MR 脂肪定量技術(shù)在腰椎椎體骨髓脂肪含量評(píng)估中的研究進(jìn)展

宋宇 宋清偉*

骨髓是人體內(nèi)重要的造血和免疫器官，主要由黃骨髓和紅骨髓組成，紅骨髓由約40%脂肪、40%水和20%蛋白質(zhì)組成，而黃骨髓則由約80%脂肪、15%水和5%蛋白質(zhì)組成[1-2]。在發(fā)育過(guò)程中，隨著年齡的增長(zhǎng)，有造血功能的紅骨髓逐漸向無(wú)造血功能的黃骨髓轉(zhuǎn)換，因此骨髓內(nèi)脂肪含量會(huì)隨年齡增長(zhǎng)而增多[3]。近年有研究[4-9]表明，在骨質(zhì)疏松、衰老、乙醇中毒、骨髓瘤、脊髓損傷和腫瘤骨轉(zhuǎn)移等諸多疾病狀態(tài)下均可觀察到椎體骨髓脂肪組織含量不同程度的增多。其中，骨質(zhì)疏松病人因椎體骨髓脂肪含量發(fā)生顯著變化而將脂肪分?jǐn)?shù)作為骨質(zhì)疏松的生物標(biāo)志物[10-11]。因此，精準(zhǔn)定量和評(píng)估骨髓脂肪含量可為臨床診療提供有價(jià)值的診斷信息。由于活體組織病理檢查和定量CT 均為有創(chuàng)的檢查方法，超聲定量檢查因受操作者主觀影響較大致使測(cè)量結(jié)果缺乏可靠性，因此限制了其在臨床的廣泛應(yīng)用。MR 成像憑借高分辨力、多平面成像、無(wú)輻射損傷等優(yōu)點(diǎn)在對(duì)骨髓脂肪含量的定量評(píng)估上起著重要的作用。本文對(duì)擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）、磁共振波譜成像（MRS）、化學(xué)位移成像（chemical shift imaging，CSI）以及MR 水脂分離技術(shù)即多回波Dixon 技術(shù)（包括IDEAL-IQ 和 3D mDixon Quant） 等 MR 脂肪定量技術(shù)在腰椎椎體骨髓脂肪含量定量評(píng)估方面的研究進(jìn)展予以綜述。

1 DWI

DWI 是一種在活體狀態(tài)下探測(cè)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的功能MRI 技術(shù)，可從分子水平對(duì)骨髓組織的病理生理改變進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而間接反映骨質(zhì)量的變化[12-13]。同時(shí)，可利用表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）值進(jìn)行定量分析和評(píng)價(jià)，已應(yīng)用于全身性骨病的檢測(cè)和分期診斷。目前，DWI 是唯一能夠在活體狀態(tài)下無(wú)創(chuàng)、無(wú)需外源性對(duì)比劑來(lái)測(cè)量和監(jiān)測(cè)體內(nèi)水分子擴(kuò)散的方法。

DWI 是探測(cè)骨質(zhì)疏松發(fā)生發(fā)展過(guò)程中組織微觀結(jié)構(gòu)變化的有效方法，可通過(guò)定量指標(biāo)ADC 值來(lái)鑒別椎體壓縮性骨折的良、惡性，并且其特異性和敏感性較高[14]。Luo 等[15]研究表明利用ADC 值可以有效區(qū)分良惡性椎體骨折，因?yàn)榱夹院蛺盒宰刁w壓縮性骨折ADC 值的差異在低b 值時(shí)更加明顯，因此采用低b 值（<500 s/mm2）掃描的 DWI 在鑒別椎體壓縮性骨折良惡性時(shí)準(zhǔn)確度更高。同時(shí)，由于骨質(zhì)疏松在病理上的改變?yōu)楣撬柚镜脑黾?，脂肪?xì)胞填充骨小梁間隙后導(dǎo)致相應(yīng)細(xì)胞外間隙減少，水分子擴(kuò)散受限，DWI 可通過(guò)評(píng)估骨髓內(nèi)水分子擴(kuò)散的改變來(lái)反映骨髓質(zhì)量的改變[16]。但是，該技術(shù)尚存在一定的局限性，在DWI 過(guò)程中骨髓脂肪含量的改變會(huì)伴隨相應(yīng)細(xì)胞外間隙的改變，水分子的擴(kuò)散受到影響，ADC 值可定量測(cè)量組織內(nèi)水分子的隨機(jī)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)狀況，但其測(cè)量結(jié)果易受b 值的影響。b 值較小時(shí)，DWI 同時(shí)受擴(kuò)散和局部組織微循環(huán)血流灌注的影響；而高b 值時(shí)則受血流灌注影響較小，但空間分辨力和信噪比較低[17]。此外，由于不同組織的磁化率不同，如骨骼和軟組織等交界區(qū)的磁化率相差較大時(shí)，會(huì)造成局部組織磁場(chǎng)的不均勻，磁敏感偽影嚴(yán)重，影像質(zhì)量降低。

2 MRS

目前，MRS 作為無(wú)創(chuàng)性成像技術(shù)已廣泛用于盆腔、脊柱和髖部等部位的骨髓脂肪定量研究，曾經(jīng)被認(rèn)為是骨髓脂肪定量的磁共振成像的金標(biāo)準(zhǔn)[18]。在采集方面，大多采用單體素點(diǎn)分辨波譜（point resolved spectroscopy，PRESS）或激勵(lì)回波采集法（stimulated-echo method，STEAM）MRS 脈沖序列設(shè)計(jì)。與PRESS 相比，STEAM 在脂肪定量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)：①STEAM 對(duì)脂肪峰的J 耦合效應(yīng)的敏感性較低，可減少質(zhì)子密度脂肪分?jǐn)?shù)（proton density fat fraction, PDFF）量化的誤差。②骨髓水峰的T2較短，STEAM 允許更短的最小回波時(shí)間[19]。Roldan-Valadez 等[20]采用MRS 對(duì)44 名不同年齡段的健康志愿者腰椎椎體骨髓脂肪含量進(jìn)行研究，結(jié)果表明腰椎椎體脂肪含量與性別和年齡均相關(guān)，且兩者間存在交互作用。MRS 可作為臨床上骨髓脂肪定量的有效方法。

此外，由于骨骼和骨髓之間的磁化率差異以及峰的光譜疊加而導(dǎo)致譜線加寬，因此MRS 在臨床應(yīng)用中具有局限性[21]；而且MRS 技術(shù)掃描條件較嚴(yán)格，過(guò)程較繁瑣，掃描時(shí)間較長(zhǎng)，故該技術(shù)尚未在臨床廣泛應(yīng)用。

3 CSI

CSI 也稱為同相位或反相位成像，可無(wú)創(chuàng)地對(duì)組織內(nèi)或骨髓結(jié)構(gòu)內(nèi)脂肪成分進(jìn)行檢測(cè)[22]。其原理是水和脂肪在磁場(chǎng)中的共振頻率不同而導(dǎo)致質(zhì)子相位不一致，在不同的重復(fù)時(shí)間其相位差不同而形成不同的影像。當(dāng)水質(zhì)子和脂肪質(zhì)子處于同相位時(shí)，兩者磁化矢量相加，信號(hào)強(qiáng)度增加；當(dāng)水質(zhì)子和脂肪質(zhì)子處于反相位時(shí)，兩者磁化矢量相減，信號(hào)強(qiáng)度減低[23]。Baum 等[24]對(duì)28 名健康受試者進(jìn)行全脊椎CSI 以評(píng)估椎體骨髓脂肪在解剖學(xué)上的變化及其測(cè)量值的可重復(fù)性，結(jié)果表明CSI 可以評(píng)估整個(gè)脊椎椎體的骨髓脂肪，并且具有較好的可重復(fù)性。Dieckmeyer 等[25]應(yīng)用CSI 對(duì)接受芳香化酶抑制劑聯(lián)合雙磷酸鹽治療的絕經(jīng)后乳腺癌病人的椎體骨髓脂肪含量進(jìn)行定量測(cè)量，結(jié)果表明其脂肪含量值較治療前明顯增加。但是，該方法存在以下問(wèn)題：由于同反相位回波時(shí)間不同導(dǎo)致信號(hào)衰減，從而造成脂肪分?jǐn)?shù)計(jì)算出現(xiàn)誤差。同時(shí)，該方法僅能探測(cè)到酯類物質(zhì)中三酰甘油的信號(hào)，而在所有的酯類物質(zhì)中三酰甘油所占的比例為75%，因此其他脂類物質(zhì)未予考慮。此外，當(dāng)存在鐵沉積和明顯纖維化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致組織的T2*衰減明顯加快，因此測(cè)量結(jié)果受到影響。

4 Dixon 技術(shù)

Dixon 技術(shù)是基于水和脂肪分子中氫質(zhì)子的化學(xué)位移效應(yīng)，可分別得到同相位和反相位影像，進(jìn)而對(duì)水和脂肪組織進(jìn)行鑒別。但是，傳統(tǒng)的兩點(diǎn)式Dixon 技術(shù)在靜磁場(chǎng)不均勻或磁化率較顯著時(shí)會(huì)產(chǎn)生相位誤差，水脂交換錯(cuò)誤。為了解決傳統(tǒng)兩點(diǎn)式Dixon 方法的問(wèn)題，提出了改良的三點(diǎn)式Dixon 水脂分離技術(shù)，其在GE 和飛利浦MR 設(shè)備中分別被稱為非回波最小二乘估算法迭代水脂分離序列（iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation quantitation sequence, IDEAL-IQ）和 mDixon Quant序列。

4.1 IDEAL-IQ 技術(shù) IDEAL-IQ 技術(shù)是一種通過(guò)多回波采集來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脂肪分?jǐn)?shù)及鐵含量相關(guān)參數(shù)定量測(cè)量的方法[26]。其采用三維快速多回波梯度回波成像序列，在一個(gè)重復(fù)時(shí)間中采集6 個(gè)梯度回波，并利用小翻轉(zhuǎn)角減小T1效應(yīng)，可通過(guò)一次掃描同時(shí)產(chǎn)生水像、脂像、脂肪分?jǐn)?shù)圖和R2*弛豫圖像等[27]。同時(shí)，圖像重建時(shí)IDEAL-IQ 技術(shù)采用區(qū)域增長(zhǎng)算法，從而克服了傳統(tǒng)水脂分離技術(shù)對(duì)主磁場(chǎng)均勻度的依賴性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)量化脂肪含量。此外，IDEAL-IQ可結(jié)合多種數(shù)學(xué)算法對(duì)T2*衰減、脂肪的多譜峰分布等進(jìn)行校正，并采用并行采集技術(shù)提高了掃描速度。目前，IDEAL-IQ 脂肪定量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于全身各系統(tǒng)相關(guān)疾病中，如評(píng)估脂肪肝病人脂肪含量的變化及惡性腫瘤放化療后骨盆及椎體骨髓成分組成[28-29]。

Aoki 等[30]采用IDEAL-IQ 技術(shù)評(píng)估了不同部位骨髓脂肪含量的變化及其與年齡的關(guān)系，結(jié)果表明腰椎、髂骨等部位的骨髓脂肪含量均與年齡有相關(guān)性，并且絕經(jīng)后女性的平均脂肪含量明顯高于絕經(jīng)前女性，但在股骨大轉(zhuǎn)子處骨髓脂肪含量與年齡無(wú)關(guān)。Ergen 等[31]利用IDEAL-IQ 對(duì)水和脂肪進(jìn)行T2*迭代分解以評(píng)估椎體骨髓脂肪含量，并將其與骨密度水平進(jìn)行比較，結(jié)果表明IDEAL-IQ 可用作無(wú)創(chuàng)評(píng)估脂肪含量的有效方法，并可通過(guò)評(píng)估骨髓脂肪含量來(lái)檢測(cè)椎體骨礦物質(zhì)的變化，從而反映骨密度水平。Hu 等[32]的研究采用IDEAL-IQ 技術(shù)與動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI 相結(jié)合用于驗(yàn)證四氧嘧啶誘導(dǎo)的兔糖尿病模型腰椎骨髓微血管通透性和骨髓脂肪組織的關(guān)系，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI 和IDEAL-IQ 可用于定量評(píng)估腰椎微血管通透性與脂肪沉積，相關(guān)變化與椎體骨髓脂肪沉積的增加密切相關(guān)。IDEAL-IQ 技術(shù)對(duì)脂肪定量的測(cè)量，與活體組織病理檢查和MRS序列的測(cè)量結(jié)果的一致性較高[33-35]，并且IDEAL-IQ具有無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離輻射、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，因此被認(rèn)為是一種可靠的、無(wú)創(chuàng)性的客觀評(píng)價(jià)脂肪含量和監(jiān)測(cè)治療效果的無(wú)創(chuàng)技術(shù)。

4.2 3D mDixon Quant 3D mDixon Quant 技術(shù)是一種通過(guò)一次掃描采集6 個(gè)回波，結(jié)合7 峰值脂肪模型和T2* 校正得到高質(zhì)量3D 脂肪分?jǐn)?shù)圖和T2*mapping 的方法。Zhang 等[36]研究表明3D mDixon Quant 技術(shù)測(cè)量腰椎和椎旁肌的脂肪含量具有較高的可靠性。展等[37]采用mDixon Quant 技術(shù)定量評(píng)估骶髂關(guān)節(jié)炎骨髓水腫區(qū)和脂肪沉積區(qū)的脂肪含量，結(jié)果表明慢性活動(dòng)組骨髓水腫區(qū)的脂肪分?jǐn)?shù)高于早期活動(dòng)組，而非活動(dòng)組脂肪沉積區(qū)的脂肪分?jǐn)?shù)高于慢性活動(dòng)組。Pacicco 等[38]采用3D mDixon Quant技術(shù)評(píng)估盆腔骨骼肌橫截面積和肌肉脂肪含量與年齡、性別和肥胖的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)臀肌脂肪含量與體質(zhì)量指數(shù)（BMI）呈正相關(guān)，腹直肌脂肪含量與年齡、BMI 呈正相關(guān)，而股直肌面積與年齡呈顯著負(fù)相關(guān)。Zhao 等[39]采用3D mDixon Quant 技術(shù)定量腰椎椎體脂肪含量，并分析脂肪含量值與正常骨密度、骨量減少和骨質(zhì)疏松癥3 組間骨密度的相關(guān)性，在控制年齡、性別和BMI 之后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脂肪含量與骨密度間存在中等程度的負(fù)相關(guān)，表明3D mDixon Quant 是一種快速、簡(jiǎn)單且無(wú)創(chuàng)地評(píng)估椎體骨髓脂肪含量的方法，在評(píng)估骨密度和骨質(zhì)疏松癥方面具有較高的預(yù)測(cè)能力。Guo 等[40]采用定量CT、定量磁化率圖和mDixon Quant 技術(shù)研究絕經(jīng)后女性腰椎磁化率和脂肪含量的變化，并探討其在骨質(zhì)疏松癥評(píng)估中的價(jià)值，結(jié)果表明骨量減少組和骨質(zhì)疏松癥組磁化率較正常骨密度組顯著升高，磁化率與骨密度呈負(fù)相關(guān)，而與脂肪含量呈正相關(guān)?？梢?jiàn)，腰椎磁化率和脂肪含量這兩種指標(biāo)的結(jié)合有望成為評(píng)估絕經(jīng)后病人骨質(zhì)疏松癥的生物標(biāo)志物。由于mDixon Quant 與MRS 序列測(cè)量脂肪含量的一致性較高（r=0.960）[41]，因此該方法可作為臨床評(píng)估脂肪含量的又一種可靠方法。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，骨質(zhì)疏松癥、糖尿病、惡性腫瘤等臨床諸多疾病均可引起骨髓脂肪含量的改變。隨著MR 定量成像技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，可對(duì)此類疾病脂肪含量的變化進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)測(cè)。目前用于椎體骨髓定量的方法主要包括 DWI、MRS、CSI 和 Dixon 技術(shù)，其中基于Dixon 技術(shù)的IDEAL-IQ 和3D mDxion Quant 技術(shù)是通過(guò)多回波采集來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脂肪含量的精準(zhǔn)定量。因其無(wú)創(chuàng)、操作簡(jiǎn)單快捷、精準(zhǔn)可靠、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于骨髓脂肪含量的定量評(píng)價(jià)，不僅可以診斷骨髓病變及其相關(guān)疾病，評(píng)估骨骼功能狀態(tài)以及研究多種慢性疾病的機(jī)制，還可以為相關(guān)疾病治療藥物的開(kāi)發(fā)和療效評(píng)估提供客觀和科學(xué)的依據(jù)，具有較大的臨床應(yīng)用價(jià)值及科研潛力。