擴散加權成像和磁共振波譜成像在診斷椎體良、惡性病變中的應用

高才良，董國禮，曾南林

(川北醫(yī)學院附屬醫(yī)院放射科，四川 南充 637000)

擴散加權成像和磁共振波譜成像在診斷椎體良、惡性病變中的應用

高才良，董國禮△，曾南林

(川北醫(yī)學院附屬醫(yī)院放射科，四川 南充 637000)

臨床上對不同病因引起的椎體病變，其治療方法、原則及預后差別大相庭徑，因此正確找出椎體病變的病因對制定治療原則及方案便顯得十分重要。近年來，隨著MR硬件和軟件的迅速發(fā)展，磁共振擴散加權成像(Diffusion-weight imaging，DWI)及磁共振波譜成像(Magnetic resonance spectroscopy，MRS)技術在椎體良、惡性病變診斷及鑒別診斷中顯現(xiàn)出良好的應用前景。

擴散加權成像;表觀擴散系數(shù);磁共振波譜

椎體壓縮性骨折在臨床上相當常見，按照病因我們把其分為良性骨折和惡性骨折［1］。然而因骨質疏松、良性腫瘤或感染性疾病等良性病變引起的椎體壓縮性骨折形態(tài)上可類似于惡性壓縮性骨折，且合并有腫瘤病史者并不少見［2］，使得部分良、惡性壓縮性骨折在傳統(tǒng)放射學圖像上表現(xiàn)非常相似，就很難做出準確診斷［2－4］。在常規(guī)MRI診斷的基礎上，隨著DWI和MRS技術的不斷進步，MR功能成像在椎體良、惡性病變診斷及鑒別診斷中成為新的研究熱點。DWI和MRS均為無創(chuàng)的MR功能成像技術。DWI是用MRI成像中的特殊序列來觀察組織中水分子的微觀擴散運動的一種MRI功能成像，通過檢測生物體內水分子運動狀態(tài)的改變來間接反映組織結構和細胞密度等信息。除了可以直接觀察組織信號改變外，還能通過計算表觀擴散系數(shù)(Apparent diffusion coefficient，ADC)值來對病變進行量化分析。MRS是一種利用磁共振現(xiàn)象及化學位移作用，進行一系列特定原子核及其化合物分析的方法。

1 原理及技術

1.1 DWI的基本原理及常用序列

DWI又稱彌散成像，屬于MRI功能成像，利用水分子在梯度磁場中相位不一致而造成的信號衰減來成像［5－6］。能夠在微觀水平上反映水分子的無序運動，從而對活體組織內水分子的擴散運動加以分析。由于不同組織中水分子所處的環(huán)境不同，其擴散運動就有差異，從而導致DWI信號的不同。在DWI上用ADC來描述水分子運動濃度所造成的差異，水分子在活體局部組織內的擴散能力可以用ADC值(mm2/S)來表示，從而對病變進行定量分析。定量分析使結果更具可比性，減少人為主觀因素的影響［7］。組織的ADC值和組織細胞的構成關系，用公式:ADC=(S低/S高)/(b高－b低)表示，S低為低擴散敏感系數(shù)(b)值時DWI信號強度，S高為高擴散敏感系數(shù)(b)值時DWI信號強度［8］。b值(s/mm2)即擴散敏感系數(shù):b=γ2G2δ2(Δ－δ/3)，γ為磁旋比，G和δ分別為彌散脈沖的強度和持續(xù)時間，Δ則為兩個脈沖之間的時間間隔。

擴散信號的獲取包括自旋回波序列的磁共振擴散加權成像、受激回波序列的磁共振擴散加權成像、穩(wěn)態(tài)自由進動序列的磁共振擴散加權成像和平面回波序列的磁共振擴散加權成像等多種類型，但在獲得高的信噪比、好的彌散圖像，降低偽影及縮短檢查時間等方面，上述檢查序列各有優(yōu)缺點。

1.2 MRS的基本原理及技術

MRS是一種無創(chuàng)性的檢查方法，亦屬于MRI功能成像，是在形態(tài)成像基礎上，提供被檢測組織的代謝信息。MRS采集的是化學位移變化的微小信息，然后通過增益放大后經(jīng)傅立葉轉換將其變換為MR波譜。不同化合物的化學位移各不同，各自產(chǎn)生的信號強度就不同，從而MRS便可對不同的化合物進行系列的分析。任何有適當自旋數(shù)目的原子核都可以獲得MRS。相對于其他原子核，氫質子在人體中含量較豐富且具有磁化率，所以最常應用于臨床的是1H波譜［9］。

磁共振波譜分析常用的基本采集方法包括受激回波采集方法(stimulated echo acquisition mode，STEAM)和點分辨波譜成像(point resolved spectroscopy，PRESS)兩種。STEAM有特點如下:①可以選擇很短的回波時間(echo time，TE);②信號不用完全恢復，J偶聯(lián)效應SE序列小;③形成精確的容積(體素)。最初的MRS多用此技術，然而隨著射頻技術的改進，純的180°射頻脈沖得以產(chǎn)生，STEAM的應用便減少。而PRESS有如下特點:①信噪比相對高，可達STEAM的兩倍，由于具有較高的信噪比，便可縮短采集時間，從而成為目前臨床上應用相對較多的采集技術;②對質子的彌散相對不敏感。

MRS無論采用PRESS還是STEAM定位，均可選擇單體素(single voxel，SV)或多體素(multi voxel，MV)技術。SV技術應用相對較廣泛，一般成像時間在3～5 min左右，體素通常取2 cm×2 cm×2 cm，對于小的局灶性病變，體素還可縮小。SV時采集的興趣區(qū)則要避開磁敏感偽影區(qū)及脂肪等。然而SV技術的主要缺陷則是解剖范圍覆蓋相對較小，即采集一次只能分析一個區(qū)域，對體素放置的位置要求也較高，使得其應用趨于減少。MV技術可行二維單層面成像或三維多層面成像。MV可同時獲取活體組織多個體素的代謝信息，并同時顯示病變組織及周圍組織被侵犯的情況。在對稱性的組織結構中(如腦等)可與同時采集對側的正常組織進行對照性分析，并可將不同代謝物的分布情況通過后處理成偽彩圖同時顯示在磁共振圖像上，因此相對SV技術能夠提供更多、更直觀的代謝信息，從而對分析和診斷更為有利，使得MV具有更大的臨床應用價值及前景。

2 臨床應用

2.1 DWI在椎體良、惡性病變診斷中的價值

脊柱骨骼良、惡性病變的發(fā)病原理不同，致使它們細胞外的水分子擴散狀況就大相徑庭:良性病變引起椎體骨髓水腫、出血，使得細胞外可自由活動的水分子相對增多，擴散變加快，ADC值就增大;然而椎體為惡性病變時，因為腫瘤細胞的浸潤、局部堆積，所以細胞外的空間相對減少，從而水分子的運動就受到一定的限制，故ADC值降低。正常椎體的ADC值(≈2.7－3.3×10－4 mm2/S)低于椎體良性壓縮性骨折的(3.4±0.5)×10－4 mm2/S，但高于椎體惡性病變的ADC值(1.9±0.3)×10－4 mm2/S［3］。亦有椎體惡性病變的ADC值高于正常椎體的報道［10］。Chan等［10］認為這可能是椎體轉移性腫瘤組織間隙中自由水成分的含量高于正常的椎體有關。

由于DWI信號強度與ADC值呈負相關關系:即彌散越快的組織，信號衰減就越大，ADC值就高，但在DWI上呈低信號，ADC圖上呈高信號;相反彌散越慢的組織，則呈相反表現(xiàn)［11］。Baur等［12］用SSFP-DWI序列，b值=165 s/mm2對39個椎體(含良、惡性椎體壓縮性骨折)進行了前瞻性研究，結果示:骨質疏松組骨折與鄰近正常骨髓相比呈等或低信號;而轉移性腫瘤組致椎體壓縮性骨折呈高信號。但不是所有的轉移性腫瘤致椎體壓縮性骨折均為高信號［13－14］。Castillo等［14］認為這可能與成骨轉移、治療后骨髓纖維化或硬化等原因有關。

2.2 MRS在椎體良、惡性病變鑒別診斷中的價值

正常骨髓主要成分為紅骨髓和黃骨髓，兩者所含脂肪和水成分明顯不同。正常成人椎體紅骨髓的脂肪含量(fat fraction%，F(xiàn)F%)一般為25%～30%，且隨著年齡的增長紅骨髓含量逐漸減少，但脂肪含量卻逐漸增多［15－16］，脂水比(lipid－water－ratio，LWR)亦增大［16－17］。且椎體骨髓脂肪含量隨年齡增長而增多的趨勢男性較女性更顯著［18］。MRS可提供活體組織的生化信息和代謝狀態(tài)，在顯示組織的生化特征方面較傳統(tǒng)磁共振成像(conventional magnetic resonance imaging，cMRI)好［19－21］。由于代謝異常一般較結構的變化早，MRS可檢測到cMRI不能顯示的異常［9］。MRS對椎體骨髓脂肪含量的分析得出骨質疏松組高于骨量減少組和正常組［15，22－24］。Schellinger等［25］對22例脊柱良性骨損傷患者研究得出，損傷骨髓的脂肪含量明顯高于對照組。

由于脊柱良、惡性病變的病理基礎不同，其脂肪與水的含量及比例也就有明顯差異，其代謝過程也完全不同，兩者化學位移就有顯著區(qū)別，然而MRS是定量檢測它們最敏感的手段，可有效地鑒別兩者［26］。虞志康等［26］對37例骨質疏松病人和21例惡性腫瘤所致椎體壓縮性骨折的研究結果顯示，骨質疏松組的平均LWR和FF%為1.75和67.0%±14.3，明顯高于惡性腫瘤組的0.1和1.8±1.2%，亦較高于正常對照組腰2椎體的0.76和45.0%±20.2;轉移瘤組的LWR和FF%明顯低于正常對照組［26－27］。Anik等［28］研究了15例脊柱結核和15例轉移瘤后，發(fā)現(xiàn)結核組的LWR和每個病灶的水含量指數(shù)較轉移瘤組高，但無統(tǒng)計學意義。然而Anik等［28］認為MRS作為一種非創(chuàng)傷性技術，可在脊柱結核與轉移瘤等脊柱骨髓疾病的鑒別診斷方面提供重要線索。

2.3 彌散加權成像和磁共振波譜的相關性

DWI和MRS作為目前無創(chuàng)性檢測活體組織的技術，無論是直接觀察信號的改變，還是通過檢測代謝物信息及計算ADC值對病變進行量化分析，都為脊柱良、惡性病變的診斷及鑒別診斷提供了客觀可靠的診斷依據(jù)，使得兩者具有特定的相關性。Tang等［23，24］用Philips公司Gyroscan 1.5T超導型MR分別對78例和102例絕經(jīng)后婦女進行研究，結果顯示椎體骨髓FF%與ADC值呈負相關關系。

3 展望

MRI已成為顯示骨髓組織最好的影像技術［29］。國內外利用DWI和MRS對椎體良、惡性病變的診斷及鑒別診斷的研究已取得了可喜的成效。但是對MR設備和檢查條件的要求相對較高，且準確定位也是檢查成功的關鍵，且MRS和DWI技術在骨骼肌肉系統(tǒng)的疾病中應用剛剛起步，對各項評價指標的完善需作深人細致的研究。但隨著MR設備及相關檢查序列、技術的不斷完善，MRS和DWI在椎體良、惡性病變的診斷及鑒別診斷中必將擁有更加廣闊的應用前景。

［1］劉興華，董國禮.良惡性椎體壓縮性骨折的MRI診斷與鑒別診斷研究進展［J］.川北醫(yī)學院學報，2009，24(4):367－371

［2］Uetani M，Hashmi R，Hyashi K.Malignant and benign comprehension fractures:differentiation and diagnostic pitfall on MRI［J］.Clin Radiol，2004，59(2):124－131

［3］Zhou XJ，Leeds NE，McKinnon GC，et al.Characterization of benign and metastatic vertebral compression fractures with quantitative diffusion MR imaging［J］.AJNR Am J Neuroradiol，2002，23(1):165－170

［4］Falcone S.Diffusion-weighted imaging in the distinction of benign from metastatic vertebral compression fractures:is this a numbers game［J］.AJNR Am J Neuroradiol，2002，23(1):5－6

［5］ZENG Hong-wu，WANG Pei-jun.The principle and difference of diffusion imaging and diffusion tensor imaging［J］.Chin J Med Imaging Technol，2005，21(12):1945－1947

［6］曾旭，董國禮，曾南林.MR擴散加權成像在鑒別脊椎良惡性骨折中的研究進展［J］.川北醫(yī)學院學報，2009，24(6):607－609

［7］林帆，雷儀，李楊彬，等.磁共振雙回波技術與表觀擴散系數(shù)的定量分析聯(lián)合鑒別脊柱單純性骨折與轉移瘤［J］.實用放射學雜志，2009，25(12):1785－1789

［8］段如剛，杜勇，楊漢豐.磁共振擴散加權成像對肝臟局灶性病變的評價［J］.川北醫(yī)學院學報，2010，25(1):82－87

［9］Daniclsen ER，Ross B.Magnetic resonance spectroscopy diagnosis of neurological diseasese［M］.New York:Marcel Dekker，1999.1－43

［10］Chan JH，Peh WC，Tsui EY，et al.Acute vertebral body compression fractures:discrimination between benign and malignant causes using apparent diffusion coefficients［J］.Br J Radiol，2002，75(891):207－214

［11］Kuker W，Weise J，Krapf H，et al.MRI characteristics of acute and subacute brainstem and thalamic infarctions:value of T2-and diffusion-weighted sequences［J］.J Neurol，2002，249(1):33－42

［12］Baur A，Stiibler A，Huber A，et al.Diffusion-weighted MR imaging of spinal bone marrow［J］.Seminars in Musculoskeletal Radiology，2001，5(1):35－41

［13］Ozgur O，Ztekin E，Hilal Adibelli Z，et al.SSH-EPI diffusionweighted MR imaging of the spine with low b values:is it useful in differentiating malignant metastatic tumor infiltration from benign fracture edema［J］.Skeletal Radiol，2009，38(7):651－658

［14］Castillo M，Arbelaez A，Smith KJ，et al.Diffusion－weighted MR imaging offers no advantage over routine noncontrast MR imaging in the detection of vertebral metastases［J］.AJNR Am J Neuroradiol，2000，21(5):948–953

［15］Yeung DK，Griffith JF，Antonio GE，et al.Osteoporosis is associated with increased marrow fat content and decreased marrow fat unsaturation:a proton MR spectroscopy study［J］.J Magn Reson Imaging，2005，22(2):279－285

［16］尚偉，林強，余衛(wèi)，等.氫質子MR波譜評估骨質疏松的初步研究［J］.中華放射學雜志，2009，41(9):947－951

［17］Chen WT，Shih TT.Correlation between the bone marrow blood perfusion and lipid water content on the lumbar spine in female subjects［J］.J Magn Reson Imaging，2006，24(1):176－181

［18］Liney GP，Bernard CP，Manton DJ，et al.Age，gender，and skeletal variation in bone marrow composition:a preliminary study at 3.0 Tesla［J］.J Magn Reson Imaging，2007，26(3):787－793

［19］Kadota T，Horinouchi T，Kuroda C.Development and aging of the cerebrum:assessment with proton MR spectroscopy［J］.AJNR，2001，22(1):128－135

［20］Rudkin TM，Arnold DL.Proton magnetic resonance spectroscopy for the diagnosis and management of cerebral disorders［J］.Arch Neurol，1999，56(8):919－926

［21］Burtscher IM，Stahlberg F，Holtas S.Proton(1H)MR spectroscopy for routine diagnostic evaluation of brain lesions［J］.Acta Radiologica，1997，38(6):953－960

［22］Griffith JF，Yeung DK，Antonio GE，et al.Vertebral bone mineral density，marrow perfusion，and fat content in healthy men and men with osteoporosis:dynamic contrast-enhanced MR imaging and MR spectroscopy［J］.Radiology，2005，236(3):945－951

［23］G.Y.Tang，Z.W.Lv，R.B.Tang，et al.Evaluation of MR spectroscopy and diffusion-weighted MRI in detecting bone marrow changes in postmenopausal women with osteoporosis［J］.Clinical Radiology，2010，65(5):377–381

［24］LIU Yong，TANG Guang-yu，TANG Rong-biao，et al.Assessment of bone marrow changes in postmenopausal women with varying bone densities:magnetic resonance spectroscopy and diffusion magnetic resonance imaging［J］.Chin Med J，2010，123(12):1524－1527

［25］Schellinger D，Lin CS，Hatipoglu HG，et al.Potential value of vertebral proton MR spectroscopy in determining bone weakness［J］.AJNR Am J Neuroradiol，2001，22(8):1620－1627

［26］虞志康，嚴志漢，周云新，等.脊柱良惡性壓縮骨折的MR波譜分析［J］.中華放射學雜志，2006，40(4):410－414

［27］趙秀芹，林青，徐文堅，等.脊柱轉移瘤的3.0T氫質子磁共振波譜初步觀察與分析［J］.醫(yī)學影像學雜志，2009，19(7):899－902

［28］Anik Y，Cifti E，Sarisoy HT，et al.MR spectroscopy findings in tuberculous spondylitis;comparison with Modic type-I end-plate changes and metastatic vertebral disease［J］.Eur J Radiol，2009，71(2):324－332

［29］黃仲奎.不斷加強血液病骨髓MRI研究與臨床應用推廣［J］.中華放射學雜志，2011，45(9):805－806

Application of diffusion weighted imaging and magnetic resonance spectroscopy in identifying vertebral benign and malignant diseases

GAO Cai-liang，DONG Guo-li△，ZENG Nan-lin
(Department of Radiology，the Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College，Nanchong 637000，Sichuan，China)

As therapeutic principles and prognosis were different to vertebral body lesions caused by different cases，the accurate diagnosed cause is particularly important in establishing treatment strategies.In recent years，with the rapid development of MR hardware and software，Diffusion-weight imaging and Magnetic resonance spectroscopy technology have had a broad application prospect in differentiating and diagnosed benign and malignant vertebral disease.

Diffusion-weight imaging;Apparent diffusion coefficient;Magnetic resonance spectroscopy

1005-3697(2012)06-0627-04

R445.2;R681.5;R738.1

A

10.3969/j.issn.1005-3697.2012.06.028

四川省衛(wèi)生廳科研項目(100153)

2012-03-12

高才良(1984－)，男，重慶墊江人，碩士研究生，主要從事CT/MRI影像診斷研究。

△通訊作者:董國禮，E-mail:guoli_d@163.com網(wǎng)絡出版時間:2012-11-1217∶13

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1254.R.20121112.1713.019.html