磁共振Dixon技術(shù)在骨髓脂肪定量中的應(yīng)用

齊國將， 彭鵬

骨髓包含紅骨髓(red bone marrow，RBM)，其含有造血細胞和間充質(zhì)干細胞成分，作為脂肪以及富含脂肪細胞黃骨髓(yellow bone marrow，YBM)前體。學(xué)者[1]利用MR技術(shù)定量分析骨髓脂肪成分。骨髓脂肪增多會導(dǎo)致患骨質(zhì)疏松癥[2]、肥胖癥[3]和糖尿病[4]等代謝性疾病骨折風險增加。因此，骨髓脂肪定量在診斷和預(yù)測相關(guān)疾病方面具有相當大潛力，可進一步了解骨髓病理及其與骨髓脂肪生成關(guān)系。骨髓組織中脂肪具有短T1值和中長T2值 ,在T1WI為高信號及在T2WI上為中等高信號。較高的脂肪信號會造成水脂交換界面上嚴重化學(xué)位移偽影，從而影響圖像質(zhì)量和降低病變檢出率。因此，骨髓MR檢查中抑制脂肪信號顯得十分重要，在骨髓MR中利用脂肪抑制技術(shù)來診斷和鑒別各種病理改變。根據(jù)臨床不同需求選擇對應(yīng)序列來定量或者抑制骨髓脂肪組織信號，這些序列包括頻率預(yù)飽和翻轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(spectral presaturation inversion recovery，SPIR)、頻譜變細反轉(zhuǎn)恢復(fù)(spectral presaturation attenuated inversion recovery,SPAIR)、短時間反轉(zhuǎn)恢復(fù)(short inversion time (TI) inversion recovery，STIR)[5]、化學(xué)位移成像(chemical shift imaging，CSI)和基于Dixon的方法。不同技術(shù)有不同優(yōu)缺點，這使它們適用于不同磁體強度、設(shè)置和檢查部位。筆者就Dixon技術(shù)的基本原理、發(fā)展與改進和其在骨髓磁共振成像領(lǐng)域中應(yīng)用予以綜述。

Dixon技術(shù)誕生

Dixon技術(shù)是由Dixon在1984年提出的[6]，其依賴水、脂肪化學(xué)位移差異，水中質(zhì)子的進動頻率比脂肪中質(zhì)子進動頻率要快約3.5 ppm，相當于150 Hz/T(在1.5T場強中進動頻率差是225 Hz/T；在3.0T場強中進動頻率差是450 Hz/T)。利用脂肪和水中質(zhì)子進動頻率不同分別采集水和脂肪相位差為0°(即同相位)和相位差為180°(即反相位)圖像。Dixon表明兩個圖像簡單加法和減法可以產(chǎn)生純水圖像和純脂肪圖像，即Dixon兩點法。與其他脂肪抑制技術(shù)不同的是脂肪信號是在后處理中被抑制，而不是在信號采集過程中。Dixon兩點法不足限制了它在臨床中廣泛應(yīng)用。首先，對磁場B0不均勻敏感從而獲得的圖像中因相位誤差導(dǎo)致水和脂肪分離不完全。其次，需增加掃描時間獲取更多圖像進行后處理，增加運動和呼吸偽影影響采集圖像質(zhì)量，進而影響后處理出來的同、反相位圖像質(zhì)量。

Dixon技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新

1.Dixon技術(shù)發(fā)展

為了改進上述中Dixon兩點法的不足，Glover和Schneider[7]以及Glover[8]在1991年提出Dixon三點法，通過增加第三組圖像來補償對磁場B0不均勻敏感。使用第三組圖像修改采集方案是(-180°，0°，180°)或(0°，180°，360°)的形式。Dixon三點法需要一個特定脂肪和水信號分離算法，這比Dixon兩點法中使用簡單加法或者減法要復(fù)雜得多，從而避免了因為相位誤差導(dǎo)致水和脂肪分離不完全。由于增加了激勵次數(shù)，所以也增加了組織對比的效果。這些改良后的Dixon三點法包括Ideal IQ(GE Healthcare)、mDixon (Philips Healthcare)和q-Dixon(Siemens Healthcare)。以q-Dxion為例，其一次掃描可得到4幅定量圖像即水含量圖、脂肪含量圖、T2*圖和R2*圖。得到準確脂肪含量的同時還可計算出反映鐵沉積狀況T2*和 R2*值。

2.改良后Dixon技術(shù)優(yōu)點

首先，Dixon三點法對B0和B1不均勻性不敏感，同時通過校正T2*消除T2*效應(yīng)[9,10]。與化學(xué)選擇脂肪飽和技術(shù)相比優(yōu)勢在于即使在難以化學(xué)脂肪飽和區(qū)域(例如頸部或肺部頂點)也能產(chǎn)生均勻脂肪抑制。其次，Dixon技術(shù)中采樣數(shù)量增加使處理后純水和純脂肪圖像中信噪比(SNR)增加，即使在具有高磁化率區(qū)域(如在金屬植入物附近)也可顯示高SNR圖像。第三，Dixon技術(shù)具有掃描時間短、操作流程簡單、后處理功能強大。

3.改良后Dixon技術(shù)不足

Dixon技術(shù)的缺點，目前Dixon偶爾出現(xiàn)水脂交換算法錯誤，是由于水和脂肪峰值變化而對水或脂肪不適當抑制。后續(xù)Dixon技術(shù)使用多個回波和脂肪峰計算有望減少這種錯誤，有利于在臨床中開展與應(yīng)用。

Dixon技術(shù)在骨髓脂肪定量中應(yīng)用

1.腰椎椎體脂肪定量研究

單體素磁共振波譜(MRS)通常被認為是體內(nèi)脂肪定量金標準[11,12]。但是，MRS對于硬件要求高且掃描時間過長，后處理過程繁瑣，感興趣區(qū)受限于體素大小，給臨床應(yīng)用帶來諸多不便。因此，臨床實踐中有學(xué)者嘗試將磁共振成像(MRI)其他脂肪定量技術(shù)作為替代方案。近年來，隨著Dixon技術(shù)的發(fā)展，Dixon脂肪定量技術(shù)在骨髓脂肪含量方面的應(yīng)用也逐漸增多[13]。Li等[14]通過3點Dixon序列測量20只雌性家兔骨髓脂肪分數(shù)(fat fraction，F(xiàn)F)發(fā)現(xiàn)3點Dixon序列定量骨髓FF具有重復(fù)性和穩(wěn)定性。Zha等[15]利用Ideal IQ序列同樣發(fā)現(xiàn)Dixon序列可用于定量評估家兔椎體脂肪沉積程度。Sang等[16]通過mDixon序列和單體素MRS對24名患者行腰椎椎體FF的測量，結(jié)果顯示mDixon和MRS有很好一致性。研究表明Dixon序列可作為腰椎骨髓快速和準確定量脂肪的替代技術(shù)，同時通過測量FF值間接提示椎體骨質(zhì)變化情況。Zhang等[17]研究結(jié)果同樣提示Dixon序列在腰椎骨髓應(yīng)用的可行性。

2.脊柱椎體脂肪抑制技術(shù)應(yīng)用

快速自旋回波(FSE)T2WI是目前脊柱MRI檢查的常規(guī)序列，在提供對比度同時可有效減少掃描時間。但FSE不可避免在T2WI上產(chǎn)生高脂肪信號[18]。高信號脂肪可能掩蓋潛在病理改變?nèi)缢[、腫瘤轉(zhuǎn)移等。所以，需要添加具有脂肪抑制T2WI以抑制具有豐富脂肪成分(例如腰椎)解剖區(qū)域。目前常用脂肪抑制技術(shù)有化學(xué)位移選擇性飽和度(chemical shift selective，CHESS) 、STIR和SPAIR。CHESS具有脂肪選擇性和高SNR的優(yōu)點，但易受磁場不均勻性影響。STIR對磁場不均勻性不敏感; 但并不特定于脂肪。Brandao等[19]發(fā)現(xiàn)與STIR序列相比，Dixon在腰椎脂肪抑制效果更好。Lee等[20]通過比較Dixon和SPAIR序列對腰椎脂肪抑制作用，認為Dixon比SPAIR在腰部區(qū)域偽影更少。Dixon序列在骨髓脂肪抑制方面具有獨特優(yōu)勢，在空氣-組織和金屬植入物層面，Dixon產(chǎn)生的偽影更少，可更好顯示脊柱解剖細節(jié)和發(fā)現(xiàn)病灶。

3.良惡性椎體壓縮性骨折(vertebral compression fractures，VCFs)鑒別

如何有效鑒別骨質(zhì)疏松性VCFs和惡性VCFs對于臨床診療和預(yù)后有著重要意義。傳統(tǒng)MRI檢查序列如T1WI、T2WI有助于鑒別良惡性VCFs，但是缺乏特異性[21]。新鮮骨折常規(guī)序列作用更加有限。骨質(zhì)疏松性VCFs通常由脂肪細胞填充骨髓腔[22]，同時伴有一定程度骨髓水腫[23]。惡性VCFs中腫瘤組織浸潤或者替代了正常骨髓和正常細胞。因此Yoo等通過改進的Dixon序列對120名患者的脊柱良惡性疾病進行研究，結(jié)果顯示惡性VCFs的FF(2.8%)和FF比值(0.082)低于良性病變(P<0.001)，研究認為Dixon序列自動生成FF圖可用于區(qū)分骨髓異常良惡性病變[24]。Kim等[25]對41名確診急性椎體骨折患者回顧性分析Dixon檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)以5.26%脂肪分數(shù)為診斷良惡性VCFs截斷值具有很高診斷正確率(AUC，0.98)，只有1例確診急性骨質(zhì)疏松性VCFs的FF(2.8%)低于截斷值，認為原因為嚴重壓縮椎體存在T2*效應(yīng)模糊導(dǎo)致。Schmeel等[26]在Kim學(xué)者研究的基礎(chǔ)上對119名疑似VCFs患者行改良mDixon序列檢查，發(fā)現(xiàn)利用mDixon序列生成質(zhì)子密度脂肪分數(shù)對于良性和惡性VCFs鑒別診斷具有高準確性，患者可以避免進行有創(chuàng)骨穿刺活檢及穿刺活檢遺漏部分病灶可能，同時為臨床進一步治療提供指導(dǎo)意見。Schmeel等[27]利用六回波mDixon序列自動生成T2*圖用于鑒別急性良惡性VCFs，研究發(fā)現(xiàn)急性良惡性VCFs的T2*值存在明顯差異，通過T2*值可提高鑒別急性良惡性VCFs診斷準確性。總之，Dixon序列在良惡性椎體壓縮性骨折方面顯示了它特有序列優(yōu)點和高診斷準確率，為臨床進一步治療提供有效指導(dǎo)。

4.評估骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)

OP是一種以骨量減少、骨組織微觀結(jié)構(gòu)退變，骨脆性增加和骨折風險升高的疾病。OP最常見于老年人尤其是絕經(jīng)后婦女[28]，OP的預(yù)防和診療成為亟待解決的難點問題。目前，雙能量X線吸收測定法(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)是量化骨密度(bone mineral density，BMD)的非侵入性參考標準[29]，但DXA診斷OP準確性受到椎體骨折、脊柱退行性變化、腹主動脈動脈硬化和脂肪影響。為更準確評估OP需尋找替代技術(shù)。Griffith等[30]通過MRS技術(shù)對OP患者進行椎體骨髓脂肪定量，結(jié)果表明椎體脂肪含量與骨密度有關(guān)，骨密度降低同時伴隨骨髓脂肪含量升高。但MRS序列對于磁場均勻度要求高，而且MRS檢查大大增加磁共振掃描時間，對于患有OP中老年人長時間制動是一個挑戰(zhàn)。隨著Dixon技術(shù)不斷發(fā)展，研究人員將Dixon技術(shù)用于OP的評估和預(yù)測。Zhao等[31]以BMD作為參考標準，表明通過Dixon技術(shù)得到腰椎骨髓FF和BMD存在中度負相關(guān)。Dixon技術(shù)可作為檢測異常骨密度和OP的篩查工具之一。Dixon可用來診斷OP原理在于骨髓FF與BMD之間存在負相關(guān)，利用Dixon得到FF值準確定量脂肪含量。Guo等[32]同樣發(fā)現(xiàn)骨髓FF與BMD之間存在負相關(guān)。研究納入108名絕經(jīng)后婦女，采用定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping，QSM)和Dixon定量不同BMD的絕經(jīng)后婦女腰椎磁敏感值和骨髓FF，探討QSM和骨髓FF在OP評估中的作用。結(jié)果顯示骨髓FF僅對脂肪變化敏感，而QSM對脂肪和鈣變化敏感。利用QSM+骨髓FF組合AUC值均高于QSM和骨髓FF的AUC值。通過利用QSM和骨髓FF組合有可能成為評估絕經(jīng)后OP新檢查方法。總之，骨髓FF是可以成為評估OP一個重要指標，Dixon是一種替代技術(shù)提供可靠骨髓FF定量。一次成像時間里除了定量FF，還可以提供脊柱解剖圖像。

5.評估強直性脊柱炎

強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一種病因尚不明確的慢性疾病，最先侵犯骶髂關(guān)節(jié)和脊柱等中軸關(guān)節(jié)，好發(fā)于青少年。骶髂關(guān)節(jié)是AS最常見也是最早侵犯的部位，骶髂關(guān)節(jié)炎早期診斷對AS患者有著很重要的意義。MRI在早期診斷骶髂關(guān)節(jié)病變有著無可比擬的優(yōu)勢。研究顯示脂肪性病變是骶髂關(guān)節(jié)炎癥消退、組織修復(fù)到新骨形成中關(guān)鍵一環(huán)[33,34]。因此，骶髂關(guān)節(jié)的脂肪定量研究對于評估骶髂關(guān)節(jié)炎進展和預(yù)測治療效果有著重要意義。Ren等[35]通過DWI和IDEAL-IQ序列對58名AS患者和30名志愿者骶髂關(guān)節(jié)進行檢查，結(jié)果顯示在鑒別非活動性骶髂關(guān)節(jié)炎組與志愿者組中FF值A(chǔ)UC是最高的，F(xiàn)F值有最大診斷效能。Ren認為DWI和IDEAL-IQ序列有助于定量評估AS患者骶髂關(guān)節(jié)炎的活動進展。Koo等[36]對138名脊柱關(guān)節(jié)炎患者的骶髂關(guān)節(jié)進行FF值的定量評估，結(jié)果表明隨著疾病不斷進展骶髂關(guān)節(jié)脂肪沉積比例越來越高，高于正常骨髓脂肪含量。炎癥活動期時由于骨髓水腫所以FF值明顯低于正常骨髓值。他認為通過Dixon技術(shù)FF值有助于評估脊柱關(guān)節(jié)炎進展。?zgen等[37]在診斷活動性和慢性骶髂關(guān)節(jié)炎中將多點Dixon序列與T1加權(quán)、脂肪飽和T2加權(quán)和對比增強進行比較，結(jié)果顯示多點Dixon在鑒別活動性和慢性骶髂關(guān)節(jié)炎中更具有優(yōu)勢。認為可以替代T1加權(quán)、脂肪飽和T2加權(quán)和對比增強，在節(jié)約大量時間和成本同時還可以避免對比劑潛在不良反應(yīng)。

綜上所述，Dixon技術(shù)具有許多優(yōu)勢，在骨骼成像中可提供更好脂肪抑制技術(shù)的同時，還可精確定量脂肪，通過脂肪含量來有效鑒別良惡性椎體壓縮性骨折，間接評估骨質(zhì)疏松癥，直接評估骶髂關(guān)節(jié)炎。未來隨著硬件和后處理工作站不斷迭代升級，Dixon技術(shù)在骨肌系統(tǒng)應(yīng)用價值會越來越大。