0 引言

       铁是人体必需的微量元素，它参与了许多生理过程，铁代谢障碍可导致许多组织和器官的损伤。近年来，铁作为影响骨代谢紊乱的独立危险因素，特别是骨质疏松症中铁超载的参与而受到关注^[1]。铁过载会导致氧化物积聚和铁代谢紊乱，与骨质疏松（osteoporosis, OP）密切相关^[2]。基于磁共振魔镜成像（mDixon-Quant）技术的R2^*值已被用于评估肝脏、胰腺、脾脏和椎体骨髓中的铁含量^{[3, 4]}，为系统性铁分布的病理生理学提供了新的见解。而质子密度脂肪分数（proton density fat fraction, PDFF）可用于椎体骨髓的脂肪含量测定，其测量结果在不同观察者、不同磁场强度和不同MRI平台之间具有高度的准确性及可重复性^[5]。研究证实腰椎骨髓PDFF与骨密度（bone mineral density, BMD）存在相关性^[6]，可预测OP，但关于R2^*与BMD的相关研究较少，且其相关性尚存争议。KIM等^[7]研究表明在绝经后女性人群中腰4椎体R2^*与BMD呈现了较高的相关性，在男性中却未呈现相关性。而ZHOU等^{[8, 9]}通过IDEAL-IQ序列测得的腰1~3椎体R2^*与双能X线吸收法（dual-emissionX-ray absorptiometry, DXA）及定量计算机体层成像（quantitative computed tomography, QCT）测得的BMD分析后研究结果表明腰椎R2^*仅与男性的BMD呈轻度正相关，在女性中未发现相关性。腰椎脂肪和R2^*值存在生理性梯度分布差异^[10]，该梯度分布差异可能会影响腰椎R2^*与BMD相关结果的差异性。R2^*测量结果可提供骨矿物质密度的附加信息，有研究认为R2^*也受脂肪含量的影响^[11]，但关于R2^*与PDFF之间关系的结论并不一致。YANG等^[12]通过IDEAL-IQ序列评估青少年腰椎，结果表明R2^*及PDFF间存在正相关。冯红梅等^[13]的研究则认为腰1~4椎体R2^*与PDFF并未发现显著的相关性，这一结论仍需更多深入的研究来进行探讨。

       基于以上背景，本研究采用mDixon-Quant序列评估中老年女性腰1~5椎体不同椎体层面的腰椎R2^*、PDFF及BMD的生理性梯度变化，以及腰椎R2^*值、PDFF与BMD关系及诊断OP的价值。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究为前瞻性研究，于2022年12月至2023年12月期间招募就诊于河北医科大学第三医院的中老年女性患者，收集其年龄、身高、体质量、体质指数（body mass index, BMI）、既往疾病史等基本临床资料。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经河北医科大学第三医院伦理委员会批准，批准文号：W2022-030-1，全体受试者均签署了知情同意书。纳入标准：（1）自愿参加并完成腰椎MRI及腰椎CT检查；（2）年龄≥50岁女性；（3）腰椎QCT和腰椎MRI扫描时间间隔不超过一周。排除标准：（1）有腰椎滑脱、腰椎骨折、腰椎占位或腰椎手术史；（2）恶性肿瘤病史、卵巢疾病、子宫切除史、患有自身免疫性疾病以及服用影响骨代谢的药物或患有影响骨代谢的疾病（如服用糖皮质激素、患肾功能衰竭、甲状腺功能亢进、肝炎、肝硬化、糖尿病等）；（3）吸烟史、饮酒史；（4）因术后或其他原因卧床或瘫痪；（5）MRI影像存在伪影影响测量结果。

1.2 影像检查及后处理

       MRI检查采用3.0 T MRI（Ingenia CX, Phillips）mDIXON-Quant序列对所有患者进行腰椎MRI扫描。扫描时仰卧位，头先进，双手置于身体两侧，本研究所需扫描范围自胸12至骶1椎体上缘；矢状位扫描参数：重复时间（repetition time, TR）8 ms，回波时间（echo time, TE）1.15 ms，视野（field of view, FOV）160 mm×298 mm×160 mm，层厚5 mm，翻转角3°，激励次数2，扫描时间54 s。一次扫描同时得到水相、脂相、T2^*、R2^*和PDFF图。由1名具有7年诊断经验的放射科主治医师在飞利浦ISP V9后处理工作站进行图像后处理分析，在腰1~5椎体中部层面放置感兴趣区（region of interest, ROI），ROI大小设置为（200±5）mm²，得到各椎体ROI的R2^*及PDFF值（图1），并取平均值。

       腰椎QCT扫描及BMD测量采用128层螺旋CT（Somatom Sensation, Siemens, Erlangen, Germany）及Midways公司（Mindways Software Inc., USA）的校准体模进行螺旋扫描，扫描参数：120 kV，125 mAs，FOV 500 mm×500 mm，层厚1 mm，螺距1 mm，矩阵512×512。扫描范围自胸12椎体下缘至骶1椎体上缘水平。扫描数据传输至QCT Pro后处理工作站。在腰1~5椎体中部层面避开椎基静脉孔、骨质增生、骨皮质勾画ROI，测量腰1~5椎体BMD，并计算得到平均值。

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图1  腰椎椎体骨髓R2^*图像（1A）、质子密度脂肪分数图像（1B）感兴趣区勾画示意图。
Fig. 1  Region of interest diagram of lumbar bone marrow R2^* (1A) and proton density fat fraction (1B) images.

1.3 统计学分析

       采用IBM SPSS（Version 26.0, Armonk, NY, USA）及MedCalc（version 23.0.2, MedCalc Software bvba, Ostend, Belgium）软件进行统计学分析。采用Kolmogorov-Smirnov检验数据的正态性，符合正态分布时采用均数±标准差进行表示，不符合正态分布则采用M（P25, P75）表示。以QCT测量的BMD结果为金标准：BMD>120 mg/cm³为骨量正常；80 mg/cm³≤BMD≤120 mg/cm³为低骨量；BMD<80 mg/cm³为OP^[14]。使用单因素方差分析（One-Way ANOVA）或Kruskal-Wallis非参数秩和检验比较不同骨量组临床和影像参数差异。采用方差分析趋势性检验分析各腰椎椎体影像定量值的变化趋势。腰椎骨髓平均R2^*与PDFF、BMD之间的相关性采用Pearson或Spearman相关性分析，纳入年龄影响因素后采用偏相关分析探讨各影像定量参数之间的相关性。应用受试者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）曲线，分析各椎体R2^*、PDFF，腰椎平均R2^*、平均PDFF及R2^*和PDFF联合诊断OP的诊断效能。使用DeLong检验比较曲线下面积（area under the curve, AUC）。P<0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

       共纳入105例研究对象，年龄51~81岁，中位年龄62岁。各受试者临床资料及腰椎影像定量值结果见表1，不同骨量组之间年龄、腰椎平均R2^*、平均PDFF及平均BMD差异存在统计学意义（P<0.05）。如图2所示，OP组R2^*低于骨量减低组和骨量正常组（P均<0.05）；OP组PDFF高于骨量减低组（P=0.042）和骨量正常组（P=0.001），骨量减低组PDFF高于骨量正常组（P=0.047）。

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图2  不同骨量组之间R2^*及质子密度脂肪分数（PDFF）比较箱式图。
Fig. 2  Box plots of comparison of R2^* and proton density fat fraction (PDFF) between different bone mass groups.

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表1  受试者临床资料及腰椎R2^*、PDFF and BMD值结果
Tab. 1  General information and R2*, PDFF and BMD of lumbar spine of subjects

2.2 腰椎R2*、PDFF及BMD的生理性梯度变化

       自上向下，腰椎1~5椎体的骨髓R2^*值及BMD逐渐减低（Ptrend<0.05），腰椎PDFF逐渐增高（Ptrend<0.05），如表2、图3所示。

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图3  腰椎R2^*、PDFF及BMD的生理性梯度变化。PDFF：质子密度脂肪分数；BMD：骨密度。
Fig. 3  Physiological gradient changes of R2^*, proton density fat fraction and bone mineral density in lumbar spine. PDFF: proton density fat fraction; BMD: bone mineral density.

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表2  腰1~5椎体R2^*、PDFF及BMD值
Tab. 2  R2*, PDFF, and BMD values of lumbar 1-5 vertebrae

2.3 腰椎R2*与年龄、BMI、PDFF、BMD的相关分析

       腰椎R2^*与年龄呈负相关（r=-0.322，P=0.001），与BMI无统计学相关性（r=-0.157，P=0.109）。腰1、2椎体R2^*与PDFF无统计学相关性（P>0.05），余椎体R2^*与PDFF呈负相关（P<0.05），腰1~5椎体R2^*与BMD呈正相关（P<0.05），如表3所示。控制年龄，腰椎R2^*与腰椎PDFF的偏相关系数r=-0.227，P=0.020，腰椎R2^*与腰椎BMD的偏相关系数r=0.332，P<0.05。腰3~5椎体R2^*与PDFF呈负相关，腰1~5椎体R2^*与BMD呈正相关（P<0.05），如表4所示。

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表3  腰椎R2^*与年龄、BMI、PDFF、BMD的Pearson相关性分析
Tab. 3  Pearson correlation analysis of lumbar R2* with age, BMI, PDFF and BMD

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表4  腰椎R2^*与腰椎PDFF、BMD的偏相关分析
Tab. 4  Partial correlation analysis of lumbar R2*, PDFF and BMD

2.4 腰椎各影像定量参数单独或联合诊断OP的效能

       腰椎平均R2^*、PDFF最佳截断值分别为121.44 s^-1、60.42%时，诊断OP的AUC分别是0.792 [95%置信区间（confidence interval, CI）：0.702~0.865]、0.702（95% CI：0.605~0.787），敏感度分别为81.8%、63.64%，特异度分别为74.7%、73.49%。R2^*、PDFF对OP的诊断效能差异无统计学意义（P=0.07）。R2^*及PDFF联合诊断OP的AUC值为0.804（95% CI：0.702~0.865），敏感度为81.8%，特异度为73.5%，诊断准确度高于腰椎PDFF单独诊断（P=0.01），但R2^*、PDFF联合诊断OP与R2^*单独诊断OP准确度差异没有统计学意义（P=0.457），如图4所示。不同椎体间R2^*、PDFF诊断OP的AUC差异无统计学意义（P>0.05），详见图5。

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图4  腰椎不同影像学定量参数诊断骨质疏松的ROC曲线图。
图5  腰1~5椎体R2^*及PDFF诊断骨质疏松的ROC曲线。PDFF：质子密度脂肪分数；ROC：受试者工作特征。
Fig. 4  ROC curves of different lumbar spine imaging quantitative parameters in diagnosis of osteoporosis.
Fig. 5  ROC curve of lumbar 1-5 vertebral body R2* and PDFF for the diagnosis of osteoporosis. PDFF: proton density fat fraction; ROC: receiver operating characteristic.

3 讨论

       本研究基于磁共振mDIXON-Quant序列，通过对中老年女性腰1~5椎体R2^*及PDFF值分析结果显示，腰椎R2^*、PDFF存在生理性梯度差异，腰1~5椎体R2^*和BMD逐渐减低，而PDFF逐渐增高。腰椎平均R2^*与BMD呈正相关，与平均PDFF呈负相关。椎体的选择可能会影响R2^*与PDFF的相关性。在评估OP方面，R2^*展现出与PDFF相当的诊断效能。当R2^*与PDFF联合使用时，其诊断OP的准确性提高。相较于其他研究，本研究细化研究了不同层面腰椎影像参数的生理性梯度差异，这一研究设计使得我们的结果更加贴近实际，为MRI无创性诊断OP提供了更为可靠的参考依据。

3.1 中老年女性腰椎各影像参数的生理性梯度及其相关性研究

       多回波Dixon技术可无创评估脂肪含量、铁质沉积，R2^*为横向弛豫时间T2^*的倒数，已被证实与肝脏铁含量具有良好的线性关系和可重复性^[15]，且扫描时间短，后处理简单，可准确评估铁含量，近年来逐渐被应用于评估心脏、胰腺、骨髓铁含量^{[16, 17]}，肝病和OP骨折的评价^{[18, 19, 20, 21]}、鉴别椎体良恶性骨折^[22]等。本研究通过测量中老年女性腰椎R2^*值表明OP组有较低的R2^*值，与LIU等^[23]通过IDEAL-IQ序列得到的研究结果类似，但本研究结果与LI等^[24]的研究结果不同，其研究表明在绝经后女性中，骨量正常组的R2^*明显高于骨量减低组，且OP组与骨量减低组R2^*无差异。在本研究中，未观察到骨量减低组与BMD正常组之间的R2^*的差异存在统计学意义，这一结果可能归因于两组人群的年龄在统计学上未表现出显著性差异。鉴于R2^*值同样受到年龄因素的影响，因此，年龄的相似性可能是导致R2^*值在两组间无显著差异的一个重要原因。ZHOU等^[8]的研究则认为不同的骨量组之间R2^*无差异。但刘栋等^[25]通过对压缩骨折病椎松质骨铁含量测定及染色后证实，OP组骨铁含量及铁沉积明显增多。我们推测研究结果的差异可能是研究人群的不同，我们细化研究了中老年女性，而ZHOU等^[8]未区分研究对象的性别，提示我们在比较不同骨量组的R2^*时应考虑到性别及年龄的差异性。本研究中腰椎骨髓脂肪含量在不同的骨量组间差异呈现出统计学意义，与之前的报道类似^[23]。

       本研究中腰椎R2^*值存在生理性梯度，具体表现为自腰1椎体向下逐渐降低，且差异存在统计学意义，与BMD呈现了相似的生理性梯度变化趋势，也进一步验证了R2^*与BMD之间的正相关关系。尽管LEE等^[10]研究呈现的R2^*生理性梯度趋势分布差异无统计学意义，但是本研究与其呈现相似的R2^*梯度分布趋势。而PDFF呈现与BMD相反的生理性梯度改变，PDFF自上向下逐渐增高，而这种生理性梯度在儿童和成年年轻人中也存在^{[26, 27]}。马培旗等^[28]指出可能是下腰椎承重较上腰椎大，容易加速红黄骨髓转换，故下腰椎FF大于上腰椎。我们推测这种梯度分布改变可能是一个不受其他因素影响的普遍生理性现象。

       本研究腰椎R2^*与PDFF呈负相关，与BMD呈正相关，这可以用骨髓脂肪与造血功能呈负相关^[29]解释。骨髓分为具有造血功能的红骨髓和黄骨髓，黄骨髓约80%的成分为脂肪组织，PDFF反映腰椎骨髓中的脂肪含量，而R2^*与骨髓中铁蛋白的沉积有关，主要存在于红骨髓中，可反映骨髓的铁沉积^[4]。随着年龄的增长，骨矿物质含量减少，骨小梁稀疏，骨小梁间隙增大，BMD逐渐减低，骨髓中的红骨髓逐渐转化为黄骨髓^[30]，黄骨髓增加，PDFF逐渐增加，红骨髓减少，与R2^*值逐渐减低相符合，因此R2^*与PDFF和BMD均呈现出相关性^[23]。但本研究腰1、2椎体R2^*与PDFF间未呈现相关性，提示我们在研究时椎体的选取可能会影响结果，也需要增大样本量进一步研究。

3.2 中老年女性腰椎R2*、PDFF诊断OP效能的研究

       本研究中R2^*的AUC高于PDFF的AUC，而LI等^[24]研究中R2^*的AUC低于PDFF的AUC，但差异均无统计学意义，提示腰椎R2^*呈现与PDFF诊断OP相当的效能，在鉴别OP方面具有重要意义。当R2^*与PDFF两者联合应用时，其对于腰椎OP的诊断效能提高。尽管本研究R2^*联合PDFF诊断OP的AUC（0.804）低于LI等^[24]研究中二者联合应用（AUC=0.922）及刘鹏飞等^[31]的研究（AUC=0.931），但为无创性评估腰椎骨质状况提供了一种有力的补充诊断手段。不同腰椎椎体R2^*及PDFF诊断OP的准确度差异无统计学意义，可能是由于虽然R2^*和FF呈逐渐增加或减少的趋势，但其变化不足以影响OP的诊断。

3.3 局限性及展望

       （1）本研究纳入样本量较小且覆盖的人群范围较为局限，需进一步扩大样本量及拓宽研究对象范围进行深入研究；（2）未纳入与R2^*相关的生化指标，未来将纳入铁相关生化指标如血清铁蛋白、转铁蛋白饱和度、血清铁等，以通过多维度、多指标的综合分析，进一步提升诊断的准确性和可靠性。

4 结论

       综上所述，中老年女性腰椎的R2^*与PDFF值呈现出一种生理性的梯度变化，且R2^*与BMD及PDFF值均存在统计学相关性。在诊断OP方面，R2^*的效能与PDFF相当，然而，当R2^*与PDFF联合使用时，其诊断OP的效能达到最佳。因此，R2^*与PDFF的联合应用可作为MRI无创性评估腰椎OP的一种有效补充诊断手段。