基于壓縮感知的3DmDixon Quant對腰椎椎體脂肪含量的定量研究

宋宇，宋清偉，張浩南，張楠，浦仁旺，劉愛連，苗延巍

骨質(zhì)疏松是以單位體積內(nèi)骨組織量減少和骨組織代謝紊亂為特點的代謝性骨病變，因骨強度降低和骨脆性增加而易發(fā)生骨折［1］。隨著人口老齡化的增加，骨質(zhì)疏松癥的患者率亦相繼上升［2］。雙能X線吸收測量法(dual ener gy X-r ay absorpt iomet ry，DXA)作為臨床上診斷骨質(zhì)疏松的金標準［3］，其在測量骨密度、診斷骨質(zhì)疏松、預(yù)測骨折風(fēng)險及監(jiān)測治療效果等方面具有一定的臨床價值。但僅僅依靠DXA來評估骨質(zhì)疏松則無法評估骨質(zhì)量的相關(guān)信息，準確度和精確度欠佳。骨髓脂肪含量作為評價骨質(zhì)量的新興重要指標，在骨質(zhì)疏松臨床診斷和科學(xué)研究方面意義重大。近來，研究報道可將脂肪分數(shù)(f at f r act ion，F(xiàn)F)作為骨質(zhì)疏松的生物標志物［4］。本研究旨在探討磁共振3D mDixon Quant采用不同加速因子(acceleration f act or，AF)的壓縮感知(compr essed SENSE，CS)技術(shù)對腰椎椎體骨髓脂肪含量進行定量評估的差別和價值，篩選成像最佳AF并優(yōu)化掃描方案，同時進一步分析腰椎椎體脂肪含量與年齡、性別和體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)的關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 一般資料

本研究經(jīng)大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審核通過，所有受試者均簽署知情同意書。本研究前瞻性收集在2020年1～7月于大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院行腰椎MR檢查的志愿者96名。男性45名，女性51名，年齡16～79歲，平均年齡(43.85±17.98)歲。將志愿者按照年齡段分為3組，其中，青年組：＜40歲(32例，男15例，女17例)；中年組：40～60歲(32例，男16例，女16例)；老年組：＞大于60歲(32例，男14例，女18例)。BMI為16.73～30.47 kg/m2，平均(22.97±3.04)kg/m2。入組標準：①無MRI檢查禁忌證，如體內(nèi)有起搏器、支架、金屬植入物及患有幽閉恐懼癥等；②無椎體或盆腔惡性腫瘤、轉(zhuǎn)移瘤及放化療病史；③無代謝性疾病、未使用糖皮質(zhì)激素等影響骨代謝者；④無腰椎骨折或其他外傷等病史。

1.2 儀器與方法

應(yīng)用Philips Ingenia CX 3.0 T MR設(shè)備(Phil ips Heal thcare，Best，the Netherl ands)并采用3D mDixon Quant脂肪定量序列結(jié)合不同AF對志愿者行腰椎3D mDxion Quant序列掃描，所采用的線圈為32通道腹部相控陣線圈。患者取仰臥位，頭先進，雙上臂自然放于身體兩側(cè)。3D mDixon Quant序列掃描參數(shù)：并行采集技術(shù)(SENSE)的AF分別為2、4，壓縮感知技術(shù)的AF分別為2、3、4、5、6、7、8；掃描時間分別為61、29 s；70、48、36、29、24、20.6、18.1 s。TR/TE分別為8.2/1.47 ms、8.2/1.47 ms；FOV分別為320 mm×320 mm×65 mm、320 mm×320 mm×65 mm；矩陣分別為180×180×26、180×180×26；體素分別為1.8 mm×1.78 mm×5 mm、1.8 mm×1.78 mm×5 mm；NEX均為4；翻轉(zhuǎn)角均為3°。

1.3 圖像分析與測量

兩位觀察者(影像診斷經(jīng)驗分別為5年和7年)在ISP(Int el l i Space Por t al l Ver sion 7)工作站上采用雙盲法對圖像進行分析和測量。兩位觀察者采用半自動分割技術(shù)對腰椎椎體FF值進行測量和分析，首先在水像上手動勾畫全椎體，畫取時要最大限度包括椎體松質(zhì)骨而避開骨皮質(zhì)、終板和椎間盤，再將所畫取的全椎體感興趣區(qū)復(fù)制到FF圖像上，系統(tǒng)可同時自動獲得腰椎L1～L5椎體脂肪分數(shù)值(圖1)。

圖1 男，24歲，BMI為21.47 kg/m2。A：3D mDixon Quant水像圖；B：3D mDixon Quant FF像Fig.1 Male,24 years old,with a BMI of 21.47 kg/m2.A:3D mDixon Quant water image;B:3D mDixon Quant FFimage.

1.4 圖像質(zhì)量評價

采用客觀評價法對不同AF的3D mDixon Quant圖像進行質(zhì)量評價。客觀評價圖像質(zhì)量的指標包括信噪比(signal noise ratio，SNR)、對比噪聲比(contrast noise ratio，CNR)。測量腰椎椎體MR信號強度的方法：在矢狀位圖像上選取顯示腰椎的最佳層面，在選取ROI時盡可能包含椎體松質(zhì)骨而避開骨皮質(zhì)、終板和椎間盤，選取連續(xù)3個層面，分別在每個層面的椎體中心即ROI區(qū)測量MR平均信號強度(SNR椎體)，3次測量取其平均值。測量脊髓內(nèi)噪聲的方法：選擇脊髓區(qū)域作為背景噪聲區(qū)［5］，同上在矢狀位圖像上選取顯示腰椎的最佳層面，分別在連續(xù)3個層面中選取椎體同一脊髓區(qū)域測量噪聲值，ROI區(qū)域內(nèi)的標準差即噪聲值(SD脊髓)，3次測量取平均值。計算公式如下：SNR=SNR椎體/SD脊髓、CNR=(SNR椎體-SNR脊髓)/SD脊髓。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

采用Shpir o-Wil k檢驗分析數(shù)據(jù)的正態(tài)性，符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用平均數(shù)±標準差表示；不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用“中位數(shù)±四分位間距”表示。符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(int ra-cl ass correl ation coef f icient s，ICC)檢驗兩位觀察者測量數(shù)據(jù)的一致性。采用非參數(shù)Fr iedman檢驗法分析比較不同AF時腰椎椎體骨髓FF值、SNR以及CNR的統(tǒng)計學(xué)差異。采用獨立樣本t檢驗對比分析不同性別組間腰椎椎體FF值。不同年齡組間腰椎椎體FF值的比較采用單因素方差分析(anal ysis of var i ance，ANOVA)完成，并采用最小顯著差值法(l east-signif icant dif f er ence，LSD)進行組間兩兩比較。采用Spear man檢驗分析腰椎椎體脂肪含量值與BMI的相關(guān)性，0≤｜r｜＜0.3為無相關(guān)性或相關(guān)性差，0.3≤｜r｜＜0.4為相關(guān)性弱，0.4≤｜r｜＜0.7為相關(guān)性中等，｜r｜≥0.7為相關(guān)性強。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩名觀察者測量結(jié)果的一致性

兩名觀察者測量SENSE和CS技術(shù)不同AF時腰椎椎體FF值的ICC值均大于0.75，具有較好的一致性。見表1。

表1 兩名觀察者測量結(jié)果的一致性檢驗(ICC值)Tab.1 Consistency test of measurement results by two observers(ICCvalue)

2.2 不同AF時3D mDixon Quant技術(shù)定量測量腰椎椎體脂肪含量值、圖像質(zhì)量及其掃描時間的比較

采用非參數(shù)Friedman檢驗法對3D mDixon Quant序列結(jié)合不同AF的SENSE和CS技術(shù)時各組間的腰椎椎體FF值及其圖像質(zhì)量的差異進行檢驗分析，檢驗結(jié)果顯示各組間腰椎椎體FF值無明顯統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.653)，但各組間SNR和CNR有明顯統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.001、0.006)(表2)。其中，CS3和CS7組、CS4和CS7組、CS4和CS8組間SNR和CNR差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)(表3)。同時，進一步對各組間的掃描時間進行比較，比較分析結(jié)果顯示，當(dāng)CS AF分別為3、4、5、6、7和8時，其掃描時間較SENSE AF為2時分別減少21.31%、40.98%、52.46%、60.66%、66.23%和70.33%。其中，CS6組中FF值、SNR和CNR較其他組(S2、S4、CS2、CS3、CS4、CS5)而言無明顯統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05)，而掃描時間卻大大縮短。因此，綜合以上對腰椎椎體FF值的定量分析、圖像質(zhì)量和掃描時間等分析比較，選擇CS AF最大為6時可在保證3D mDixon Quant序列掃描圖像質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)對腰椎椎體脂肪含量值的精準定量和評估，同時掃描時間縮短60.66%。

表2 不同AF時腰椎椎體脂肪含量和圖像質(zhì)量的差異Tab.2 The difference of lumbar vertebrae fat fraction(FF)and image quality in different AF

表3 不同AF時圖像質(zhì)量差異組間兩兩比較(P值)Tab.3 Pairwise comparison in different AF groups with different image quality(P value)

2.3 年齡因素對腰椎椎體脂肪含量的影響

選擇CS的AF為6條件下進一步對不同年齡組腰椎椎體脂肪含量進行分析比較。結(jié)果顯示不同年齡組間BMI無統(tǒng)計學(xué)差異，青年、中年和老年等3個年齡組間所有受試者、男性、女性等不同群體中腰椎椎體FF值均有顯著性差異(P＜0.05)(表4)。對于所有受試者及女性群體而言，青年組與中年組、青年組與老年組間腰椎椎體FF值差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)；而中年組與老年組間腰椎椎體FF值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.086、0.185)。但是對于男性群體而言，則僅表現(xiàn)為青年組與老年組間腰椎椎體FF值差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.006)，而青年組與中年組、中年組與老年組間腰椎椎體FF值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.328、0.092)(表5)。

表4 不同年齡組間腰椎椎體FF值的比較Tab.4 Comparison of FFvalues of lumbar vertebrae between different age groups

表5 不同年齡組間腰椎椎體FF值的多重比較Tab.5 Multiple comparisons of the FFvaluesof lumbar vertebrae between different age groups

2.4 性別因素對腰椎椎體脂肪含量的影響

選擇CS的AF為6條件下進一步對不同性別腰椎椎體脂肪含量進行分析比較。結(jié)果顯示不同性別組間BMI無統(tǒng)計學(xué)差異，青年組中，男性腰椎椎體FF值明顯高于女性腰椎椎體FF值(P=0.001)；而在中年組和老年組中，男性腰椎椎體FF值略低于女性腰椎椎體FF值，但在統(tǒng)計學(xué)上無明顯差異(P=0.287、0.594)(表6)。

表6 不同性別組間腰椎椎體FF值的比較Tab.6 Comparison of FFvalues of lumbar vertebrae between different gender groups

2.5 腰椎椎體FF值與BMI的相關(guān)性分析

腰椎椎體FF值與BMI的相關(guān)分析結(jié)果顯示(圖2)，在男性中，BMI與腰椎椎體FF值具有中等相關(guān)性(r=0.634，P＜0.01)；而在女性中，BMI與腰椎椎體FF值無相關(guān)性(r=0.207，P=0.146)。

圖2 男性和女性腰椎椎體FF值與BMI的相關(guān)性散點圖。A：男性腰椎椎體FF值與BMI的相關(guān)性散點圖；B：女性腰椎椎體FF值與BMI的相關(guān)性散點圖Fig.2 Scatter plots of lumbar vertebrae FF values and BMIin men and women.A:Scatter plots of FF value and BMIof male lumbar vertebrae;B:Scatter plot of correlation between FFvalueand BMIof female lumbar vertebrae.

3 討論

3.1 不同AF時3D mDixon Quant定量評估腰椎椎體FF、圖像質(zhì)量及其掃描時間的比較

近年來，各種快速成像技術(shù)成為磁共振領(lǐng)域的研究熱點。并行采集技術(shù)(SENSE)采用以圖像為基礎(chǔ)并結(jié)合線圈信息的重建方式，但重建后圖像的SNR降低。同時，由于噪聲和運動偽影的干擾，導(dǎo)致SENSE敏感度探測的精準度欠佳，在小視野成像時圖像易出現(xiàn)并采偽影［6］。隨著研究的不斷深入，美國科學(xué)院院士Emmanuel Candes和David Donoho聯(lián)合提出了一種基于應(yīng)用數(shù)學(xué)的前沿信號采集與處理的創(chuàng)新技術(shù)——壓縮感知技術(shù)［7］，它采用數(shù)字化稀疏采樣獲得少量采樣數(shù)據(jù)并保證圖像的保真度，可實現(xiàn)精細化的離散降噪［8］。CS技術(shù)通過直接采集壓縮后的圖像，實現(xiàn)磁共振掃描時間的大幅度縮短，同時使低采樣率下獲得高分辨信號成為可能［9-10］，實現(xiàn)了從SENSE到CS技術(shù)的變革，打破了奈奎斯特采樣定律中采樣頻率必須大于信號中最高頻率的兩倍才能使采樣之后的數(shù)字信號完整保留原始信號中的信息［11-12］。目前，具有臨床實際價值并經(jīng)過充分驗證的CS技術(shù)的應(yīng)用主要集中在神經(jīng)系統(tǒng)、心臟和腹部成像等方面［13-15］。而骨髓作為人體最重要的造血器官和免疫器官［16］，其內(nèi)脂肪含量的變化對于疾病的精準診斷和疾病嚴重程度的準確分級至關(guān)重要。但是目前卻較少有研究報道CS技術(shù)在椎體成像及脂肪定量評估方面的應(yīng)用，因此CS技術(shù)在椎體成像中的應(yīng)用亟待優(yōu)化和臨床驗證。本研究的創(chuàng)新點在于選擇結(jié)合CS技術(shù)的3D mDixon Quant序列腰椎椎體脂肪定量掃描最優(yōu)AF，優(yōu)化掃描方案。同時，進一步探討分析腰椎椎體脂肪含量與年齡、性別和BMI的關(guān)系。

3D mDixon Quant技術(shù)是一種基于化學(xué)位移水脂分離技術(shù)的磁共振脂肪定量測量技術(shù)，一次采集6個回波并結(jié)合7峰值脂肪模型和T2*校正來得到高質(zhì)量的3D FF圖和T2*mapping圖。采用多源發(fā)射技術(shù)Mul t i Transmit 4D可有效地提高射頻場的均勻度，實現(xiàn)了以往脂肪6峰模型向脂肪7峰值模型的轉(zhuǎn)變，進一步提高了脂肪定量的精準性［17-18］。同時，采用半自動分割技術(shù)在3D mDixon Quant序列的FF圖像上進行脂肪含量值的測量，該測量結(jié)果可充分表示整個椎體的FF值，而非椎體某一層面的FF值，因此可有效避免由于部分容積效應(yīng)而引起的測量誤差。研究表明，mDixon-Quant與MRS的脂肪定量結(jié)果具有很強的相關(guān)性［19］，測量結(jié)果可靠性高［20-21］，適于在臨床中使用。

在臨床掃描過程中，CS技術(shù)可在保證圖像質(zhì)量的同時加快掃描速度，提高臨床效率。但在其他掃描參數(shù)保持不變的情況下，AF越大，相應(yīng)掃描時間越短，但圖像質(zhì)量會受到一定的影響，因此在CS技術(shù)的應(yīng)用中AF的選擇至關(guān)重要。本研究結(jié)果顯示在不同AF時3D mDixon Quant序列測量腰椎椎體FF值無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，但當(dāng)選擇較大AF(＞6)時SNR和CNR卻有所降低。研究結(jié)果表明選擇AF為CS6時可實現(xiàn)在保證圖像質(zhì)量的前提下較AF為S2縮短60.66%的臨床掃描時間，大大增加了臨床效率，減少運動偽影。與傳統(tǒng)并行采集技術(shù)SENSE相比，CS掃描可明顯縮短掃描時間，但在整體成像質(zhì)量以及脂肪定量評估等方面SENSE與CS卻無顯著差異。因此，本研究結(jié)果表明在采用3D mDixon Quant序列進行腰椎椎體脂肪定量時結(jié)合CS技術(shù)是可行的，并且推薦選擇最優(yōu)AF為CS6。

3.2 年齡因素對腰椎椎體脂肪含量產(chǎn)生影響

本研究選擇AF為CS6條件下進一步對不同年齡、性別和BMI組間腰椎椎體脂肪含量進行研究。研究結(jié)果顯示年齡因素對腰椎椎體脂肪含量產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為所有受試者中青年組、中年組和老年組腰椎椎體FF值呈現(xiàn)遞增的趨勢，即腰椎椎體脂肪含量隨著年齡的增加而逐步上升。各組間比較結(jié)果顯示所有受試者、男性和女性等群體中不同年齡間腰椎椎體FF值均有明顯統(tǒng)計學(xué)差異。對于所有受試者及女性群體而言，中年組與老年組腰椎椎體FF值均明顯高于青年組。但是對于男性群體而言，則僅表現(xiàn)為老年組腰椎椎體FF值明顯高于青年組。分析其原因為隨著年齡的增長，人體內(nèi)的骨髓逐漸由有造血功能的紅骨髓向無造血功能的黃骨髓轉(zhuǎn)換，而脂肪組織是黃骨髓的主要組成成分，約占黃骨髓的80%，因此椎體骨髓脂肪組織隨著年齡的增長而逐漸增多［22］。

3.3 性別因素對腰椎椎體脂肪含量產(chǎn)生影響

本研究亦發(fā)現(xiàn)性別因素對腰椎椎體脂肪含量產(chǎn)生影響，不同性別組間腰椎椎體FF值在不同年齡段的表現(xiàn)亦不同。在青年組中男性腰椎椎體FF值高于女性腰椎椎體FF值(P＜0.05)；而在中年組和老年組中，男性腰椎椎體FF值略低于女性腰椎椎體FF值，但在統(tǒng)計學(xué)上無明顯差異(P＞0.05)。Er nesto等［23］的研究表明青年男性腰椎椎體FF較高，而青年女性FF較低。隨著年齡的增長，女性FF值逐漸增長，達到與男性相似的FF含量。本研究結(jié)果與該文獻報道一致。分析其原因是隨著年齡的增長，女性雌激素水平將逐漸降低。雌激素可刺激破骨細胞凋亡并抑制成骨細胞和骨細胞凋亡，從而增加了骨形成細胞的壽命并降低了骨吸收細胞的壽命，在調(diào)節(jié)骨量和骨強度中起著關(guān)鍵作用［24］。因此雌激素水平的降低將導(dǎo)致破骨細胞的抑制減弱，數(shù)量增加；成骨細胞和骨細胞的凋亡增加，數(shù)量減少。由于成骨細胞和骨髓脂肪細胞來自共同前體——骨髓間充質(zhì)干細胞［25］，因此成骨細胞的減少意味著骨髓脂肪細胞的增加。因此隨著年齡的增加，雌激素水平的降低會導(dǎo)致骨髓脂肪含量的增加。此外，年齡與性別對腰椎椎體脂肪含量的交互作用尚待進一步研究。

3.4 腰椎椎體脂肪含量與BMI相關(guān)

此外，本研究結(jié)果亦提示腰椎椎體脂肪含量與BMI相關(guān)。但在不同性別間表現(xiàn)不同，在男性中腰椎椎體FF值與BMI呈中等相關(guān)關(guān)系(r=0.668，P=0.005)，而在女性中則與BMI不相關(guān)(r=0.214，P=0.395)。本研究結(jié)果與張鑫濤等［26］的研究報道一致。分析其原因是BMI是評估肥胖程度的指標，而肥胖可通過多種機制來影響骨的代謝，由于成骨細胞和脂肪細胞源于共同前體細胞，肥胖在促進脂肪細胞的分化和積累的同時，會伴隨成骨細胞分化和骨形成的減少［27］。研究報道，腹部脂肪與腰椎椎體骨髓脂肪含量密切相關(guān)［28］，同時人體腹部脂肪即內(nèi)臟脂肪(visceral adipose tissue，VAT)和皮下脂肪(subcutaneous adipose tissue，SAT)分布的不同導(dǎo)致對其脂肪含量的影響也不同［29］。相比SAT而言，VAT具有更高的代謝活性，因此VAT的增多則更容易引起骨代謝的異常。因此，本研究結(jié)果顯示腰椎椎體脂肪含量與BMI的相關(guān)性在男性與女性中的表現(xiàn)不同，分析其原因可能是不同性別中肥胖導(dǎo)致的脂肪(VAT和SAT)的重新分布不同所致。在女性中BMI的增加可能是由SAT的增多而非VAT增多所致，因此并未對代謝產(chǎn)生影響；而男性BMI的增加則更有可能是VAT的增多所致，因此導(dǎo)致脂肪代謝活性的增加［30-32］。

3.5 本研究的局限性和結(jié)論

本研究尚有一些不足之處：本研究的病例數(shù)有限，尚需進一步收集和擴增病例數(shù)，增加樣本量，以對不同類型患者進行進一步的細化分組，以便深入研究。

總之，磁共振3D mDixon Quant和壓縮感知技術(shù)聯(lián)合使用，優(yōu)勢突出，可快速、無創(chuàng)地對脂肪進行精準定量，以更好地監(jiān)測機體生理病理狀態(tài)下脂肪含量的變化情況。選擇CS的AF最大為6時可在保證圖像質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)對腰椎椎體脂肪含量值的精準定量和評估，同時掃描時間大大減少，提高了檢查效率和患者耐受，臨床可行性較高。同時，年齡、性別和BMI等因素均對腰椎椎體脂肪含量產(chǎn)生影響，在對不同個體進行腰椎椎體脂肪含量分析和評估時應(yīng)綜合考慮這些影響因素。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。