磁共振彈性成像在腦組織中的研究及進(jìn)展

王丹丹

天津市寶坻區(qū)人民醫(yī)院 CT室，天津 301800

引言

磁共振彈性成像（Magnetic Resonance elastography，MRE）是一種新的、無(wú)創(chuàng)性的以不同組織彈性特性為基礎(chǔ)的成像方法，不受診斷部位的限制，因此被稱作“影像觸診”。最初由Muthupilla等[1]于1995年報(bào)道，通過(guò)相位對(duì)比MRI技術(shù)獲得剪切模型（也稱作彈性模型），通過(guò)分析證實(shí)該模型與力學(xué)方法測(cè)量有高度相關(guān)性。目前，該成像方法已在臨床應(yīng)用中初步開(kāi)展。

1 MRE成像原理簡(jiǎn)介

相較于傳統(tǒng)MRI技術(shù)，MRE成像需要在外部放置一套激發(fā)裝置，產(chǎn)生的信號(hào)作用于被檢體引起組織質(zhì)點(diǎn)位移，經(jīng)過(guò)MR成像及重組算法得到該組織彈性系數(shù)的分布圖，即彈性圖。

激發(fā)裝置大多采用電磁裝置，用以產(chǎn)生低頻率正弦信號(hào)，該信號(hào)作用于被檢體表面產(chǎn)生低頻率剪切波。同時(shí)進(jìn)行磁共振成像，以梯度回波序列為基礎(chǔ)，施加運(yùn)動(dòng)敏感序列（Motion Sensitive Gradient，MSG），因質(zhì)點(diǎn)會(huì)在垂直于剪切波方向上產(chǎn)生位移，所以施加的MSG方向需與剪切波垂直，且頻率一致、同步進(jìn)行。此時(shí)會(huì)獲得該組織磁共振相位圖像，經(jīng)過(guò)反演重組算法獲得組織彈性系數(shù)分布圖。組織的彈性與剪切模量μ，又稱彈性模量、剪切硬度，是一個(gè)復(fù)雜的物理量，與剪切波的頻率f、剪切波的波長(zhǎng)u、組織的密度ρ有關(guān)[2-3]。在后處理過(guò)程中，還可以得到一個(gè)參數(shù)，即相位角ψ，或空間阻尼比ξ。

2 MRE在腦組織中的研究

目前，MRE技術(shù)已經(jīng)能夠廣泛應(yīng)用于人體眾多組織器官中，特別是慢性肝病患者。由于腦組織組成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及顱骨對(duì)腦的保護(hù)性，使這項(xiàng)技術(shù)在腦組織應(yīng)用中發(fā)展緩慢。直到2008年，才將此技術(shù)第一次應(yīng)用于腦組織中。且隨著技術(shù)的不斷更新，已從單頻率、單參數(shù)成像到多頻率、多參數(shù)成像。

2.1 MRE在健康志愿者中的研究

Kruse等[4]首次應(yīng)用于人腦中，并測(cè)量了健康志愿者全腦組織結(jié)構(gòu)的剪切模量。劉光銳等[5]對(duì)105名健康志愿者進(jìn)行MRE成像，結(jié)果顯示健康人腦、灰白質(zhì)剪切模量存在顯著性差異。Zhang等[6]分別對(duì)大腦與小腦、大腦不同腦葉進(jìn)行定量測(cè)量，結(jié)果顯示不同腦組織間剪切模量存在顯著差異。Johnson等[7]進(jìn)一步對(duì)大腦深部灰質(zhì)各核團(tuán)及深部腦白質(zhì)進(jìn)行研究，各剪切模量同樣存在著差人異性。劉光銳等[5]、Arani等[8]的研究共同表明腦組織的剪切模量與年齡的增長(zhǎng)呈正相關(guān)，但除外小腦組織。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，各腦組織結(jié)構(gòu)剪切模量的不同與其組成的微結(jié)構(gòu)及功能有關(guān)，根據(jù)不同疾病腦組織細(xì)微結(jié)構(gòu)的差異，能夠指導(dǎo)臨床的治療及評(píng)估預(yù)后情況。

對(duì)于性別對(duì)剪切模量的研究較少，大部分學(xué)者認(rèn)為性別與腦組織結(jié)構(gòu)的剪切模量無(wú)相關(guān)性。而Arani等[8]發(fā)現(xiàn)顳枕葉剪切模量與性別有相關(guān)性，且所得到的女性剪切模量要高于男性。這可能與男、女個(gè)性差異有關(guān)。顳枕葉功能與情感記憶有關(guān)。也就是說(shuō)，在探索腦組織不同部位的功能方面，MRE可能是一種新的成像方法。Schwarb等[9]在健康中青年男性人群中采用MRE技術(shù)研究海馬結(jié)構(gòu)彈性特性中發(fā)現(xiàn)，該特性與腦記憶功能有很強(qiáng)的相關(guān)性。這也是首次提出應(yīng)用MRE技術(shù)來(lái)觀察不同組織彈性特性與腦認(rèn)知功能方面的關(guān)系。研究還發(fā)現(xiàn)，在研究海馬區(qū)記憶的相關(guān)性方面，采用MRE得到的腦組織的剪切模量要比測(cè)量海馬體積變化更敏感。

Lucy等[10]選取年輕人（19～30歲）及老年人（66～73歲）作為研究對(duì)象，分別測(cè)量大腦深部灰質(zhì)核團(tuán)（包括杏仁體、尾狀核、蒼白球、殼核、丘腦）及海馬的體積及剪切模量，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果顯示各腦結(jié)構(gòu)體積隨年齡的增加而減小；剪切模量隨年齡的增加而減低。由于隨年齡的增長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)不同程度的腦萎縮和腦白質(zhì)稀疏，這也是該研究選取大腦深部灰質(zhì)核團(tuán)作為研究對(duì)象的原因之一。并且在比較青少年海馬體積及有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)記憶影響的研究中發(fā)現(xiàn)，年長(zhǎng)兒童海馬的體積及彈性均較年幼的兒童大，且經(jīng)常進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的兒童其海馬體積較同齡兒童的大[11]。MRE是以不同組織結(jié)構(gòu)的彈性特性為基礎(chǔ)的一種成像方法，也可以應(yīng)用于青少年中，但目前沒(méi)有應(yīng)用于青少年的相關(guān)報(bào)道。

在所有研究中，選擇感興趣區(qū)時(shí)，都要盡可能避開(kāi)腦室、腦脊液等干擾因素，遠(yuǎn)離大腦皮層下結(jié)構(gòu)[12]。

2.2 MRE在神經(jīng)退行性變中的研究

基于前期對(duì)MRE可行性應(yīng)用的研究成果，現(xiàn)已將該技術(shù)應(yīng)用于顱腦疾病的研究中。神經(jīng)系統(tǒng)退行性變的研究主要包括阿爾茲海默癥（Alzheimer’s Disease，AD）、多發(fā)性硬化（Multiple Sclerosis，MS）、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）、帕金森?。≒arkinson’s Disease，PD）。

MRE技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)退行性變中的應(yīng)用，常集中于以下研究：① 健康志愿者與患者的對(duì)比研究；② 疾病不同階段的剪切模量范圍；③ 不同組成成分的剪切模量。

Murphy等[13]多年的研究表明，AD患者全腦剪切模量較健康人低，并發(fā)現(xiàn)這種改變首先出現(xiàn)在額顳頂葉。Hiscox等[14]的研究得到了與前者一致的結(jié)果，并得出MRE可以作為一種對(duì)AD患者疾病嚴(yán)重程度的新的生物學(xué)標(biāo)記方法，但卻得到一個(gè)與預(yù)期結(jié)果不同的結(jié)論，即得到的剪切模量與AD嚴(yán)重程度并非線性的、單一因素，還受其他因素的影響，比如腦組織結(jié)構(gòu)體積的變化。Wuerfel等[15]發(fā)現(xiàn)無(wú)論是復(fù)發(fā)-緩解型還是進(jìn)展期的MS患者，其腦組織的剪切模量均低于健康人（分別低于12.7%、20.5%）；且隨病情進(jìn)展，其值進(jìn)一步減低。在中毒后引起神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘改變的小鼠實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭邪l(fā)現(xiàn)，剪切模量與相位角同時(shí)減低，并且隨病情好轉(zhuǎn)，逐漸恢復(fù)至正常。在研究中還發(fā)現(xiàn)，病灶組織的彈性改變與髓鞘的形成及腦外矩陣模型有關(guān)，特別是脫髓鞘造成的相位角的減低[16]。在小鼠自身免疫性腦脊髓炎的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，也得出了患鼠腦組織剪切模量減低的結(jié)論[17]。對(duì)于ALS患者的研究，文獻(xiàn)鮮少報(bào)道，僅Romano等[18]對(duì)其與健康志愿者做過(guò)對(duì)比研究，結(jié)果顯示ASL患者感興趣區(qū)的剪切模量較健康者低。

通過(guò)上述的研究發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘改變的疾病中，患病腦組織的剪切模量均較健康腦組織低。之后Freimann等[19]發(fā)現(xiàn)腦組織的剪切模量減低與神經(jīng)元的缺少有關(guān)。為了驗(yàn)證該理論的正確性，Klein等[20]做了進(jìn)一步的研究。以PD為模型的小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，早期由于機(jī)體的代償作用，會(huì)大量產(chǎn)生神經(jīng)細(xì)胞，得到的海馬剪切模量也隨之增高。無(wú)論何種原因引起的神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘改變，在組織病理學(xué)上是由于神經(jīng)元的缺失造成的剪切模量的降低。

2.3 MRE在腦腫瘤中的研究

MRE在腦腫瘤中的應(yīng)用主要集中在腦膜瘤及膠質(zhì)瘤中，對(duì)轉(zhuǎn)移瘤及其他常見(jiàn)的腫瘤中研究較少。Joshua等[21]研究腦膜瘤的MRE圖像與術(shù)中所得病灶有較好的一致性。無(wú)論是腦膜瘤還是膠質(zhì)瘤，其實(shí)性成分均較健康人低。MRE在評(píng)估這兩種腫瘤中有一定的應(yīng)用價(jià)值。研究中還發(fā)現(xiàn)，腦膜瘤瘤體成分不同所得到的剪切模量亦不同。當(dāng)瘤體不存在囊變壞死、腫瘤成分單一時(shí)，術(shù)中能夠很容易將腫瘤完整切除；而當(dāng)瘤體存在囊變壞死時(shí)，所得MRE圖像顯示混雜信號(hào)，術(shù)中瘤體不易完整切除。在之后的研究中，Joshua等[21]發(fā)現(xiàn)2例腦膜瘤患者與術(shù)后病理結(jié)果不一致，這兩例患者瘤體周圍均存在水腫帶，而水腫帶的剪切模量要高于瘤體實(shí)性部分。瘤周水腫帶的存在對(duì)估腫瘤大小及成分中產(chǎn)生了誤差。

2.4 MRE技術(shù)的發(fā)展及局限性

目前，MRE成像最常用的序列是單次激發(fā)平面回波技術(shù)，該序列的優(yōu)點(diǎn)是成像速度快、穩(wěn)定性好、靈活性好。在以往的研究中，該方法的應(yīng)用價(jià)值已得到證實(shí)。如對(duì)健康人不同年齡段各腦結(jié)構(gòu)剪切模量及部分腦組織神經(jīng)變性的研究。但該方法存在一個(gè)最大問(wèn)題，空間分辨率低。并且與其他常規(guī)MRI序列有著一個(gè)共性問(wèn)題，成像時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。著力于解決上述問(wèn)題，有學(xué)者將單次激發(fā)EPI序列變?yōu)槎啻渭ぐl(fā)、多頻率、多方位成像，即3D-MRE成像[22]。

目前研究中常用的序列有非線性反轉(zhuǎn)算法序列（Nonlinear Inversion Algorithm，NLI）[23]、間隔采樣調(diào)整序列（Sample Interval Modulation，SLIM）[24-25]、基于多方面剪切應(yīng)力的信噪比（Octahedral Shear Strain-Based SNR，OSS-SNR）[26]。NLI利用Naver’s方程來(lái)克服磁場(chǎng)的局部不均一性，進(jìn)而提高空間分辨力。SLIM采用增加采樣次數(shù)來(lái)提高掃描時(shí)間。OSS-SNR采用多層掃描減少重復(fù)時(shí)間提高信噪比，進(jìn)而提高空間分辨力并減少掃描時(shí)間。

雖然近些年MRE在技術(shù)上有了一定的發(fā)展，但仍能獲得滿意的空間分辨力，無(wú)法對(duì)一些小病灶的進(jìn)行分析[27]。并且因其對(duì)運(yùn)動(dòng)十分敏感，在一定程度上限制了技術(shù)的發(fā)展。在臨床中，該技術(shù)尚處于初步研究階段，其配套設(shè)備，如線圈，還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

3 總結(jié)

MRE在腦中的應(yīng)用相對(duì)較少，研究對(duì)象多是動(dòng)物模型及成年人，幾乎沒(méi)有以青少年為研究對(duì)象。研究方向主要集中在正常腦結(jié)構(gòu)及腦組織的退變，對(duì)腦組織微結(jié)構(gòu)的變化較傳統(tǒng)MRI更敏感，并且能夠顯示出部分腦結(jié)構(gòu)（如顳葉）的功能變化。在腦部腫瘤也有一定的應(yīng)用，比如腦膜瘤、惡性膠質(zhì)瘤，但目前該研究尚處于對(duì)比分析階段，并不能用于腫瘤的診斷中?？傮w而言，該技術(shù)由于采用無(wú)創(chuàng)的成像方法來(lái)分析腦部病變的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，因而應(yīng)用前景非常廣闊。