腰椎MR弥散成像与定量CT(QCT)骨密度测量体模软件检测方法骨密度测量的 相关性研究
成都华西华科研究所分析腰椎MR弥散成像与定量CT(QCT)骨密度测量体模软件检测方法骨密度测量的 相关性研究
【摘要】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d方法对121例膜腿痛患者进行腰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) x 10—3mm2/s,与骨量减少组(0.302 ± 0.0677) xl(T3imn2/s 及骨质疏松组(0.2869 ±0.0475) xl(T3mm2/s 比较,差异有统计学意义(P <〇.〇5)。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,<0.01)。结论DWI可从骨髄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。
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) 具有更髙的准确性[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<。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
I. —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。根据〇(:1'检查结果的8皿0 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(l)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/crn3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 80mg/cm3(相当于 DXAT 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 x 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。
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(AN0VA)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。
表1男性组DWI及QCT测量指标
组别 |
DWI |
QCT |
ADC (mm2/s, x 10 - 3) |
BMD(mg/cm3) |
|
正常组(„ =22) |
0.31 ±0.09 |
154 ±25 |
减少组(n =17) |
0. 29 ±0.06 |
105 ±11 |
骨质疏松组(n =10) |
0.30 ±0.09 |
66 ±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 <〇.〇5);骨密度正常组与骨质 疏松组差异有统计学意义(Z5 =0.000, p <〇.〇5);骨 量减少组与骨质疏松组差异无统计学意义=
2. 440, P >0.05)。见表2。
表2女性组DWI及QCT测量指标
组别 |
DWI |
QCT |
ADC(mm2/s,x 10-3) |
BMD(mg/cm3) |
|
正常组(/I =26) |
0.45 ±0. 13 |
164 ±26 |
减少组(n =21) |
0.30 ±0.07 |
99 ±12 |
骨质疏松组=25) |
0.29 ±0.05 |
59 ±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
II. 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/rns,比1 • 5T MR扫描速度快,信噪比和.
3. -
500.00- 400.0()-
0.00-
脅密度正常骨密度减少骨质疏松
骨密度分组
男女椎体不同背密度組的ADC值
骨密度茁常骨擻减少 骨质疏松
男性骨密度分组
骨密度H常骨设减少 骨质疏松
女性背密度分组
b
C
图2
图3 72例女性患者腰2〜4椎体的ADC值(横坐标,mm2/S,x 10 _3)
与QCT所测BMD(纵坐标,mg/cm3)相关性散点图(r = 0.545)
空间分辨率高,运动伪影明显减少。
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[1°]。Yeung等⑷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
不同骨密度ADC值
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。
成都华西华科研究所研发生产QCT骨密度测量体模软件系统
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