VIBE-Dixon序列骨髓脂肪定量与骨密度在女性骨质疏松症评价中的研究

陆丰 赵艳军 倪建明 张追阳 姜宇

1. 南通大学无锡临床学院无锡第二人民医院影像科，江苏 无锡 214001 2.南通大学无锡临床学院无锡市第二人民医院全科医学科，江苏 无锡 214001

骨质疏松症是以骨强度下降、骨折风险性增加为特征的骨骼系统疾病[1]。骨质疏松症是一个重要的全球公共卫生问题，带来严重的社会负担[2-3]。中国的骨质疏松症患病率在过去十年中显著增加，尤其是绝经后女性的患病率明显增加，约40 %的50岁以上女性被诊断为绝经后骨质疏松症[4-5]。绝经后骨质疏松症可导致严重的后遗症，包括髋部、脊柱、手腕和其他骨折。早诊断、早干预是目前防治骨质疏松症及其后遗症的最有效手段[6]。

目前DXA仍然是诊断骨质疏松症的金标准，但其准确性受诸多因素影响。骨髓脂肪组织(MAT)是一个独特的脂肪库，能动态地影响骨的数量和质量[7]。成骨细胞和脂肪细胞共同起源于骨髓间充质基质细胞，存在竞争抑制的关系[8]。在某些与骨量减少和骨质疏松症相关的综合征中，骨髓脂肪含量明显增加[9-10]。另外，绝经后MAT在椎骨中含量也明显升高[11-12]。MRS是测量人体脂肪含量的标准，但存在扫描时间长、测量范围小、易受场不均匀性影响等局限。随着Dixon技术出现，使得快速、准确地测量脂肪成为可能，且与MRS有高度相关性[13-14]。

本研究采用两点式VIBE-Dixon技术测量腰椎椎体的脂肪分数，探讨其与骨质疏松症临床风险因素的相关性；评估层厚对脂肪分数(fat fraction, FF)测量结果的影响。以骨密度(bone mineral density, BMD)为参考标准，比较三个不同翻转角获得的FF与骨密度之间的相关性，探究合适的翻转角以获得更准确的FF值用于临床骨质疏松症的评估。另外，本研究纳入了骨质疏松症风险的主要临床因素，如年龄、体质量指数(body mass index, BMI)、绝经情况和运动情况。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究属于前瞻性研究，所有志愿者被告知DXA辐射暴露及MRI的潜在风险，并签署了书面知情同意书。本研究从2019年7月-2019年12月共纳入116名女性志愿者，平均年龄(45±12)岁。根据受试者年龄、BMI、绝经状态和运动情况进行相应分组，比较各组间椎体骨髓FF及骨密度的差异。纳入标准：志愿参加腰椎MR定量检查及骨密度检查且年龄在21～70岁者。排除标准: 患有腰椎骨肿瘤、转移瘤、血管瘤、结核等病变的患者; 腰椎有压缩骨折; 患有甲状腺功能亢进、甲状旁腺功能亢进等骨量代谢相关疾病; 服用影响骨量代谢水平的药物，如糖皮质激素等；属于磁共振检查禁忌证者[15]。本研究经无锡市第二人民医院伦理委员会批准(受理编号：2019W-9)。

1.2 方法

1.2.1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 3 T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：TR8.21 ms，TE1=2.46 ms，TE2=3.69 ms，层厚2 mm/4 mm，silece per slab=36，FOV=260 mm×207 mm，矩阵=256×192，average=1，flip angle=5°/10°/15°，Bandwidth=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40 s/20 s。以L3为中心，包括L1～5，包括椎体左、右边缘。采集完图像后，再工作站分别测量L1～4各椎体中间层面水相、脂肪相的信号强度，感兴趣区避开血管及韧带。最后利用公式计算脂肪分数(FF)=I脂肪/(I脂肪+I水)。ROI包括整个椎体的松质骨部分，需避开椎静脉入口及皮质骨等。

1.2.2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。

1.3 统计学方法

采用Stata 15统计软件。两名技术人员测结果采用组内相关性分析。采用Pearson线性相关分析评价2 mm与4 mm扫描层厚得到的测量结果的相关性。采用Pearson线性相关分析评价5°、10°、15°翻转角得到的腰椎脂肪分数与骨密度的相关性。对年龄组、BMI组、运动情况组采用单因素方差分析，对绝经组与非绝经组采用t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 观察者间一致性

由2名具有10年以上经验的技术专家分别测量160位志愿者不同扫描参数的腰椎椎体骨髓脂肪分数，组内相关系数ICC=0.983(95 %CI为0.976～0.987，P<0.001)。

2.2 不同层厚FF相关性

比较5°、10°、15°翻转角下2 mm和4 mm层厚的FF，相关性分别为0.981、0.969和0.972，均为显著相关。见表1。

表1 2 mm 和 4 mm FF结果相关性

2.3 基线特征

分别获得5°、10°、15°翻转角，层厚为4 mm时FF情况。见表2、表3。

表2 四组年龄组研究对象骨密度以及不同层厚、翻转角的骨髓脂肪含量测量结果及比较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 四组BMI研究对象骨密度以及不同层厚、翻转角的骨髓脂肪含量测量结果及比较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 比较3个不同翻转角的FF与BMD、年龄的相关性

翻转角增加，FF随之增大。不同翻转角得到的FF值与腰椎骨密度相关性均较好。见表4。

表4 不同层厚、翻转角的骨髓脂肪含量测量结果与骨密度的相关性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 绝经情况比较

比较未绝经女性与绝经女性的BMD和FF，有明显差异，P<0.05。见表5。

表5 非绝经组与绝经组骨密度以及不同层厚、翻转角的骨髓脂肪含量测量结果及比较

2.6 不同运动状态的比较

不同运动状态的志愿者BMD和FF结果无明显差异。见表6。

表6 不同运动状态组骨密度以及不同层厚、翻转角的骨髓脂肪含量测量结果及比较

3 讨论

骨质疏松症患病率随年龄增长而增加，女性高于男性[4]。在50岁以上和80岁以上的女性中，分别有33 %和73 %左右的人被诊断为骨质疏松症，而50岁以上男性诊断为骨质疏松症大约是20 %[16]。因此，绝经后女性骨质疏松症的早期诊断尤为重要。

Dixon技术获得的质子密度脂肪分数(proton density fat fraction)所受到的影响因素仍然较多，包括T2*校正、脂肪谱的复杂性以及T1的偏差。多点式Dixon技术在解决前两个问题上具有一定优势，但目前还属于商用序列，临床普及性较差，尤其是在多中心研究和临床标准发展方面存在一定问题。有研究[17-18]表明两点式与多点式Dixon序列得到的结果具有很强的相关性，同时发现影响FF最明显的因素往往是翻转角的设定，远远大于回波数的影响。

组内相关系数(ICC)评估脂肪分数测量结果的可重复性，ICC=0.983，表明测量具有可重复性，这与之前的研究结果是一致的[19]。

对5°、10°及15°翻转角MR序列分别采用2 mm和4 mm扫描层厚进行扫描，得到的脂肪分数与骨密度的相关性均大于0.98。3 D图像板块厚度方向的层厚代表该方向的空间分辨率，该研究说明了空间分辨率不会对椎体脂肪含量的测量产生影响。可以选择较大层厚进行后续实验研究，以进一步缩短扫描时间，亦可选择小的层厚来实现脂肪容积测量。翻转角增大，T1加权的成分增加，继而测得的脂肪含量也会偏高。因此，一般测量脂肪含量要求用质子密度加权(PDFF)，即用小的翻转角。研究[17]显示，翻转角增加使脂肪分数偏高，但对脂肪分数与骨密度相关性的影响较小。

目前关于骨髓脂肪对骨质量的影响机制主要包括两个方面：一方面是骨髓脂肪与成骨细胞共同起源骨髓间充质干细胞，存在竞争抑制[20-21]。对于骨质疏松症患者，脂肪在骨骼中沉积更占优势[22]；另一方面，是骨髓脂肪的脂毒性[23]。本次研究结果中骨髓脂肪与骨密度呈中度负相关，与之前的研究结果一致[24]。

有研究对骨质疏松症的主要临床风险因素进行相关性分析，包括年龄、BMI、绝经史及运动等[25]。随着年龄的增长骨髓脂肪含量会增加[26-27]，对于女性，还必须考虑雌激素的作用，骨髓脂肪细胞体积的增加与雌激素的丢失有关[28]。雌激素在维持骨密度方面起着重要的作用。研究[29]表明雌激素对骨细胞的作用是通过雌激素受体ER-α和ER-β介导的。另外，雌激素通过调节脂肪细胞前体增殖和脂肪细胞分化因子的表达来影响脂肪的形成[30-32]。利用雌激素抑制骨髓脂肪增长来控制骨质疏松的研究也证实这一观点[28,33]。本研究显示，绝经期女性骨髓脂肪含量显著增加，与之前的研究结果一致[34]。运动诱导的骨强度增加可能是通过维持皮质和骨小梁体积骨密度或减少骨髓脂肪从而增加成骨细胞而介导的[35]。绝经后妇女可以通过适当的运动提高骨密度来降低骨折风险[36]。本研究中，不同运动强度志愿者骨髓脂肪含量和骨密度无明显差异，可能与志愿者自我运动强度的评估不准确有关。本研究发现，腰椎椎体骨髓脂肪分数随着BMI的增加呈上升趋势。而BMI大于28的人群呈下降趋势可能由于样本量太少导致的。目前关于BMI与椎体骨髓脂肪的相关研究较少，Burian等[37]的研究发现BMI与腰椎骨髓脂肪含量不相关。而BMI大的人群髋部骨折的风险低，可能由于超重带来的保护作用[6,38]。

希望未来能进行进一步的多中心研究，同时提高样本量，使VIBE-Dixon测量腰椎椎体脂肪含量成为临床评估骨质疏松性骨折的工具。另外，基于VIBE-Dixon序列得到的3 D数据，结合有限元工具从生物力学角度评估临床骨折风险也是对VIBE-Dixon数据的进一步挖掘和应用。

当然本研究也存在一些不足。首先是样本量较小；其次仅测量了正中矢状位层面，不能完全反映整个椎体的脂肪信息，会带来一定的偏差。另外，本研究是以DXA测得的骨密度为参考标准，而骨密度本身不能全面反映骨质量情况。

总之，运用VIBE-Dixon技术测量腰椎椎体脂肪分数具有较好的重复性，受层厚和翻转角影响较小。腰椎椎体骨髓脂肪分数能较好地反映骨质量情况，与骨密度有较好的相关性。