1. 深圳市龙岗区第三人民医院 放射科, 广东 深圳 518115;
2. 深圳市人民医院/暨南大学第二临床医学院 放射科, 广东 深圳 518000
2020-08-10 收稿, 2020-12-21 录用
基金项目: 深圳市龙岗区2018年度卫生科技计划项目（LGKCYLWS2018000085）资助
*通讯作者: 胡根文
摘要: 为探究氢质子MR波谱（MRS）的脂肪分数（FF）、脂水比（LWR）及双回波同反相位信号比值（SIR）与腰椎定量CT（QCT）骨矿物质密度（BMD）的相关性，并评估MRS、双回波同反相位成像对腰椎骨质减低及骨质疏松的诊断价值，本研究对因腰腿痛就诊的120名患者资料进行了回顾性分析，根据QCT分类标准将患者分为正常组、骨量减少组和骨质疏松组。所行MRI检查包括MRS和双回波同反相位成像，测量腰2~4椎体FF、LWR及双回波同反相位SIR。结果发现，FF、LWR、SIR与BMD呈负相关；FF、LWR与SIR呈正相关。FF、LWR、SIR、BMD在骨量正常组、骨量减少组和骨质疏松组任意两组间差异均有显著性（P < 0.001）。本研究表明MRS及双回波同反相位成像可通过无创无辐射检测骨髓脂肪组织而间接反映骨代谢情况。
关键词: MRS骨矿物质密度骨质疏松
The Evaluation of MR Spectroscopy and In/Opposed-phase Imaging on Lumbar Osteoporosis
JIANG Shubing1, CHEN Boxiong1, HU Genwen2
1. Department of Radiology, The Third People's Hospital of Longgang District, Shenzhen 518115, Guangdong, P. R. China;
2. Department of Radiology, Shenzhen People's Hospital/2nd Clinical Medical College of Ji'nan University, Shenzhen 518000, Guangdong, P. R. China
*Corresponding author: HU Genwen
Abstract: In this paper, we investigate the correlation between bone mineral density (BMD) gotten by lumbar quantitative computed tomography (QCT) with fat fraction (FF), lipid water ratio (LWR) and signal intensity ratio (SIR). Moreover, we assessed the diagnostic value of magnetic resonance spectroscopy (MRS) and in-phase (IP)/opposed-phase (OP) sequence on lumbar osteopenia and osteoporosis. The results of 120 patients who underwent lumbar QCT and MRI examinations due to lumbago and leg pain were analyzed retrospectively. According to the BMD classification criteria of QCT, the patients were divided into three groups including the normal group, osteopenia group and osteoporosis group. MRI examination included MRS and dual-echo IP/OP sequence, and the FF, LWR and IP/OP SIR of 2-4 lumbar vertebras were measured. Pearson correlation analysis was used to evaluate the correlations among FF, LWR, SIR and BMD. One-way analysis of variance was used to compare the differences of FF, LWR, SIR among the three groups. Results showed that the FF, LWR and SIR were negatively correlated with BMD which detected by QCT. FF and LWR were positively correlated with SIR. Significant differences of FF, LWR, SIR and 202 BMD were found among three groups. As a conclusion, MRS and IP/OP sequence indirectly reflect the bone metabolism by detecting bone marrow adipose without invasiveness and radiation.
Key words: MRSBMDosteoporosis
骨质疏松症(osteoporosis)是一种以骨量减低及骨显微结构退化为特点、易发生退变性骨折的全身性疾病，其致残性高，可严重降低患者生存质量[1]。早期发现、治疗骨质疏松症是预防或延缓退变性骨折及其它并发症的主要手段。目前，骨矿物质密度(bone mineral density，BMD)是诊断骨质疏松症及评估骨折风险的重要指标，可通过双能X射线吸收法(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)和定量CT(quantitative computed tomography，QCT)进行测量[2]，但以上两种方法均面临电离辐射风险。
磁共振波谱分析(magnetic resonance spectroscopy, MRS)可无创无辐射定量骨髓内脂肪而间接反映骨代谢情况，其方法包括MRS和双回波同反相位成像。目前，双回波同反相位成像在腰椎中的应用较少，本研究应用MRS和双回波同反相位成像测量了不同骨量人群腰椎2~4椎体的脂肪分数(fat fraction，FF)、脂水比(lipid water ratio，LWR)及双回波同反相位信号比值(signal intensity ratio，SIR)，与骨质疏松金标准之一QCT的骨矿物质密度进行了对比研究，评估了MRS、双回波同反相位成像对腰椎骨质减低及骨质疏松的诊断价值。
1 材料与方法1.1 一般资料随机纳入2019年2月~7月因腰腿痛在深圳市龙岗区第三人民医院放射科行腰椎QCT和MRI检查的患者120例，其中男51例、女69例，年龄28~72岁，平均年龄47.9岁。排除标准：明显椎体畸形或变异；肥胖患者(BMI≥28)；已证实的代谢性骨病；有恶性肿瘤病史或激素服用史。同一患者QCT和MRI检查时间相隔不超过5天。受检者在检查前均签署知情同意书。
1.2 检查方法及后处理1.2.1 CT检查及BMD测量采用德国Siemens SOMATOM Definition AS 64层螺旋CT扫描仪并结合公司提供的标准体模和QCTPRO分析软件进行检查。扫描方法：患者取仰卧位、头先进方式，将标准体模置于受试者T11~L5椎体下方，体模中线与脊柱重合，选择腰椎2~4椎体中心层面进行轴位扫描。扫描参数：80 kV，90 mA，层厚10.0 mm，FOV 250 mm。扫描结束后用QCTPRO软件进行分析。
BMD测量：应用QCTPRO软件进行分析。兴趣区设为椭圆形，置于椎体中央，避开椎体周围骨皮质、骨质增生及椎基底静脉。分别测量腰椎2~4椎体的松质骨BMD值并取平均值。根据正常人骨密度标准得出相应的T和Z值。评分标准根据2007年国际临床骨密度协会推荐的诊断标准[3, 4]，正常BMD≥ 120 mg/cm3(T≥-1.0 SD)，骨量减少80 mg/cm3＜BMD＜120 mg/cm3(-2.5＜T＜-1.0 SD)和骨质疏松症BMD≤80 mg/cm3(T≤-2.5 SD)，按此标准将患者分为正常组、骨量减少组和骨质疏松组。
1.2.2 MRI检查MRI检查均在荷兰PHILIPS MULTIVA 1.5T MRI扫描仪上进行。扫描方法：受试者均行常规腰椎矢状T1WI、T2WI及轴位T2WI成像。
单体素点解析波谱(point resolved spectroscopy，PRESS)进行腰2~4椎体扫描。参数：TR 2000 ms，TE 43 ms，激励次数80次，体素为20 mm×20 mm×15 mm。感兴趣区置于椎体中心，以减少椎体边缘、椎管内脑脊液及椎旁软组织的影响。应用MRI扫描仪自带后处理软件进行波谱分析，使用拟合得到腰2~4椎体的水峰(4.7 ppm)和脂峰(1.3 ppm)的峰下面积，并计算LWR和FF。LWR = Ampfat/Ampwater；FF=LWR/(LWR + 1)×100%。
双回波同反相位序列参数：翻转角80°，TR 74 ms，TE 2.3 ms，体素为1.4 mm×2.01 mm×5 mm，扫描层厚5 mm，视野290 mm×163 mm×60 mm，激励次数为4。在1.5 T MR扫描仪上进行图像后处理，测量腰2~4椎体同相位信号强度/反相位信号强度，获得强度比值(SIR)。每个椎体测量3次后取平均值，再取3个椎体的平均值作为该患者的数据。
1.3 统计学方法本研究采用统计软件包SPSS 22.0进行数据处理。计量资料用(均值±标准差)表示，K-S检验用于检验连续变量是否为正态性分布。在相同骨密度组中对不同椎体参数FF、LWR、SIR与BMD采用单因素方差分析(ANOVA)，LSD多重比较；独立t检验用于同一骨密度组中男女组间比较。120例患者的FF、LWR、SIR与BMD行Pearson相关分析。应用ANOVA检验对比正常组、骨量减少组和骨质疏松组的FF、LWR、SIR与BMD。使用ROC曲线分析FF、LWR、SIR诊断腰椎骨质疏松和骨量减少的敏感度、特异度等。以P＜0.05为差异具有统计学意义。
2 结果2.1 腰2、腰3及腰4各椎体FF、LWR、SIR及BMD的统计学比较腰2、腰3及腰4各椎体FF、LWR、SIR及BMD在同一骨密度组中不同椎体间比较无统计学差异(P＞0.05)。男、女患者的FF、LWR、SIR与BMD在同一骨密度组中无统计学差异(P＞0.05)。
2.2 FF、LWR、SIR与BMD的相关性分析分析可知MRS测得FF、LWR和双回波同反相位测得SIR与BMD之间均具有负相关性；MRS测得FF、LWR与双回波同反相位测得SIR具有正相关性。见表 1。
表1
 表 1 Pearson相关性分析结果
| 表 1 Pearson相关性分析结果 |
2.3 正常组、骨量减少组和骨质疏松组的FF、LWR、SIR与BMD比较比较骨质正常组、骨量减少组和骨质疏松组的FF、LWR、SIR与BMD参数，发现随着BMD的减少，FF、LWR、SIR值均增大，同时FF、LWR、SIR值在正常组、骨量减少组和骨质疏松组之间有差异。(表 2，图 1)。
表2
表 2 正常组、骨量减少组和骨质疏松组的FF、LWR、SIR与BMD比较(x±s)
| 表 2 正常组、骨量减少组和骨质疏松组的FF、LWR、SIR与BMD比较(x±s) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
图 1
 | 图 1 骨量正常组和骨质疏松组的典型图像图a~c为骨量正常组男性，38岁; a. QCT示BMD为169 mg/cm3; b. MRS显示脂峰较低; c. 同反相位信号比值SIR为0.4；图d~f为骨质疏松组女性，69岁；d. QCT示BMD为33 mg/cm3; e. MRS显示脂峰明显升高; f. 同反相位信号比值SIR为0.68 |
2.4 正常组和非正常组、骨质疏松组和非骨质疏松组的ROC分析各参数诊断正常组和非正常组(非正常组=骨量减少组+骨质疏松组)、骨质疏松组和非骨质疏松组(非骨质疏松组=正常组+骨量减少组)的ROC曲线见图 2和表 3。FF、LWR、SIR诊断骨质疏松的ROC曲线下面积分别为0.87、0.89、0.91。
图 2
 | 图 2 a.各参数诊断正常组和非正常组(骨量减少+骨质疏松组)的ROC曲线；b.各参数诊断骨质疏松组和非骨质疏松组(正常+骨量减少组)的ROC曲线 |
表3
表 3 各参数诊断正常组和非正常组(骨量减少+骨质疏松组)、骨质疏松组和非骨质疏松组(正常+骨量减少组)的ROC曲线分析
| 表 3 各参数诊断正常组和非正常组(骨量减少+骨质疏松组)、骨质疏松组和非骨质疏松组(正常+骨量减少组)的ROC曲线分析 |
3 讨论骨质疏松症在组织学上主要表现是骨皮质变薄、骨小梁变细、减少甚至消失，同时哈佛氏管可见扩大。在病理上常常表现为脂肪细胞数量的增多及体积的显著增大[5]。骨质疏松可致骨脆性和骨折风险增加[6]。在椎体压缩性骨折发生之前，常常没有明显临床体征和症状。因此，高灵敏度的成像技术对于骨质疏松症的早期检测必不可少，它可以明显降低医疗成本并改善生活质量。目前，通过双能X射线吸收法(DXA)和定量CT(QCT)获得的骨矿物质密度(BMD)是诊断骨质疏松及评估骨折风险的重要指标，但以上两种方法均面临电离辐射风险，且部分受试者接受的X线量比较大。既往有文献推荐采集第1和第2腰椎BMD，主要是基于这种方法可以高效利用胸部体检CT数据，避免重复采集增加辐射量[4]。
已有研究表明骨髓内脂肪含量与BMD呈负相关，其机制一般是骨髓间充质干细胞有脂肪细胞和骨母细胞共同存在，两者同源且竞争，当骨髓脂肪细胞增多会竞争性抑制骨母细胞的分化和成骨作用。另外红骨髓比黄骨髓的支撑作用大，黄髓的增加将导致椎体强度减低。因此脂肪增加可被动性地反映骨量的减少及骨强度的变化[7]。
磁共振检查可无创定量骨髓内脂肪，其中包括MRS和双回波同反相位成像。MRS是目前非侵入性定量骨髓脂肪的金标准，已被国内外认可[8]。其利用化学位移原理分离骨髓中水和脂肪信号，得到相应水峰和脂峰。髓样细胞、红系、淋巴系细胞主要产生水峰信号，脂肪细胞主要产生脂峰信号。MRS通过利用脂峰Amp和水峰Amp获得LWR、FF等指标以评估椎骨脂肪含量。然而MRS也存在一定局限性。首先，其检查时间长，一次腰椎MRS成像时间约3~5 min，部分患者不能完成检查；第二，该检查对扫描和后处理的要求较高，需要规范的操作才能得到可靠的数据[9, 10]。
双回波同反相位成像是另一种脂肪定量测量技术，该技术基于组织中水质子和脂肪质子之间的拉莫尔频率差异。同相位图像是由水和脂肪信号相加，而反相位图像则是两者信号相减，水脂混合组织的反相位图像信号与同相位图像信号相比会出现明显衰减，因此同、反相位可反映脂肪含量[11]。且其成像时间短、后处理相对便捷，主要应用于肝脏脂肪定量研究。目前，双回波同反相位成像在腰椎中的应用较少[12]。
根据国际临床骨密度协会推荐的诊断标准，我们对病人进行了分组，比较了正常组、骨量减少组和骨质疏松组的FF、LWR、SIR参数，结果显示3个参数在任意两组间差异均有统计学意义，可以认为MRS及双回波同反相位成像对腰椎骨质减低及骨质疏松均有一定的诊断价值。
既往研究多对MRS与BMD[13]或双回波同反相位SIR与BMD[14]的关系进行相关研究，本研究发现，MRS获得的脂肪分数FF、LWR及双回波同反相位获得的SIR与腰椎松质骨BMD之间具有良好的相关性，与既往研究结果类似，说明通过MRS、双回波同反相位成像间接评价椎骨骨量是可行的。另外本研究中测得的FF、LWR与SIR值也有较好的相关性，提示双回波同反相位与MRS有较好的一致性。根据ROC曲线分析MRS、双回波同反相位成像对正常组、骨量减少组及骨质疏松组的诊断效能, 没有明显差异。双回波技术扫描时间约16 s，明显短于单个椎体MRS扫描时间(约3 min)，故其在临床运用方面有较大的优势。
本研究仍存在一定局限。首先，MRS作为脂肪定量只是影像定量，真正的骨髓脂肪含量只能通过活检评估；其次，本研究样本量偏小，以后我们将扩大样本，对结果进行补充及校正。
总之，双回波同反相位成像技术与MRS在椎骨脂肪定量方面具有较高的一致性，可间接评估患者骨量情况。相对于MRS的检查时间长、后处理复杂及数据不稳定，双回波同反相位成像技术具有操作简便、耗时短、检查范围大等优势。当低场强的MRI扫描仪无法完成高质量的MRS，或对于无法配合MRS扫描的患者，均可通过双回波同反相位成像替代MRS，获得较好的骨髓脂肪定量结果，可作为临床量化诊断骨质疏松的更快速、无创无辐射的评估方法。
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