腰椎MR弥散成像与定量CT骨密度测量的相关性研究

方浩 何杰 左盼莉 李晓娜 崔建岭

·论著·

腰椎MR弥散成像与定量CT骨密度测量的相关性研究

方浩 何杰 左盼莉 李晓娜 崔建岭

目的探讨腰椎椎体表观弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值与定量CT(quantitative computed tomography,QCT)所测骨密度(bone mineral density,BMD)的相关性。方法对121例腰腿痛患者进行腰2～4椎体QCT检查,并根据骨密度分为骨密度正常组、骨密度减少组及骨质疏松组。再对患者进行腰椎MR检查，先行常规矢状面T2WI、T1 WI和横轴面T2WI扫描；弥散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)采用自旋回波单次激发回波平面成像序列(b值为0和600 s/mm2),行椎体矢状位DWI扫描，在ADC图上测量腰2～4椎体ADC值。最后分析ADC值与骨密度的相关性。结果男性各组间ADC值差异无统计学意义(P>0.05)；女性骨密度正常组ADC(0.45±0.13)×10-3mm2/s，与骨量减少组(0.302±0.0677)×10-3mm2/s及骨质疏松组(0.2869±0.0475)×10-3mm2/s比较，差异有统计学意义(P<0.05)。Spearman相关分析发现，男性BMD与ADC值无相关性，女性BMD与ADC值呈正相关(r=0.545，P<0.01)。结论DWI可从骨髓分子运动水平研究骨质疏松的病理生理变化，对骨质疏松进行无创性定量评估。

骨密度；骨质疏松；磁共振弥散成像；计算机体层摄影术

随着社会老龄化的加速到来，骨质疏松越来越受到关注，据统计，骨质疏松在我国60岁以上人群中发病率为56%，其中女性发病率高达60%～70%。骨质疏松导致的骨折严重影响老年人生活质量，并给社会带来一系列经济负担，已经成为一个重要的公共健康问题。目前骨密度(bone mineral density,BMD)测量仍是评价骨质疏松的最敏感和最特异的方法，定量CT(quantitative computed tomography,QCT)作为一种对骨密度的容积测量，较双能X线(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)具有更高的准确性[1]。但是骨强度并不仅仅由BMD影响，还受骨质量的影响，骨质量是除骨密度外构成骨强度的重要因素。磁共振弥散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)能够无创性评价骨质疏松的骨髓病理生理变化[2]，来反映骨质量的改变。以往对DWI与BMD关系的研究多限于绝经后女性，且对DWI的定量指标与骨密度相关性的结果仍存在广泛的争议[3-5]。本研究采用3.0T高场强MR 研究不同性别腰椎椎体DWI定量指标与QCT所测骨密度的相关性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 2012年11月至2013年5月于河北医科大学第三医院脊柱外科门诊因腰腿痛行腰椎MR检查的121例患者，均签署知情同意志愿书。121例患者QCT和MR检查，年龄20～90岁；其中男49例，年龄20～82岁，平均(52±17)岁；女72例，年龄21～90岁，平均(55±16)岁。根据QCT检查结果的BMD值，将男性患者分为正常组22例，平均(45±17)岁，骨量减少组17例，平均(53±13)岁，和骨质疏松组10例，平均(69±7)岁；女性患者划分为3组，正常组26例，平均(40±13)岁，骨量减少组21例，平均(62±10)岁和骨质疏松组25例，平均(65±9)岁。

1.2 入选标准 (1)无内分泌及代谢性疾病；(2) 未服用激素等影响骨代谢的药物；(3) 无肿瘤及放疗、化疗、手术史；(4)MR检查椎体无形态及信号异常。

1.3 实验设备及方法 (1)QCT BMD测量：采用德国Siemens 公司Sensation 16层螺旋CT及美国Image analysis公司提供的5柱形标准体模和QCT 5000分析软件；测量部位腰2～4椎体，结果以mg/cm3表示；骨质疏松采用国际临床骨密度协会(ISCD) 2007年推荐的诊断标准[6]，骨量减低 BMD 阈值为 120 mg/cm3(相当于 DXA T 值 =-1.0SD )，骨质疏松 BMD 阈值为80 mg/cm3(相当于DXA T值=-2.5SD)。(2)腰椎MR采用德国Siemens公司3.0T Verio磁共振机。常规腰椎扫描采用矢状位T1WI (TR/TE=624/11 ms)、T2WI(TR/TE=3 500/88 ms)和矢状位T2WI(TR/TE=3 800/105 ms)，用于排除椎体病变。椎体DWI扫描采用自旋回波单次激发回波平面成像序列(spin-echo single-shot echo-planar imaging sequence)，矢状位，TR/TE=5500/100 ms，层厚5 mm，视野28 mm，矩阵128×256，平均次数(NEX)2次，b值为0，600 s/mm2，在自动生成的ADC图上测量腰2～4椎体ADC值，每个椎体测量3次取平均值。见图1。

图1 b=0,b=600腰椎弥散图及ADC图，分别在腰2～4椎体ADC图上测量ADC值

1.4 统计学分析 应用SPSS 13.0统计软件，分别比较不同性别3组不同骨密度的DWI测量值差异，并对椎体DWI测量值与QCT测量的骨密度值进行相关性分析。正态性方差齐计量资料的均数比较采用t检验、单因素方差(ANOVA)分析；非正态或方差不齐计量资料采用非参数秩和检验(Wilcoxon rank sum test法)，相关分析采用Pearson或Spearman法，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 男性组DWI及QCT测量指标 男性不同骨密度组ADC值差异无统计学意义(P>0.05)，ADC值无随骨量改变的趋势。Pearson相关分析，ADC值与BMD无相关性(P>0.05)。见表1。

组别 DWIADC(mm2/s，×10-3)QCTBMD(mg/cm3)正常组(n=22)0．31±0．09154±25减少组(n=17)0．29±0．06105±11骨质疏松组(n=10)0．30±0．0966±10

2.2 女性组DWI及QCT测量指标 女性DWI指标的变化状况及与QCT测量的BMD的相关性：随着骨量减少，ADC值降低。ADC值组间比较，协方差分析调整年龄因素后，骨密度正常组与骨量减少组有统计学差异(P=0.001，P<0.05)；骨密度正常组与骨质疏松组差异有统计学意义(P=0.000，P<0.05)；骨量减少组与骨质疏松组差异无统计学意义(P=0.440，P>0.05)。见表2。

组别 DWIADC(mm2/s，×10-3)QCTBMD(mg/cm3)正常组(n=26)0．45±0．13164±26减少组(n=21)0．30±0．0799±12骨质疏松组(n=25)0．29±0．0559±20

2.3 Spearman相关分析 腰2～4椎体ADC值与BMD呈正相关(r=0.545，P=0.000，P<0.05)。见图2、3。

3 讨论

DWI用于骨质疏松症能反映骨组织内水分子的弥散运动情况,椎体骨髓脂肪的改变会导致相应细胞外间隙的改变，进而改变水分子的弥散状况。因此椎体的DWI这种MR功能性成像技术，可从分子微观弥散运动的角度来反映骨髓的变化状况，为骨质疏松的研究提供了一个新的视角。ADC值能定量反映组织内单纯水分子随机扩散的程度，ADC值越大，表示水分子的弥散运动越快，单位时间扩散的距离越大[7，8]。本研究用3.0T MR行椎体DWI扫描，其梯度场强切换率为45 mT/ms，比1.5T MR扫描速度快，信噪比和空间分辨率高，运动伪影明显减少。

图2 不同骨密度ADC值

图3 72例女性患者腰2～4椎体的ADC值(横坐标，mm2/s，×10-3)与QCT所测BMD(纵坐标，mg/cm3)相关性散点图(r=0.545)

本研究结果表明在女性中，ADC值与BMD呈线性正相关，即随骨密度降低，ADC值也下降。ADC的降低是由于骨质疏松时，增加的骨髓脂肪填充了扩大的骨小梁间隙[7，9]。骨髓灌注降低也可能是ADC降低的一个原因[5，7]。另一个解释是红骨髓比黄骨髓有更多的细胞内水和邻近的自由水[3]，黄骨髓增加，水分子弥散受限，从而导致ADC值降低。Hatipoglu等[3]对51例受试者做腰1～4椎体DWI扫描，按DXA所测骨密度分组，结果显示ADC值随BMD降低。有报导对1组绝经后女性腰3椎体的DWI及DXA研究也显示不同骨密度组ADC值存在差异，ADC与BMD呈正相关[10]。Yeung等[4]对40例绝经后女性和20例年轻女性对照组做椎体ADC值测量，对照组、试验组BMD正常组及试验组BMD降低组，ADC值依次降低，本研究的结果与以上结果均呈一致趋势。但Yeung等[4]的研究显示其试验组不同骨量组别间ADC值无明显差异，而只在年轻对照组和试验组BMD正常组及试验组BMD降低组之间存在差异，这与该文采用DXA测量值对于骨质疏松分类有关，由于DXA难以避免椎体增生、腹主动脉钙化所造成的影响，使得评价存在不准确性，而且其年轻对照组也未行骨密度测量而主观认为其应该骨量正常，这也会对比较结果造成一定影响。Griffith等[5]对103名绝经后老年女性的研究指出椎体的ADC值在骨质疏松组、骨量减少组和正常组间无明显差异，ADC值与BMD无相关，但显示ADC与骨髓脂肪含量呈弱的负相关，表明随骨髓脂肪的增加，分子弥散降低。另外该研究的DWI扫描仅限于腰3椎体，而BMD测量的是腰1～4椎体的均值，可能会对结果产生一定影响。

本研究结果显示男性的ADC值在各组间无明显差异，与骨密度无相关性。本研究还发现在骨密度正常组中，男性ADC值低于女性。以往的研究已证实，男女两性的骨髓脂肪含量不同，男性椎体有更多的骨髓脂肪[11]，因此弥散受限，ADC值较女性低。一项对椎体进行动态增强的骨髓灌注研究也显示，椎体的骨髓灌注和脂肪沉积的确存在男女性别的差异[12]，本研究结果表明正常骨密度组男性的ADC值低于女性，也间接证实在相同骨密度下，男性椎体的脂肪含量多于女性。也有研究认为绝经后女性较相应年龄的男性有较多的椎体内脂肪[5，13]，以往研究均为同年龄组不同性别的差异，但对于相同骨密度组不同性别的差异还未有相关文献报导。本研究的其他2组男女两性之间并无差异，可能与男女性别组骨量减少的程度不均衡及男性骨质疏松组人数较少有关。本研究结果显示女性的ADC与QCT测得的骨密度呈正相关，而男性无相关，这可能与研究对象年龄与骨质疏松诊断标准中的年龄不完全符合有关(骨质疏松诊断标准仅用于围绝经期及绝经后女性及50岁以上男性)，另外对于男性骨质疏松的诊断一直参照女性标准，男女两性间的差异还有待进一步研究。

综上所述，DWI可基于常规腰椎磁共振成像基础上对骨质疏松进行无创性定量评估，为骨质疏松的研究开拓了一个新的领域，提供了一个从骨髓分子运动水平研究其病理生理变化的平台。

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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 石家庄市，河北医科大学第三医院CT/MR室，河北省骨科生物力学重点实验室(方浩、何杰、李晓娜、崔建岭)；西门子(中国)有限公司医疗业务领域磁共振事业部(左盼莉)

何杰，050051 河北医科大学第三医院；

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R 814.42

A

1002-7386(2014)05-0648-04

2013-09-11)