方浩 何杰 左盼莉 李曉娜 崔建嶺

·論著·

腰椎MR彌散成像與定量CT骨密度測(cè)量的相關(guān)性研究

方浩 何杰 左盼莉 李曉娜 崔建嶺

目的探討腰椎椎體表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)值與定量CT(quantitative computed tomography,QCT)所測(cè)骨密度(bone mineral density,BMD)的相關(guān)性。方法對(duì)121例腰腿痛患者進(jìn)行腰2～4椎體QCT檢查,并根據(jù)骨密度分為骨密度正常組、骨密度減少組及骨質(zhì)疏松組。再對(duì)患者進(jìn)行腰椎MR檢查，先行常規(guī)矢狀面T2WI、T1 WI和橫軸面T2WI掃描；彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)采用自旋回波單次激發(fā)回波平面成像序列(b值為0和600 s/mm2),行椎體矢狀位DWI掃描，在ADC圖上測(cè)量腰2～4椎體ADC值。最后分析ADC值與骨密度的相關(guān)性。結(jié)果男性各組間ADC值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；女性骨密度正常組ADC(0.45±0.13)×10-3mm2/s，與骨量減少組(0.302±0.0677)×10-3mm2/s及骨質(zhì)疏松組(0.2869±0.0475)×10-3mm2/s比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。Spearman相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，男性BMD與ADC值無(wú)相關(guān)性，女性BMD與ADC值呈正相關(guān)(r=0.545，P<0.01)。結(jié)論DWI可從骨髓分子運(yùn)動(dòng)水平研究骨質(zhì)疏松的病理生理變化，對(duì)骨質(zhì)疏松進(jìn)行無(wú)創(chuàng)性定量評(píng)估。

骨密度；骨質(zhì)疏松；磁共振彌散成像；計(jì)算機(jī)體層攝影術(shù)

隨著社會(huì)老齡化的加速到來，骨質(zhì)疏松越來越受到關(guān)注，據(jù)統(tǒng)計(jì)，骨質(zhì)疏松在我國(guó)60歲以上人群中發(fā)病率為56%，其中女性發(fā)病率高達(dá)60%～70%。骨質(zhì)疏松導(dǎo)致的骨折嚴(yán)重影響老年人生活質(zhì)量，并給社會(huì)帶來一系列經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，已經(jīng)成為一個(gè)重要的公共健康問題。目前骨密度(bone mineral density,BMD)測(cè)量仍是評(píng)價(jià)骨質(zhì)疏松的最敏感和最特異的方法，定量CT(quantitative computed tomography,QCT)作為一種對(duì)骨密度的容積測(cè)量，較雙能X線(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)具有更高的準(zhǔn)確性[1]。但是骨強(qiáng)度并不僅僅由BMD影響，還受骨質(zhì)量的影響，骨質(zhì)量是除骨密度外構(gòu)成骨強(qiáng)度的重要因素。磁共振彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging,DWI)能夠無(wú)創(chuàng)性評(píng)價(jià)骨質(zhì)疏松的骨髓病理生理變化[2]，來反映骨質(zhì)量的改變。以往對(duì)DWI與BMD關(guān)系的研究多限于絕經(jīng)后女性，且對(duì)DWI的定量指標(biāo)與骨密度相關(guān)性的結(jié)果仍存在廣泛的爭(zhēng)議[3-5]。本研究采用3.0T高場(chǎng)強(qiáng)MR 研究不同性別腰椎椎體DWI定量指標(biāo)與QCT所測(cè)骨密度的相關(guān)性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2012年11月至2013年5月于河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院脊柱外科門診因腰腿痛行腰椎MR檢查的121例患者，均簽署知情同意志愿書。121例患者QCT和MR檢查，年齡20～90歲；其中男49例，年齡20～82歲，平均(52±17)歲；女72例，年齡21～90歲，平均(55±16)歲。根據(jù)QCT檢查結(jié)果的BMD值，將男性患者分為正常組22例，平均(45±17)歲，骨量減少組17例，平均(53±13)歲，和骨質(zhì)疏松組10例，平均(69±7)歲；女性患者劃分為3組，正常組26例，平均(40±13)歲，骨量減少組21例，平均(62±10)歲和骨質(zhì)疏松組25例，平均(65±9)歲。

1.2 入選標(biāo)準(zhǔn) (1)無(wú)內(nèi)分泌及代謝性疾病；(2) 未服用激素等影響骨代謝的藥物；(3) 無(wú)腫瘤及放療、化療、手術(shù)史；(4)MR檢查椎體無(wú)形態(tài)及信號(hào)異常。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法 (1)QCT BMD測(cè)量：采用德國(guó)Siemens 公司Sensation 16層螺旋CT及美國(guó)Image analysis公司提供的5柱形標(biāo)準(zhǔn)體模和QCT 5000分析軟件；測(cè)量部位腰2～4椎體，結(jié)果以mg/cm3表示；骨質(zhì)疏松采用國(guó)際臨床骨密度協(xié)會(huì)(ISCD) 2007年推薦的診斷標(biāo)準(zhǔn)[6]，骨量減低 BMD 閾值為 120 mg/cm3(相當(dāng)于 DXA T 值 =-1.0SD )，骨質(zhì)疏松 BMD 閾值為80 mg/cm3(相當(dāng)于DXA T值=-2.5SD)。(2)腰椎MR采用德國(guó)Siemens公司3.0T Verio磁共振機(jī)。常規(guī)腰椎掃描采用矢狀位T1WI (TR/TE=624/11 ms)、T2WI(TR/TE=3 500/88 ms)和矢狀位T2WI(TR/TE=3 800/105 ms)，用于排除椎體病變。椎體DWI掃描采用自旋回波單次激發(fā)回波平面成像序列(spin-echo single-shot echo-planar imaging sequence)，矢狀位，TR/TE=5500/100 ms，層厚5 mm，視野28 mm，矩陣128×256，平均次數(shù)(NEX)2次，b值為0，600 s/mm2，在自動(dòng)生成的ADC圖上測(cè)量腰2～4椎體ADC值，每個(gè)椎體測(cè)量3次取平均值。見圖1。

圖1 b=0,b=600腰椎彌散圖及ADC圖，分別在腰2～4椎體ADC圖上測(cè)量ADC值

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 應(yīng)用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件，分別比較不同性別3組不同骨密度的DWI測(cè)量值差異，并對(duì)椎體DWI測(cè)量值與QCT測(cè)量的骨密度值進(jìn)行相關(guān)性分析。正態(tài)性方差齊計(jì)量資料的均數(shù)比較采用t檢驗(yàn)、單因素方差(ANOVA)分析；非正態(tài)或方差不齊計(jì)量資料采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)(Wilcoxon rank sum test法)，相關(guān)分析采用Pearson或Spearman法，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 男性組DWI及QCT測(cè)量指標(biāo) 男性不同骨密度組ADC值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，ADC值無(wú)隨骨量改變的趨勢(shì)。Pearson相關(guān)分析，ADC值與BMD無(wú)相關(guān)性(P>0.05)。見表1。

組別 DWIADC(mm2/s，×10-3)QCTBMD(mg/cm3)正常組(n=22)0．31±0．09154±25減少組(n=17)0．29±0．06105±11骨質(zhì)疏松組(n=10)0．30±0．0966±10

2.2 女性組DWI及QCT測(cè)量指標(biāo) 女性DWI指標(biāo)的變化狀況及與QCT測(cè)量的BMD的相關(guān)性：隨著骨量減少，ADC值降低。ADC值組間比較，協(xié)方差分析調(diào)整年齡因素后，骨密度正常組與骨量減少組有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.001，P<0.05)；骨密度正常組與骨質(zhì)疏松組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000，P<0.05)；骨量減少組與骨質(zhì)疏松組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.440，P>0.05)。見表2。

組別 DWIADC(mm2/s，×10-3)QCTBMD(mg/cm3)正常組(n=26)0．45±0．13164±26減少組(n=21)0．30±0．0799±12骨質(zhì)疏松組(n=25)0．29±0．0559±20

2.3 Spearman相關(guān)分析 腰2～4椎體ADC值與BMD呈正相關(guān)(r=0.545，P=0.000，P<0.05)。見圖2、3。

3 討論

DWI用于骨質(zhì)疏松癥能反映骨組織內(nèi)水分子的彌散運(yùn)動(dòng)情況,椎體骨髓脂肪的改變會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)細(xì)胞外間隙的改變，進(jìn)而改變水分子的彌散狀況。因此椎體的DWI這種MR功能性成像技術(shù)，可從分子微觀彌散運(yùn)動(dòng)的角度來反映骨髓的變化狀況，為骨質(zhì)疏松的研究提供了一個(gè)新的視角。ADC值能定量反映組織內(nèi)單純水分子隨機(jī)擴(kuò)散的程度，ADC值越大，表示水分子的彌散運(yùn)動(dòng)越快，單位時(shí)間擴(kuò)散的距離越大[7，8]。本研究用3.0T MR行椎體DWI掃描，其梯度場(chǎng)強(qiáng)切換率為45 mT/ms，比1.5T MR掃描速度快，信噪比和空間分辨率高，運(yùn)動(dòng)偽影明顯減少。

圖2 不同骨密度ADC值

圖3 72例女性患者腰2～4椎體的ADC值(橫坐標(biāo)，mm2/s，×10-3)與QCT所測(cè)BMD(縱坐標(biāo)，mg/cm3)相關(guān)性散點(diǎn)圖(r=0.545)

本研究結(jié)果表明在女性中，ADC值與BMD呈線性正相關(guān)，即隨骨密度降低，ADC值也下降。ADC的降低是由于骨質(zhì)疏松時(shí)，增加的骨髓脂肪填充了擴(kuò)大的骨小梁間隙[7，9]。骨髓灌注降低也可能是ADC降低的一個(gè)原因[5，7]。另一個(gè)解釋是紅骨髓比黃骨髓有更多的細(xì)胞內(nèi)水和鄰近的自由水[3]，黃骨髓增加，水分子彌散受限，從而導(dǎo)致ADC值降低。Hatipoglu等[3]對(duì)51例受試者做腰1～4椎體DWI掃描，按DXA所測(cè)骨密度分組，結(jié)果顯示ADC值隨BMD降低。有報(bào)導(dǎo)對(duì)1組絕經(jīng)后女性腰3椎體的DWI及DXA研究也顯示不同骨密度組ADC值存在差異，ADC與BMD呈正相關(guān)[10]。Yeung等[4]對(duì)40例絕經(jīng)后女性和20例年輕女性對(duì)照組做椎體ADC值測(cè)量，對(duì)照組、試驗(yàn)組BMD正常組及試驗(yàn)組BMD降低組，ADC值依次降低，本研究的結(jié)果與以上結(jié)果均呈一致趨勢(shì)。但Yeung等[4]的研究顯示其試驗(yàn)組不同骨量組別間ADC值無(wú)明顯差異，而只在年輕對(duì)照組和試驗(yàn)組BMD正常組及試驗(yàn)組BMD降低組之間存在差異，這與該文采用DXA測(cè)量值對(duì)于骨質(zhì)疏松分類有關(guān)，由于DXA難以避免椎體增生、腹主動(dòng)脈鈣化所造成的影響，使得評(píng)價(jià)存在不準(zhǔn)確性，而且其年輕對(duì)照組也未行骨密度測(cè)量而主觀認(rèn)為其應(yīng)該骨量正常，這也會(huì)對(duì)比較結(jié)果造成一定影響。Griffith等[5]對(duì)103名絕經(jīng)后老年女性的研究指出椎體的ADC值在骨質(zhì)疏松組、骨量減少組和正常組間無(wú)明顯差異，ADC值與BMD無(wú)相關(guān)，但顯示ADC與骨髓脂肪含量呈弱的負(fù)相關(guān)，表明隨骨髓脂肪的增加，分子彌散降低。另外該研究的DWI掃描僅限于腰3椎體，而BMD測(cè)量的是腰1～4椎體的均值，可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

本研究結(jié)果顯示男性的ADC值在各組間無(wú)明顯差異，與骨密度無(wú)相關(guān)性。本研究還發(fā)現(xiàn)在骨密度正常組中，男性ADC值低于女性。以往的研究已證實(shí)，男女兩性的骨髓脂肪含量不同，男性椎體有更多的骨髓脂肪[11]，因此彌散受限，ADC值較女性低。一項(xiàng)對(duì)椎體進(jìn)行動(dòng)態(tài)增強(qiáng)的骨髓灌注研究也顯示，椎體的骨髓灌注和脂肪沉積的確存在男女性別的差異[12]，本研究結(jié)果表明正常骨密度組男性的ADC值低于女性，也間接證實(shí)在相同骨密度下，男性椎體的脂肪含量多于女性。也有研究認(rèn)為絕經(jīng)后女性較相應(yīng)年齡的男性有較多的椎體內(nèi)脂肪[5，13]，以往研究均為同年齡組不同性別的差異，但對(duì)于相同骨密度組不同性別的差異還未有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。本研究的其他2組男女兩性之間并無(wú)差異，可能與男女性別組骨量減少的程度不均衡及男性骨質(zhì)疏松組人數(shù)較少有關(guān)。本研究結(jié)果顯示女性的ADC與QCT測(cè)得的骨密度呈正相關(guān)，而男性無(wú)相關(guān)，這可能與研究對(duì)象年齡與骨質(zhì)疏松診斷標(biāo)準(zhǔn)中的年齡不完全符合有關(guān)(骨質(zhì)疏松診斷標(biāo)準(zhǔn)僅用于圍絕經(jīng)期及絕經(jīng)后女性及50歲以上男性)，另外對(duì)于男性骨質(zhì)疏松的診斷一直參照女性標(biāo)準(zhǔn)，男女兩性間的差異還有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，DWI可基于常規(guī)腰椎磁共振成像基礎(chǔ)上對(duì)骨質(zhì)疏松進(jìn)行無(wú)創(chuàng)性定量評(píng)估，為骨質(zhì)疏松的研究開拓了一個(gè)新的領(lǐng)域，提供了一個(gè)從骨髓分子運(yùn)動(dòng)水平研究其病理生理變化的平臺(tái)。

1 Guglielmi G,Grimston SK,Fischer KC,et al.Osteoporosis: diagnosis with lateral and posteroanterior dual x-ray absorptiometry compared with quantitative CT.Radiology,1994,192:845-850.

2 Tang GY,Lv ZW,Tang RB,et al.Evaluation of MR spectroscopy and diffusion-weighted MRI in detecting bone marrow changes in postmenopausal women with osteoporosis.Clin Radiol,2010,65:377-381.

3 Hatipoglu HG,Selvi A,Ciliz D,et al.Quantitative and diffusion MR imaging as a new method to assess osteoporosis.AJNR Am J Neuroradiol,2007,28:1934-1937.

4 Yeung DK,Wong SY,Griffith JF,et al.Bone marrow diffusion in osteoporosis: evaluation with quantitative MR diffusion imaging.J Magn Reson Imaging,2004,19:222-228.

5 Griffith JF,Yeung DK,Antonio GE,et al.Vertebral marrow fat content and diffusion and perfusion indexes in women with varying bone density: MR evaluation.Radiology,2006,241:831-838.

6 Engelke K,Adams JE,Armbrecht G,et al.Clinical use of quantitative computed tomography and peripheral quantitative computed tomography in the management of osteoporosis in adults: the 2007 ISCD Official Positions.J Clin Densitom,2008,11:123-162.

7 Damilakis J，Maris TG，Karantanas AH.An update on the assessment of osteoporosis using radiologic techniques.Eur Radiol,2007,17: 1591-1602.

8 Biffar A,Dietrich O,Sourbron S,et al.Diffusion and perfusion imaging of bone marrow.Eur J Radiol,2010,76:323-328.

9 Fanucci E,Manenti G,Masala S,et al.Multiparameter characterisation of vertebral osteoporosis with 3-T MR.Radiol Med,2007,112: 208-223.

10 Liu Y,Tang GY,Tang RB,et al.Assessment of bone marrow changes in postmenopausal women with varying bone densities: magnetic resonance spectroscopy and diffusion magnetic resonance imaging.Chin Med J (Engl),2010,123:1524-1527.

11 Schellinger D,Lin CS,Fertikh D,et al.Normal lumbar vertebrae: anatomic,age,and sex variance in subjects at proton MR spectroscopy-initial experience.Radiology,2000,215:910-916.

12 Chen WT,Shih TT,Chen RC,et al.Vertebral bone marrow perfusion evaluated with dynamic contrast-enhanced MR imaging: significance of aging and sex.Radiology,2001,220:213-218.

13 Griffith JF,Yeung DK,Antonio GE,et al.Vertebral bone mineral density,marrow perfusion,and fat content in normal and osteoporotic males: analysis using dynamic contrast-enhanced MR and MR spectroscopy.Radiology,2005,236:945-951.

Correlationbetweenapparentdiffusioncoefficientandbonemineraldensitymeasuredbyquantitativecomputedtomographyinhumanlumbarspine

FANGHao*,HEJie*,ZUOPanli,etal.*DepartmentofCT/MR,TheThirdHospitalofHebeiMedicalUniversity,Shijiazhuang050051,China

ObjectiveTo investigate the correlation between apparent diffusion coefficient (ADC) detected by magnetic resonance (MR) diffusion weighted imaging (DWI) and bone mineral density (BMD) measured by quantitative computed tomography (QCT) in human lumbar spine.Methods121 patients with lumbocrural pain underwent volumetric bone mineral density measured by QCT at the site of lumbar spine (L2～4).According to the bone mineral density,all the subjects were divided into three groups:normal bone density group,osteoporosis group,osteopenia group.After routine MRI examination (Sagittal T2WI,T1WI and Axial T2WI),DWI was performed with single shot spin-echo planar imaging sequence (b = 0,600 s/mm2) and ADC values were measured.Finally the correlation between ADC and BMD was analyzed.ResultsThere were no significant differences in ADC values among different male groups.As compared with those in normal bone density group,ADC values were significantly decreased in osteoporosis group [(0.2869±0.0475)×10-3mm2/s vs (0.45±0.13)×10-3mm2/s,P<0.01)] and in osteopenic group [(0.302±0.0677)×10-3mm2/s vs (0.45±0.13)×10-3mm2/s,P<0.01)] in females.ADC values were positively correlated with BMD values (r=0.545,P<0.01) in females,but ADC values were not related to BMD values in males.ConclusionDWI can quantitatively evaluate osteoporosis noninvasively by observing the pathological changes of vertebral bone marrow at molecular movement level.

bone density; osteoporosis；magnetic resonance diffusion weighted imaging; computed tomography

10.3969/j.issn.1002-7386.2014.05.002

050051 石家莊市，河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院CT/MR室，河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(方浩、何杰、李曉娜、崔建嶺)；西門子(中國(guó))有限公司醫(yī)療業(yè)務(wù)領(lǐng)域磁共振事業(yè)部(左盼莉)

何杰，050051 河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院；

E-mail：jiehe2004@aliyun.com

R 814.42

A

1002-7386(2014)05-0648-04

2013-09-11)