骨骼肌磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像研究進(jìn)展

張莉，張晏境，丁建平

1 骨骼肌擴(kuò)散張量成像研究

1.1 擴(kuò)散張量成像的成像原理

擴(kuò)散是分子在溫度或濃度梯度影響下的隨機(jī)位移，擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)用來反映水分子的擴(kuò)散，對(duì)于水分子運(yùn)動(dòng)特性可以用擴(kuò)散敏感梯度方向上的表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)值來量化[1]。在生理狀態(tài)下水分子運(yùn)動(dòng)受體內(nèi)各種組織結(jié)構(gòu)的影響，在各個(gè)方向上的擴(kuò)散速度不同，這種各個(gè)方向的不同稱為各向異性(anisotropy)，可以通過測量至少6個(gè)獨(dú)立方向的ADC值來計(jì)算各向異性的方向和程度。

擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術(shù)是利用水分子擴(kuò)散各向異性的特點(diǎn)進(jìn)行成像[2]。由于水分子擴(kuò)散最大速度的方向與肌纖維主要的走形方向平行[1]，因此DTI技術(shù)能夠量化肌纖維束的各項(xiàng)異性，并利用這種各項(xiàng)異性重建組織的微觀結(jié)構(gòu)[3-4]。目前最常用來定量分析各向異性的參數(shù)是各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)值，F(xiàn)A值代表水分子各向異性占全部擴(kuò)散張量的比值，取值范圍介于0～1之間，在各向同性的介質(zhì)中，F(xiàn)A值為0，在理想狀態(tài)下最大各項(xiàng)異性的介質(zhì)中，F(xiàn)A值為1，F(xiàn)A值越大，代表擴(kuò)散的各向異性越強(qiáng)[5]。除了FA外，DTI常用的參數(shù)還包括本征向量(ζ1、ζ2、ζ3)、本征值(λ1、λ2、λ3)、平均擴(kuò)散率(mean diffusivity，MD)及ADC等。λ1、λ2、λ3是橢球體的3個(gè)主軸半徑，分別對(duì)應(yīng)其本征向量。MD是描述組織中水分子總體擴(kuò)散方向平均值的指標(biāo)，ADC是指單位時(shí)間內(nèi)水分子擴(kuò)散的位移，兩者均反映水分子的擴(kuò)散能力，水分子擴(kuò)散越強(qiáng)，ADC值及MD值越大[6-7]。DTI不僅提供了骨骼肌組織擴(kuò)散的方向信息，并為肌纖維束3D成像奠定了基礎(chǔ)。DTI纖維示蹤技術(shù)以單位體素內(nèi)主要本征向量(ζ1)的方向代表單位體素內(nèi)肌纖維束的主要走行方向，運(yùn)用相關(guān)算法對(duì)鄰近體素內(nèi)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)性顯示，通過連續(xù)跟蹤纖維束的分布方法[8]，從而實(shí)現(xiàn)肌纖維束軸面投影的3D可視化[9]。纖維束成像通常從手動(dòng)或自動(dòng)選擇的感興趣區(qū)域開始并持續(xù)直至截止值，常用的截止值是最小和最大FA值以及當(dāng)纖維束角度變化時(shí)[1]。為了獲得精確的纖維束成像，建議圖像的信噪比最少為30[10-11]。當(dāng)圖像信噪比一定時(shí)，纖維素示蹤的截止值FA為0.1時(shí)足以精確地重建肌纖維的走形[12]。估算擴(kuò)散張量模型參數(shù)是擴(kuò)散張量成像數(shù)據(jù)處理過程中最重要的步驟，然而，不確定性在這個(gè)過程中起著重要作用，影響參數(shù)的穩(wěn)定性。Behrens等[13]提出了概率密度函數(shù)(任何兩個(gè)非共點(diǎn)之間連接的概率)估計(jì)擴(kuò)散模型中感興趣參數(shù)，解決了上述的不確定性，增加了參數(shù)的可信度。

1.2 DTI在骨骼肌應(yīng)用的研究進(jìn)展

DTI已成功用于顯示腦神經(jīng)纖維束的走形，從而為腦內(nèi)疾病臨床診治(如放射治療及外科手術(shù))提供了有效信息[14]。然而，DTI首次被提出并不是用于研究腦白質(zhì)纖維，而是豬的骨骼肌[3]。因此，DTI在骨骼肌系統(tǒng)方面的研究中存在很大潛力。近年來，DTI逐漸地應(yīng)用于研究骨骼肌系統(tǒng)的生理、解剖及病理學(xué)。

DTI早期研究焦點(diǎn)主要集中在量化健康志愿者小腿肌肉的擴(kuò)散特征及實(shí)現(xiàn)小腿肌纖維束成像的可視化[15-16]。隨著研究的深入，DTI已成功應(yīng)用于人體其他部位肌肉的研究，如大腿[17-19]、前臂[20-21]、膝關(guān)節(jié)周圍[2]以及更復(fù)雜的肌肉結(jié)構(gòu)如盆底肌及肛提肌[6，22]等。

然而DTI參數(shù)不僅受年齡、性別、體質(zhì)量指數(shù)等個(gè)體差異的影響，而且還與許多短暫因素如運(yùn)動(dòng)、休息、壓力、體溫及關(guān)節(jié)相對(duì)位置等有關(guān)[1]，因此 DTI成像技術(shù)如 b值的選擇對(duì)圖像質(zhì)量及后處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。研究表明[23]，骨骼肌DTI的b值取400～500 s/mm2可獲得準(zhǔn)確的DTI參數(shù)及纖維束重建結(jié)果。時(shí)啟紅等[2]發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)周圍肌肉DTI的最佳b值為500 s/mm2。分析數(shù)據(jù)的方法也會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生影響，Sigmund等[24]利用隨機(jī)滲透屏障模型對(duì)正常志愿者及慢性勞力室綜合癥患者運(yùn)動(dòng)前后骨骼肌DTI參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)前后兩組之間擴(kuò)散參數(shù)的改變。

Sinha等[16]證明了小腿肌纖維束體內(nèi)追蹤的可行性，在個(gè)體差異方面(如年齡)相關(guān)性的研究結(jié)果存在爭議。Kermarrec等[18]發(fā)現(xiàn)健康志愿者(16名)大腿肌肉的擴(kuò)散特征(平均ADC值及平均FA值)與受試者的年齡、性別無顯著差異，然而大腿前群肌肉與后群肌肉擴(kuò)散特征的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，前群肌肉的平均 ADC值高于后群，平均FA值低于后群，并推測這種變化可能與肌肉組織水合作用不同有關(guān)。Yoon等[19]通過DTI對(duì)95名健康志愿者按照年齡進(jìn)行分組對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，大腿前群肌肉的平均FA值與年齡顯著相關(guān)，與性別無關(guān)；兩者與年齡相關(guān)性的研究結(jié)果不同可能與納入受試對(duì)象的例數(shù)不同有關(guān)。

在骨骼肌DTI的研究過程中，即使有人提出DTI的特征向量與骨骼肌纖維解剖結(jié)構(gòu)有關(guān)，但是沒有研究能夠證明特定特征向量與特定解剖結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)。研究主要集中在骨骼肌位置狀態(tài)不同對(duì)DTI參數(shù)的影響[5]。Schwenzer等[15]對(duì)8名健康志愿者的小腿肌肉在不同功能狀態(tài)下進(jìn)行DTI掃描，證明了由于踝關(guān)節(jié)的被動(dòng)屈曲及伸展而導(dǎo)致小腿肌纖維結(jié)構(gòu)擴(kuò)散特征值(FA、MD值)的改變，當(dāng)肌肉被動(dòng)拉伸時(shí)FA值增加和MD值下降，而肌肉被動(dòng)縮短時(shí)FA值下降和MD值增加。Elzibak等[25]研究從站立位到仰臥位姿勢變化后小腿肌肉DTI參數(shù)的改變，并且得到在進(jìn)行小腿DTI掃描前應(yīng)該讓受試者仰臥休息至少34 min以保證檢查結(jié)果可靠性的結(jié)論。以上研究說明 DTI參數(shù)的變化與骨骼肌功能狀態(tài)有關(guān)，這提示在進(jìn)行骨骼肌 DTI實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)控制骨骼肌位置處于相同狀態(tài)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

在運(yùn)動(dòng)方面的研究，眾所周知，進(jìn)行長時(shí)間體育鍛煉(如馬拉松運(yùn)動(dòng))時(shí)，骨骼肌反復(fù)收縮和松弛的過程中會(huì)引起骨骼肌細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的改變[26-27]。而體育運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌擴(kuò)散張量特性造成怎樣的影響呢？Okamoto等[26]在2012年研究運(yùn)動(dòng)員及非運(yùn)動(dòng)員優(yōu)勢小腿肌肉擴(kuò)散張量特征FA值、ADC值及本征值(λ1、λ2、λ3)的差異性時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員組小腿肌肉的ADC值及本征值(λ1、λ2、λ3)低于非運(yùn)動(dòng)員組(P＜0.01)，F(xiàn)A值變化差異無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，并解釋這種變化可能與肌細(xì)胞內(nèi)肌絲密度增加有關(guān)，并在兩年后得到非酒精性脂肪性肝病患者在進(jìn)行雜交訓(xùn)練后雙側(cè)大腿肌肉總體 MD值上升，F(xiàn)A值下降的結(jié)論，并推測結(jié)果可能與訓(xùn)練后肌細(xì)胞肥大有關(guān)[28]。Froeling等[17]對(duì)5名男性業(yè)余長跑運(yùn)動(dòng)員在參加馬拉松前1周、運(yùn)動(dòng)后2 d及運(yùn)動(dòng)后3周分別進(jìn)行MRI掃描(T1WI、T2WI、PDWI及DTI)，獲得3組不同時(shí)間點(diǎn)的擴(kuò)散參數(shù)：DTI本征值(λ1、λ2、λ3)、FA值及MD值，分析馬拉松運(yùn)動(dòng)前后大腿肌肉擴(kuò)散參數(shù)的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)股二頭肌在運(yùn)動(dòng)后2 d 3組擴(kuò)散參數(shù)均顯著增加，半腱肌及股薄肌在運(yùn)動(dòng)后2 d本征值及MD值顯著增加。Scheel等[29]研究結(jié)果表明健康志愿者比目魚肌的最大肌力與平均FA值呈負(fù)相關(guān)，這種相關(guān)性可以利用肌纖維直徑的粗細(xì)及1型和2型肌纖維微觀結(jié)構(gòu)的差異來解釋，并認(rèn)為DTI可以作為評(píng)估骨骼肌纖維類型分布的定量非侵入性工具。這種相關(guān)性可以利用肌纖維直徑的粗細(xì)及1型和2型肌纖維微觀結(jié)構(gòu)的差異來解釋，并認(rèn)為DTI可以作為評(píng)估骨骼肌纖維類型分布的定量非侵入性工具。

隨著DTI技術(shù)的發(fā)展及臨床需求的擴(kuò)展，DTI不僅用于下肢骨骼肌的研究，還應(yīng)用于前臂肌肉及女性盆底肌肉成像及損傷的研究。Froeling等[20-21]利用DTI序列對(duì)人體復(fù)雜的前臂肌肉進(jìn)行研究，證明了前臂肌肉DTI參數(shù)(擴(kuò)散張量本征值、MD、FA等)測量的可重復(fù)性并設(shè)計(jì)了一種后處理工具用于肌肉擴(kuò)散張量數(shù)據(jù)的分割。崔璨等[22]在進(jìn)行 DTI及纖維束示蹤技術(shù)對(duì)經(jīng)陰道分娩初產(chǎn)婦肛提肌損傷評(píng)價(jià)中的應(yīng)用價(jià)值的研究中發(fā)現(xiàn)，在肌纖維束3D成像方面，恥骨內(nèi)臟肌纖維束結(jié)構(gòu)能夠清晰顯示，然而髂尾肌連續(xù)性顯示欠佳。DTI也用于盆底器官脫垂患者及經(jīng)陰道分娩初產(chǎn)婦肛提肌損傷的評(píng)估[6]，在纖維示蹤圖像上表現(xiàn)為損傷區(qū)域肌纖維走行中斷和排列紊亂，從而可判定肛提肌損傷的范圍和程度。遺憾的是，目前DTI尚不能定量研究肛提肌的損傷[22]。

2 骨骼肌體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)研究

2.1 體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)成像原理

Le等[30]在1988年首次提出體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion，IVIM)的概念，用來定量評(píng)估組織擴(kuò)散加權(quán)成像數(shù)據(jù)。IVIM用于描述體素微觀運(yùn)動(dòng)的技術(shù)前提是假設(shè)血液的微循環(huán)及灌注是非一致性、無條理的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。它不僅能提供體素內(nèi)單純水分子擴(kuò)散的定量信息，還能反映毛細(xì)血管網(wǎng)中血流微循環(huán)灌注的情況。IVIM雙指數(shù)模型可以更全面地分析 DWI信號(hào)衰減與 b值的關(guān)系，其雙指數(shù)模型公式為：Sb/S0=(1-f)×exp (-b×D)+f×exp [-b×(D*+D)]，其中Sb、S0分別代表b取某個(gè)b值(b≠0)及b=0時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度；b值為擴(kuò)散敏感因子，單位為s/mm2；D為真擴(kuò)散系數(shù)，代表體素內(nèi)單純水分子擴(kuò)散，單位為mm2/s；D*為偽擴(kuò)散系數(shù)，代表體素內(nèi)微循環(huán)灌注相關(guān)的擴(kuò)散效應(yīng)，單位為mm2/s；f為灌注分?jǐn)?shù)，代表體素內(nèi)微循環(huán)相關(guān)的擴(kuò)散占總體擴(kuò)散的百分率，與毛細(xì)血管血容量有關(guān)。采用多個(gè)不同加權(quán)的b值進(jìn)行DWI，通過雙指數(shù)模型擬合算法得到IVIM參數(shù)D、D*和f。

2.2 IVIM在骨骼肌應(yīng)用中的研究進(jìn)展

IVIM雙指數(shù)模型一經(jīng)引入，便用于腦腫瘤、骨腫瘤及腦缺血疾病的診斷[30]。隨著磁共振技術(shù)的發(fā)展，IVIM-MRI逐漸用于全身疾病的診斷，如肝臟、胰腺[31]、腎臟等疾病，也用于骨骼肌的研究[32-37]。

IVIM在骨骼肌系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在定量觀測骨骼肌運(yùn)動(dòng)前后灌注的變化。Morvan[33]在1995年首次將IVIM應(yīng)用到肌肉系統(tǒng)中，并發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)后前臂肌肉D*值及D值均升高。 Filli等[32]通過IVIM對(duì)8名健康志愿者前臂運(yùn)動(dòng)前后進(jìn)行 MRI掃描，結(jié)果顯示指淺/深屈肌于運(yùn)動(dòng)后與運(yùn)動(dòng)前相比，D (P＜0.029)、D*(P＜0.01)和f (P＜0.01)均升高，并推測這種改變可能與運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致部分肌肉毛細(xì)血管的開放有關(guān)。陳玉濤等[35]對(duì)15名健康志愿者進(jìn)行研究，得到的結(jié)果與Filli等[32]研究結(jié)果一致。咀嚼肌的纖維成分不同于四肢骨骼肌，咀嚼肌在收縮時(shí)更耐疲勞，因此咀嚼肌灌注特點(diǎn)可能不同于其他骨骼肌。Sasaki等[34]對(duì)咀嚼肌收縮時(shí)灌注參數(shù)(D、D*、f)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)咀嚼時(shí) D*值和 f值增加，D值變化不大，這可能與咀嚼肌咬緊時(shí)屬于等長收縮、對(duì)水分子擴(kuò)散影響不大有關(guān)。在肌肉疾病的研究中，丁寧寧等[36]發(fā)現(xiàn)多發(fā)性肌炎和皮肌炎患者雙側(cè)大腿骨骼肌在靜息狀態(tài)D及D*均高于健康志愿者組，f變化差異無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，并得到IVIM參數(shù)(D及D*)對(duì)診斷多發(fā)性肌炎和皮肌炎具有重要作用的結(jié)論。丁寧寧等[37]利用IVIM技術(shù)對(duì)進(jìn)行性肌營養(yǎng)不良患者雙側(cè)大腿肌肉依據(jù)是否有脂肪浸潤分組進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)患者大腿肌肉脂肪浸潤組D值明顯低于水腫肌肉及未受累肌肉，這與脂肪變越嚴(yán)重、水分子含量越少有關(guān)。

綜上所述，DWI以其無創(chuàng)、可重復(fù)性、定量的特點(diǎn)從中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診治逐漸擴(kuò)展到骨骼肌系統(tǒng)的研究。DTI已成功地用于定量評(píng)估骨骼肌的病理生理學(xué)改變及全身大部分肌纖維的3D可視化成像。然而，DTI技術(shù)評(píng)估骨骼肌在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)方面的研究，國內(nèi)外報(bào)道的文獻(xiàn)數(shù)量較少，研究結(jié)果也存在一定的差異性。對(duì)于馬拉松運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌影響的DTI研究甚是罕見。因此，骨骼肌擴(kuò)散張量成像在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(尤其是馬拉松運(yùn)動(dòng))的進(jìn)一步研究是必要的。IVIM不僅可以無創(chuàng)性觀測肌肉的靜息狀態(tài)，而且能夠反映肌肉運(yùn)動(dòng)前后灌注相關(guān)的擴(kuò)散功能的改變，但目前的研究還處于初始階段，在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(如馬拉松運(yùn)動(dòng))的研究罕見，仍需要進(jìn)一步將IVIM技術(shù)拓展至運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)及肌肉灌注相關(guān)的疾病領(lǐng)域，以發(fā)揮其最大的應(yīng)用價(jià)值。

利益沖突：無。