宋宇,宋清偉,張浩南,張楠,浦仁旺,劉愛連,苗延巍
骨質(zhì)疏松是以單位體積內(nèi)骨組織量減少和骨組織代謝紊亂為特點(diǎn)的代謝性骨病變,因骨強(qiáng)度降低和骨脆性增加而易發(fā)生骨折[1]。隨著人口老齡化的增加,骨質(zhì)疏松癥的患者率亦相繼上升[2]。雙能X線吸收測(cè)量法(dual ener gy X-r ay absorpt iomet ry,DXA)作為臨床上診斷骨質(zhì)疏松的金標(biāo)準(zhǔn)[3],其在測(cè)量骨密度、診斷骨質(zhì)疏松、預(yù)測(cè)骨折風(fēng)險(xiǎn)及監(jiān)測(cè)治療效果等方面具有一定的臨床價(jià)值。但僅僅依靠DXA來評(píng)估骨質(zhì)疏松則無法評(píng)估骨質(zhì)量的相關(guān)信息,準(zhǔn)確度和精確度欠佳。骨髓脂肪含量作為評(píng)價(jià)骨質(zhì)量的新興重要指標(biāo),在骨質(zhì)疏松臨床診斷和科學(xué)研究方面意義重大。近來,研究報(bào)道可將脂肪分?jǐn)?shù)(f at f r act ion,F(xiàn)F)作為骨質(zhì)疏松的生物標(biāo)志物[4]。本研究旨在探討磁共振3D mDixon Quant采用不同加速因子(acceleration f act or,AF)的壓縮感知(compr essed SENSE,CS)技術(shù)對(duì)腰椎椎體骨髓脂肪含量進(jìn)行定量評(píng)估的差別和價(jià)值,篩選成像最佳AF并優(yōu)化掃描方案,同時(shí)進(jìn)一步分析腰椎椎體脂肪含量與年齡、性別和體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)的關(guān)系。
本研究經(jīng)大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審核通過,所有受試者均簽署知情同意書。本研究前瞻性收集在2020年1~7月于大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院行腰椎MR檢查的志愿者96名。男性45名,女性51名,年齡16~79歲,平均年齡(43.85±17.98)歲。將志愿者按照年齡段分為3組,其中,青年組:<40歲(32例,男15例,女17例);中年組:40~60歲(32例,男16例,女16例);老年組:>大于60歲(32例,男14例,女18例)。BMI為16.73~30.47 kg/m2,平均(22.97±3.04)kg/m2。入組標(biāo)準(zhǔn):①無MRI檢查禁忌證,如體內(nèi)有起搏器、支架、金屬植入物及患有幽閉恐懼癥等;②無椎體或盆腔惡性腫瘤、轉(zhuǎn)移瘤及放化療病史;③無代謝性疾病、未使用糖皮質(zhì)激素等影響骨代謝者;④無腰椎骨折或其他外傷等病史。
應(yīng)用Philips Ingenia CX 3.0 T MR設(shè)備(Phil ips Heal thcare,Best,the Netherl ands)并采用3D mDixon Quant脂肪定量序列結(jié)合不同AF對(duì)志愿者行腰椎3D mDxion Quant序列掃描,所采用的線圈為32通道腹部相控陣線圈?;颊呷⊙雠P位,頭先進(jìn),雙上臂自然放于身體兩側(cè)。3D mDixon Quant序列掃描參數(shù):并行采集技術(shù)(SENSE)的AF分別為2、4,壓縮感知技術(shù)的AF分別為2、3、4、5、6、7、8;掃描時(shí)間分別為61、29 s;70、48、36、29、24、20.6、18.1 s。TR/TE分別為8.2/1.47 ms、8.2/1.47 ms;FOV分別為320 mm×320 mm×65 mm、320 mm×320 mm×65 mm;矩陣分別為180×180×26、180×180×26;體素分別為1.8 mm×1.78 mm×5 mm、1.8 mm×1.78 mm×5 mm;NEX均為4;翻轉(zhuǎn)角均為3°。
兩位觀察者(影像診斷經(jīng)驗(yàn)分別為5年和7年)在ISP(Int el l i Space Por t al l Ver sion 7)工作站上采用雙盲法對(duì)圖像進(jìn)行分析和測(cè)量。兩位觀察者采用半自動(dòng)分割技術(shù)對(duì)腰椎椎體FF值進(jìn)行測(cè)量和分析,首先在水像上手動(dòng)勾畫全椎體,畫取時(shí)要最大限度包括椎體松質(zhì)骨而避開骨皮質(zhì)、終板和椎間盤,再將所畫取的全椎體感興趣區(qū)復(fù)制到FF圖像上,系統(tǒng)可同時(shí)自動(dòng)獲得腰椎L1~L5椎體脂肪分?jǐn)?shù)值(圖1)。
圖1 男,24歲,BMI為21.47 kg/m2。A:3D mDixon Quant水像圖;B:3D mDixon Quant FF像Fig.1 Male,24 years old,with a BMI of 21.47 kg/m2.A:3D mDixon Quant water image;B:3D mDixon Quant FFimage.
采用客觀評(píng)價(jià)法對(duì)不同AF的3D mDixon Quant圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)??陀^評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的指標(biāo)包括信噪比(signal noise ratio,SNR)、對(duì)比噪聲比(contrast noise ratio,CNR)。測(cè)量腰椎椎體MR信號(hào)強(qiáng)度的方法:在矢狀位圖像上選取顯示腰椎的最佳層面,在選取ROI時(shí)盡可能包含椎體松質(zhì)骨而避開骨皮質(zhì)、終板和椎間盤,選取連續(xù)3個(gè)層面,分別在每個(gè)層面的椎體中心即ROI區(qū)測(cè)量MR平均信號(hào)強(qiáng)度(SNR椎體),3次測(cè)量取其平均值。測(cè)量脊髓內(nèi)噪聲的方法:選擇脊髓區(qū)域作為背景噪聲區(qū)[5],同上在矢狀位圖像上選取顯示腰椎的最佳層面,分別在連續(xù)3個(gè)層面中選取椎體同一脊髓區(qū)域測(cè)量噪聲值,ROI區(qū)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差即噪聲值(SD脊髓),3次測(cè)量取平均值。計(jì)算公式如下:SNR=SNR椎體/SD脊髓、CNR=(SNR椎體-SNR脊髓)/SD脊髓。
采用Shpir o-Wil k檢驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的正態(tài)性,符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示;不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用“中位數(shù)±四分位間距”表示。符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(int ra-cl ass correl ation coef f icient s,ICC)檢驗(yàn)兩位觀察者測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性。采用非參數(shù)Fr iedman檢驗(yàn)法分析比較不同AF時(shí)腰椎椎體骨髓FF值、SNR以及CNR的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)比分析不同性別組間腰椎椎體FF值。不同年齡組間腰椎椎體FF值的比較采用單因素方差分析(anal ysis of var i ance,ANOVA)完成,并采用最小顯著差值法(l east-signif icant dif f er ence,LSD)進(jìn)行組間兩兩比較。采用Spear man檢驗(yàn)分析腰椎椎體脂肪含量值與BMI的相關(guān)性,0≤|r|<0.3為無相關(guān)性或相關(guān)性差,0.3≤|r|<0.4為相關(guān)性弱,0.4≤|r|<0.7為相關(guān)性中等,|r|≥0.7為相關(guān)性強(qiáng)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
兩名觀察者測(cè)量SENSE和CS技術(shù)不同AF時(shí)腰椎椎體FF值的ICC值均大于0.75,具有較好的一致性。見表1。
表1 兩名觀察者測(cè)量結(jié)果的一致性檢驗(yàn)(ICC值)Tab.1 Consistency test of measurement results by two observers(ICCvalue)
采用非參數(shù)Friedman檢驗(yàn)法對(duì)3D mDixon Quant序列結(jié)合不同AF的SENSE和CS技術(shù)時(shí)各組間的腰椎椎體FF值及其圖像質(zhì)量的差異進(jìn)行檢驗(yàn)分析,檢驗(yàn)結(jié)果顯示各組間腰椎椎體FF值無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.653),但各組間SNR和CNR有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.001、0.006)(表2)。其中,CS3和CS7組、CS4和CS7組、CS4和CS8組間SNR和CNR差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)(表3)。同時(shí),進(jìn)一步對(duì)各組間的掃描時(shí)間進(jìn)行比較,比較分析結(jié)果顯示,當(dāng)CS AF分別為3、4、5、6、7和8時(shí),其掃描時(shí)間較SENSE AF為2時(shí)分別減少21.31%、40.98%、52.46%、60.66%、66.23%和70.33%。其中,CS6組中FF值、SNR和CNR較其他組(S2、S4、CS2、CS3、CS4、CS5)而言無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05),而掃描時(shí)間卻大大縮短。因此,綜合以上對(duì)腰椎椎體FF值的定量分析、圖像質(zhì)量和掃描時(shí)間等分析比較,選擇CS AF最大為6時(shí)可在保證3D mDixon Quant序列掃描圖像質(zhì)量的前提下,實(shí)現(xiàn)對(duì)腰椎椎體脂肪含量值的精準(zhǔn)定量和評(píng)估,同時(shí)掃描時(shí)間縮短60.66%。
表2 不同AF時(shí)腰椎椎體脂肪含量和圖像質(zhì)量的差異Tab.2 The difference of lumbar vertebrae fat fraction(FF)and image quality in different AF
表3 不同AF時(shí)圖像質(zhì)量差異組間兩兩比較(P值)Tab.3 Pairwise comparison in different AF groups with different image quality(P value)
選擇CS的AF為6條件下進(jìn)一步對(duì)不同年齡組腰椎椎體脂肪含量進(jìn)行分析比較。結(jié)果顯示不同年齡組間BMI無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,青年、中年和老年等3個(gè)年齡組間所有受試者、男性、女性等不同群體中腰椎椎體FF值均有顯著性差異(P<0.05)(表4)。對(duì)于所有受試者及女性群體而言,青年組與中年組、青年組與老年組間腰椎椎體FF值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);而中年組與老年組間腰椎椎體FF值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.086、0.185)。但是對(duì)于男性群體而言,則僅表現(xiàn)為青年組與老年組間腰椎椎體FF值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.006),而青年組與中年組、中年組與老年組間腰椎椎體FF值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.328、0.092)(表5)。
表4 不同年齡組間腰椎椎體FF值的比較Tab.4 Comparison of FFvalues of lumbar vertebrae between different age groups
表5 不同年齡組間腰椎椎體FF值的多重比較Tab.5 Multiple comparisons of the FFvaluesof lumbar vertebrae between different age groups
選擇CS的AF為6條件下進(jìn)一步對(duì)不同性別腰椎椎體脂肪含量進(jìn)行分析比較。結(jié)果顯示不同性別組間BMI無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,青年組中,男性腰椎椎體FF值明顯高于女性腰椎椎體FF值(P=0.001);而在中年組和老年組中,男性腰椎椎體FF值略低于女性腰椎椎體FF值,但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無明顯差異(P=0.287、0.594)(表6)。
表6 不同性別組間腰椎椎體FF值的比較Tab.6 Comparison of FFvalues of lumbar vertebrae between different gender groups
腰椎椎體FF值與BMI的相關(guān)分析結(jié)果顯示(圖2),在男性中,BMI與腰椎椎體FF值具有中等相關(guān)性(r=0.634,P<0.01);而在女性中,BMI與腰椎椎體FF值無相關(guān)性(r=0.207,P=0.146)。
圖2 男性和女性腰椎椎體FF值與BMI的相關(guān)性散點(diǎn)圖。A:男性腰椎椎體FF值與BMI的相關(guān)性散點(diǎn)圖;B:女性腰椎椎體FF值與BMI的相關(guān)性散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plots of lumbar vertebrae FF values and BMIin men and women.A:Scatter plots of FF value and BMIof male lumbar vertebrae;B:Scatter plot of correlation between FFvalueand BMIof female lumbar vertebrae.
近年來,各種快速成像技術(shù)成為磁共振領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。并行采集技術(shù)(SENSE)采用以圖像為基礎(chǔ)并結(jié)合線圈信息的重建方式,但重建后圖像的SNR降低。同時(shí),由于噪聲和運(yùn)動(dòng)偽影的干擾,導(dǎo)致SENSE敏感度探測(cè)的精準(zhǔn)度欠佳,在小視野成像時(shí)圖像易出現(xiàn)并采偽影[6]。隨著研究的不斷深入,美國(guó)科學(xué)院院士Emmanuel Candes和David Donoho聯(lián)合提出了一種基于應(yīng)用數(shù)學(xué)的前沿信號(hào)采集與處理的創(chuàng)新技術(shù)——壓縮感知技術(shù)[7],它采用數(shù)字化稀疏采樣獲得少量采樣數(shù)據(jù)并保證圖像的保真度,可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的離散降噪[8]。CS技術(shù)通過直接采集壓縮后的圖像,實(shí)現(xiàn)磁共振掃描時(shí)間的大幅度縮短,同時(shí)使低采樣率下獲得高分辨信號(hào)成為可能[9-10],實(shí)現(xiàn)了從SENSE到CS技術(shù)的變革,打破了奈奎斯特采樣定律中采樣頻率必須大于信號(hào)中最高頻率的兩倍才能使采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整保留原始信號(hào)中的信息[11-12]。目前,具有臨床實(shí)際價(jià)值并經(jīng)過充分驗(yàn)證的CS技術(shù)的應(yīng)用主要集中在神經(jīng)系統(tǒng)、心臟和腹部成像等方面[13-15]。而骨髓作為人體最重要的造血器官和免疫器官[16],其內(nèi)脂肪含量的變化對(duì)于疾病的精準(zhǔn)診斷和疾病嚴(yán)重程度的準(zhǔn)確分級(jí)至關(guān)重要。但是目前卻較少有研究報(bào)道CS技術(shù)在椎體成像及脂肪定量評(píng)估方面的應(yīng)用,因此CS技術(shù)在椎體成像中的應(yīng)用亟待優(yōu)化和臨床驗(yàn)證。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于選擇結(jié)合CS技術(shù)的3D mDixon Quant序列腰椎椎體脂肪定量掃描最優(yōu)AF,優(yōu)化掃描方案。同時(shí),進(jìn)一步探討分析腰椎椎體脂肪含量與年齡、性別和BMI的關(guān)系。
3D mDixon Quant技術(shù)是一種基于化學(xué)位移水脂分離技術(shù)的磁共振脂肪定量測(cè)量技術(shù),一次采集6個(gè)回波并結(jié)合7峰值脂肪模型和T2*校正來得到高質(zhì)量的3D FF圖和T2*mapping圖。采用多源發(fā)射技術(shù)Mul t i Transmit 4D可有效地提高射頻場(chǎng)的均勻度,實(shí)現(xiàn)了以往脂肪6峰模型向脂肪7峰值模型的轉(zhuǎn)變,進(jìn)一步提高了脂肪定量的精準(zhǔn)性[17-18]。同時(shí),采用半自動(dòng)分割技術(shù)在3D mDixon Quant序列的FF圖像上進(jìn)行脂肪含量值的測(cè)量,該測(cè)量結(jié)果可充分表示整個(gè)椎體的FF值,而非椎體某一層面的FF值,因此可有效避免由于部分容積效應(yīng)而引起的測(cè)量誤差。研究表明,mDixon-Quant與MRS的脂肪定量結(jié)果具有很強(qiáng)的相關(guān)性[19],測(cè)量結(jié)果可靠性高[20-21],適于在臨床中使用。
在臨床掃描過程中,CS技術(shù)可在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)加快掃描速度,提高臨床效率。但在其他掃描參數(shù)保持不變的情況下,AF越大,相應(yīng)掃描時(shí)間越短,但圖像質(zhì)量會(huì)受到一定的影響,因此在CS技術(shù)的應(yīng)用中AF的選擇至關(guān)重要。本研究結(jié)果顯示在不同AF時(shí)3D mDixon Quant序列測(cè)量腰椎椎體FF值無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,但當(dāng)選擇較大AF(>6)時(shí)SNR和CNR卻有所降低。研究結(jié)果表明選擇AF為CS6時(shí)可實(shí)現(xiàn)在保證圖像質(zhì)量的前提下較AF為S2縮短60.66%的臨床掃描時(shí)間,大大增加了臨床效率,減少運(yùn)動(dòng)偽影。與傳統(tǒng)并行采集技術(shù)SENSE相比,CS掃描可明顯縮短掃描時(shí)間,但在整體成像質(zhì)量以及脂肪定量評(píng)估等方面SENSE與CS卻無顯著差異。因此,本研究結(jié)果表明在采用3D mDixon Quant序列進(jìn)行腰椎椎體脂肪定量時(shí)結(jié)合CS技術(shù)是可行的,并且推薦選擇最優(yōu)AF為CS6。
本研究選擇AF為CS6條件下進(jìn)一步對(duì)不同年齡、性別和BMI組間腰椎椎體脂肪含量進(jìn)行研究。研究結(jié)果顯示年齡因素對(duì)腰椎椎體脂肪含量產(chǎn)生影響,具體表現(xiàn)為所有受試者中青年組、中年組和老年組腰椎椎體FF值呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),即腰椎椎體脂肪含量隨著年齡的增加而逐步上升。各組間比較結(jié)果顯示所有受試者、男性和女性等群體中不同年齡間腰椎椎體FF值均有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。對(duì)于所有受試者及女性群體而言,中年組與老年組腰椎椎體FF值均明顯高于青年組。但是對(duì)于男性群體而言,則僅表現(xiàn)為老年組腰椎椎體FF值明顯高于青年組。分析其原因?yàn)殡S著年齡的增長(zhǎng),人體內(nèi)的骨髓逐漸由有造血功能的紅骨髓向無造血功能的黃骨髓轉(zhuǎn)換,而脂肪組織是黃骨髓的主要組成成分,約占黃骨髓的80%,因此椎體骨髓脂肪組織隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸增多[22]。
本研究亦發(fā)現(xiàn)性別因素對(duì)腰椎椎體脂肪含量產(chǎn)生影響,不同性別組間腰椎椎體FF值在不同年齡段的表現(xiàn)亦不同。在青年組中男性腰椎椎體FF值高于女性腰椎椎體FF值(P<0.05);而在中年組和老年組中,男性腰椎椎體FF值略低于女性腰椎椎體FF值,但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無明顯差異(P>0.05)。Er nesto等[23]的研究表明青年男性腰椎椎體FF較高,而青年女性FF較低。隨著年齡的增長(zhǎng),女性FF值逐漸增長(zhǎng),達(dá)到與男性相似的FF含量。本研究結(jié)果與該文獻(xiàn)報(bào)道一致。分析其原因是隨著年齡的增長(zhǎng),女性雌激素水平將逐漸降低。雌激素可刺激破骨細(xì)胞凋亡并抑制成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞凋亡,從而增加了骨形成細(xì)胞的壽命并降低了骨吸收細(xì)胞的壽命,在調(diào)節(jié)骨量和骨強(qiáng)度中起著關(guān)鍵作用[24]。因此雌激素水平的降低將導(dǎo)致破骨細(xì)胞的抑制減弱,數(shù)量增加;成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的凋亡增加,數(shù)量減少。由于成骨細(xì)胞和骨髓脂肪細(xì)胞來自共同前體——骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞[25],因此成骨細(xì)胞的減少意味著骨髓脂肪細(xì)胞的增加。因此隨著年齡的增加,雌激素水平的降低會(huì)導(dǎo)致骨髓脂肪含量的增加。此外,年齡與性別對(duì)腰椎椎體脂肪含量的交互作用尚待進(jìn)一步研究。
此外,本研究結(jié)果亦提示腰椎椎體脂肪含量與BMI相關(guān)。但在不同性別間表現(xiàn)不同,在男性中腰椎椎體FF值與BMI呈中等相關(guān)關(guān)系(r=0.668,P=0.005),而在女性中則與BMI不相關(guān)(r=0.214,P=0.395)。本研究結(jié)果與張?chǎng)螡龋?6]的研究報(bào)道一致。分析其原因是BMI是評(píng)估肥胖程度的指標(biāo),而肥胖可通過多種機(jī)制來影響骨的代謝,由于成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞源于共同前體細(xì)胞,肥胖在促進(jìn)脂肪細(xì)胞的分化和積累的同時(shí),會(huì)伴隨成骨細(xì)胞分化和骨形成的減少[27]。研究報(bào)道,腹部脂肪與腰椎椎體骨髓脂肪含量密切相關(guān)[28],同時(shí)人體腹部脂肪即內(nèi)臟脂肪(visceral adipose tissue,VAT)和皮下脂肪(subcutaneous adipose tissue,SAT)分布的不同導(dǎo)致對(duì)其脂肪含量的影響也不同[29]。相比SAT而言,VAT具有更高的代謝活性,因此VAT的增多則更容易引起骨代謝的異常。因此,本研究結(jié)果顯示腰椎椎體脂肪含量與BMI的相關(guān)性在男性與女性中的表現(xiàn)不同,分析其原因可能是不同性別中肥胖導(dǎo)致的脂肪(VAT和SAT)的重新分布不同所致。在女性中BMI的增加可能是由SAT的增多而非VAT增多所致,因此并未對(duì)代謝產(chǎn)生影響;而男性BMI的增加則更有可能是VAT的增多所致,因此導(dǎo)致脂肪代謝活性的增加[30-32]。
本研究尚有一些不足之處:本研究的病例數(shù)有限,尚需進(jìn)一步收集和擴(kuò)增病例數(shù),增加樣本量,以對(duì)不同類型患者進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化分組,以便深入研究。
總之,磁共振3D mDixon Quant和壓縮感知技術(shù)聯(lián)合使用,優(yōu)勢(shì)突出,可快速、無創(chuàng)地對(duì)脂肪進(jìn)行精準(zhǔn)定量,以更好地監(jiān)測(cè)機(jī)體生理病理狀態(tài)下脂肪含量的變化情況。選擇CS的AF最大為6時(shí)可在保證圖像質(zhì)量的前提下,實(shí)現(xiàn)對(duì)腰椎椎體脂肪含量值的精準(zhǔn)定量和評(píng)估,同時(shí)掃描時(shí)間大大減少,提高了檢查效率和患者耐受,臨床可行性較高。同時(shí),年齡、性別和BMI等因素均對(duì)腰椎椎體脂肪含量產(chǎn)生影響,在對(duì)不同個(gè)體進(jìn)行腰椎椎體脂肪含量分析和評(píng)估時(shí)應(yīng)綜合考慮這些影響因素。
作者利益沖突聲明:全體作者均聲明無利益沖突。