定量CT研究成年女性腰椎骨密度与椎旁体质成分的相关性

张雪丽陈明月唐睿万丽娣彭鲲董丽君汤光宇张琳

同济大学附属第十人民医院放射科，上海 200072

随着人口老龄化，中老年人群骨质疏松症(osteoporosis，OP)成为影响健康的无形杀手，尤其在绝经后女性中，OP及其所致脆性骨折的发生率逐渐上升，严重影响患者的生活质量。OP是一种以单位体积内骨量减少、骨微结构退化为特征的全身性代谢骨病，导致骨脆性增加，易发生骨折[1]。

影响骨密度(bone mineral density，BMD)的因素众多，包括年龄、地域、女性绝经、体质成分、代谢性疾病及某些药物的使用等。随着年龄增长，BMD、肌肉含量进行性减低，肌力下降、肌肉功能减退[2]，更增加了骨折的风险。腰椎周围肌群的肌肉含量减少与脂肪浸润是诊断肌少症的重要指标之一[3]，肌少症与OP常伴随发生[4-5]。体质成分与BMD相互影响、关系密切，是近年来OP研究的热点，细化分析不同部位体质成分含量及其构成对BMD的影响，使得临床诊疗、预防OP更具有方向性和指导性。

目前主要通过测量BMD诊断OP，定量 CT(quantitative computed tomography，QCT)能够区分骨松质、骨皮质，排除骨质增生、血管钙化等对BMD测量值的影响，反映真正意义上的容积BMD。QCT所呈现的断层解剖图像能有效区分骨骼与周围脂肪、肌肉及血管等体质成分范围，进行精准量化。并且低剂量胸部CT扫描作为肺癌筛查已经广泛使用，临床上胸部CT扫描包含腰椎部位也很常用，在这些CT扫描的基础上进行QCT骨密度测量，对CT扫描数据再分析，筛查骨质疏松，不增加辐射，简单易行[6]。基于此，本文采用QCT测量成年后不同年龄段女性腰椎周围肌群的肌肉含量、脂肪含量及腰椎BMD，探讨腰椎周围体质成分与腰椎BMD的相关性。

1 材料和方法

1.1 研究对象

回顾性分析我院2018年1月1日至2020年12月31日行腰椎QCT检查的成年女性496例，年龄范围25～82岁，平均(50.9±12.5)岁。根据年龄段分为青年组(≤44岁)、中年组(45～59岁)、老年组(≥60岁)。测量身高、体重，计算体质量指数(body mass index，BMI)，并进行相关问卷调查。

入选标准：临床表现因腰痛不适、腹部体检等就诊，允许进行QCT检查的参与者，可测量BMD及体质成分。排除标准：L1-L3椎体压缩性骨折或金属内固定术后影响BMD测量的患者；孕妇；抗骨质疏松药物治疗后患者；多发性骨髓瘤、淋巴瘤、转移瘤等伴有骨质破坏患者；严重器质性疾病、脂肪萎缩症、甲状腺功能异常等代谢性疾病；有恶性肿瘤放化疗病史患者。

本研究获得医院伦理委员会批准，且每位参与者签署知情同意书。

1.2 BMD测量方法

所有参与者行64排CT(Light speed VCT，GE medical systems，USA)腰椎扫描，受检者仰卧于检查台上使腰椎曲度消失，头先进，将固体体模(Mindways Software Inc.，Austin，TX，USA)置于腰骶椎下，并与人体长轴平行，使腰背部紧贴体模。扫描条件：管电压120 kV，管电流125 mAs，扫描层厚1.25 mm，矩阵512×512。扫描数据传至QCT Pro(Mindways Software Inc.，Austin，TX，USA)工作站进行分析。L1-L3椎体松质骨BMD使用该软件的3 D模式进行测量，ROI置于L1-L3横断位椎体中心层面(图1A)，其外缘距椎体边缘≥3 mm，ROI的面积范围在椎体中心层面尽可能大，为300～450 mm2，避免与皮质骨及增生骨质重叠。每项数据由两位有经验的医师测定，取L1、L2、L3椎体BMD的平均值作为研究数值。根据ISCD关于QCT骨密度测定，≥120 mg/cm3为骨量正常，80～120 mg/cm3为骨量减少，≤80 mg/cm3为骨质疏松[7]。

1.3 体质成分测量方法

腹部肌肉、脂肪扫描与腰椎扫描同时进行，扫描方法及参数与腰椎BMD扫描参数设置相同，完成CT扫描后上传至QCT Pro工作站进行分析，选取冠状位L3椎体中心层面作为测量层面，层厚1.25 mm。为区分计算不同体质成分，系统对体素进行自动编码，-190～-30 HU为脂肪成分，0～100 HU为肌肉成分，≥145 HU为骨质成分。在横断位L3椎体层面腹壁肌肉外选取ROI闭合曲线，后处理工作站依据不同成分CT值范围，去除肌肉、消化道、腰椎等成分，最终得到脂肪成分质量。皮下脂肪(SAT)位于闭合曲线外(图1B)，内脏脂肪(VAT)位于闭合曲线内(图1C)，总脂肪(TAT)是SAT与VAT的总和。然后，将ROI放置于肌肉(腰大肌、竖脊肌)外围层面，手动调整ROI大小和形状，使边缘紧贴于肌筋膜外，不超过肌肉外缘，计算瘦组织含量(LM)和肌间隙脂肪含量(LM)(图1 D)。并计算肌间隙脂肪与瘦组织的比值(F/L)、骨量与瘦组织比值(B/L)。

图1 通过QCT Pro测量L1-L3椎体BMD及L3椎体中心层面体质成分含量A：测量腰椎(L1-L3)椎体中心层面横断位、矢状位、冠状位BMD；B：横断位L3椎体层面腹部皮下脂肪(SAT)；C：横断位L3椎体头层面腹部内脏脂肪(VAT)；D：横断位L3椎体层面(LM)及肌间隙脂肪含量(FM)Fig.1 Measurement of L1-3 BMD and the body compositions at the L3 level with QCT ProA: BMD of lumbar spine (L1-L3) was measured in transverse, sagittal and coronal planes; B: Abdominal subcutaneous fat (SAT) at L3 vertebral body level in transverse position; C: Abdominal visceral fat (VAT) at the head level of L3 vertebral body in transverse position; D: Transverse position L3 vertebral body level (LM) and fat content in muscle space (FM)

1.4 数据统计分析方法

数据统计分析使用软件SPSS 19.0和 Graphpad Prism 5完成，所有数据进行正态分布及方差齐性检验，服从正态分布的计量资料采用均值±方差表示。不同年龄段及不同BMD组间各变量差异使用One-way ANVOVA法。通过Pearson相关分析BMD与L3椎体层面肌肉、脂肪含量的相关性，P<0.05表示组间差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同年龄组间各体质成分含量比较

BMI、BMD值在老年组中低于中、青年组，三组间差异有统计学意义(P<0.01)。FM在老年组高于青年组及中年组，随年龄增长肌肉内脂肪含量增加，组间差异有统计学意义(P<0.01)。LM在老年组低于中青年组，随着年龄增加，LM减低，组间差异有统计学意义(P<0.01)。SAT在老年组低于中青年组，组间差异有统计学意义(P<0.01)。VAT随着年龄增加逐渐减低，但组间差异无统计学意义(P=0.955)。详见表1、图2。

表1 不同年龄组间各体质成分含量的差异Table 1 The differences of body composition among different age groups

图2 不同年龄组间各体质成分的差异图Fig.2 The diagram of the body composition among different age groups

2.2 腰椎BMD与L3椎体层面各体质含量的相关性

BMD与年龄呈负相关(r=-0.752，P=0.000)，与BMI呈正相关(r=0.461，P=0.000)，与FM呈负相关(r=-0.379，P=0.000)，与LM呈正相关(r=0.452，P=0.000)。BMD与VAT呈较弱的正相关(r=0.122，P=0.089)，组间差异无统计学意义。BMD与SAT呈正相关(r=0.466，P=0.000)。

2.3 不同BMD组间各体质成分参数变化

依据BMD值将496例女性患者分为骨质疏松组、骨量减少组和骨量正常组，BMI在骨质疏松组中最低，骨量正常组中最高，三组间差异有统计学意义(P<0.01)。FM在骨质疏松组中最高，高于骨量减少组和正常组，三组间差异有统计学意义(P<0.01)。LM在OP组中最低，低于骨量减少组及正常组，组间差异有统计学意义(P<0.01)。VAT在OP组中较骨量减少组稍高，但低于骨量正常组，组间差异无统计学意义(P=0.701)。SAT在OP组中明显低于骨量减少组及骨量正常组，组间差异有统计学意义(P<0.01)。具体见表2。

表2 不同BMD组间各体质参数特征及差异Table 2 The differences of body composition among different BMD groups

3 讨论

骨肌系统主要由骨和骨骼肌组成，骨骼为人体提供支撑作用，肌肉提供运动力学。骨骼及肌肉在人体发育达到峰值后均随着年龄的增加而逐渐发生退变，出现骨量减少、肌肉萎缩及脂肪浸润，从而影响患者的身体健康。OP受遗传和环境多因素影响，增龄是其独立危险因素[8]。女性因受骨量、肌肉及脂肪含量随年龄变化更加显著，严重时形成OP和肌少症等[9]，二者常同时发生，并互为影响。Binkley等[10]首次将肌肉与骨量减少同时存在的病症定义为肌肉减少性OP。脂肪也是影响BMD的重要因素，身体不同部位的脂肪对人体影响不同。肌肉、脂肪含量的准确测定对于肌肉减少症及OP的研究非常重要。肌肉含量减少主要有两方面，一方面是肌肉横截面积的减小，由肌纤维的减少和萎缩造成[11]；另一方面是脂肪、结缔组织等成分的增生浸润，以脂肪为主，包括肌细胞内脂质沉积、肌细胞间隙脂肪细胞增生，使得肌肉组织的平均CT值减低[12]。

本研究通过 QCT对成年女性椎体旁肌肉、脂肪及腰椎BMD进行定量测量，分析椎体周围肌肉、脂肪含量与腰椎BMD的关系。

3.1 骨密度与椎旁肌肉

人体骨骼和肌肉组织密不可分，肌肉附着于骨骼上协助运动，这种机械应力的刺激可促进BMD增加，同时肌肉有助于维持运动平衡能力，防止摔倒。本研究所测LM包括腰大肌和竖脊肌，被认为是背部最主要的肌群，提供腰背部的支撑作用及控制腰背部的运动。

本研究结果显示椎旁肌肉含量与腰椎BMD呈正相关。在老年组及骨质疏松组中，LM明显低于中、青年组，随着年龄增大，LM与BMD均明显减低，提示增加肌肉含量，有助于维持骨量。Ahedi等[11]研究显示，肌肉含量减少、运动量减少导致的肌肉功能减弱会引起施加于BMD刺激性成骨作用降低。少肌症病人患OP的几率明显增加[13]，其机制可能是较高的肌肉含量对骨的机械刺激作用较大，肌肉收缩使骨骼处于紧张状态，通过骨细胞上的机械受体，在骨皮质内外促进骨重建，使骨量和骨骼几何结构参数均增加，从而提高骨强度[14]。女性肌肉力量本来就比较薄弱，而老年女性运动量减少，加速肌纤维细胞数量和体积减少，使肌纤维细胞凋亡，从而对骨骼的刺激性成骨作用减弱。腰椎和椎旁肌肉是支持腹部重量的核心部分，椎旁肌肉越发达，腰椎骨含量就会越高，不少研究都证明肌肉的增加有助于维持骨量，这与本研究结果一致。

3.2 骨密度与腰椎周围肌间隙脂肪

本研究结果显示，与骨量正常组比较，骨量减少组和OP组的FM明显升高，提示BMD与FM呈负相关，FM在老年组中明显高于中、青年组，即随着年龄增长FM逐渐增加，提示高FM对OP及骨质疏松性骨折是危险因素。L3水平FM增加包括骨髓内和肌间隙脂肪的增加[15]。其可能机制如下：一是骨髓腔内脂肪堆积加快了骨量的减少。肌间隙脂肪堆积加速肌肉退化，肌肉量减少可致使BMD减低。二是女性由于受雌激素水平影响，FM显著增加，进而影响腰椎BMD。Zhu等[16]在大鼠去卵巢术的研究中显示，大鼠雌激素水平显著降低，骨髓腔内脂肪组织增加，使骨髓血流灌注减低，可能是导致早期骨质疏松形成的机制之一。三是脂肪与BMD可能共同起源于间充质干细胞(MSC)。Lee等[17]研究结果提示高FM对OP及骨质疏松性骨折是一项独立的高风险因素，其影响BMD的机制可能为成骨细胞和脂肪细胞都起源于共同的间充质干细胞，MSC向一种细胞分化增多会造成向另一种细胞分化减少，分化主要通过过氧化物酶体增殖因子激活受体(PPAR-γ)途径，PPAR-γ途径激活使MSC向脂肪细胞的分化超过向成骨细胞分化[18]，使骨量减少。其次老年人运动量减低，基础代谢率下降，脂肪随着年龄增长逐渐增加，影响肌肉质量和体积的维持。从以上可能机制看出，FM通过多方面影响骨量，是BMD的危险因素。

3.3 骨密度与腹部脂肪皮下及内脏的关系

女性TAT、SAT在OP组和骨量减少组低于骨量正常组，而VAT在OP组较骨量减少组及骨量正常组高。本研究证实了腹部脂肪分布部位不同，其对BMD影响可能不同。女性SAT是芳香化酶的主要来源[19]，这是将雄激素合成雌激素的前体酶，适量SAT有助于增加雌激素含量，而雌激素在维持骨量方面具有重要作用，它可抑制骨质吸收、促进骨合成，从而减少OP的发生。较高的SAT也可通过施加机械应力对骨骼产生正性作用[20]，刺激BMD增加。VAT是指内脏脂肪，影响BMD的机制可能为VAT能够分泌多种炎症性因子[21-22]，炎性因子可促进破骨细胞活性增加骨的吸收[23]，如NF-α、IL-1和IL-6等作用于成骨细胞，促进前列腺素E2的产生，后者可激活成骨细胞内的腺苷酸环化酶活性，提高细胞内环磷酸腺苷的浓度，激活破骨细胞前体细胞向破骨细胞分化，抑制破骨细胞的凋亡，进一步促进骨质吸收，降低BMD。

本研究初步探讨了成年女性不同体质成分与BMD之间的关系。在不同年龄组中，BMD和体质成分均显示出不同特征。LM与BMD呈正相关，LM不仅有助于提升骨量，还可维持机体平衡性。SAT对BMD的影响较大，发挥正性保护作用，提示适量的皮下脂肪有助于维持骨量。而FM与BMD呈负相关，是BMD的危险因素。熟悉不同年龄段女性BMD与体质成分的变化规律，了解各体质成分对BMD的影响，有助于探讨OP的发病机制，对OP的早期预防、治疗及疗效监测具有指导意义。但各体质成分对BMD影响程度及机制较为复杂，部分研究结论之间仍存在争议，有待进一步深入研究[24]。

本研究存在一些不足之处。(1)该研究为单中心研究，研究对象均来自中国人，结果仅能代表部分人群，具有局限性。(2)体质成分的测量选择在L3椎体层面，不一定能代表整体脂肪及肌肉分布情况，没有测量身体其他部位的肌肉及脂肪含量进行综合分析。(3)对研究对象没有行定期随访，进行动态监测BMD及体质成分的变化对脆性骨折发生的危害性。在后期的研究中，笔者将针对以上不足进一步完善、深入研究。