骨、肌和脂肪的测量与评价

肌骨骼系统(musculoskeletal system)由骨骼和肌组成，是人体实现站立和运动的前提。人体在生长发育过程中，骨骼增大，骨密度(bone mineral density,BMD)增加，肌体积增大，肌力增加；在成年达到峰值骨量(peak bone mass)和峰值肌量(peak muscle mass)后，随着年龄增加骨量丢失，肌萎缩，导致骨质疏松(osteoporosis)和肌少症(sarcopenia)的发生，或发生骨肌减少症(osteosarcopenia)[1]。随着骨强度下降，骨脆性增加，肌的量和功能下降，跌倒风险增加，临床结局是发生骨质疏松性骨折[1]。随着我国人口的老龄化，骨质疏松性骨折将成为严重威胁大众身体健康的常见疾病之一[2]。

骨骼系统由骨与关节组成，为人体提供保护和运动支点，而骨骼肌为人体运动提供动力。保持骨量及与之相适应的骨骼肌是保证身体健康的关键。缺乏运动、维生素D和钙摄入不足、使用激素、老龄化、炎症、激素水平异常、蛋白质摄入不足、脂肪浸润和合并症等因素都有可能引起骨质疏松、肌少症或骨肌减少症。其发生机制是一个非常复杂的过程，全身或局部多种因素参与其中，骨细胞因子(osteokines)和肌细胞因子 (myokines) 是两个关键因子，骨和肌的减少，都会伴随着骨髓和肌内脂肪的增加，其中脂肪细胞因子(adipokines)起到重要作用[1]。骨、肌和脂肪三者间的交互作用(crosstalk)和协同作用，将是骨科研究的热点之一[3-4]，而医学影像学可以精准评价和测量骨、肌和脂肪的量和质，必将发挥重要作用。

一、BMD的测量

在骨科疾病的诊疗中，X线平片、CT和磁共振检查非常重要，可以显示骨科疾病，用于诊断、鉴别诊断和随访。对骨量进行精准评价依靠BMD测量技术,其中基于X线的BMD测量技术主要包括定量CT(quantitative computed tomography,QCT)和双能X线吸收骨密度仪(dual X-ray absorptiometry,DXA)。QCT BMD是在临床CT扫描的基础上，利用QCT体模对CT数据进行校准，以QCT分析软件对CT图像数据进行分析，测得体积BMD(volumetric BMD,vBMD)，单位是mg/cm3[5-6]。QCT可以测量人体多数骨骼的松质骨BMD，目前临床应用以脊柱和髋部为主。vBMD是目前临床上最准确的BMD指标，因为它不受患者身高、体重、血管钙化和骨质增生的影响，可以更准确地反映人体BMD。就骨科临床和研究而言，患者在诊疗过程中常常要做CT检查，而QCT是对CT图像数据进行处理，不需要额外扫描，不增加辐射，因此在临床应用中占有优势。腰椎QCT BMD<80 mg/cm3为骨质疏松诊断标准，伴脆性骨折为严重骨质疏松；QCT BMD>120 mg/cm3为正常；介于二者之间为低骨量[5-6]。以QCT测量髋部BMD时采用了类似DXA的技术，所测得的BMD是面积BMD(areal BMD，aBMD)，诊断标准与DXA一致。QCT BMD还可以用于骨质疏松疗效监测和骨折风险评价[5-6]。QCT BMD对于骨科手术规划有独特意义，它与临床骨科CT扫描同步进行，骨科医生可以根据手术要求对特定部位进行精准BMD测量[6]。DXA是目前应用最广泛的BMD测量技术，用于骨质疏松的诊断、疗效监测和骨折风险预测等多个方面。DXA的优点是辐射剂量低，可用于脊柱、髋部、前臂和全身检查。采用DXA BMD诊断骨质疏松的标准是T值<-2.5 SD，需要特别指出的是T值的计算需要参考相关中国人数据库[6]。DXA测量的是aBMD，单位是g/cm2。DXA应用的是平面投影成像原理，测得的aBMD是对BMD与骨大小的综合反映，同时还受到扫描路径脂肪含量以及钙化程度的影响，因此在临床应用中需要考虑这些因素对测量结果的影响[6]。DXA BMD测量也可以用于骨科手术前规划。需要注意的是，采用QCT和DXA测量BMD的对象都是以松质骨为主，皮质骨BMD和骨强度的定义和评价方法与松质骨完全不同，在对长管状骨皮质的评价中，更重要的是测量骨的空间分布、力学参数和空隙度。除BMD以外，骨结构也是决定骨强度的重要因素。骨小梁直径只有几百微米，QCT和DXA图像的分辨率都无法显示骨小梁结构。Micro-CT图像的分辨率可以达到十几微米，可以清晰显示骨小梁结构和骨小梁的连接，但只能扫描小动物骨骼或骨骼标本，不能用在人体。普通磁共振不能用于测量BMD，但采用特殊线圈和扫描序列的高分辨磁共振可以显示骨小梁结构。

二、肌的测量

成人骨骼肌约占体重的40%。肌随着人体发育增加，在成年达到峰值，之后随年龄增加而萎缩，主要表现为肌间和肌内的脂肪浸润。正常肌CT值为40～55 Hu，脂肪组织CT值为-100～-20 Hu，骨组织CT值>400 Hu，差异较为明显，因此在CT图像中可以采用设定阈值的方法实现自动测量肌肉的面积(体积)。肌的大小与身高和体重相关，而肌组织CT值与肌间和肌内脂肪浸润程度有关，例如老年人或恶病质患者因肌内脂肪浸润而肌CT值下降。因此，在对肌进行评价时，测量肌的脂肪含量比肌大小更有意义[7-8]。同时还应该注意的是，不同肌因功能不同而出现脂肪浸润的程度不同，例如在老年化过程中腰大肌脂肪浸润不明显，而竖脊肌则脂肪浸润明显，因此对竖脊肌的测量更有意义。在磁共振图像上肌与骨骼、脂肪的信号差异非常明显，测量肌的面积(体积)同样比较容易，可以采用设定阈值或者描画感兴趣区等方法进行测量。需要特别注意的是，在普通磁共振图像上测量信号的强度没有意义。部分设备的特殊扫描序列可以直接用来测量肌的脂肪含量，如mDixon Quan(皇家飞利浦公司，荷兰)和IDEAL IQ(通用电气公司，美国)。在对肌的评价中，除测量肌的量和脂肪浸润程度外，对肌力和肌功能的评价也十分重要。对肌力的评价可以采用握力器测量握力，可以测量被测者从坐位站起后走3 m折回再坐下的时间，这些测量结果对于肌少症的评价都是非常重要的[1]。对肌少症的研究刚刚起步，中国人群的相关数据不多，目前的诊断标准有待验证。

三、脂肪的测量

骨髓由红骨髓和黄骨髓(脂肪)组成。儿童骨髓内红骨髓多，随着年龄增长红骨髓不断向黄骨髓转换，这一转换过程是有规律有顺序的。黄骨髓的脂肪细胞和成骨细胞是由同一种干细胞分化而来，所以二者间存在负竞争，此消彼长。在女性绝经期骨髓脂肪明显增加，同时骨丢失也明显加速，二者存在偶联关系[3-4]。骨髓脂肪和骨小梁是混合在一起的，单独测量骨髓脂肪含量需要特殊的测量方法，可以采用双源CT或能谱CT，而目前使用更多的是磁共振特殊扫描序列[9]。除了骨髓脂肪，人体还有大量脂肪沉积在腹腔内(腹内脂肪)、皮下或脏器内。腹内和皮下脂肪都是纯脂肪组织，在CT和磁共振图像上都呈现明显的脂肪特点，很容易进行测量[10]。

总之，骨、肌和脂肪随着人体生长发育和年龄增长发生变化，而且三者的变化存在交互作用，最终结局是骨质疏松、肌少症和肥胖。骨质疏松和肌少症可以单独发生，也可以并存，结果是骨强度下降、跌倒风险增加和易发生骨折。脂肪的增加，尤其是肥胖，与骨质疏松性骨折的关系尚不明确，现有相关研究结果也不一致。各种影像学检查方法，包括X线、CT和磁共振都可以用来显示骨、肌和脂肪，尤其是DXA、QCT和磁共振都可以精准测量BMD、肌量以及肌的脂肪浸润程度和脂肪含量，这些精准测量和评价为研究骨、肌和脂肪的交互作用提供了条件，必将促进该研究领域的进步[11]。