基于VIBE-Dixon技术的女性腰椎脂肪测量及其与骨密度的相关性

陆丰 倪建明 姜宇 赵艳军 吴文娟 张追阳*

1.南京医科大学附属无锡第二人民医院影像科，江苏 无锡 214001 2.南京医科大学附属无锡第二人民医院骨科，江苏 无锡 214001

骨质疏松症是以骨密度低、骨组织微结构退化、易导致脆性骨折为特征的疾病。骨质疏松已经成为困扰老年人群一种常见疾病，我国50岁以上女性患骨质疏松患病率达29.13%[1]。在临床工作中依靠骨密度来反映骨质疏松症情况，常用双能X线吸收测量法(Dual-energy X-ray absorptiometry, DXA)进行测量，但是受骨赘、退化性硬化、钙化等因素的影响，骨密度增高，导致临床工作中骨质疏松的诊断率下降。研究[2]表明，骨髓脂肪在骨质疏松症的病理生理中起重要作用。VIBE-Dixon(volumetric interpolated breath-hold examination-Dixon)是三维容积内插快速扰相技术与Dixon相结合的序列，用于快速、准确地脂肪定量。既往研究主要集中在肝脏、肌肉等组织的脂肪定量，很少用于椎体骨髓脂肪含量的测量。本研究探讨VIBE-Dixon技术测得的女性腰椎椎体脂肪含量与DXA的关系，并探讨其与女性年龄、绝经年限的关系。

1 材料和方法

1.1 一般资料

本研究为前瞻性研究，研究对象来自2018年1月至2019年1月“磁共振腰椎脂肪定量”研究项目的志愿者。每位志愿者的DXA和MRI在同一天内完成。纳入标准：志愿参加腰椎MR定量检查及骨密度检查且年龄21～70岁者。排除标准：糖尿病、甲状旁腺功能亢进、类风湿性关节炎、成骨不全、甲状腺功能亢进、两年内有骨折、骨肿瘤、骨转移、多发性骨髓瘤、皮质醇增多症、肝脏代谢疾病、肾性骨营养不良、严重贫血、卧床1周以上等影响骨代谢的疾病；服用降钙素、维生素D、皮质类固醇双膦酸盐等影响骨代谢的药物；一周内口服或静脉注射影响骨密度准确性的造影剂等。研究通过了医院伦理委员会批准，所有研究对象均签署知情同意书。本研究共纳入女性患者121例，年龄21～70岁,平均(45±14)岁。具体见表1。

1.2 腰椎MR VIBE-Dixon扫描及测量

由1名有经验的操作者采用Siemens MAGNETOM Skyra 3T超导型成像系统对所有研究对象行腰椎MR VIBE-Dixon检查。VIBE-Dixon序列一次成像能产生正相位、反相位、水相、脂肪相4组图像。基本参数：TR=8.21 ms，TE1=2.46 ms，TE2=3.69 ms，层厚=2 mm，slice per slab=36，FOV=260 mm×207 mm，矩阵=256×192，average=1，flip angle=5°，Band width=1 030 Hz/px，不施加并行采集扫描，扫描前先自动匀场，扫描时间为1 min 45 s。腰椎VIBE-Dixon序列时需要屏气扫描，以L3为中心，包括L1-L5，包括椎体左、右边缘。采集完图像后，工作站分别测量L1-L4各椎体中间层面水相、脂肪相的信号强度，ROI设在腰椎L1-L4椎体的松质骨。最后利用公式计算脂肪分数(FF)=I脂肪/(I脂肪+I水)。

1.3 腰椎DXA检查

采用GE Healthcare Lunar Prodigy Advance骨密度测量仪进行双能X线骨密度测量。检查前，按照制造商的建议进行质量控制程序。检查时，研究对象仰卧位，双下肢抬高，范围从T12下1/2至L5椎体上1/2。

1.4 统计学处理

2 结果

2.1 图像特征

121例受试者行腰椎MRI扫描后，均获得满意的同相位像、反相位像、水相和脂肪相图像，未出现水、脂分离错误。所有腰椎MRI图像信号均匀，解剖结构清晰，无明显运动伪影，见图1。

图1 患者腰椎MRI图像注：A-D分别是同相位、反相位、水相、脂肪相。FF为61.1%。Fig.1 MRI image of the lumbar spine

2.2 基本特征

五组研究对象的分组情况、体质指数、L1-L4平均腰椎椎体骨髓脂肪分数、L1-L4平均骨密度比较见表1。不同组间体质指数、骨密度值、 L1-L4椎体平均骨髓脂肪含量差异有统计学意义。

表1 五组研究对象体质指数、骨密度、骨髓脂肪含量测量结果及比较

2.3 FF 年龄相关性分析

L1-L4椎体平均骨髓脂肪含量与年龄呈正相关(r=0.659，P<0.01)。

2.4 BMD、FF 与绝经年限的相关性分析

BMD随椎体FF上升呈下降趋势(图2)。L1-L4椎体平均BMD随绝经年限的延长呈下降趋势(图3)；L1-L4椎体平均骨髓FF随绝经年限的延长呈上升趋势(图4)。两者都分别在1～5年、11～25年变化明显(图3，图4)。

图2 脂肪分数与骨密度关系Fig.2 The relationship between fat fraction and bone mineral density

图3 绝经年限与骨密度关系Fig.3 The relationship between menopausal years and bone mineral density

图4 绝经年限与脂肪分数关系Fig.4 The relationship between menopausal years and fat fraction

3 讨论

骨质疏松症以绝经后女性和老年男性最常见。目前主要通过DXA评估骨质疏松。然而，DXA具有一定局限性。特别是，大多数脆性骨折患者的骨密度不低，不满足DXA诊断骨质疏松症的标准，并被错误地归类为没有骨质疏松症。此外，从50岁到80岁的髋部骨折风险增加了30倍并不能用骨密度降低来解释，骨密度降低只能预测髋部骨折风险增加4倍[3]。由于DXA不能完全评估骨折风险，研究人员试图确定骨质疏松症的其他风险因素或治疗靶点。生物学研究表明，间充质干细胞存在于骨髓腔，其分化为脂肪细胞或成骨细胞。骨髓脂肪组织(bMAT)并不是一个简单的填充物，而是一个与骨重建、造血和免疫细胞分化、能量代谢密切相关的动态内分泌器官。已有研究表明，bMAT脂肪细胞产生的饱和脂肪酸可抑制间充质干细胞的增殖，并对成骨细胞和破骨细胞的分化具有脂毒作用[4]。女性椎体骨髓的脂肪比例在61～70岁达到高峰[1]。

磁共振技术进行脂肪定量是近年来的研究热点。临床应用和研究的领域包括非酒精性脂肪性肝炎、肌肉疾病、肥胖、恶病质和骨骼肌减少症等。Dixon技术与传统MRS脂肪定量方法相比，节省了扫描时间，提高了工作效能。Grimm等[5]、Le Ster等[6]、翟树佳等[7]、柳勇等[8]证实Dixon技术在肌肉、椎体、胰腺脂肪定量方面是可靠的。本实验采用的两点式VIBE-Dixon技术基于3D区域增长算法，一定程度上改善局部磁场不均匀性对的水、脂分离的影响，得到的水、脂分离结果更加准确和稳定。采用小FOV，序列扫描前须先进行匀场，尽量减少磁场不均匀性，更准确地实现水、脂分离。同时，采用设置5°翻转角以减少T1权重的影响[6]。Grimm等[5]通过比较两点式与三点式、六点式方法发现同、反相位的两点式Dixon水、脂分离技术是可靠的。

研究发现，女性腰椎椎体骨密度随脂肪分数上升呈下降趋势，与之前的研究[8,10-13]一致。同时，女性腰椎L1-L4平均椎体骨髓脂肪含量与年龄呈正相关，脂肪分数随年龄增长呈上升趋势，与利用MRS技术测量腰椎椎体脂肪含量的研究结果一致[13]。

研究发现，绝经期女性的腰椎椎体骨密度、脂肪分数分别随绝经年限的延长呈下降趋势和上升趋势，尤其是绝经后1～5年、11～25年变化明显。与女性绝经后8年左右易出现骨质疏松症[14]的观点是一致的，说明绝经年限与女性骨质疏松程度密切相关，腰椎椎体脂肪分数具有预警价值。

本研究的局限性：①本研究测量的FF值是基于磁共振信号强度的基础上得到的，影响信号强度的因素很多，特别是翻转角，本文没有比较不同翻转角引起的骨髓脂肪分数的变化；②两点式VIBE-Dixon技术无法对脂肪成分进行测定。绝经前、后骨髓脂肪酸成分的变化可能是引起骨质疏松程度的重要因素[15]；③影响骨质疏松程度的因素很多，在实验中无法完全排除，同时样本量偏少。

综上所述，MR VIBE-Dixon技术测量腰椎椎体骨髓脂肪含量，丰富了骨质疏松检查手段。它的高效性使得腰椎磁共振一站式检查成为可能，在提供传统图像信息的同时提供椎体的脂肪含量信息，将在定量、精确评估骨质疏松程度、骨折风险等方面提供重要参考。