定量CT研究成年女性腰椎骨密度與椎旁體質成分的相關性

張雪麗陳明月唐睿萬麗娣彭鯤董麗君湯光宇張琳

同濟大學附屬第十人民醫院放射科，上海 200072

隨著人口老齡化，中老年人群骨質疏松癥(osteoporosis，OP)成為影響健康的無形殺手，尤其在絕經后女性中，OP及其所致脆性骨折的發生率逐漸上升，嚴重影響患者的生活質量。OP是一種以單位體積內骨量減少、骨微結構退化為特征的全身性代謝骨病，導致骨脆性增加，易發生骨折[1]。

影響骨密度(bone mineral density，BMD)的因素眾多，包括年齡、地域、女性絕經、體質成分、代謝性疾病及某些藥物的使用等。隨著年齡增長，BMD、肌肉含量進行性減低，肌力下降、肌肉功能減退[2]，更增加了骨折的風險。腰椎周圍肌群的肌肉含量減少與脂肪浸潤是診斷肌少癥的重要指標之一[3]，肌少癥與OP常伴隨發生[4-5]。體質成分與BMD相互影響、關系密切，是近年來OP研究的熱點，細化分析不同部位體質成分含量及其構成對BMD的影響，使得臨床診療、預防OP更具有方向性和指導性。

目前主要通過測量BMD診斷OP，定量 CT(quantitative computed tomography，QCT)能夠區分骨松質、骨皮質，排除骨質增生、血管鈣化等對BMD測量值的影響，反映真正意義上的容積BMD。QCT所呈現的斷層解剖圖像能有效區分骨骼與周圍脂肪、肌肉及血管等體質成分范圍，進行精準量化。并且低劑量胸部CT掃描作為肺癌篩查已經廣泛使用，臨床上胸部CT掃描包含腰椎部位也很常用，在這些CT掃描的基礎上進行QCT骨密度測量，對CT掃描數據再分析，篩查骨質疏松，不增加輻射，簡單易行[6]。基于此，本文采用QCT測量成年后不同年齡段女性腰椎周圍肌群的肌肉含量、脂肪含量及腰椎BMD，探討腰椎周圍體質成分與腰椎BMD的相關性。

1 材料和方法

1.1 研究對象

回顧性分析我院2018年1月1日至2020年12月31日行腰椎QCT檢查的成年女性496例，年齡范圍25～82歲，平均(50.9±12.5)歲。根據年齡段分為青年組(≤44歲)、中年組(45～59歲)、老年組(≥60歲)。測量身高、體重，計算體質量指數(body mass index，BMI)，并進行相關問卷調查。

入選標準：臨床表現因腰痛不適、腹部體檢等就診，允許進行QCT檢查的參與者，可測量BMD及體質成分。排除標準：L1-L3椎體壓縮性骨折或金屬內固定術后影響BMD測量的患者；孕婦；抗骨質疏松藥物治療后患者；多發性骨髓瘤、淋巴瘤、轉移瘤等伴有骨質破壞患者；嚴重器質性疾病、脂肪萎縮癥、甲狀腺功能異常等代謝性疾病；有惡性腫瘤放化療病史患者。

本研究獲得醫院倫理委員會批準，且每位參與者簽署知情同意書。

1.2 BMD測量方法

所有參與者行64排CT(Light speed VCT，GE medical systems，USA)腰椎掃描，受檢者仰臥于檢查臺上使腰椎曲度消失，頭先進，將固體體模(Mindways Software Inc.，Austin，TX，USA)置于腰骶椎下，并與人體長軸平行，使腰背部緊貼體模。掃描條件：管電壓120 kV，管電流125 mAs，掃描層厚1.25 mm，矩陣512×512。掃描數據傳至QCT Pro(Mindways Software Inc.，Austin，TX，USA)工作站進行分析。L1-L3椎體松質骨BMD使用該軟件的3 D模式進行測量，ROI置于L1-L3橫斷位椎體中心層面(圖1A)，其外緣距椎體邊緣≥3 mm，ROI的面積范圍在椎體中心層面盡可能大，為300～450 mm2，避免與皮質骨及增生骨質重疊。每項數據由兩位有經驗的醫師測定，取L1、L2、L3椎體BMD的平均值作為研究數值。根據ISCD關于QCT骨密度測定，≥120 mg/cm3為骨量正常，80～120 mg/cm3為骨量減少，≤80 mg/cm3為骨質疏松[7]。

1.3 體質成分測量方法

腹部肌肉、脂肪掃描與腰椎掃描同時進行，掃描方法及參數與腰椎BMD掃描參數設置相同，完成CT掃描后上傳至QCT Pro工作站進行分析，選取冠狀位L3椎體中心層面作為測量層面，層厚1.25 mm。為區分計算不同體質成分，系統對體素進行自動編碼，-190～-30 HU為脂肪成分，0～100 HU為肌肉成分，≥145 HU為骨質成分。在橫斷位L3椎體層面腹壁肌肉外選取ROI閉合曲線，后處理工作站依據不同成分CT值范圍，去除肌肉、消化道、腰椎等成分，最終得到脂肪成分質量。皮下脂肪(SAT)位于閉合曲線外(圖1B)，內臟脂肪(VAT)位于閉合曲線內(圖1C)，總脂肪(TAT)是SAT與VAT的總和。然后，將ROI放置于肌肉(腰大肌、豎脊肌)外圍層面，手動調整ROI大小和形狀，使邊緣緊貼于肌筋膜外，不超過肌肉外緣，計算瘦組織含量(LM)和肌間隙脂肪含量(LM)(圖1 D)。并計算肌間隙脂肪與瘦組織的比值(F/L)、骨量與瘦組織比值(B/L)。

圖1 通過QCT Pro測量L1-L3椎體BMD及L3椎體中心層面體質成分含量A：測量腰椎(L1-L3)椎體中心層面橫斷位、矢狀位、冠狀位BMD；B：橫斷位L3椎體層面腹部皮下脂肪(SAT)；C：橫斷位L3椎體頭層面腹部內臟脂肪(VAT)；D：橫斷位L3椎體層面(LM)及肌間隙脂肪含量(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 數據統計分析方法

數據統計分析使用軟件SPSS 19.0和 Graphpad Prism 5完成，所有數據進行正態分布及方差齊性檢驗，服從正態分布的計量資料采用均值±方差表示。不同年齡段及不同BMD組間各變量差異使用One-way ANVOVA法。通過Pearson相關分析BMD與L3椎體層面肌肉、脂肪含量的相關性，P<0.05表示組間差異有統計學意義。

2 結果

2.1 不同年齡組間各體質成分含量比較

BMI、BMD值在老年組中低于中、青年組，三組間差異有統計學意義(P<0.01)。FM在老年組高于青年組及中年組，隨年齡增長肌肉內脂肪含量增加，組間差異有統計學意義(P<0.01)。LM在老年組低于中青年組，隨著年齡增加，LM減低，組間差異有統計學意義(P<0.01)。SAT在老年組低于中青年組，組間差異有統計學意義(P<0.01)。VAT隨著年齡增加逐漸減低，但組間差異無統計學意義(P=0.955)。詳見表1、圖2。

表1 不同年齡組間各體質成分含量的差異Table 1 The differences of body composition among different age groups

圖2 不同年齡組間各體質成分的差異圖Fig.2 The diagram of the body composition among different age groups

2.2 腰椎BMD與L3椎體層面各體質含量的相關性

BMD與年齡呈負相關(r=-0.752，P=0.000)，與BMI呈正相關(r=0.461，P=0.000)，與FM呈負相關(r=-0.379，P=0.000)，與LM呈正相關(r=0.452，P=0.000)。BMD與VAT呈較弱的正相關(r=0.122，P=0.089)，組間差異無統計學意義。BMD與SAT呈正相關(r=0.466，P=0.000)。

2.3 不同BMD組間各體質成分參數變化

依據BMD值將496例女性患者分為骨質疏松組、骨量減少組和骨量正常組，BMI在骨質疏松組中最低，骨量正常組中最高，三組間差異有統計學意義(P<0.01)。FM在骨質疏松組中最高，高于骨量減少組和正常組，三組間差異有統計學意義(P<0.01)。LM在OP組中最低，低于骨量減少組及正常組，組間差異有統計學意義(P<0.01)。VAT在OP組中較骨量減少組稍高，但低于骨量正常組，組間差異無統計學意義(P=0.701)。SAT在OP組中明顯低于骨量減少組及骨量正常組，組間差異有統計學意義(P<0.01)。具體見表2。

表2 不同BMD組間各體質參數特征及差異Table 2 The differences of body composition among different BMD groups

3 討論

骨肌系統主要由骨和骨骼肌組成，骨骼為人體提供支撐作用，肌肉提供運動力學。骨骼及肌肉在人體發育達到峰值后均隨著年齡的增加而逐漸發生退變，出現骨量減少、肌肉萎縮及脂肪浸潤，從而影響患者的身體健康。OP受遺傳和環境多因素影響，增齡是其獨立危險因素[8]。女性因受骨量、肌肉及脂肪含量隨年齡變化更加顯著，嚴重時形成OP和肌少癥等[9]，二者常同時發生，并互為影響。Binkley等[10]首次將肌肉與骨量減少同時存在的病癥定義為肌肉減少性OP。脂肪也是影響BMD的重要因素，身體不同部位的脂肪對人體影響不同。肌肉、脂肪含量的準確測定對于肌肉減少癥及OP的研究非常重要。肌肉含量減少主要有兩方面，一方面是肌肉橫截面積的減小，由肌纖維的減少和萎縮造成[11]；另一方面是脂肪、結締組織等成分的增生浸潤，以脂肪為主，包括肌細胞內脂質沉積、肌細胞間隙脂肪細胞增生，使得肌肉組織的平均CT值減低[12]。

本研究通過 QCT對成年女性椎體旁肌肉、脂肪及腰椎BMD進行定量測量，分析椎體周圍肌肉、脂肪含量與腰椎BMD的關系。

3.1 骨密度與椎旁肌肉

人體骨骼和肌肉組織密不可分，肌肉附著于骨骼上協助運動，這種機械應力的刺激可促進BMD增加，同時肌肉有助于維持運動平衡能力，防止摔倒。本研究所測LM包括腰大肌和豎脊肌，被認為是背部最主要的肌群，提供腰背部的支撐作用及控制腰背部的運動。

本研究結果顯示椎旁肌肉含量與腰椎BMD呈正相關。在老年組及骨質疏松組中，LM明顯低于中、青年組，隨著年齡增大，LM與BMD均明顯減低，提示增加肌肉含量，有助于維持骨量。Ahedi等[11]研究顯示，肌肉含量減少、運動量減少導致的肌肉功能減弱會引起施加于BMD刺激性成骨作用降低。少肌癥病人患OP的幾率明顯增加[13]，其機制可能是較高的肌肉含量對骨的機械刺激作用較大，肌肉收縮使骨骼處于緊張狀態，通過骨細胞上的機械受體，在骨皮質內外促進骨重建，使骨量和骨骼幾何結構參數均增加，從而提高骨強度[14]。女性肌肉力量本來就比較薄弱，而老年女性運動量減少，加速肌纖維細胞數量和體積減少，使肌纖維細胞凋亡，從而對骨骼的刺激性成骨作用減弱。腰椎和椎旁肌肉是支持腹部重量的核心部分，椎旁肌肉越發達，腰椎骨含量就會越高，不少研究都證明肌肉的增加有助于維持骨量，這與本研究結果一致。

3.2 骨密度與腰椎周圍肌間隙脂肪

本研究結果顯示，與骨量正常組比較，骨量減少組和OP組的FM明顯升高，提示BMD與FM呈負相關，FM在老年組中明顯高于中、青年組，即隨著年齡增長FM逐漸增加，提示高FM對OP及骨質疏松性骨折是危險因素。L3水平FM增加包括骨髓內和肌間隙脂肪的增加[15]。其可能機制如下：一是骨髓腔內脂肪堆積加快了骨量的減少。肌間隙脂肪堆積加速肌肉退化，肌肉量減少可致使BMD減低。二是女性由于受雌激素水平影響，FM顯著增加，進而影響腰椎BMD。Zhu等[16]在大鼠去卵巢術的研究中顯示，大鼠雌激素水平顯著降低，骨髓腔內脂肪組織增加，使骨髓血流灌注減低，可能是導致早期骨質疏松形成的機制之一。三是脂肪與BMD可能共同起源于間充質干細胞(MSC)。Lee等[17]研究結果提示高FM對OP及骨質疏松性骨折是一項獨立的高風險因素，其影響BMD的機制可能為成骨細胞和脂肪細胞都起源于共同的間充質干細胞，MSC向一種細胞分化增多會造成向另一種細胞分化減少，分化主要通過過氧化物酶體增殖因子激活受體(PPAR-γ)途徑，PPAR-γ途徑激活使MSC向脂肪細胞的分化超過向成骨細胞分化[18]，使骨量減少。其次老年人運動量減低，基礎代謝率下降，脂肪隨著年齡增長逐漸增加，影響肌肉質量和體積的維持。從以上可能機制看出，FM通過多方面影響骨量，是BMD的危險因素。

3.3 骨密度與腹部脂肪皮下及內臟的關系

女性TAT、SAT在OP組和骨量減少組低于骨量正常組，而VAT在OP組較骨量減少組及骨量正常組高。本研究證實了腹部脂肪分布部位不同，其對BMD影響可能不同。女性SAT是芳香化酶的主要來源[19]，這是將雄激素合成雌激素的前體酶，適量SAT有助于增加雌激素含量，而雌激素在維持骨量方面具有重要作用，它可抑制骨質吸收、促進骨合成，從而減少OP的發生。較高的SAT也可通過施加機械應力對骨骼產生正性作用[20]，刺激BMD增加。VAT是指內臟脂肪，影響BMD的機制可能為VAT能夠分泌多種炎癥性因子[21-22]，炎性因子可促進破骨細胞活性增加骨的吸收[23]，如NF-α、IL-1和IL-6等作用于成骨細胞，促進前列腺素E2的產生，后者可激活成骨細胞內的腺苷酸環化酶活性，提高細胞內環磷酸腺苷的濃度，激活破骨細胞前體細胞向破骨細胞分化，抑制破骨細胞的凋亡，進一步促進骨質吸收，降低BMD。

本研究初步探討了成年女性不同體質成分與BMD之間的關系。在不同年齡組中，BMD和體質成分均顯示出不同特征。LM與BMD呈正相關，LM不僅有助于提升骨量，還可維持機體平衡性。SAT對BMD的影響較大，發揮正性保護作用，提示適量的皮下脂肪有助于維持骨量。而FM與BMD呈負相關，是BMD的危險因素。熟悉不同年齡段女性BMD與體質成分的變化規律，了解各體質成分對BMD的影響，有助于探討OP的發病機制，對OP的早期預防、治療及療效監測具有指導意義。但各體質成分對BMD影響程度及機制較為復雜，部分研究結論之間仍存在爭議，有待進一步深入研究[24]。

本研究存在一些不足之處。(1)該研究為單中心研究，研究對象均來自中國人，結果僅能代表部分人群，具有局限性。(2)體質成分的測量選擇在L3椎體層面，不一定能代表整體脂肪及肌肉分布情況，沒有測量身體其他部位的肌肉及脂肪含量進行綜合分析。(3)對研究對象沒有行定期隨訪，進行動態監測BMD及體質成分的變化對脆性骨折發生的危害性。在后期的研究中，筆者將針對以上不足進一步完善、深入研究。