磁化传递成像评估原发性骨质疏松症的价值

谭 辉 杨 震 樊秋菊 于 楠 杨创勃 于 勇 王少彧 李 悦

骨质疏松症是最常见的代谢性骨病，其特点是骨量减低和骨组织的微结构改变，导致骨脆性以及骨折风险增加。如何早期诊断、预防骨质疏松已成为全球关注的公共问题。双能X线骨密度测量（dual X-ray absorptiometry，DXA）是量化骨质疏松症的标准。定量CT（quantitative computed tomography，QCT）因其可以测量体积骨密度、区分皮质骨和小梁骨及估计骨强度参数等优势，目前在骨质疏松研究和临床应用领域越来越受到重视［1］。近年来，有较多磁共振技术用于研究骨髓成分及骨小梁结构并应用于骨质疏松症的诊断［2］，磁共振磁化传递成像（magnetization transfer imaging，MTI）在全身多个系统中已得到广泛应用［3-4］，但其在腰椎中的应用研究尚不多见。本次研究的目的是利用磁共振MTI技术评估不同骨密度的成人腰椎椎体骨髓变化情况。

方 法

1. 临床资料

在2019年8月至2020年6月期间，回顾性分析了159例行腰椎定量CT检查骨密度的患者。纳入标准：志愿参加腰椎MRI定量检查者，年龄2l～70岁。排除标准：①有内分泌、代谢性疾病（如甲状旁腺功能亢进症、糖尿病、库欣综合征、肾性骨营养不良等）；②服用激素类等对骨代谢影响的药物；③肿瘤及放/化疗、手术史；④MR检查椎体有骨折等形态及信号异常；⑤MRI检查禁忌证。本次前瞻性研究获得医院伦理委员会的批准，患者入组前均已签署书面知情同意书。

2. 检查方法

CT扫描采用德国Siemens公司Sensation16层螺旋CT，结合美国Mindways公司提供的五柱形标准体模，检查前要求被检查者去除所有高密度异物。扫描条件：管电压120 kV，管电流200 mA，X线管旋转速度0.5 s/圈，螺距1.3，默认窗宽400 HU，窗位40 HU，扫描范围自腰1至腰5椎体下缘水平。将层厚1.25 mm、层间距1.25 mm、FOV=400 mm×400 mm的重建图像传输至QCT PRO（Mindways Software Inc.，美国奥斯汀）软件进行分析。

MR检查采用Siemens Magnetom Skyra 3.0 T MR扫描仪，使用16通道相控阵脊柱线圈，脊柱常规序列包括自旋回波矢状位T1WI（TR=550 ms，TE=10 ms）、快速自旋回波矢状位T2WI（TR=4 000 ms，TE=110 ms）、矢状位短时间反转恢复（short time inversion recovery，STIR）序列（TR=3 500 ms，TE=65 ms，TI=180 ms），矩阵=256×256，层厚3 mm。矢状位快速小角度激发序列扫描两次，一次包含MT序列（Ms），另一次不含MT序列（Mo）。MT参数：TR=405 ms，TE=3.69 ms，翻转角=70°，并行采集技术（integrated parallel acquisition techniques，iPAT)=2，空间分辨率=1.1 mm×1.1 mm×3 mm，带宽=250 Hz/像素，采集矩阵=192×192，FOV=280 mm，层数=15。每位受试者总成像时间为178 s。

3. 图像分析

由2名具有5年以上骨肌系统诊断经验的放射科医师采用双盲法阅片，手动勾画感兴趣区（ROI）进行测量。对每位受检者均分别测量腰2～4椎体的骨密度（bone mineral density，BMD），每个椎体取中间连续3个层面，每层测量3次，最后取平均值。选取过程中ROI尽可能大面积测量，放置于椎体骨松质的前2/3部，不包括骨皮质部分，尽量避开BMD不均匀区域。骨量情况和骨质疏松诊断标准应用《中国定量CT（QCT）骨质疏松症诊断指南（2018）》［5］：骨量正常，BMD＞120 mg/cm3；骨量减低，BMD 80～120 mg/cm3；骨质疏松，BMD＜80 mg/cm3。MR数据在Mo和Ms图像的矢状位中心层面上选择ROI（面积1.0 cm2），选取连续3层，每层测3次，取平均值。利用以下公式计算磁化传递率（MTR）：MTR=（Mo-Ms）/Mo×100%。

4. 统计学分析

对计量资料采用Kolmogorov-Smirnov法进行正态性检验，符合正态分布，采用±s表示；2名影像医师测量一致性采用Kappa分析和组内相关系数（intra-class correlation coefficient，ICC）进行评估；采用单因素方差分析（one-way ANOVA）评价不同组间MTR的显著性；不同组间性别构成比较采用χ2检验；MTR值诊断骨量减低和骨质疏松采用ROC曲线进行分析，以P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.观察者间一致性检验

腰椎椎体MTR值测量的重复性评价，2名放射诊断医师MTR测量值的ICC为0.900（P＜0.05），变异系数（CV）为2.95%。

2. 一般资料

3组数据基本资料之间对比，性别、身高之间未见统计学差异（P＞0.05）；年龄、体重、体重指数（BMI）差异存在统计学意义（P＜0.05）。详见表1。

表1 3组间基本资料比较

3.不同骨量水平MTR值比较

骨量正常、骨量减低及骨质疏松组MTR值分别为12.64±3.09、7.68±2.84和3.27±1.95，可见MTR值随BMD值的减低而减低，组间两两对比，差异均有统计学意义（P＜0.001）。详见表2及图1。

表2 3组间骨密度（BMD）、磁化传递率（MTR）值比较±s

表2 3组间骨密度（BMD）、磁化传递率（MTR）值比较±s

P1为正常组与骨量减低组对比，P2为正常组与骨质疏松组对比，P3为骨量减低组与骨质疏松组对比；*：P＜0.05。

参数BMD/(mg·cm-3)MTR P3值0.000*0.000*骨量正常组（n=57）172.52±28.88 12.64±3.09骨量减低组（n=54）108.20±7.61 7.68±2.84骨质疏松组（n=48）65.44±16.19 3.27±1.95 F值128.43 157.39 P值0.000*0.000*P1值0.000*0.000*P2值0.000*0.000*

4.MTR值对骨量减低及骨质疏松的诊断效能

以QCT测量的BMD为金标准，MTR诊断骨量减低的曲线下面积（AUC）为0.875（95%CI 0.809～0.940），阈值设为10.45时，其灵敏度和特异度分别为78.90%、86.84%；诊断骨质疏松的AUC为0.944（95%CI 0.911～0.977），阈值设为5.95时，其灵敏度和特异度分别为86.41%、89.83%（表3、图2）。

表3 磁化传递率（MTR）值对骨质疏松及骨量减低的诊断效能

讨 论

骨骼主要由矿化成分（即骨皮质和骨小梁）和非矿化成分（即骨髓）组成。骨密度测量着重于矿化成分［6］。以往对骨质疏松的诊断主要依据是骨量减少，因为骨质疏松导致骨小梁变细，矿物质含量减少，骨密度减低。文献报道［7］骨质疏松经治疗后的骨密度增高与骨折危险性下降并无明显关系，这说明了还存在其他因素对骨折产生了影响。磁共振波谱、水脂分离等［8］技术证实了骨髓中脂肪含量与骨密度的关系。研究显示骨组织中血流量降低，血液循环及无机成分的减少也是导致骨质疏松的原因之一［9］，越来越多的证据表明量化骨髓成分的技术将有助于诊断及监测骨质疏松症治疗疗效。

MTI是磁化率传递效应，其可以对施加射频脉冲前后信号强度的差异进行量化，通过MTR参数可测量组织内相关的自由水质子和大分子的磁化交换效能，能客观地反映组织结构变化［10］。研究显示［11］MTR可以定量监测胶质母细胞瘤对放化疗疗效反应。近期有文献［12］报道了DWI和MTI联合能提高强直性脊柱炎的诊断能力及预测其活动性，证实MTI在骨骼应用中具有一定潜力。本次结果显示观察者间一致性检测良好，说明MTI技术在检测腰椎内组织结构变化中具有可行性。本次基本资料显示性别、身高之间未见统计学差异。不同骨密度组之间年龄差异显著，众所周知，骨质疏松症是增龄性疾病，随着年龄增加，骨密度逐渐减低。传统观点认为体重对骨形成有积极的影响，体重减低会影响骨密度，本次数据组间BMI之间差异说明BMI是影响BMD的因素，但并未见二者有显著相关性，虽然体重对骨密度有重要影响，但体脂和骨密度之间的联系复杂，可能与体脂分布有关，所以二者关系需要大样本及进一步研究证明。

本次研究表明，MTR值随着骨密度的降低而降低，与正常对照组比较，骨量减少和骨质疏松的值明显低于骨密度正常者，统计学差异显著。骨骼是复合层级结构，主要由Ⅰ型胶原（40%）、羟基磷灰石（45%）和水（15%）组成［13］。富含胶原蛋白的骨基质由成骨细胞分泌，随年龄增长，成骨细胞减少，骨重建失衡造成骨丢失，骨密度减低。而磁化传递是氢质子在自由水、结合水、蛋白大分子之间传递能量的过程，MTR值减低说明骨质密度减低时，骨质中3个分子池之间能量传递发生改变。有研究报道［14］MTR在诊断克罗恩病肠壁中是否存在纤维化具有较高准确度，Ⅰ型胶原蛋白越多，MTR越高，结合本次结果，我们可以认为随着年龄增加，腰椎椎体中胶原蛋白减少是MTR值降低的原因。还有一个因素考虑为，当红骨髓转化为黄骨髓，骨髓脂肪细胞分化增加导致成骨细胞分化减少，Ⅰ型胶原和一些非胶原蛋白是成骨细胞分化的标志物，能反映成骨细胞分化表型特征，进一步说明MTR值可以间接反映骨质疏松时骨细胞水平变化程度。而且，当较多脂肪细胞填充骨小梁的空间时，限制了自由水质子与蛋白大分子转运的能力，这也是MTR值减低的原因。我们研究结果显示，MTR值预测骨量减低与骨质疏松的AUC分别为0.875、0.944，MTR阈值分别为10.45、5.95；诊断骨量减低、骨质疏松的灵敏度和特异度分别为79.90%、86.84%和86.41%、89.83%（P＜0.001）。ROC曲线显示MTR值可以灵敏地反映骨量的变化，可以推测MTR值较骨密度能更早反映骨质疏松症骨微结构变化，为早期临床干预提供一定依据，但其诊断特异度不高，考虑可能原因为年龄分布、椎体黄骨髓分布不均、骨小梁微骨折伴随不同程度水肿等原因有关，使诊断效能受到一定影响，需要多点重复测定进一步证实。临床中监测骨质疏松治疗疗效的主要方法是连续测量骨密度，但指南中［15］指出早期监测骨密度的变化对预测抗骨吸收药物治疗反应的价值有限，基于MTR值对骨量反应的灵敏度，提示其对骨质疏松症疗效监测可能具有潜在应用价值。本次研究存在一定局限性，MTR的阈值设定至关重要，在此过程需要大样本数据，这也是后期研究的方向。

综上所述，磁共振MTR序列可以灵敏、可靠地反映骨量变化，是骨质疏松检查的新手段，可以作为生物学标志物在定量评估、早期制订有效的治疗策略方面提供更多有价值的信息。