协会MRS-Based椎骨髓脂肪分数与骨骼强度人类体外模型

文摘

骨髓脂肪过多最近引起了人们的关注由于其与骨质疏松的病理生理学。在这项研究中,十个椎骨收获从新鲜的人类尸体。从多层螺旋ct小梁BMD和微结构参数提取。骨髓脂肪分数测定使用single-voxel太太破坏载荷(FL)值被破坏性的生物力学测试评估。显著的相关性()之间的观察MRS-based脂肪分数和MDCT-based参数()和MRS-based脂肪分数和FL ()。这些发现强调的重要性骨髓的病理生理学和成像诊断骨质疏松症。

1。介绍

骨质疏松症是一种全身性骨骼疾病,其特征是减少骨矿物质密度和microarchitectural恶化,影响骨骼强度,增加骨折的风险(1]。磁共振成像(MRI)是一种电离无辐射成像模式,应用程序可能是有益的老年人口监测发生率、进展、治疗骨质疏松症。由于缺乏骨基质的信号在常规MRI序列,高分辨率核磁共振成像的骨小梁之前完成依赖骨髓信号周围骨基质(2,3]。骨髓是指组织占领小梁骨内的蛀牙。骨折椎体,最重要的一个网站,充满了红色的骨髓,这是一种造血的血红细胞和脂肪细胞的混合物。尽管最近进展(4,5),骨小梁的直接高分辨率成像是有限的在远端站点(例如,半径、胫骨或跟骨)及其应用红色骨髓地区仍然是技术挑战性。先前的MRI调查研究选择间接措施红髓骨小梁数量和质量的区域,包括方法旨在测量主要是骨髓(6,7]。

另一个属性的骨髓,最近引起重大关注由于其潜在的与骨质疏松病理生理学协会,是它的脂肪含量(8- - - - - -10]。它一直知道骨髓脂肪含量随着年龄的增加(11]。调查采用single-voxel磁共振光谱学先生(夫人)最近所示椎骨髓脂肪含量随着年龄的增加在大规模的体内研究[12,13]。除了与年龄相关的骨髓脂肪含量的变化,最近的体内研究表明,骨髓脂肪含量的增加与减少骨矿物质密度(BMD) (7,14- - - - - -20.]。此外,有数量有限的研究分析transiliac骨活检样本显示骨髓脂肪过多和骨微观结构之间的关联(21]。

BMD是骨强度的主要因素(22]。此外,它已被证明,成像进行骨小梁微结构和纹理参数(使用主要是计算机断层扫描(CT)和它的变体)可以添加重要的信息超出BMD预测骨强度(23,24]。基于负关联BMD和椎骨髓脂肪含量,先前的研究最近提议MRS-based骨髓脂肪量化作为一个潜在的无创性预测骨折风险的生物标志物。然而,许多这些研究使用双x线吸收仪(DXA对)BMD测量,包括因此贡献从骨小梁和皮质骨的格子里报道BMD测量(7,15- - - - - -17]。此外,没有以前的基础上直接调查骨髓脂肪含量和生物力学强度之间的关系。确定骨髓脂肪含量之间的关系和骨小梁微结构参数需要抽样比获得更大的标本活检。多重的体外研究骨标本结合CT和夫人测量与生物力学测试需要研究上述关系。

因此,本试验研究的目的是调查的相关性MRS-based质子密度脂肪分数与BMD /骨小梁微结构参数获得经由CT (MDCT)检测测量和骨强度决定从生物力学测试,使用人类椎尸体标本。

2。材料和方法

2.1。标本

十个椎骨之间胸椎5和10 (T5-T10)从四个新鲜的人类尸体(1女人和3个男人;平均年龄±标准差(SD) 58±12年)。捐赠者没有病态史非骨质疏松症(即骨变化。、骨转移、血液或骨代谢障碍)。捐赠者有专用的身体教育和研究目的局部解剖学研究所的死亡之前,符合当地机构和立法要求。从捐赠者获得书面知情同意。这项研究是审查和批准的当地机构审查委员会。

周围的肌肉,脂肪组织,从椎骨和椎间盘被完全移除。每个椎骨是嵌入在树脂(Rencast Isocyanat和多元醇,亨茨曼集团,坏Sackingen,德国)2毫米上下椎体终板的生物力学测试的目的。树脂固定进行平行排列的上部和下部的椎骨终板的外表面树脂楔保证严格的轴向加载条件下的脊椎在单轴生物力学测试。为目的的保护,椎骨都存储在冰箱在4°摄氏度在氯化钠溶液中研究和脱气前至少3 h成像,以防止空气工件。椎骨被密封在真空塑料盒充满氯化钠溶液在成像。

2.2。多层螺旋ct成像

经由电脑断层(MDCT)椎骨的图像是通过使用一个全身256 -行CT扫描仪(iCT、飞利浦医疗保健、最好、荷兰)。扫描参数管120千伏峰值电压,负载585 mAs的管道,1024×1024像素的图像矩阵,和150毫米的视野。横向部分和高分辨率重建骨内核(你们)。真正的空间分辨率为230×230×600μ米³确定在ρ50的调制传递函数。专用校准幻影(Mindways骨质疏松幻影、旧金山、钙、美国)被放置在扫描仪垫下的椎骨。

2.3。多层螺旋ct图像分析

多层螺旋ct图像被转移到一个远程LINUX工作站和加载到一个内部开发的程序基于IDL(交互式数据语言,研究系统,博尔德有限公司,美国)。放射科医生进行多层螺旋ct图像分析的所有步骤。首先,每个椎骨的外轮廓是横向分割部分。然后,横截面积是决定在每一节获得的平均和最小横截面积每个脊椎。其次,二十个最中央切片显示椎等距部分被确定(图1(一))。类似于夫人盒子(如下面所列),感兴趣的矩形区域(roi)面积12×12毫米²手动放置在脊椎的中心选择20片的多层螺旋ct图像。最后,roi的阶段被吸引的校准幻影多层螺旋ct图像。

意味着BMD的roi计算转换的像素衰减Hounsfield单位(胡)在钙羟磷灰石BMD值(毫克/厘米³通过使用校准幻影。后来,多层螺旋ct图像的关键计算骨小梁微结构参数。一个优化的全局阈值应用到所有多层螺旋ct图像。类似于之前的研究,200毫克/厘米³羟磷灰石钙被确认为优化全局阈值(25,26]。两个的形态学参数计算roi的类比标准histomorphometry使用平均截距长度方法(27]:骨体积除以总量(BV /电视)和小梁号码(TbN;(毫米⁻¹])。此外,分形维数(FD)纹理测量多层螺旋ct图像中的骨小梁微结构决定使用一个盒子计数算法如前所述[26]。

2.4。先生成像和光谱

3 T的椎骨进行扫描全身扫描仪(Ingenia,公司飞利浦医疗保健、最好、荷兰)使用摘要肢体线圈。先生考试包括两个脂肪抑制质子密度——(PD)加权涡轮旋转回声(TSE)序列(一个模仿矢状解剖取向和一个轴向椎骨的解剖定位)和一个single-voxel夫人序列。东京证交所序列参数序列TE / TR = 40/3165毫秒,谢霆锋因素= 11,FOV = 130×130, 25片,切片厚度= 1.5毫米,BW = 156.7赫兹/像素。

基于样本几何PD-weighted序列(图中概述1 (b)),体素被选中在椎体的中心执行single-voxel(12×12×12毫米³)夫人使用刺激回波采集模式(蒸汽)序列参数:TR = 6 s(长TR删除任何影响),TE = 12/15/20/25女士(蒸汽短TE减少j耦合效应),平均10 / TE, 2阶段周期,4096数据点,5 kHz收购带宽,抑制没有水,没有区域饱和乐队。体素位置是这样化学位移位移影响由于有限的带宽使用射频脉冲用于立体像素定位夫人被最小化。先生代表光谱在不同te是图所示1 (c)。

2.5。,光谱分析

光谱是安装使用高斯线形状和内部frequency-based方法基于MATLAB (MathWorks纳蒂克,MA)例程。图1 (d)显示了一个典型的骨髓脂肪频谱与脂肪峰观察到光谱位置为0.9,1.30,1.59,2.00,2.25,2.77,4.2,5.19,和5.31 ppm。字母A、D和E被分配到峰值为0.9 ppm (),2.77 ppm (ch = CH-CH₂CH = CH -), 4.2 ppm (CH₂分别-O-CO -)。字母B被分配到波峰的叠加1.30 ppm ()和1.59 ppm (-CO-CH₂ch₂-),字母C被分配到波峰的叠加2.00 ppm (ch₂ch = CH-CH₂-)和2.25 ppm (-CO-CH₂ch₂-),字母F被分配到波峰的叠加5.19 ppm (-CH-O-CO)和5.31 ppm (CH = CH -)。两个水峰占短期和长期水组件(28]。

峰值拟合是由约束山峰E和F在给定的面积比峰值a + B,基于骨髓甘油三酸酯的化学结构决定之前(28]。常见的线宽是假定所有脂肪峰和独立的线宽值是适合两个水峰,导致三线宽自由变量的总数。脂肪峰值位置可以随±0.05 ppm和水峰值位置可以随±0.50 ppm。光谱的峰值拟合进行单独的测试。修正使用非线性最小二乘拟合,然后执行假设相同的弛豫时间值为所有脂肪峰和水的不同的值弛豫时间。派生的质子密度脂肪分数被确定为所有脂肪峰的比值(A, B, C, D, E, F)地区的总和所有脂肪高峰和狭窄(长水峰面积(即)。,excluding the broad-short水峰面积)(28]。

2.6。生物力学测试

树脂嵌入式椎骨被固定在机械测试系统(Wolpert Werkstoffprufmaschinen AG)、Schaffhausen、瑞士)。生物力学测试执行类似于先前的研究[26,29日]。首先,十预处理与单轴循环方法多达400 N和N之间的负载与5毫米/分钟的速度。然后,单调,单轴压缩以同样的速度进行。梁进行被记录下来,椎体破坏载荷(FL)被定义为第一个峰值荷载位移曲线的下降之后> 10%。

2.7。统计分析

所有使用SPSS统计分析(美国SPSS,芝加哥,IL)。所有的测试进行了基于0.05水平的意义。的均值和SD MR-based(脂肪分数),MDCT-based(骨密度和骨小梁微结构参数),以及生物力学试验(每个椎骨的破坏载荷除以每个椎骨的最小横截面积,即。规范化的破坏载荷)参数计算十测量椎体。Kolmogorov-Smirnov测试显示所有参数从正态分布无显著差异()。因此,不同参数之间的相关性与线性回归模型计算和表达为斜率系数,其标准误差、相关系数,它的价值。由于样本量相对较小的试点研究,结果验证了自展技术(30.]。1000年引导我们的数据是由随机抽样的样本。统计结果表示为引导派生标准误差的系数和回归模型的价值。

3所示。结果

图1 (c)显示了光谱获得的在不同的测试工程师在脊椎上,确认更快放松的水峰比脂肪高峰和验证的必要性修正得到一个质子密度脂肪分数。图1 (d)显示了实验测量光谱和光谱拟合。有很强的脂肪峰重叠E和F和水峰,验证需要约束拟合峰E和F实现一个可靠的估计水的高峰。

表1总结了统计(平均值和SD值)的主要测量参数。质子密度脂肪分数范围从26%到43%的平均值32%和5%的SD。脊椎的横截面积从4.9厘米不等²- 9.7厘米²平均值为6.5厘米²和一个SD的1.5厘米²。规范化FL从157 N /厘米不等²798 N /厘米²平均值为442 N /厘米²和一个SD 251 N /厘米²。均值和SD值BMD和小梁微结构参数(BV /电视,TbN,和FD)也在表中列出1。

图2(一个)显示了一个负相关的质子密度脂肪分数与BMD (,)。图2 (b)显示了一个负相关的质子密度脂肪与规范化FL分数(,)。质子密度脂肪比例也与小梁微结构参数,显示趋势接近统计学意义(BV /电视、TbN和FD(表2)。

规范化FL显示强烈的相关性与BMD和小梁微结构参数与相关系数介于0.83和0.90(表2)。引导派生标准误差的系数和所有的价值回归模型验证结果(表2)。

4所示。讨论

目前的体外研究调查,使用人类脊柱标本,之间的关系MRS-based椎骨髓脂肪分数,质子密度MDCT-based措施BMD和小梁微结构和生物力学强度。很强的相关性之间观察到的生物力学强度和骨密度和生物力学强度和小梁微结构之间的参数。之间的相关性也观察到骨髓质子密度脂肪分数和生物力学强度,提供第一次直接验证之间的负面关系骨质和骨髓脂肪含量。

骨髓脂肪含量和骨密度之间的关系已经在多个调查之前的研究(7,14- - - - - -21]。具体来说,以往的作品表明在统计上有显著差异的骨髓脂肪含量控制和主题之间与骨量减少及骨质疏松症(根据DXA-based分组分数)[16- - - - - -18]。它也已经表明,脂肪含量之间存在负相关,DXA-based BMD (7,15]。DXA-based BMD测量的限制,其中包括来自骨小梁和皮质骨组件。没有直到最近,小梁BMD值基于定量ct被用来研究骨小梁密度之间的关系和骨髓脂肪含量(16,20.]。本研究使用因此MDCT-based小梁BMD措施不包括皮质骨隔间的贡献BMD和骨髓脂肪含量之间的研究。体内测量椎小梁微结构参数不会合理的利用多层螺旋ct在临床常规由于需要高空间分辨率和相关的剂量限制(有效剂量的估计3 mSv根据Graeff et al。31日])。这就是为什么体外多层螺旋ct数据采集的标本之间建立任何联系构成一个有意义的一步小梁微结构参数和骨髓脂肪含量。

骨髓脂肪含量之间的负相关和骨骼密度已被证明在多个最近的研究(7,14- - - - - -20.]。提出了不同的机制来解释这种消极的协会,表明骨髓脂肪不仅仅是一个“填充”的骨基质蛀牙9]。拟议中的间充质干细胞分化机制包括漂移,有利于脂肪生成osteoblastogenesis [32]或直接影响脂肪细胞的抑制osteoblastogenesis [33]。同时,众所周知,骨密度和生物力学强度呈正相关(22]。目前的研究显示了一个负面骨髓脂肪含量和生物力学强度之间的联系和提供了我们所知的第一个直接验证骨髓脂肪含量和生物力学强度之间的联系。因此,目前的结果补充现有知识中骨髓脂肪过多的重要性理解病理生理学的骨骼削弱和价值MRS-based质子密度脂肪的骨髓作为一个额外的有用参数监测骨质疏松诊断、进展和治疗。然而,未来需要更大规模的研究来理解骨髓脂肪含量是否能成为骨骼强度的预测校正后骨密度的影响。

本研究使用single-voxel先生光谱测量骨髓质子密度脂肪分数。占收购与多个测试工程师执行影响和约束拟合的方法是采用考虑骨髓甘油三酯结构以避免脂肪的包容山峰E和F在水中峰值信号(28]。的考虑效果和存在的二级脂肪峰和水(E和F)重叠峰的目的是提取的质子密度脂肪部分骨髓代替signal-weighted脂肪分数报道在以前的作品(16- - - - - -18]。通过使用这种光谱分析方法和合适的参数选择先生(长TR删除任何减少j耦合效应的影响和短te),使用一个夫人刺激回波采集模式(蒸汽)预制在我们目前的研究可以成功申请体内骨髓脂肪量化最近近端股骨和脊柱(所示28,34]。

Single-voxel夫人一直是最常用的技术来测量骨髓脂肪含量在不同的地区,包括椎体和近端股骨。然而,single-voxel夫人提供了空间分辨率很差,这是一个重要的限制,当应用于骨髓脂肪含量的空间非均匀分布(地区28]。定量水脂成像技术已经申请了测量骨髓质子密度脂肪分数高空间分辨率与夫人single-voxel好协议后适当的混杂因素(占28,35,36]。

本研究有一定的局限性。首先,样本容量相对较小。这个相对较小的样本量可能负责没有达到统计学意义(但)研究骨髓脂肪含量之间的关系和某些小梁微结构参数(TbN和FD)。其次,考虑到有限的空间分辨率的多层螺旋ct, MDCT-based小梁微结构的测量值不能描绘真实的小梁结构。然而,它已被先前表明,histomorphometric测量与评估多层螺旋ct和ct机相关显著(37]。它最近还表明,破坏载荷与骨小梁微结构参数的相关性获得多层螺旋ct和高分辨率的外围定量ct (HR-pQCT)不明显不同26]。第三,imaging-derived测量是有限的在骨骼强度的预测一个完整的脊椎,因为他们不占在侧,皮质外壳和后元素。

总之,一个消极的关系观察骨髓质子密度脂肪分数和小梁BMD和消极的关系观察骨髓质子密度脂肪分数和生物力学强度。体外研究证实了之前报道负面骨髓脂肪含量和骨密度之间的联系,并提供第一个直接体外验证骨髓脂肪含量之间的负相关和骨强度。这些发现强调的重要性骨髓的病理生理学和成像诊断骨质疏松症。

利益冲突

作者没有利益冲突。

确认

目前研究部分由飞利浦医疗(Dimitrios c . Karampinos)和德意志Forschungsgemeinschaft (DFG)赠款DFG英航4085/2-1(简·s·鲍尔)和脱硫英航4906/1-1(托马斯·鲍姆)。此外,它支持的脱硫和资金计划内的慕尼黑科技大学开放获取出版。这项工作是2014年年会ISMRM在米兰的口语会话和收到一名优等生的奖。

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