椎体骨髓脂肪的区域性变异：基于人群的年龄与性别特异性图谱

《Skeletal Radiology》：Regional variation in vertebral bone marrow adiposity: a population-based atlas of age- and sex-specific patterns

　　

摘要 背景：骨髓脂肪组织（BMAT）是一种代谢活跃的脂肪库，与骨骼老化和全身代谢密切相关。尽管化学位移编码磁共振成像（MRI）能够无创量化骨髓脂肪分数（BMFF），但目前对椎体BMAT的认识仍主要局限于小规模队列或有限的解剖区域。 目的：旨在表征脊柱各段椎体骨髓脂肪分数的空间分布，并在一个人群为基础的队列中确定其与年龄和性别的区域特异性关联。 材料与方法：在这项回顾性研究中，分析了2006年至2010年间招募的82,920名英国生物银行（UK Biobank）参与者的MRI数据。基线病例子集（n = 81,318）的平均年龄为54.8 ± 7.6岁，其中42,113/81,318（51.8%）为女性。自动化椎体分割实现了基于Dixon MRI的体素级BMFF量化。推导出椎体和区域水平的BMFF指标。采用区域特异性线性回归评估了与年龄和性别的关联。 结果：椎体BMAT呈现非线性的头尾模式。平均BMFF在颈椎约为39%，胸椎约为55%，腰椎约为45%，骶骨约为70%。所有区域的BMAT均随年龄增长而增加（所有p < 0.001；每十年增加值：颈椎3.33%，胸椎3.41%，腰椎2.95%，骶骨3.83%）。在所有区域，女性的BMFF均高于男性（所有p < 0.001）。总体空间模式在不同年龄组和性别间保持一致。 结论：椎体BMAT呈现出结构化的非线性空间分布，并具有区域特异性的年龄和性别依赖模式。这一基于人群的图谱为骨骼和代谢疾病中的区域特异性BMAT评估提供了规范性参考数据。

椎体骨髓脂肪区域性变异的人群图谱研究解读

1. 研究背景与科学问题

骨髓脂肪组织（BMAT）作为一种代谢活跃的脂肪库，在骨骼衰老和全身代谢调控中扮演着重要角色。与其他脂肪库不同，BMAT在衰老、骨质疏松、肥胖及2型糖尿病等多种生理和病理条件下会发生变化，提示其并非惰性填充物，而是可能参与骨骼重塑、造血、能量稳态等过程的活性组织。然而，尽管认识到这种异质性，目前对脊柱全长范围内骨髓脂肪的空间组织知之甚少。以往的人体研究多局限于小样本量或聚焦于特定椎体节段（尤其是腰椎），缺乏对整个脊柱区域差异性的大规模、系统性描述。因此，亟需利用大规模人群影像数据集，建立椎体水平上骨髓脂肪分数的精细图谱，以阐明其空间分布规律及其与年龄、性别的关联。

2. 研究内容、结论与意义

本研究利用英国生物银行（UK Biobank）中82,920名参与者的标准化全身MRI数据，通过自动化深度学习分割技术，首次在人群尺度上系统地刻画了整个脊柱（从颈椎到骶骨）的椎体骨髓脂肪分数（BMFF）空间分布图谱。研究得出三个主要结论：第一，椎体BMAT呈现出显著的非线性头尾分布模式，即颈椎最低（约39%）、胸椎最高（约55%）、腰椎再次降低（约45%），而骶骨达到峰值（约70%）。第二，所有脊柱区域的BMFF均随年龄增长而增加，但增加幅度存在区域差异，以骶骨最为显著，腰椎最小。第三，在所有脊柱区域，女性的BMFF均高于男性，但这种性别差异的大小也因区域而异，在胸椎和腰椎最为明显，而在骶骨则有所减弱。该研究的重要意义在于提供了一个详尽的、基于人群的椎体BMAT规范性参考图谱，证实了脊柱内存在解剖学上不同的骨髓脂肪分区，并强调了进行区域特异性评估的必要性，为未来研究骨骼老化、骨髓疾病及代谢性疾病提供了关键的基线数据和生物学框架。

3. 主要关键技术方法

研究人员使用了来自英国生物银行（UK Biobank）的82,920名参与者（基线子集81,318人）的标准化全身MRI数据。关键技术包括：①采用标准化的1.5T MRI系统和双回波Dixon序列进行图像采集，实现水和脂肪信号的分离。②应用两种开源深度学习模型——TotalSegmentator和VibeSegmentator——进行自动化椎体分割。前者提供单个椎体的多标签分割，后者识别椎体整体和骶骨区域。通过将两者结合，获得排除后部结构的单个椎体掩膜。③为减少皮质骨和邻近组织的部分容积效应，对椎体掩膜进行了单个体素的面内侵蚀，然后将其应用于Dixon脂肪分数图，逐体素计算BMFF（计算公式为脂肪/（脂肪+水）），并汇总得到椎体水平和区域水平（颈椎、胸椎、腰椎、骶骨）的指标。④由两名放射科医生对2.5%的边界案例进行视觉质量控制的抽样审查。

4. 研究结果

研究人群：分析共纳入82,920名40-79岁的参与者。用于基线描述的完整病例子集包含81,318人，平均年龄54.8±7.6岁，其中51.8%为女性。

脊柱BMAT的空间分布：椎体骨髓脂肪呈现非线性头尾分布模式。平均BMFF在颈椎最低（39.5%），在胸椎升高（54.8%），在腰椎再次下降（44.8%），在骶骨达到最高值（70.3%）。从胸椎到腰椎的过渡表现为明显的BMFF下降，随后在骶骨区域急剧上升。该总体模式在不同年龄和性别分层中保持一致。

年龄与BMAT的关联：所有脊柱区域的BMFF均随年龄增长而增加（所有p < 0.001）。年龄相关增加的幅度存在显著区域差异，骶骨最强（每十年增加3.83%），其次是胸椎（3.41%）和颈椎（3.33%），腰椎增幅最小（2.95%）。

BMAT的性别差异：在所有脊柱区域，女性的BMFF均高于男性（所有p < 0.001）。性别差异的幅度同样因区域而异，在胸椎最大（β = 5.05个百分点），其次是腰椎（β = 3.42）和颈椎（β = 1.78），而在骶骨区域差异最小但仍具统计学显著性（β = 1.39）。

交互作用：在一个联合区域模型中，年龄和性别与BMFF的关联均随脊柱区域的不同而变化（区域与年龄、区域与性别的交互作用，所有p < 0.001），证实了椎体骨髓组成的区域特异性衰老模式和性别差异模式。

5. 讨论总结与研究结论

讨论总结：本研究发现椎体BMAT呈非线性空间分布，而非简单的单一头尾梯度，这可能反映了不同脊柱区域在骨髓组成、血供、机械负荷和造血活性上的差异。例如，骶骨的高BMAT水平可能与更高比例的构成性骨髓一致，而胸椎和腰椎可能保留了更多代谢反应性的骨髓区室。与先前使用更年轻队列的研究相比，本研究观察到的绝对值更高，这强烈反映了年龄依赖性。年龄相关的BMFF增加在所有区域都存在，但强度不同，支持了骨髓脂肪在轴向骨骼中并非均匀调控的观点。女性在所有区域均表现出更高的BMFF，这与之前报道的生命周期中性别交叉现象不完全一致，可能因为本研究主要涵盖中老年人群。这些发现支持了一个模型，即椎体BMAT是一个空间异质且动态调控的组织，而非均一的脂肪库。本研究建立的图谱为未来研究提供了参考框架，并表明在进行骨骼老化、骨髓疾病或代谢疾病研究时，区域特异性评估可能比整体评估更具信息价值。研究局限性包括：使用双回波Dixon序列导致BMFF未完全校正T2*效应，不能与完全校正的质子密度脂肪分数（PDFF）数值互换；研究为横断面设计，无法评估纵向变化；研究对象为40-79岁的UK Biobank参与者，推广至更年轻人群或其他临床队列时需谨慎；虽进行了视觉质量控制，但不能完全排除残余分割误差；主要模型未调整BMI等协变量。

研究结论：椎体骨髓脂肪呈现出结构化的、非线性的跨脊柱空间组织，并具有区域特异性的年龄和性别相关模式。这一基于人群的图谱为椎体BMAT的空间解析评估提供了规范性参考，并支持未来关于骨骼老化、骨骼脆性和代谢性疾病的研究。