磁共振成像定量掃描技術(shù)在骨肌系統(tǒng)的應(yīng)用

楊 淳 張維升

大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科(遼寧 大連 116011)

人體特定物質(zhì)變化的定量分析常常能表征疾病的發(fā)生和發(fā)展，這對疾病的早期診斷和干預(yù)有重要意義。通常認(rèn)為，組織活檢是定量分析的金標(biāo)準(zhǔn)，但因有創(chuàng)性限制了其應(yīng)用范圍，磁共振成像定量掃描技術(shù)在非侵入性的基礎(chǔ)上同樣能達(dá)到對人體疾病特異性物質(zhì)進(jìn)行定量分析的目的，并且還有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),例如良好的再現(xiàn)性、沒有采樣誤差等，對特定物質(zhì)的定量分析方法也是多種多樣。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，磁共振成像定量掃描技術(shù)可以對越來越多的物質(zhì)進(jìn)行定量分析，定量精度也在不斷提高，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。磁共振定量掃描技術(shù)包括：磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy,MRS)、擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)、擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、鈉MR成像(Na magnetic resonance imaging，NaMRI)、化學(xué)交換依賴飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange dependent saturation transfer，CEST)、磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)、T1ρ、T2mapping、MRI動態(tài)增強(qiáng)掃描(dynamic contrast enhanced MRI，DCE-MRI)，等等。本文就磁共振定量掃描技術(shù)在骨肌系統(tǒng)中的應(yīng)用做一簡要綜述。

1 磁共振波譜

MRS技術(shù)通過觀察磁共振的化學(xué)位移現(xiàn)象，加以分析得出物質(zhì)的分子組成，應(yīng)用于臨床的 MRS 主要有2種：1H-MRS和31P-MRS。由于不同化合物中1H頻率的差異，1H-MRS在MRS的譜的不同位置顯示共振峰，根據(jù)結(jié)果來對化合物進(jìn)行分類，1H-MRS可以對一些重要的分子進(jìn)行定量測量，這些分子包括：N-乙酰天冬氨酸(N-acetylaspartate，NAA)、肌酸 (creatine，Cr)、膽堿、乳酸、脂質(zhì)、肌醇、γ-氨基丁酸和谷氨酸/谷氨酰胺等[1]。31P-MRS多集中在骨骼肌肉系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以在一次檢查中提供有關(guān)骨骼肌肉結(jié)構(gòu)和新陳代謝的信息，用來識別和量化骨髓和肌肉脂肪變性，可以在相同的體積內(nèi)無創(chuàng)地、重復(fù)地對骨髓和肌肉的實(shí)際脂肪含量進(jìn)行定量，對于骨質(zhì)疏松癥的基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用開發(fā)空間較大。目前，骨質(zhì)疏松癥相關(guān)研究中骨髓脂肪含量(bone marrow fat，BMF)的測量占有較為重要的地位。從臨床角度看，骨骼質(zhì)量可以通過骨髓脂肪體現(xiàn)，在骨質(zhì)疏松癥的篩查診斷、療效檢測方面，BMF是骨密度(bone mineral density，BMD)檢查的有效補(bǔ)充。因此，定量評估肌肉和骨髓脂肪可進(jìn)行較為準(zhǔn)確的疾病檢測和嚴(yán)重程度分級，降低骨質(zhì)疏松癥風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。有研究發(fā)現(xiàn)MRS評估腰椎間盤的退變程度同樣是可行的[4]。MRS還可以通過揭示水溶性膽堿代謝物的存在與否來幫助區(qū)分肌肉骨骼腫瘤的良惡性[5-6]。近年來，隨著新技術(shù)的開發(fā)，MRS經(jīng)常與其他技術(shù)聯(lián)合進(jìn)行比較分析和研究，比如體內(nèi)不相干運(yùn)動(intravoxel incoherent motion，IVIM)擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)聯(lián)合MRS對骨質(zhì)疏松和溶骨性轉(zhuǎn)移性椎體壓縮性骨折(vertebral compression fractures，VCFS)的鑒別診斷比單獨(dú)使用MRS或IVIM-DWI更為準(zhǔn)確有效[7-8]。

目前MRS應(yīng)用存在的問題有：①要進(jìn)行正確的定量，必須知道測定對象化合物的構(gòu)造；②不能將化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似的類似物區(qū)別開來，要求定量結(jié)果準(zhǔn)確的前提是定量峰與其他峰完全分離，；③若樣品濃度過低，靈敏度會大大降低；④MRS技術(shù)會使MRI檢查時(shí)間明顯增加，對于臨床工作是一個(gè)極大的考驗(yàn)。相信MRS在臨床中的應(yīng)用會隨著技術(shù)的進(jìn)步突破而大大增加[9]。

2 擴(kuò)散加權(quán)成像

雖在Stejskal和Tanner在1965年提出DWI這個(gè)概念，但是直到1990年代才進(jìn)入臨床應(yīng)用。DWI并不依賴組織的T1或T2值，而是取決于水分子的運(yùn)動，它可以反映組織中水分子的微觀布朗運(yùn)動，其信號與體素中水分子的表觀擴(kuò)散系數(shù)成反比，它反映了水分子在不同組織中沿?cái)U(kuò)散梯度方向的平均擴(kuò)散[1]。對于骨腫瘤和腫瘤樣病變，DWI在鑒別良、惡性骨腫瘤和腫瘤樣病變方面有較大幫助，DWI表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)圖表可通過ADC值定量區(qū)分不同組織成分，準(zhǔn)確客觀地判斷腫瘤浸潤程度，顯示腫瘤范圍的高靈敏度和特異性，比常規(guī)測序更有優(yōu)勢。ADC是DWI的量化值，已被證實(shí)具有骨和軟組織腫瘤的良、惡性鑒別能力，并可在開始治療前預(yù)測攻擊性和潛在反應(yīng)性。高ADC值代表低細(xì)胞組織，低ADC值代表高細(xì)胞組織，平均ADC值支持鑒別良、惡性軟骨源性腫瘤和惡性非軟骨源性骨腫瘤。惡性軟骨源性骨腫瘤的平均ADC值明顯高于惡性非軟骨性腫瘤，在評估ADC值時(shí)應(yīng)單獨(dú)考慮此類軟骨源性腫瘤。DWI的改變還可以作為治療反應(yīng)的一個(gè)有效、早期的生物學(xué)標(biāo)志物[10-11]。對于關(guān)節(jié)軟骨，DWI 可以定量評估水分子在軟骨中的擴(kuò)散，在軟骨損傷的早期，由于膠原纖維網(wǎng)格崩解、破壞，蛋白多糖(proteoglycan，PG)含量減少，造成軟骨軟骨結(jié)合水含量減少，透水性增加，關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)水的自由擴(kuò)散能力增加，DWI信號低，ADC值增加，表明DWI在早期關(guān)節(jié)軟骨損傷的診斷中具有良好的臨床應(yīng)用價(jià)值。DWI也可用于軟骨移植修復(fù)的隨訪，軟骨修復(fù)組織的增殖明顯高于參考軟骨，反映了軟骨的逐漸成熟[12-13]。另外，DWI可以定量分析骨髓病變，為病變檢測提供客觀數(shù)據(jù)。ADC值的動態(tài)變化可能預(yù)示著骨髓水腫的病理結(jié)果[14]。過去，強(qiáng)直性脊柱炎的影像診斷主要依靠X線檢查和CT檢查，目前DWI已可用于強(qiáng)直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)的早期診斷，因?yàn)镈WI測量的軟骨下骨髓的ADC值由于持續(xù)的病理炎癥浸潤而增加，強(qiáng)直性脊柱炎的軟骨下骨髓脂肪變性可被認(rèn)為是活動性炎癥消退后的炎癥性修復(fù)性改變。非活動期骶髂關(guān)節(jié)炎患者ADC值低于活動期患者，其原因可能是非活動期骶髂關(guān)節(jié)炎患者黃骨髓增多所致[15-16]。

DWI存在的技術(shù)問題主要有：成像時(shí)間久、容易形成運(yùn)動偽影、無法完全抑制背景信號、圖像信噪比較差、對一些病變的特異性比較低等，容易影響到臨床應(yīng)用及檢查結(jié)果的判讀[17]。

3 擴(kuò)散張量成像

DTI基于由于不均勻磁場中的激發(fā)核的相位損失而引起信號損失，至少使用6個(gè)方向敏感的梯度陣列來測量不同方向的信號，并且量化水分子彌散特征。也就是說使用非均勻磁場中的激發(fā)核和擴(kuò)散衰減引起的信號衰減效應(yīng)，利用靈敏的梯度場測量各個(gè)方向的信號衰減，從而獲得組織微觀結(jié)構(gòu)和功能變化的信息[18]DTI可以反映組織中水分子的布朗運(yùn)動，定量分析水分子分散的各項(xiàng)異性常用的量化參數(shù)有部分異性指數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)和ADC值。全水分子各向異性分量在擴(kuò)散張量中所占的比例即為 FA 的值，即各向異性的彌散程度。FA值受關(guān)節(jié)軟骨中膠原纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響，如果關(guān)節(jié)軟骨有缺陷，關(guān)節(jié)軟骨膠原的結(jié)構(gòu)和膠原纖維異常，軟骨中的水分子各項(xiàng)異性降低，F(xiàn)A值出現(xiàn)下降。采用FA值和ADC值可測定膝關(guān)節(jié)軟骨PG和膠原含量，以真實(shí)、定量地評價(jià)骨關(guān)節(jié)炎，還可以通過FA值及ADC值的變化評估膝關(guān)節(jié)OA的嚴(yán)重程度[19]。

目前 DTI 技術(shù)存在對于一些磁敏感變化較大的區(qū)域易造成圖像失真等問題[20-21]。

4 鈉MR成像

NaMRI是基于使用特定的MRI采集序列和線圈直接檢測組織中的鈉離子，從而定量鈉離子的濃度。因?yàn)樵谲浌侵校c離子平衡PG分子的糖胺聚糖側(cè)鏈的固定負(fù)電荷，所以鈉離子濃度的測量是PG含量的一個(gè)生物標(biāo)志物，用于提高早期骨關(guān)節(jié)炎的檢測準(zhǔn)確率[22]。NaMRI不僅可以檢測膝關(guān)節(jié)手術(shù)后軟骨生理變化，而且可以評估術(shù)后的骨生長趨勢。

雖然MRI射頻線圈、梯度和平行成像技術(shù)的逐漸成熟提高了NaMRI的效果，但是仍存在圖像信噪比和分辨率較低等問題[20]。

5 化學(xué)交換依賴飽和轉(zhuǎn)移

CEST是基于磁化傳遞技術(shù)，利用自由水與溶質(zhì)中可交換氫質(zhì)子的不同諧振頻率來進(jìn)行成像。CEST能夠?qū)θ梭w物質(zhì)進(jìn)行測量，例如大分子物質(zhì)(蛋白質(zhì)及氨基酸、糖胺聚糖等)以及外源性物質(zhì)。其中，酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(APT)成像技術(shù)是基于蛋白質(zhì)酰胺基與水之間頻繁的化學(xué)交換來進(jìn)行成像。CEST適用于評估軟骨基于其高飽和效率、低特異性吸收率和非侵入性的優(yōu)點(diǎn)，已具有監(jiān)測軟骨修復(fù)手術(shù)后軟骨重建過程的能力。PG是由一個(gè)核心蛋白和一個(gè)或多個(gè)共價(jià)連接的糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)鏈組成，在關(guān)節(jié)軟骨和椎間盤中起重要作用，體內(nèi)GAG濃度的定量對于了解許多常見疾病的病理生理學(xué)改變非常重要。CEST評估軟骨中糖胺聚糖的濃度是通過生化顯像可以預(yù)測早期OA中GAG的耗竭，評估GAG的濃度和分布，可用于骨關(guān)節(jié)炎的早期診斷和潛在治療監(jiān)測[22-25]。除了關(guān)節(jié)軟骨，CEST可作為評價(jià) 椎間盤的一種可靠的定量顯像技術(shù)，對于檢測椎間盤早期變性以及對新興再生療法的治療反應(yīng)非常有用[25]。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有多種物質(zhì)可以用CEST進(jìn)行量化，但由于獲取相關(guān)數(shù)據(jù)較為困難，因此臨床應(yīng)用受到限制，還存在量化方案的不統(tǒng)一和磁場的要求較高等問題[7]。

6 磁敏感加權(quán)成像

SWI是一種3D梯度回波技術(shù)，基于磁敏感加權(quán)成像發(fā)展而來，經(jīng)特定的后處理可以進(jìn)行組織中的磁化率分布的量化，在無電離輻射的情況下對骨骼肌肉進(jìn)行形態(tài)學(xué)評估并且利用相位圖信息而不是幅度圖信息進(jìn)行成像的一種技術(shù)[1,26]。SWI在皮質(zhì)骨成像時(shí)，由于皮質(zhì)骨的表觀橫向松弛率很大，為了獲得可靠的SWI，常需要進(jìn)行短回波時(shí)間SWI以獲得皮質(zhì)骨體素內(nèi)部的相位信息。與皮質(zhì)骨相似，小梁骨是反磁性的，SWI是非侵入性間接測量骨小梁密度的天然候選者，通過研究發(fā)現(xiàn)SWI對骨小梁體積密度敏感，鑒于測量骨密度對評估絕經(jīng)后婦女和老年人骨折風(fēng)險(xiǎn)的重要作用，SWI可能會成為一種有用的診斷工具[27]。并且有實(shí)驗(yàn)證明了繪制包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨髓在內(nèi)的骨磁化率圖的可行性，能夠通過一次MRI掃描對骨骼及周圍軟組織進(jìn)行全面評估[28]。與傳統(tǒng)MR圖像相比，SWI能夠可靠地評估髖關(guān)節(jié)Sharp's角、T?nnis角、Wiberg外側(cè)中心邊緣角和頭頸骨干角的骨形態(tài)學(xué)測量結(jié)果，準(zhǔn)確性高。在評估椎體后緣皮質(zhì)、皮質(zhì)斷裂和骨折線的位移和最小高度方面，SWI可以比標(biāo)準(zhǔn)MRI序列更準(zhǔn)確地對椎體骨折進(jìn)行可靠的評估，特別是對于未愈合的椎體骨折患者。另外，由于SWI能夠可靠地檢測鈣化性肌腱炎患者肩袖中的鈣化，并且比標(biāo)準(zhǔn)的肩袖MR序列具有更高的敏感性和特異性，期待其在肩周炎患者中的應(yīng)用[26,29,30]。SWI還能夠可靠區(qū)分脊柱轉(zhuǎn)移瘤是以成骨細(xì)胞或溶骨細(xì)胞為主，能夠以比標(biāo)準(zhǔn)MRI序列以更高的準(zhǔn)確性可靠的區(qū)分以成骨細(xì)胞為主的脊柱轉(zhuǎn)移瘤和溶骨型脊柱轉(zhuǎn)移瘤[31,32]。

目前，SWI存在的不足有：掃描時(shí)間較長，容易出現(xiàn)由患者運(yùn)動引起的微小運(yùn)動偽影，且圖像質(zhì)量還取決于圖像后處理的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性，對同一圖像分析得出的結(jié)果可能略有不同。當(dāng)視場相位超過π弧度時(shí)，圖像有混淆的可能，這使得很難獲得特別大的鈣化的確切形狀和范圍。在鑒別良惡性骨折中，ADC值可出現(xiàn)重疊，在骨和軟組織腫瘤和骨感染的圖像上也可出現(xiàn)重疊。

7 T1ρ

T1ρ反映旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中自旋晶格弛豫時(shí)間(T1ρ弛豫時(shí)間)的變化，弛豫時(shí)間的變化反映了水中基質(zhì)大分子的低頻運(yùn)動狀態(tài)，二者中氫質(zhì)子的能量交換為T1值，以此生成T1ρ偽彩圖。T1ρ成像不需要對比劑，也不需要關(guān)節(jié)運(yùn)動后掃描，因此可部分替代延遲增強(qiáng)成像。T1ρ可通過檢測軟骨PG的變化，對活體內(nèi)軟骨早期退變進(jìn)行敏感可靠地量化。早期關(guān)節(jié)軟骨變性的主要特征是PG損失，骨形態(tài)無明顯改變，因?yàn)镻G的丟失是早期關(guān)節(jié)軟骨退化的重要觸發(fā)因素和標(biāo)志，導(dǎo)致不可逆的形態(tài)改變，因此可以通過檢測PG含量來檢測早期軟骨退化。在軟骨基質(zhì)中，PG大分子可以通過親水基團(tuán)與水分子連接并且相互作用，T1值增加表明PG含量減少[33]。此外，T1ρ對于鑒別Ⅰ、Ⅱ級軟骨退變也具有一定優(yōu)勢。

T1ρ掃描需要高場強(qiáng)和高射頻能量，以及需要應(yīng)用特殊脈沖序列，因此掃描時(shí)間較長，期待該挑戰(zhàn)早日得到解決。

8 T2 mapping

T2mapping測量的是組織T2值，即橫向弛豫時(shí)間，其代表的是組織特性參數(shù)，在組織成份發(fā)生改變時(shí)，T2值會發(fā)生相應(yīng)改變。常規(guī)的T2-mapping是基于自旋回波(spin-echo,SE)技術(shù)，能夠通過直接獲取正常組織與病變組織的T2值為診斷疾病提供參考依據(jù)，在臨床與科研中發(fā)揮了越來越重要的作用，憑借其比傳統(tǒng)的MRI成像技術(shù)擁有更高的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和客觀性的特點(diǎn)，幾乎在全身各個(gè)系統(tǒng)的研究中均有應(yīng)用，但主要集中在骨肌系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)。多個(gè)研究表明，T2mapping對關(guān)節(jié)軟骨的水含量和膠原纖維非常敏感，能反映關(guān)節(jié)軟骨膠原纖維結(jié)構(gòu)的完整性，但特異性較低[34-36]。體外研究表明，關(guān)節(jié)軟骨T2mapping值與水含量呈正相關(guān)，與GAG濃度呈負(fù)相關(guān)，并隨軟骨退變程度加重而增高。目前認(rèn)為，T2弛豫時(shí)間隨軟骨和肌肉結(jié)構(gòu)的破壞而延長。

T2mapping易受其他一些因素的影響，如背景均勻性、骨膠原纖維排列方向、磁化率的變化、激發(fā)回波，等等。

9 MRI動態(tài)增強(qiáng)掃描

MRI 動態(tài)增強(qiáng)掃描是在快速注入對比劑后，應(yīng)用快速成像序列獲得對比劑在毛細(xì)血管網(wǎng)、組織間隙的分布情況[37]。軟骨動態(tài)延遲增強(qiáng)(delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage，DGEMRIC)是一種非侵入性分子成像技術(shù)，用于定量評估軟骨中的 GAG 含量。其原理是靜脈注射順磁造影劑釓(GD-DTPA)后，通過滑膜滲入滑液，GD-DTPA與健康軟骨內(nèi)帶負(fù)電荷的 GAG 側(cè)鏈相互排斥，擴(kuò)散到軟骨中GAG含量較低的區(qū)域，從而縮短T1組織的弛豫時(shí)間。健康軟骨中GAG含量高，GD-DTPA不易積聚，T1弛豫時(shí)間較長；在GAG減少的區(qū)域容易堆積，T1弛豫時(shí)間短，研究表明軟骨中GAG含量與T1值有很好的相關(guān)性，在膝關(guān)節(jié)軟骨關(guān)節(jié)炎患者中，GAG含量可以被準(zhǔn)確測量[38]。DGEMRIC 可以與T2-mapping 聯(lián)合使用，同時(shí)獲取軟骨中 的GAG 與膠原蛋白的信息，可靠地評估軟骨生化成分[18]。

10 討 論

總之，磁共振成像定量掃描技術(shù)對骨骼肌肉系統(tǒng)疾病的早期診斷、發(fā)病機(jī)制及預(yù)后有重要意義。但由于掃描時(shí)間長，對磁場要求高，一些技術(shù)在臨床上的應(yīng)用受到限制。相信經(jīng)過不斷發(fā)展，磁共振定量掃描技術(shù)在臨床應(yīng)用的空間會更加廣闊。