磁共振成像技術在非酒精性脂肪性肝病肝脂肪定量中的應用

穆 容， 陸倫根

上海交通大學 醫(yī)學院， 上海 200025

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD) 是一種與胰島素抵抗和遺傳易感密切相關的代謝應激性肝損傷，疾病譜包括非酒精性肝脂肪變、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、NASH相關肝硬化和肝細胞癌[1]。隨著生活方式和飲食習慣的改變，NAFLD已成為中國乃至全球慢性肝病的首要病因，其全球患病率約為25%，中國城市人口患病率已達到27%[2]。在排除過量飲酒等其他病因后，臨床上可通過彌漫性肝細胞脂肪變的影像學或組織學證據(jù)診斷NAFLD、評估肝脂肪變性程度[3]。肝脂肪變性程度與肝細胞炎癥損傷及纖維化密切相關，是診斷疾病、評估病情、預測并發(fā)癥和肝外疾病風險的重要指標[4]。肝活組織檢查是定量檢測脂肪變性程度的金標準，但存在侵入性、取樣誤差、觀察者誤差、可重復性差等缺點。超聲檢查、CT和MRI等影像學技術也已被應用于NAFLD的臨床診斷與研究中。腹部超聲和CT作為經(jīng)典檢查手段應用廣泛，但對肝輕度脂肪變診斷的靈敏度和特異度不高，且無法準確定量[3]。基于瞬時彈性超聲(FibroScan和FibroTouch)的受控衰減參數(shù)(controlled attenuation parameter, CAP)能夠檢出5%以上的肝脂肪變，可較準確區(qū)分輕度與中-重度肝脂肪變，但對輕度脂肪肝定量檢測的可靠性相對較差[5]。MRI具有安全無創(chuàng)、準確性高、穩(wěn)定性好、可重復等優(yōu)點，諸多研究證實了其在肝脂肪變性評估與定量中的作用，歐洲肝病學會也肯定了磁共振波譜成像(magnetic resonance spectroscopy, MRS)、MRI質(zhì)子密度脂肪分數(shù)(proton density fat fraction, PDFF)與組織活檢的一致性[6]。本文就MRI在NAFLD肝脂肪定量的研究進展作一綜述。

1 脂肪抑制技術

常規(guī)SE序列掃描時，正常肝組織的T1WI和T2WI表現(xiàn)為均勻的中等信號，信號強度異常升高提示肝內(nèi)脂肪含量增加，但其對輕度脂肪變不敏感，且無法準確量化脂肪。通過脂肪抑制技術對其處理可獲得壓脂后圖像，進而計算出脂肪信號強度在組織中的占比即脂肪分數(shù)(fat fraction, FF)，得到肝脂肪含量。常用的脂肪抑制技術主要有頻率選擇飽和法與短時反轉(zhuǎn)恢復序列。Cotler等[7]研究發(fā)現(xiàn)通過頻率選擇飽和法獲得的FF與組織活檢得到的脂肪含量高度相關，相關系數(shù)為0.93，提示該方法可用于脂肪定量。但該方法受磁場強度及均勻度影響大，局部磁場不均勻會導致脂肪抑制失敗。短時反轉(zhuǎn)恢復序列有更好的脂肪抑制效果，且對場強和磁場勻度要求不高，但特異性低，對脂肪的量化分析結(jié)果可靠性較低[8]。

2 化學位移編碼成像技術(chemical-shift-encodedMRI, CSE-MRI)

不同分子中的同一原子核因所處化學環(huán)境不同，周圍的電子云密度及屏蔽效應存在差異，進而產(chǎn)生不同的局部磁場強度，導致共振頻率偏移的現(xiàn)象稱為化學位移?；诖嗽?， CSE-MRI采集不同回波時間的磁共振圖像，將共振頻率差異轉(zhuǎn)換為信號差異，通過相應數(shù)學模型可換算出對應化合物的含量。臨床上最常用的CSE-MRI是水脂分離法，最早是由Dixon提出的兩點式Dixon技術，或稱同反相位法。根據(jù)化學位移原理，脂肪和水分子的氫質(zhì)子回波存在獨立而明確的頻率差異。兩點式Dixon技術假設主磁場均勻，采集兩個特定回波時間下的信號，分別獲得脂肪與水質(zhì)子的同相位(in-phase, IP)和反相位(out-of-phase， OP)圖像，測量兩者信號強度(signal intensity, SI)可計算出基于信號強度的脂肪分數(shù)FF=|SIIP-SIOP|/(2SIIP)，進而得到肝脂肪含量。該方法能夠測定肝細胞內(nèi)異常堆積的甘油三酯含量，且不受膽固醇、神經(jīng)鞘磷脂、磷脂等干擾，F(xiàn)F與組織學顯著相關，敏感度和特異度也較高，但只適用于小于50%的肝脂肪變性，且受靜磁場不均勻性、鐵沉積所致的T2*衰減等影響較大。三點式Dixon技術在兩點式的基礎上多采集一個同相位回波信號，能一定程度上矯正T2*衰減，獲得信號強度和相位信息，得到基于復雜信息的FF，測量范圍為0～100%的脂肪變。但上述方法獲得的FF易受多種混淆因素影響，包括T1誤差、T2*衰減、脂質(zhì)多峰性、噪聲誤差、J耦聯(lián)效應、渦電流、磁場差異等，其準確性和可重復性不足以成為肝脂肪定量的可靠指標廣泛應用于臨床和科研[9]。

通過采集更多回波，使用更先進的采集方式和優(yōu)化后處理算法可有效降低誤差。當混淆因素的影響被最小化時，甘油三酯和水分子信號強度能夠直接反映二者質(zhì)子含量，此時可得到PDFF，即組織中脂肪質(zhì)子密度與總質(zhì)子密度的比值，從而準確、定量的表示組織的脂肪含量。有研究者[10]采用非對稱采集技術和迭代最小二乘水脂分離算法對三點式Dixon技術進行改良，設計出IDEAL(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least squares estimation)。IDEAL能減少磁場差異干擾，并得到感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)純水像和純脂肪像信號強度值與肝臟PDFF。研究證明，IDEAL獲得的PDFF與肝組織活檢相關性良好，且已在NAFLD相關疾病的評估中有所應用。采集更多回波也可以提高數(shù)據(jù)的準確性，但需要更長的采集時間和更復雜的設備，六回波序列具有較高的準確性與可行性[11]，在近期研究中使用較多，且逐漸出現(xiàn)一些商業(yè)化序列，如GE的IDEAL-IQ、飛利浦的mDixon等。IDEAL-IQ又稱T2*修正梯度多回波水脂分析脂肪定量技術，在IDEAL基礎上運用多回波信號的變化去除干擾并對混淆因素進行矯正，測得的肝脂肪含量更接近真實值。這些六回波序列縮短了檢測時間，具有較高分辨率，能矯正多種混淆因素，使MRI信號強度為組織中質(zhì)子密度所決定。

大量數(shù)據(jù)證實，MRI-PDFF與組織活檢、MRS及肝甘油三酯高度相關，敏感度和特異度均較高，能夠客觀、準確的量化肝脂肪含量[12]。MRI-PDFF 診斷 NAFLD 脂肪變分級的閾值分別為：6.5%、17.5%、22.2%，對應組織活檢的5%、33%、66%。與組織活檢或腹部超聲相比，MRI-PDFF具有無創(chuàng)，成功率高，取樣誤差小，不受人為因素、檢查時刻、患者飲食和病理生理因素影響等優(yōu)點，可提供全肝各部位的脂肪含量信息，且在不同場強、不同廠商的MRI儀器及不同重建方法間具有很好的一致性[13]。Noureddin等[14]發(fā)現(xiàn)與組織活檢相比，MRI-PDFF對肝脂肪含量的增減更敏感，能作為連續(xù)變量客觀評價肝脂肪含量變化，可作為臨床試驗的終點[15]。現(xiàn)在許多NAFLD的藥物研發(fā)已將MRI-PDFF作為療效的縱向隨訪指標。此外，Patel 等[16]證明肝MRI-PDFF相對下降29%與NASH組織學反應有關，或可作為NASH治療反應標志物。Ajmera等[17]發(fā)現(xiàn)高PDFF者肝纖維化風險顯著增高，可通過MRI-PDFF預測NAFLD的進展。借助CSE-MRI，研究者們還發(fā)現(xiàn)肝脂肪并非均勻分布，肝臟不同區(qū)域的平均PDFF值和變異度不同，其中右葉的平均PDFF較高且變異度較小[18]，且NAFLD患者的肝脂肪分布與正常人有差異[19]，治療后肝臟各區(qū)域脂肪含量的變化也不同[20]。這些研究對于探尋NAFLD的病因、發(fā)病機制、疾病發(fā)展過程和治療方案有著一定意義。

然而MRI-PDFF的測量受限于目前的MRI技術，對于不能配合呼吸及身體有金屬物植入等情況者不適用，且對MRI設備的軟硬件配置有一定要求，檢測成本較高。有新的研究[21]顯示MRI-PDFF的準確性可能會受到纖維化和嚴重脂肪變性的影響，更適用于較輕的NAFLD患者。近期還有文獻[22]提示不同的序列和儀器間MRI-PDFF再現(xiàn)性不高，縱向隨訪時建議使用相同的序列和成像儀。

3 MRS分析

MRS是目前唯一能無創(chuàng)性活體檢測組織生化、代謝物的成像方法。其原理是通過射頻脈沖激勵被檢物質(zhì)的原子核，產(chǎn)生磁共振信號轉(zhuǎn)換為頻率在化合物固有的波譜位置上顯示。研究[23]表明無論是正常人群還是脂肪肝患者，MRS測量肝脂肪含量準確性、可重復性均很高，對肝脂肪變性的診斷最接近于肝臟病理檢查。

MRS在肝臟研究方面應用較多的是磷譜和氫譜，磷譜能評估復雜的能量代謝，多應用于肝硬化、脂肪性肝炎、梗阻性黃疸等，氫譜能夠評估肝甘油三酯含量，現(xiàn)多用氫質(zhì)子磁共振波譜成像(1H-MRS)定量肝脂肪。1H-MRS是一種能夠精準量化動物和人肝脂肪含量的非侵入性方法，與組織活檢具有良好的一致性和相關性[24]。根據(jù)水和脂肪的氫質(zhì)子共振頻率不同，1H-MRS不僅可以觀察脂肪肝時肝臟脂質(zhì)代謝變化，還可觀察到水峰、脂肪峰，直接比較脂肪峰和水峰面積可獲得FF。但與基于MRI的量化技術一樣，在MRS中考慮混淆因素后獲得PDFF更能準確的表示組織內(nèi)脂肪含量[25]。

研究[26]表明，MRS-PDFF可有效診斷肝臟輕度脂肪變，能分辨出1%的脂肪變化，對脂肪含量的微小變化比組織活檢更敏感。1H-MRS能夠精準檢測活體組織代謝及病理生理變化，具有低變異性和組織學高相關性，其結(jié)果不受肝硬化、鐵沉積、高脂飲食等影響，可取代組織活檢作為NAFLD診斷金標準[6]。MRS現(xiàn)常應用于流行病學和觀察性研究，以及作為MRI-PDFF、CAP等量化肝脂肪方法的評價指標[27]。Cao等[28]通過MRS-PDFF、CT得到的肝臟體積密度計算了肝內(nèi)脂肪的總質(zhì)量。他們還發(fā)現(xiàn)模型動物肝臟密度與肝內(nèi)水占比是相對穩(wěn)定的數(shù)值，在正常小鼠和脂肪肝小鼠中無明顯差異，提示使用1H-MRS和CT無創(chuàng)計算肝內(nèi)總脂肪量具有可能。

雖然MRS被認為是定量評估肝脂肪最準確的非侵入性工具，但其空間覆蓋范圍有限，無法避免采樣誤差，且掃描時間長，后續(xù)處理復雜，對設備和操作人員要求高，難以在臨床上廣泛使用[6]。

4 彌散加權成像(diffusionweightedimaging, DWI)

DWI是磁共振功能成像的一種，通過反映水分子的運動來體現(xiàn)組織生理及病理狀態(tài)。DWI的表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient, ADC)主要反映水分子運動能力，可以定性定量反應組織病理變化[29]。當肝脂肪變程度大于5%時，ADC顯著降低，與肝脂肪含量呈負相關[30]，其原理主要是脂肪變性使肝細胞體積增大，細胞間隙減小，導致水分子擴散受限。但ADC受血流灌注、炎癥和纖維化影響較大，不能準確量化肝臟脂肪。

擴散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)在DWI的基礎上從多個方向施加擴散梯度場，可以度量擴散的大小及方向性，準確反映組織與水分子之間相互作用時的結(jié)構(gòu)環(huán)境。Lee等[31]發(fā)現(xiàn)除了ADC外，DTI的各向異性分數(shù)(fractional anisotropy, FA)也與脂肪含量相關。磁共振擴散峰度成像(diffusional kurtosis imaging, DKI)是DTI技術的擴展，除了可得到常規(guī)DTI、DWI的信息外，還可以產(chǎn)生峰度信息，反映生物組織中水分子非高斯擴散特性。Li等[32]進行動物實驗發(fā)現(xiàn)NAFLD的進展與DKI平均擴散峰度(mean kurtosis, MK)呈正相關，與平均擴散率(mean diffusion，MD)和ADC均呈負相關，單純脂肪變的肝臟ADC、MD低于正常組，F(xiàn)A、MK高于正常組，并且與DWI相比，DKI可以更準確地區(qū)分NASH和單純脂肪變。然而，目前DTI與DKI應用于NAFLD肝脂肪變的研究較少，相關參數(shù)易受肝纖維化影響，與脂肪變程度的關系還需更多實驗探索。

體素內(nèi)不相干運動(intravoxel incoherent motion, IVIM)是基于傳統(tǒng)DWI進一步分析組織內(nèi)分子運動情況的技術，可同時描述水分子的真性擴散及毛細血管微循環(huán)灌注的假性擴散，較ADC能更真實評估組織情況，可定量研究組織灌注對DWI采集信號的影響。Joo等[33]發(fā)現(xiàn)NAFLD兔的灌注分數(shù)f明顯低于正常組，隨著NAFLD嚴重程度的增加，f進一步降低。Murphy等[34]對89例NAFLD患者行肝活檢和IVIM檢查，認為f主要與纖維化有關，真實水分子擴散系數(shù)D與肝脂肪變性程度負相關，且未發(fā)現(xiàn)ADC與任何組織學特征相關。Shin等[35]對123例懷疑肝脂肪變性或纖維化的兒童進行IVIM檢查，發(fā)現(xiàn)肝脂肪含量與f呈正相關，肝硬度與假性擴散系數(shù)D*呈負相關，D和ADC與肝脂肪含量無明顯相關性。IVIM目前在肝腫瘤和纖維化研究中運用較多，它存在空間分辨率低，易受儀器、人為因素和生物學因素的影響等局限性，在肝脂肪變評估中的作用需要更多的數(shù)據(jù)來驗證。

5 小結(jié)與展望

在磁共振技術中，脂肪抑制技術和DWI可用于定性評估肝脂肪，但目前還不能準確量化，尚需進一步研究與改進。MRS是最精準的量化肝脂肪的技術，被認為是磁共振技術中的金標準，現(xiàn)在常作為肝脂肪定量的評價指標，卻存在人員儀器要求高、后續(xù)處理復雜等局限性，只能讀取有限的肝臟區(qū)域，且存在操作誤差。CSE-MRI獲得的PDFF被證實與組織學、MRS有高度一致性，敏感度和特異度均較高，能夠客觀、準確的量化肝脂肪含量，具有無創(chuàng)、誤差小、操作簡單等優(yōu)點，有良好的再現(xiàn)性，現(xiàn)已大量應用于臨床與研究。CSE-MRI的一些商業(yè)序列能獲得整個肝臟的PDFF并形成PDFF圖像，可讀取任意ROI區(qū)域的脂肪含量，但選取哪些區(qū)域、多大采樣面積最有臨床意義，目前并沒有公認的標準，包括肝穿刺活檢、MRS、CAP也是經(jīng)驗性的選取采樣位置，期待未來能夠通過全肝的PDFF分布獲得相應規(guī)律。

綜上所述，MRI-PDFF已在被用于定量檢測肝脂肪變程度，但包括其在內(nèi)的磁共振脂肪定量技術尚存在許多不足。然而，無論作為現(xiàn)階段科學研究的手段還是未來獨立的臨床檢測項目，它都有廣闊的研究空間和良好的應用前景。