基于磁共振mDIXON-Quant技術對健康受試者股骨近端骨髓脂肪定量研究

王明，張平，白琳，王亞麗，侯子碩，任聰聰，趙建

骨髓脂肪組織由造血骨髓和脂肪骨髓組成，是一個緊密參與骨重塑、骨髓造血、免疫細胞分化以及能量代謝的動態(tài)內(nèi)分泌器官[1-2]。骨質疏松癥、糖尿病、血液病及髓腔腫瘤等原因會導致骨髓脂肪含量增高[3-5]，因此骨髓脂肪含量及其變化情況可以在一定程度上反映機體的病理生理狀態(tài)，如何無創(chuàng)定量觀測骨髓脂肪含量變化情況來預測疾病發(fā)生，是臨床上關注的熱點問題。髖關節(jié)是人體重要的關節(jié)樞紐之一，作為其主要組成部位的股骨近端是老年人常見骨折部位。股骨近端脂肪含量的定量研究在骨質疏松性骨折的評估以及腫瘤浸潤和骨髓脂肪沉積障礙等疾病的評估中，都具有重要的臨床意義[6-7]。

研究表明腰椎椎體的骨髓脂肪含量會隨性別、年齡不同而變化[8-10]。但對股骨近端骨髓脂肪含量正常變化趨勢的大樣本研究較少，Aoki 等[11]對31 例女性患者的研究發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)后女性轉子間質子密度脂肪分數(shù)（proton density fat fraction, PDFF）值顯著高于絕經(jīng)前女性，PDFF 值與患者年齡顯著正相關。Gregory 等[12]分析髖關節(jié)骨性關節(jié)炎的研究顯示，不同分級患者股骨近端骨髓脂肪分布情況無顯著性差異。但上述研究樣本量較少，且均集中于特定人群。我們基于國內(nèi)健康受試者，對股骨近端骨髓脂肪含量進行大樣本、前瞻性的研究，采用魔鏡成像（mDIXON-Quant）技術對健康受試者股骨近端骨髓脂肪含量進行定量測量，分析其與年齡，性別及體質量指數(shù)（body mass index, BMI）的相關性，并觀察不同部位的變化趨勢，為老年患者骨質疏松癥相關骨折及并發(fā)癥的預警提供一定影像學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究經(jīng)本院倫理委員會批準，批準文號：W2022-033-1，所有研究對象在檢查前均簽署知情同意書。本研究于2021 年6 月至2022 年3 月期間前瞻性招募健康受試者245 人行MRI 檢查。納入標準：（1）年齡20～80 歲；（2）無髖關節(jié)外傷史、手術史及髖關節(jié)癥狀者；（3）無骨代謝異常疾病如糖尿病、庫欣綜合征、甲狀旁腺功能亢進、腎性骨營養(yǎng)不良等；（4）未服用對骨代謝有影響的藥物如皮質類固醇、維生素D、降鈣素、二磷酸鹽等。排除標準：（1）常規(guī)掃描圖像質量不符合診斷要求者（如運動偽影等）；（2）常規(guī)掃描顯示股骨近端異常者；（3）有MRI掃描禁忌證。

1.2 儀器和方法

采用3.0 T MR（Philips，Ingenia 3.0 T CX）掃描儀，32 通道體部線圈。體位：仰臥位頭先進。常規(guī)T1WI 軸位掃描參數(shù)如下：TR 500 ms，TE 20 ms，F(xiàn)OV 284 mm×403 mm，體素0.8 mm×1.0 mm×3.0 mm，層厚3 mm，層間距0.3 mm，信號平均次數(shù)（number of signal average, NSA）1.2，掃描時間1 min 26 s；T2WI軸位掃描參數(shù)如下：TR 3000 ms，TE 100 ms，F(xiàn)OV 284 mm×403 mm，體素0.8 mm×1.0 mm×3.0 mm，層厚3 mm，層間距0.3 mm，NSA 1，掃描時間2 min 18 s；T2WI 頻率抑制翻轉恢復（spectral presaturation attenuated inversion recovery, SPAIR）冠狀位序列掃描參數(shù)如下：TR 3379 ms，TE 80 ms，F(xiàn)OV 280 mm×400 mm，體素0.9 mm×1.1 mm×4.0 mm，層厚4 mm，層間距0.4 mm，NSA 1，掃 描 時 間2 min 8 s；MRI mDIXON-Quant 軸位序列掃描范圍為髂前上棘至小轉子下緣，掃描參數(shù)如下：TR 8.0 ms，TE 1.15 ms，delta TE 0.7 ms，6個梯度回波，F(xiàn)OV 400 mm×300 mm×180 mm，體素2.5 mm×1.5 mm×3.0 mm，層厚3 mm，層間距0 mm，翻轉角3°，敏感因子為2，NSA 5，掃描時間1 min 48 s。

1.3 圖像分析

系統(tǒng)自動生成水相、脂肪相、正相位、反相位、T2*及R2*共6 組圖像。分別由兩名高年資MRI 骨肌影像主治醫(yī)師和副主任醫(yī)師（分別具有5年和10年工作經(jīng)驗）在Philips ISP V9后處理工作站對所有受試者的圖像進行雙盲分析，分別將感興趣區(qū)（region of interest,ROI）置于脂肪分數(shù)圖上的股骨頭（最大橫截面顯示處）、股骨頸（最大長軸顯示處）、大轉子（同股骨頸測量平面）及轉子間（股骨頸層面下15 mm處，即下數(shù)第5層），測量時注意避開骨皮質，進行該區(qū)域PDFF 值的測量。ROI 面積范圍在110～150 mm2，每個部位測三次，取平均PDFF值進行統(tǒng)計分析（圖1）。

圖1 男，51 歲，健康受試者，股骨近端各分區(qū)的測量圖。1A：股骨頭質子密度脂肪分數(shù)（PDFF）值的測量圖，感興趣區(qū)（ROI）面積為150 mm2，PDFF 值為89.45%；1B：股骨頸PDFF 值的測量圖，ROI 面積為120 mm2，PDFF 值為86.99%；1C：大轉子PDFF 值的測量圖，ROI 面積為120 mm2，PDFF 值為92.94%；1D：轉子間PDFF值的測量圖，ROI面積為120 mm2，PDFF值為91.08%。Fig 1 A healthy 51-year-old male subject, measurement of the subregions of the proximal femur. 1A: Measurement of femoral head proton density fat fraction(PDFF), region of interest (ROI) area is 150 mm2, PDFF value is 89.45%; 1B: Measurement of femoral neck PDFF, ROI area is 120 mm2, PDFF value is 86.99%;1C: Measurement of greater trochanter PDFF, ROI area is 120 mm2, PDFF value is 92.94%; 1D: Measurement of intertrochanteric PDFF, ROI area is 120 mm2,PDFF value is 91.08%.

1.4 統(tǒng)計學分析

應用SPSS 26.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學分析。計量資料符合正態(tài)分布時采用平均數(shù)±標準差（xˉ±s）表示，不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用中位數(shù)和四分位距M（IQR）表示。觀察者內(nèi)及觀察者間測量數(shù)據(jù)的一致性使用組內(nèi)相關系數(shù)（intra-class correlation coefficient, ICC）進行評價，ICC 大于0.8 為可靠性較好。計量資料之間的比較采用Mann-WhitneyU檢驗，采用Kruskal-Wallis 檢驗進行各分區(qū)PDFF 值的比較，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。采用Spearman相關性分析觀察年齡、性別及BMI與股骨近端各分區(qū)PDFF 值的相關性。股骨近端各分區(qū)PDFF 值與年齡、性別及BMI 進行多元線性回歸分析，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 受試者入組情況

排除不符合條件者18 人，共227 人（454 個髖關節(jié)）納入本項研究。年齡范圍20～80 歲，其中：男124 例，年齡（53.35±14.09）歲，BMI（24.29±2.35）kg/m2；女103 例，年 齡（53.88±14.35）歲，BMI（23.90±2.72）kg/m2。年齡（t=-0.395，P=0.693）和BMI（t=1.641，P=0.102）在男、女受試者間差異無統(tǒng)計學意義。

2.2 一致性檢驗

MRI mDixon-Quant 技術測量股骨近端脂肪含量的可重復性很高，兩名MRI骨肌系統(tǒng)影像醫(yī)師所測量的股骨頭、股骨頸、股骨大轉子、轉子間骨髓PDFF值的組內(nèi)ICC[95%置信區(qū)間（confidence interval,CI）]分別為0.934（0.890，0.961）、0.989（0.981，0.993）、0.946（0.910，0.968）、0.951（0.918，0.971）；組間ICC（95%CI）分別為0.945（0.908，0.967）、0.986（0.977，0.992）、0.899（0.830，0.939）、0.951（0.919，0.971）。

2.3 不同年齡段間股骨近端不同分區(qū)PDFF值的差異性及相關性分析

本研究將所有受試者分為中青年組（20～60 歲）和老年組（61～80 歲），進行不同年齡段之間的比較，青中年組的股骨頭、股骨頸及大轉子的PDFF 值顯著低于老年組（表1，圖2）。年齡與股骨頭、股骨頸、大轉子及轉子間骨髓PDFF 值之間的r值分別為0.228、0.224、0.293、0.147，P值均＜0.001，年齡與各分區(qū)骨髓PDFF值成正相關。

圖2 不同年齡段股骨頸質子密度脂肪分數(shù)（PDFF）值的比較。2A 為35 歲受試者的股骨頸偽彩圖，PDFF 值為67.62%；2B 為66 歲受試者的股骨頸偽彩圖，PDFF值為85.60%。 圖3 不同分區(qū)男性和女性的質子密度脂肪分數(shù)（PDFF）值分布圖。Fig.2 Comparison of proton density fat fraction(PDFF)values of the femoral neck in different age groups.2A is a pseudocolor image of the femoral neck of a 35-year-old subject with a PDFF value of 67.62%;2B is a pseudocolor image of the femoral neck value of a 66-year-old subject with a PDFF value of 85.60%.Fig.3 Distribution of proton density fat fraction(PDFF)values of males and females in different subregions.

表1 不同年齡段之間股骨近端不同分區(qū)間PDFF值的比較Tab.1 Comparison of PDFF values between different divisions of proximal femur in different age groups

2.4 性別與股骨近端各分區(qū)PDFF值的關系

男性受試者股骨頭、股骨頸、大轉子以及轉子間的骨髓PDFF 值均顯著高于女性受試者（Z值分別為-5.229、-7.790、-4.321、-8.052，P＜0.05）（表2）。男性與女性受試者PDFF值的分布情況如圖3所示。

表2 不同性別間股骨近端各分區(qū)PDFF值的比較Tab.2 Comparison of PDFF values in different regions of proximal femur between genders

2.5 股骨近端各分區(qū)骨髓PDFF值的差異

股骨近端各分區(qū)（股骨頭，股骨頸，大轉子和轉子間）之間的骨髓PDFF 值差異均有統(tǒng)計學意義（H=439.99，P＜0.05），其中大轉子的骨髓PDFF 值最大[95.12%（93.82%，96.14%）]，股骨頸骨髓PDFF 值最小[84.35%（75.51%，92.18%）]（圖4），股骨頸變異度最高（股骨頸處為19.76%，股骨頭，大轉子和轉子間的變異度分別為4.36%、2.44%和13.64%）。

圖4 股骨近端四個不同分區(qū)骨髓質子密度脂肪分數(shù)（PDFF）值差異性比較。FH：股骨頭；FN：股骨頸；GT：大轉子；IT：轉子間。Fig. 4 Comparison of proton density fat fraction (PDFF) values of bone marrow in four different subregions of proximal femur. FH: femoral head;FN:femoral neck;GT:greater trochanter;IT:intertrochanteric.

2.6 股骨近端各分區(qū)PDFF值與BMI相關性

本研究結果顯示股骨近端各分區(qū)PDFF 值與BMI均無顯著相關性（P≥0.05）（表3）。

表3 各分區(qū)PDFF值與BMI相關性Tab.3 Correlation between BMI and PDFF value of different regions

2.7 年齡、性別及BMI 對股骨近端各分區(qū)PDFF 值多元線性分析

本研究將性別、年齡與BMI 分別與股骨頭、股骨頸、大轉子以及轉子間PDFF 值進行多元線性回歸分析。結果顯示，性別、年齡均與股骨近端上述四個分區(qū)存在相關性（表4）。

表4 年齡、性別及BMI對股骨近端各分區(qū)PDFF值的多元線性分析Tab.4 Multivariate linear analysis of PDFF values of proximal femur by age,gender and BMI

3 討論

本研究采用MRI mDIXON-Quant 成像技術定量評估健康受試者股骨近端不同分區(qū)骨髓PDFF值的分布情況。結果發(fā)現(xiàn)中青年組受試者的股骨頭、股骨頸及大轉子的PDFF 值均顯著低于老年組受試者，且隨年齡增長，股骨近端各分區(qū)的骨髓PDFF 值均呈上升趨勢。此外，男性受試者股骨近端不同分區(qū)的骨髓PDFF 值均顯著大于女性，但BMI 與股骨近端各分區(qū)PDFF 值之間無顯著相關性。相對其他有關研究而言，本研究樣本量大，且未將研究對象設定為特殊人群，因此在一定程度可以更好地反映股骨近端骨髓脂肪含量在不同人群、不同年齡段的分布情況[11-13]。本文闡述了股骨近端骨髓PDFF值在健康受試者中的分布情況，為老年患者股骨近端骨質疏松性骨折及其相關并發(fā)癥的早期預警提供一定影像學參考。

3.1 股骨近端骨髓脂肪含量與年齡的關系

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長股骨近端各分區(qū)骨髓PDFF 值均呈增長趨勢，與既往研究[13-15]結果相似，多元線性回歸分析也顯示，年齡對股骨近端上述4 個分區(qū)均存在顯著性影響。Burian等[13]在健康人群中進行的研究顯示，腰椎椎體骨髓脂肪分數(shù)具有隨年齡增長的趨勢，說明不同椎體間的骨髓PDFF 值均與年齡具有一定相關性。由于骨髓PDFF值反映的是骨髓中脂肪含量的高低，因此脂肪含量較高的黃色骨髓PDFF 值較紅色骨髓的PDFF 值高。本研究發(fā)現(xiàn)，老年組受試者的PDFF 值較中青年組受試者有了較明顯的升高，進一步說明在衰老的過程中，紅骨髓逐漸被黃色脂肪骨髓組織所取代，即所謂的紅黃骨髓的“轉化”，而這種變化最終會導致骨髓PDFF 的明顯升高[16-17]。雖然成年后紅黃骨髓的分布趨于穩(wěn)定化，但隨著年齡的持續(xù)增長，健康人群股骨近端的骨髓脂肪含量因各種因素的影響仍發(fā)生著細微的組織成分改變[18-19]。了解這種骨髓脂肪浸潤程度的變化情況，有助于更好地區(qū)分疾病表現(xiàn)和正常生理變化規(guī)律，此外，深入了解這種變化趨勢可以更進一步認識骨質疏松相關并發(fā)癥的早期影像學表現(xiàn)，從而起到早期預測作用。

3.2 股骨近端骨髓脂肪含量與性別的關系

既往研究[20-22]表明，性別是影響PDFF值差異性分布的主要因素之一，本研究所涉及到的四個分區(qū)PDFF 值在男女組間均存在顯著差異，進一步印證上述觀點。本研究得出男性受試者的PDFF值均顯著高于女性，但女性受試者的骨髓PDFF 值分布范圍較男性更加廣泛。我們認為上述結論可能與女性受試者的雌激素水平變化情況有關，既往多數(shù)研究認為雌激素水平會在一定程度上影響骨髓PDFF 值的大小[15,23-24]。Burian等[15]比較絕經(jīng)前后女性骨髓PDFF值的研究認為，雖然絕經(jīng)后女性的PDFF 值要顯著高于絕經(jīng)前女性，但絕經(jīng)后女性的骨髓PDFF 值的分布范圍要更加廣泛。但也有研究[24]認為42 歲以下年輕女性的股骨近端PDFF 值分布范圍要高于42 歲后女性人群。因此，有待進一步的研究來判斷雌激素與骨髓PDFF 值分布范圍之間的具體關系。此外，有研究[23]表明42 歲以下女性人群PDFF 值比老年女性低13%，說明絕經(jīng)后女性由于雌激素水平的降低，會導致PDFF值的升高。Syed等[25]在絕經(jīng)后女性給予雌激素和安慰劑的對照研究顯示，雌激素治療組的骨髓脂肪細胞體積和數(shù)量明顯下降，表明雌激素水平對骨髓PDFF 值的影響，即雌激素水平會抑制骨髓的脂肪浸潤情況，具體表現(xiàn)為PDFF值的降低。此外，我們在對股骨近端骨髓PDFF值進行多元線性回歸分析時也發(fā)現(xiàn)性別對各分區(qū)骨髓PDFF值均有影響。

3.3 不同分區(qū)股骨近端骨髓脂肪含量的比較

本研究顯示股骨近端不同分區(qū)骨髓PDFF值之間存在差異，這一結果也與之前Gondim Teixeira 等[24]的研究相一致。既往研究表明，骨髓脂肪含量及分布情況與造血細胞的分布情況有關，而造血細胞又與骨代謝活動密切相關，因此骨髓脂肪含量可以在一定程度上反映骨代謝的活性[26-28]。多數(shù)研究[17,29-30]認為，在四肢長管狀骨中黃骨髓優(yōu)先位于骨干和骨骺，而紅骨髓主要是分布于造血組織代謝相對旺盛的干骺端，因此位于股骨干骺端處的股骨頸處PDFF值較低的原因可能是由于該部位的骨髓造血活動相對活躍，紅骨髓的存在導致該部位脂肪含量相對較少，進而表現(xiàn)為該處PDFF值要小于上述其他分區(qū)，而股骨頭和大轉子主要以黃色骨髓組織為主，故PDFF值較高。此外，由于紅骨髓含水脂成分比例較黃骨髓高，因此我們推測紅骨髓的存在也在一定程度上加大了股骨頸處骨髓PDFF 值分布的不穩(wěn)定性，這有待進一步的研究進行評估。通過研究健康受試者股骨近端各分區(qū)脂肪分數(shù)之間的差異，有助于辨別骨髓正常生理狀態(tài)和疾病早期的表現(xiàn)，進而對疾病的早期預防提供幫助。

3.4 股骨近端骨髓脂肪含量與BMI的關系

本研究未發(fā)現(xiàn)股骨近端骨髓PDFF 值與BMI 存在顯著相關性。既往研究[16]顯示BMI 與椎旁肌肉之間存在一定的相關性，而與椎體骨髓PDFF 值無顯著相關性。此外，有研究[21]表明BMI僅對42歲以上女性人群的股骨轉子間的PDFF值存在顯著影響。上述研究結果表明BMI 可能不是預測骨髓PDFF 值變化狀況的敏感指標，我們認為這可能是由于BMI的增加主要表現(xiàn)為皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪浸潤，而這些部位的脂肪浸潤與骨髓PDFF 值之間的關系可能不大，但也有研究[31]指出，BMI 值較高的受試者的骨髓血管轉化增加，而這種轉化的增加會導致骨髓PDFF 值減少。在本研究中我們并未發(fā)現(xiàn)BMI 與股骨近端骨髓PDFF 值之間的顯著相關性，但在進一步多元線性回歸時卻發(fā)現(xiàn)BMI 與股骨近端部分分區(qū)骨髓PDFF 存在一定相關性，因此有待進一步的研究對BMI 與PDFF 值之間的關系進行驗證。

本研究分析了大樣本受試者股骨近端骨髓脂肪含量的分布特點及其影響因素，采用橫斷面設計為其不足之處，縱向隨訪有助于觀察個體PDFF 值隨時間的動態(tài)變化情況。

綜上所述，通過MRI mDIXON-Quant 技術可檢測到股骨近端骨髓脂肪含量的變化，發(fā)現(xiàn)其與性別、年齡及測量部位均具有一定的相關性。了解健康受試者股骨近端骨髓脂肪含量的變化規(guī)律，有助于對累及骨髓疾病的早期階段以及老年骨質疏松性骨折的早期診斷提供影像學參考依據(jù)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。