常规核磁共振成像与弥散成像在定量诊断骨质疏松中的对比研究
2015-12-23刘进辉王利波王清虎
刘进辉，李 晖，王利波，王清虎
常规核磁共振成像与弥散成像在定量诊断骨质疏松中的对比研究
刘进辉，李 晖，王利波，王清虎
目的：比较常规磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）和弥散成像对骨质疏松症的定量诊断功能。方法：8名志愿者（男性4名、女性4名，平均年龄51.5岁）和8位患者（男性2例、女性6例，平均年龄71.3岁）同时接受MRI和弥散成像扫描，L2～L4共48块腰椎。在同一台1.5T磁共振扫描仪上依次进行T1加权成像（T1WI）、脂肪抑制T2-加权成像（FS-T2WI）及弥散-加权成像（DWI）扫描，测定T1WI、FS-T2WI的信噪比（SNR）和DWI的表观扩散系数值（apparent diffusion coefficient，ADC）几种定量参数，并对这些参数进行统计评估。结果：所有的磁共振参数与骨密度（bone mineral density，BMD）显著相关（T1WI：r=-0.49，FS-T2WI：r=-0.33，DWI：r=-0.21），正常和骨质疏松性椎骨之间有显著性差异（P＜0.05）。当采用可行的阈值分析时，T1WI的敏感度、特异度和精确度分别为95.0%（19/20）、96.4%（27/28）、95.8%（46/48）。结论：常规MRI，特别是T1WI，有潜力应用于骨质疏松的评估。
磁共振成像；弥散-加权成像；骨质疏松
0 引言
骨质疏松是一种常见的全身骨代谢性疾病，以老年人最易发病。随着年龄的增长，骨髓组织逐渐转变成脂肪细胞，同时破骨细胞活动增加，成骨细胞功能下降，这都将引发骨质疏松。由于骨质疏松，骨骼越发脆弱，最终发生骨折。骨质疏松通常伴随着骨密度（bone mineral density，BMD）的降低，而后者是目前骨质疏松性骨折的最佳预测指标[1-2]。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）可通过检测BMD诊断骨质疏松等腰椎疾病，且具有足够的空间分辨率和对比度分辨率[3-9]。众多研究显示，弥散-加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）反映了在骨骼组织中可测量的变化水分子的随机运动，可有效用于骨质疏松症的诊断[10-16]。然而，H G Hatipoglu研究小组发现，常规MRI，诸如T1加权成像（T1WI）和T2加权成像（T2WI）与DWI一样与骨密度有着良好的相关性[17]。由于尚没有报告评估常规MRI和DWI对骨质疏松的诊断功能，本研究对常规MRI与DWI定量诊断骨质疏松进行比较，以确定二者在骨质疏松症患者中的定量诊断能力。
1 材料与方法
1.1 研究对象
本研究收集2013年12月至2014年2月于我院就诊的骨质疏松症患者30例，其中男性11例、女性19例，平均年龄67.6岁。根据以下标准选择患者：（1）患者同时接受了常规MRI与弥散成像MRI检查；（2）恶性肿瘤或血液疾病患者被排除在外。25例患者经过筛选，最后确定了8例符合标准的患者参与研究，包括男性2例、女性6例，平均年龄71.3岁。同时，另有8名健康志愿者（男性4名、女性4名，平均年龄51.5岁）参加了本研究。
1.2 检查方法
磁共振成像使用1.5T超导磁共振扫描仪（MAGNETOM AVANTO，西门子，德国），扫描L2～L4，共48块腰椎。首先是矢状T1加权（T1WI）快速自旋回波（turbo spin echo，TSE）成像，重复时间（time repeat，TR）为561 ms，回波时间（time echo，TE）为13 ms，回波链长（echo train length，ETL）为2，激励次数（num berofexcitations，NEX）为1，切片厚度为6mm，矩阵为320×240，视野（fieldofview，FOV）为300mm×300mm。然后是矢状T2加权脂肪抑制TSE成像（FS-T2WI），衰减光谱反转恢复，TR为5 000 ms，TE为94 ms，ETL为14，NEX为3，切片厚度为6 mm，矩阵为320×272，FOV为300 mm×300 mm。最后是DWI，TR为5 000 ms，TE为72 ms，反转时间为180 ms，ETL为1，NEX为6，b值为0、600和1 000 s/mm2，切片厚度为6 mm，矩阵为128×93，FOV为362 mm×400 mm。
1.3 定量图像分析
磁共振的所有数据都通过影像存储与传输系统（picture archiving and communication system，PACS）进行处理。为了消除灌注与椎骨的血液流动的影响，T1WI、FS-T2WI及DWI定量评估应用了同样的感兴趣区域（region of interest，ROI）、表面扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）及PACS。其中的ROI被放置在椎骨的骨髓之上，以涵盖椎体前部矢状图像上投影，并获得相应的ADC值。与此同时，在体外4个位置测量背景噪音，即信号强度和标准偏差。信号强度和标准偏差的均值等数据应用于信噪比（signal to noise ratio，SNR）的计算。
1.4 统计学分析
使用皮尔逊相关性系数（r值）评估SNR及ADC值与BMD（用T值表示）的相关性，以确定MRI和BMD之间的关系。为确定正常人和骨质疏松患者SNR、ADC值的差别，对二者进行了比较。另外，测试结果使用McNemar检验进行评估，以P＜0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 骨质疏松患者的腰椎MRI成像图
图1为一个骨质疏松患者的腰椎MRI成像图，T1WI显示其腰椎L2～L4为不均一的高信号强度，而FS-T2WI为低信号强度。
图1 80岁骨质疏松患者（女）的腰椎MRI图
2.2 磁共振参数与BMD之间的相关性比较
常规MRI与DWI的SNR和ADC值与BMD均显著负相关，T1WI：r=-0.49，P＜0.001；FS-T2WI：r= -0.33，P＜0.05；DWI：r=-0.21，P＜0.05。其中T1WI的SNR值与BMD的相关系数r的绝对值最高。如图2所示。
图2 磁共振参数与BMD之间的相关性
2.3 正常和骨质疏松性椎骨之间的SNR和ADC值比较
正常和骨质疏松性椎骨之间的SNR和ADC值有显著差异（P＜0.05）。对于T1WI和FS-T2WI，正常和骨质疏松性椎骨之间的SNR值相比均有显著性差异，其P值分别＜0.000 1和0.000 7。对于DWI，正常和骨质疏松性椎骨之间的ADC值相比差异显著，P=0.002 1。如图3所示。
2.4 常规MRI和DWI定量区分正常和骨质疏松性椎骨的结果分析
对T1WI和FS-T2WI定性评估的可行性阈值为32和8，对DWI定性评估的可行性阈值为0.5×10-3mm2/s，均可用于区分正常和骨质疏松性椎骨。T1WI的特异性（96.4%（27/28））最高，且T1WI和FS-T2WI之间差别有显著性，P＜0.05。同时，T1WI的准确性（95.8%（46/48））显著高于FS-T2WI（83.3%（40/48））和DWI（75.0%（36/48）），P＜0.05。见表1。
图3 正常和骨质疏松性椎骨之间的SNR和ADC值比较
表1 MRI对骨质疏松性椎骨的诊断能力
3 讨论
随着我国老龄化趋势的加剧，骨质疏松的定量诊断引起了越来越多的关注。受益于MRI技术的发展进步，为更好地诊断骨质疏松症，MRI弛豫、高分辨率MRI和光谱MRI等被相继开发。然而，这些技术难以作为评估骨质疏松症的常规检查。本研究中，常规MRI的SNR值以及DWI的ADC值与BMD值密切相关，这些值显示了正常和骨质疏松性椎骨之间的显著区别。另外，与DWI相比，使用T1WI的SNR评估骨质疏松有着更为优异的诊断功能。这些事实均表明，核磁共振对于骨质疏松症的诊断很有潜力，尤其是T1WI的SNR，可作为骨质疏松的可靠的定量诊断指标。
本研究中，尽管FS-T2WI的SNR和DWI的ADC值均与BMD密切相关，且正常和骨质疏松性椎骨之间有显著区别，但T1WI的SNR与BMD有着更高相关性，并且其在正常和骨质疏松性椎骨之间的重叠区域很小。T1WI的这种诊断优势可能与骨髓的脂肪在骨质疏松中发挥的重要作用有关。有研究使用光谱学MR检查骨质疏松症患者，发现其骨髓中脂肪含量明显增加。Schellingeret小组的研究表明，骨髓的脂肪几乎可以发挥与BMD相同的诊断作用[9，18-19]，也可作为一种新的检测骨质减少的指标。这一发现证实了骨髓的脂肪是骨质疏松症的一个重要因素。另有一个相似的报告，在报告中，与骨质疏松相关的T1值高于T2和ADC值[17]。由于T1WI更好地反映了来自骨髓脂肪的信号，故而这些先前的研究都表明了T1WI对骨质疏松的高诊断功能，这从侧面证实了我们的研究结果。
目前，有众多研究显示，DWI可以有效用于骨质疏松症的评估[11-17]。ARPadhani和ABiffar的研究一致认为红骨髓（细胞）的ADC值高于黄骨髓（脂肪）[14，20]。J Hillengass等[21]则指出ADC值与骨髓的细胞结构之间存在正相关关系。此外，H G Hatipoglu等报道，正常、骨质减少及骨质疏松性椎体的ADC和扩散信号强度之间的差异有统计学意义[17]。然而，在我们的研究中，ADC值与BMD呈负相关，这可能是由DWI时的灌注效应所引起的。
一般来说，ADC值不仅受到组织多孔性的影响，还有一些其他因素（如灌注效应）会发挥作用。当骨髓中活跃的造血细胞丰富时，大的血液供应和微循环相似。因此，造血功能活跃的骨髓细胞比缺乏活性的骨髓细胞有更多的细胞内水和邻近的自由水[17]。有活跃造血活性的红骨髓向富含脂肪的黄骨髓的转换与髓内血流生理性降低密切相关。由于灌注效应对ADC值的影响难以准确估计，ADC值的偏差可能很大程度上来自于灌注的影响。此外，灌注效应通常发生在b值很低时。DWI操作时通常有2个或2个以上的b值，其中一个接近于0的b值一般要考虑灌注效应影响。因此，由于ADC值的准确性受到b值的影响，这可能在一定程度上限制了DWI评估骨质疏松的应用。
当然，我们的研究尚存在一些局限性：（1）本研究的样本量相对较小，患者的选择因必须满足筛选标准而有一定偏差。此外，也没有压缩性骨折和年轻女性患者参与。进一步的研究需要更多的患者参与，同时入选标准要更为宽松。（2）由于在这项研究中我们只评估了侧卧位患者的BMD，故没有对L1和Th12进行检查，而压缩性骨折常发生在L1和Th12，因此在未来的研究中应包括二者。（3）正如上面提到的，因为受到一些其他因素的影响，ADC值受到了较小b值的干预。在这项研究中，为了获得更精确的ADC值，我们选择了3个不同的b值，但是有必要确定更好的选择标准。（4）因为我们在常规MRI中使用信噪比SNR进行评估，而使用其他扫描仪或其他扫描条件时，SNR值都会不可避免地出现变动。因此，需要对不同的扫描仪器和扫描条件进行调查研究，以得到更为可靠的结果。
本研究表明，常规MRI的SNR和DWI的ADC值与BMD密切相关，并且这些指标在正常和骨质疏松性椎骨之间明显不同。常规MRI对于定量诊断骨质疏松很有潜力，尤其是T1WI的SNR，是骨质疏松一个可靠的诊断指标。
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（收稿：2014-10-29 修回：2015-02-10）
Comparison between routine MRI and diffusion-weighted MRI in quantitatively diagnosing osteoporosis
LIU Jin-hui,LI Hui,WANG Li-bo,WANG Qing-hu
(Department of Orthopedics,Xingtai Third Hospital,Xingtai 054000,Hebei Province,China)
ObjectiveTo compare routine MRI and diffusion-weighted MRI in the quantitative diagnosis of osteoporosis.MethodsEight volunteers(4 men and 4 women;mean age,51.5 years)and eight patients(2 men and 6 women;mean age,71.3 years)underwent both routine MRI and diffusion-weighted MRI.Results were obtained from each subject's L2 to L4,for a total of 48 lumbar vertebrae.All MR examinations were performed on a 1.5T scanner to obtain T1-weighted imaging(T1WI),fat-suppression T2-weighted imaging(FS-T2WI),and diffusion-weighted imaging(DWI).Some quantitative MR parameters were determined and statistically assessed,including T1WI,SNR of FS-T2WI and apparent diffusion coefficient of DWI.ResultsAll MR parameters significantly correlated with BMD(T1WI:r=-0.49,FS-T2WI:r=-0.33, DWI:r=-0.21),with significant differences among normal and osteoporotic vertebrae(P＜0.05).When adapted as feasible threshold values,sensitivity,specificity,and accuracy of T1WI were 95.0%(19/20),96.4%(27/28),and 95.8%(46/48),respectively.ConclusionRoutine MRI,in particular T1WI,has a potential for the assessment of osteoporosis.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（7）：78-81]
magnetic resonance imaging;diffusion-weighted imaging;osteoporosis
R318；R445；R681
A
1003-8868（2015）07-0078-04
10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.07.078
邢台市科学技术研究与发展计划项目（2014ZZ028-11）
刘进辉（1979—），男，主治医师，主要从事脊柱创伤方面的研究工作，E-mail：jiansuwei@126.com。
054000河北邢台，邢台市第三医院骨科（刘进辉，李 晖，王利波，王清虎）
