfast圖；左股骨頸BMD 0.692 g/cm2，ROI 于左股骨頸區(qū)：Dslow 0.28×10-3 mm2/s，F(xiàn) 35.7%，ADC 0.33×10-3 mm2/s，Dfast 55.2×10-3 mm2/s

圖3 骨質(zhì)疏松者，男，57 歲。a)DXA 圖、b)雙髖關(guān)節(jié)常規(guī)冠狀位PD-FS 圖；c)～f)IVIM 偽彩圖，c)為Dslow 圖、d)為F 圖、e)為ADC 圖、f)為Dfast圖；左股骨頸BMD 0.544 g/cm2，ROI 于左股骨頸區(qū)：Dslow 0.1×10-3 mm2/s，F(xiàn) 19.4%，ADC 0.32×10-3 mm2/s，Dfast 23.8×10-3 mm2/s

人體骨髓微環(huán)境主要由骨髓基質(zhì)、微血管、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、造血細(xì)胞及相關(guān)細(xì)胞因子等組成，是骨吸收和骨重建的重要場(chǎng)所［5］。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)OP 發(fā)病機(jī)制尚未達(dá)成一致，但骨髓微環(huán)境的變化與OP 的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)的學(xué)說(shuō)得到普遍認(rèn)可。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)骨髓脂肪細(xì)胞堆積、骨髓微循環(huán)灌注障礙在OP 骨髓微環(huán)境變化中發(fā)揮重要作用，導(dǎo)致骨吸收與骨形成失衡，最終骨量降低、骨微結(jié)構(gòu)破壞，引起OP 發(fā)生［6-8］。

1.IVIM 技術(shù)優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

隨著MR 硬件和成像技術(shù)的不斷發(fā)展，功能MRI 成像在疾病診斷與研究中有了革命性的進(jìn)展，IVIM 技術(shù)就是其中之一，它能無(wú)創(chuàng)地反映人體骨髓組織水分子的擴(kuò)散及骨髓血流灌注情況以評(píng)估骨髓微環(huán)境變化，為探索研究OP 提供了一個(gè)新方法。

磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）是通過(guò)測(cè)定ADC 值對(duì)組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散情況進(jìn)行定量評(píng)估，其數(shù)學(xué)模型為單指數(shù)模型，忽視了生物組織內(nèi)其他多種來(lái)源的不相干運(yùn)動(dòng)，特別是毛細(xì)血管網(wǎng)結(jié)構(gòu)中血液循環(huán)灌注的影響。因而Le Bihan 等［9］提出IVIM 雙指數(shù)模型，認(rèn)為生物組織的微觀運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)主要的部分，即血管微循環(huán)和水分子的擴(kuò)散，兩者具有顯著不同的擴(kuò)散系數(shù)。其中毛細(xì)血管內(nèi)血液中水分子的運(yùn)動(dòng)被定義為假性擴(kuò)散，用Dfast值表示，代表的是毛細(xì)血管網(wǎng)微循環(huán)內(nèi)的灌注成分，其數(shù)值取決于血流速度和毛細(xì)血管的幾何形態(tài)；F 值代表體素內(nèi)毛細(xì)血管容積占整個(gè)組織容積的比值，其數(shù)值與血容量相關(guān)；而組織內(nèi)的水分子擴(kuò)散定義為真性擴(kuò)散，用Dslow值表示，其數(shù)值受細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞間隙及擴(kuò)散介質(zhì)的影響。通常認(rèn)為組織細(xì)胞數(shù)目越多、密度越大，核質(zhì)比越高，細(xì)胞外間隙越小，Dslow值就會(huì)越??；當(dāng)組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受到限制時(shí)，ADC 值和Dslow值下降，相反則升高［10］。

2.IVIM 可用于骨質(zhì)疏松的早期評(píng)估

本研究結(jié)果顯示，骨質(zhì)疏松組及低骨量組的ADC、Dslow值均低于正常組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），而且隨著BMD 減低，ADC、Dslow值也會(huì)隨之減低，呈正相關(guān)關(guān)系。這是由于OP 者骨髓內(nèi)脂肪細(xì)胞增加，填充了擴(kuò)大的骨小梁間隙，細(xì)胞外間隙減小，從而使骨髓組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受到限制。另外過(guò)多的脂肪細(xì)胞又會(huì)壓迫骨小梁間的微血管，致使血流灌注降低，又進(jìn)一步減低ADC 值［11］。彭海洲等［12］發(fā)現(xiàn)腰椎A(chǔ)DC值與BMD呈正相關(guān)，骨密度正常組ADC 值高于骨量減少組及骨質(zhì)疏松組。Tang等［13］在對(duì)78名絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松婦女腰椎磁共振波譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）和DWI 的研究中發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松組的腰椎骨髓脂肪含量顯著高于低骨量組及正常組，而ADC 值則低于其他兩組，并且ADC 與t 值呈正相關(guān)，與本研究結(jié)果一致。而Griffith 等［14］在對(duì)103 名受試者腰椎MRS、DWI 和動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MR成像的研究中發(fā)現(xiàn)ADC 值不隨BMD 而變化。造成結(jié)論不一致的原因可能是Griffith 等的研究中只采用6 個(gè)b 值，且最高b 值為500 s/mm2，200 s/mm2以下b 值僅有1 個(gè)。既往研究表明b 值大小和數(shù)量均可影響IVIM 參數(shù)結(jié)果［15］，理論上b 選擇越多，ADC 值越準(zhǔn)確。Lemke 等［15］認(rèn)為至少選用16 個(gè)按特定大小分布的b 值才能獲得較準(zhǔn)確的IVIM 參數(shù)。另外，低b 值（200 s/mm2以下）時(shí)DWI 的信號(hào)衰減主要反映血流灌注的情況，而當(dāng)高b 值（200 s/mm2以上）時(shí)主要反映純水分子的擴(kuò)散情況［16］。由于IVIM 應(yīng)用于腰椎骨髓評(píng)估較少，目前對(duì)b 值大小、數(shù)量選擇無(wú)統(tǒng)一而明確的規(guī)范［16,17］。本研究采用16 個(gè)b 值，最高b 值為1500 s/mm2，3 個(gè)低b 值，所得結(jié)果相對(duì)能較準(zhǔn)確反映人體組織的實(shí)際狀況。

既往多項(xiàng)動(dòng)態(tài)增強(qiáng)磁共振成像研究表明，骨質(zhì)疏松時(shí)骨髓的血流灌注是降低的［18-20］。本研究結(jié)果顯示，正常組的Dfast和F 值均高于低骨量組和骨質(zhì)疏松組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），而BMD與Dfast和F 值也呈正相關(guān)，與既往研究結(jié)果一致。原因主要是骨髓血管化及血流量降低，一方面紅骨髓的代謝活性受到影響，使骨髓成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞前體細(xì)胞數(shù)量減少，另一方面因血流量降低刺激了骨髓基質(zhì)干細(xì)胞向成脂細(xì)胞方向分化，而其向成骨細(xì)胞方向分化同時(shí)也受到抑制，結(jié)果導(dǎo)致骨髓內(nèi)脂肪組織逐漸增加，又會(huì)使骨髓血流灌注進(jìn)一步下降，如此交互影響，導(dǎo)致OP［21］。根據(jù)本研究的結(jié)果，利用IVIM 技術(shù)可對(duì)OP 的骨髓變化做定量評(píng)價(jià)，該技術(shù)將可能是一項(xiàng)潛在的、重要的、用于骨質(zhì)疏松早期診斷和治療監(jiān)測(cè)的影像學(xué)指標(biāo)。

3.本研究的不足

本研究?jī)H選取股骨頸區(qū)作為ROI 進(jìn)行IVIM參數(shù)的測(cè)量。實(shí)際上人體股骨近端各部位的血流灌注并不相同，其中股骨頭血流灌注指數(shù)約為股骨頸和股骨干的1/3、髖臼的1/3。這些因素可能會(huì)對(duì)IVIM 測(cè)量值產(chǎn)生影響。此外，樣本量不夠大，未對(duì)不同性別及年齡段單獨(dú)分析研究。

總之，IVIM 技術(shù)能夠無(wú)創(chuàng)地反映人體骨髓組織水分子擴(kuò)散和微循環(huán)灌注的情況來(lái)定量評(píng)估骨質(zhì)疏松，為深入了解骨質(zhì)生物學(xué)特性提供了新的途徑。