骨質疏松癥程度評價的常用MRI技術綜述

關鍵詞: 骨質疏松; 磁共振技術; 定量評價; 骨質疏松癥 (osteoporosis, OP) 是一種以骨量減少為主的代謝性疾病[1], 脆性骨折是其嚴重并發癥之一[1,2]。骨強度大小決定著脆性骨折發生率, 影響骨強度大小的2個重要因素為骨密度 (bone mineral density, BMD) 和骨質量。有
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  關鍵詞: 骨質疏松; 磁共振技術; 定量評價;

  骨質疏松癥 (osteoporosis, OP) 是一種以骨量減少為主的代謝性疾病[1], 脆性骨折是其嚴重并發癥之一[1,2]。骨強度大小決定著脆性骨折發生率, 影響骨強度大小的2個重要因素為骨密度 (bone mineral density, BMD) 和骨質量。有研究表明, BMD只能反映60%~80%的骨強度變化情況, OP還與皮質骨和松質骨內部的空間微結構、骨髓性質、骨有機基質及脂肪含量相關, 有相當數量的骨質疏松性骨折患者BMD值在正常閾值內, 僅用BMD值診斷OP及預測脆性骨折并不全面[3,4]。定量磁共振成像 (qualitative magnetic resonance imaging, QMRI) 是基于常規MRI基礎之上無創性定量評估骨髓信號及檢測骨質微結構的技術, 從分子運動水平、骨髓脂肪含量、局部磁場不均勻性等方面對BMD及骨強度進行研究。如磁共振波譜 (magnetic resonance spectroscopy, MRS) 探測骨髓內脂水比、高分辨率核磁探測骨小梁形態、擴散加權成像 (diffusion weighted imaging, DWI) 測定表觀擴散系數 (apparent diffusion confficient, ADC) 值等。現對幾種常用的MRI評價OP程度的技術進行綜述, 并分析不同MRI技術的優勢、不足及臨床應用價值。

  1、 DWI技術

  DWI是測量活體水分子擴散運動并成像的唯一功能性MRI技術, 可在細胞水平測量活體組織水分子擴散運動的速率及方向, 分析組織細胞的生理和病理細微結構改變, 近年來逐漸應用于骨肌系統, 可對椎體良、惡性壓縮性骨折進行鑒別診斷[5]。DWI通常以ADC值描述組織中水分子擴散運動速率, 計算出ADC圖, 對所有像素的ADC值進行自然對數運算后得到DWI圖, 通過計算ADC值可以實現對病變的定量分析。DWI受水分子擴散和局部組織微循環血流灌注的雙重影響, 即ADC值反映灌注和擴散共同作用。影響ADC值的因素是b值, DWI有2個或2個以上的b值, 高b值測得的ADC值反映被測定組織內水分子的擴散能力, 但高b值會導致DWI空間分辨率和信噪比降低, 圖像易扭曲、變形[6]。DWI用于骨髓掃描與中樞神經系統的主要技術區別為骨髓掃描不抑水。

  OP時骨小梁間隙被脂肪細胞填充, 骨小梁間隙增大, 細胞外間隙減少, 使水分子擴散受限, 所測ADC值降低。在腰椎MR擴散加權成像對OP的定量診斷價值研究中認為腰椎骨髓的水分子擴散有性別差異, 女性腰椎ADC值與BMD值呈正相關, 與年齡呈負相關, DWI技術可以在一定程度上反映BMD值的變化[5,6]。ADC值與BMD的關系在多個研究中結果并不一致[7], 這可能是選擇的b值不同引起的組織擴散與灌注效應不同所致。由于主磁場強度的不同及T2透射效應等因素的存在也會影響ADC值的準確性。DWI的定量指標與BMD相關性的結果仍存在爭議, 故限制了DWI對OP評價的臨床應用。

  擴散張量成像 (diffusion tensor imaging, DTI) 是DWI的一種技術延伸, 可有效避開傳統DWI的T2透射效應, 通過多個方向施加擴散敏感梯度, 在三維空間內定量分析水分子的擴散速率及方向。DTI通過測定ADC值和各向異性分數 (fraction anisotropy, FA) 值定量反映OP骨質內部擴散的細微變化[8]。FA值反映了水分子各向異性成分占整個擴散張量的比例, 具有方向依賴性, 其變化趨勢能體現組織水分子擴散能力的改變。馬景旭等[8]認為FA值與BMD值呈負相關, 可反映骨量的改變, 有利于預測腰椎骨折風險。但DTI與BMD值的相關性研究同樣存在不一樣的結果, 其診斷OP的價值尚有待進一步確定。

骨質疏松癥程度評價的常用MRI技術綜述

  2、 MRS技術

  MRS成像原理為利用質子在化合物中共振頻率的化學位移現象和自旋耦合測定特定原子核及化合物組成成分及含量。已有研究認為OP發生的病因之一是骨髓干細胞向成骨細胞和脂肪細胞分化紊亂, 即OP骨髓內出現脂肪替代, 骨髓脂肪含量的定量測定可早于BMD反映OP情況[9]。MRS是在分子代謝水平評估骨髓的水脂含量, 利用脂峰、水峰高度等參數對脂肪含量進行定量分析, 常用分析指標有脂肪分數 (fat fraction, FF) , 脂水峰比 (lipid water ratio, LWR) 、基線寬度 (line width, LW) 等[10]。Zhang等[11]使用1H-MRS定量評價腰椎OP與非OP的骨髓脂肪含量, 發現2組間LWR與FF差異有統計學意義, FF診斷腰椎OP的受試者工作特征曲線下面積為0.740, LWR為0.706, 認為MRS可用于OP的評價和監測。

  MRS 評價OP的優勢在于可對骨髓生化成分進行定量測定, 從骨微結構和組織生化成分方面對骨質量進行定量、無創、無輻射的評價[12]。但該技術仍存在不足:①MRS不是常規MRI檢查序列, 其應用對場強有較高要求;②MRS 校正過程繁瑣, 技術穩定性差, 檢查費用較高, 耗時長, 僅能獲得較小體素內代謝物的信息;③FF值并不能取代BMD值, FF和BMD 既相互聯系又彼此獨立, 由于OP 發病機制復雜, 單純的BMD減少, 其骨髓內脂肪含量并不一定增加。MRS對OP程度的評價具有一定的局限性, 限制了其臨床應用。

  3、 血流灌注成像研究

  動態增強磁共振成像 (dynamic contrast-enhanced MRI, DCE-MRI) 是目前常用的無創性評價組織微血管分布及血流灌注的技術。骨髓中填充著豐富的毛細血管, DCE-MRI通過靜脈注射對比劑改變局部組織磁場, 在對比劑通過椎體毛細血管期間繪制出時間-信號強度曲線, 可得到定性、半定量及定量參數。常用的定量參數有血漿容積分數 (Vp) 、血管外細胞外容積分數 (Ve) 、容積轉移常數 (Ktrans) 以及速率常數 (kep) , 其中Ktrans和kep最具價值[13]。

  既往研究顯示, Ktrans可以反映早期骨髓灌注的變化, 卵巢切除鼠2周即可檢測到Ktrans降低, 證實通過卵巢切除造模的OP組隨著FF值的增加Ve和Ktrans減小, 血管內皮生長因子和微血管密度降低, 推測OP的發生可能與骨髓血管收縮增強、血管內皮細胞間隙減小有關[14]。Biffar等[15]研究發現, OP 組患者腰椎椎體骨髓血流量低于正常組, 其血容量與定量CT測得的BMD值呈正相關。Ma等[16]研究顯示, 在骨量減少或OP人群中, DCE-MRI的定量參數與年齡及腰椎椎體骨髓脂肪含量呈負相關, 可以以此對腰椎椎體的OP進行評價, 經長期隨訪發現骨髓灌注不佳可造成BMD值的持續降低, 而良好的骨髓灌注能維持BMD值的穩定, 提示骨髓灌注對骨重構的影響及在OP的發生發展中所起的作用。

  DCE-MRI能定量檢測骨髓的血供情況, 其參數指標與BMD值有很好的相關性, 但DCE-MRI技術需要使用對比劑及缺乏統一的評價標準, 所選用的掃描技術和序列不統一、藥代動力模型及處理軟件不同、參數評價標準的不同等均會影響測量結果的可比性, 限制了其臨床應用。

  4、 化學位移水脂分離成像技術

  4.1、 同反相位成像

  1984年Tomas Dixon根據水中氫質子與脂肪中氫質子的進動頻率差異, 提出利用化學位移效應采用常規自旋回波序列在不同的回波時間 (echo time, TE) 進行2次信號采集, 第1次采集時水、脂的氫質子橫向磁化強度矢量處于同相位, 第2次采集兩者處于相反相位, 即同時獲得同、反相位2幅圖像。同相位圖像就是普通的T1WI圖像;反相位圖像是水與脂肪信號相減圖像, 圖像特點是水和脂肪成分混合時會出現明顯的信號衰減, 純脂肪組織不會出現明顯的信號衰減。該技術近年來開始應用到測定骨髓的脂肪組織[17]。

  Ojanen 等[18]通過對同一家族成員椎體骨髓脂肪含量的測定表明, 同反相位成像技術可以作為測定組織內脂肪含量的檢查方法。張靈艷等[19]認為, 反映脂肪含量的同反相位信號強度比 (signal intensity ratio, SIR) 與BMD呈負相關, SIR可以反映骨量是否正常, 但無法鑒別骨量不正常者的骨量減少程度。雷立存等[20]測量腰椎椎體同反相位圖像上的信號降低指數, 認為同反相位成像能夠反映椎體骨髓脂肪含量的變化。同反相位信號強度測定作為一種半定量脂肪含量測定方法, 在評價OP程度的可靠性上還存在一定不足。Gokalp等[21]通過計算椎體的相對信號強度指數, 對OP患者的腰椎椎體骨髓脂肪含量進行定量分析, 認為同反相位成像并不是評估50~65歲女性BMD的可靠參數。

  4.2 、Dixon水脂分離技術

  同反相位成像技術是Dixon水脂分離技術的基礎, 該技術以雙回波成像為基礎, 故也稱為Dixon兩點法水脂分離技術[22]。Dixon技術作為基于化學位移的水脂分離技術, 在獲得同反相位圖像同時, 通過進一步解析可以得到純水像與純脂像。該技術具有分離脂肪組織迅速、兼容性好、信噪比較高及可以定量檢測脂肪組織等優點, 主要缺點為易受主磁場不均勻或顯著磁化率效應的影響產生相位誤差, 導致解得的水、脂兩相信號混雜, 發生水、脂錯換[23]。為消除相位誤差的影響, 提出了三點式Dixon技術, 在2次測量的基礎上增加了1次測量, 使用增加的信息校正主磁場不均勻或磁化率效應產生的相位誤差[24,25]。由于三點式Dixon要作3次測量, 耗時較長, 為了節省掃描時間又就Dixon技術進行了進一步修改和完善, 純水相和純脂肪相分離的關鍵在于校正場不均勻造成的相位誤差, 故技術進步的重點在于在相位誤差的校正。目前用于評估脊柱椎體脂肪含量的水脂分離技術包括兩點式Dixon、三點式Dixon、mDixon和迭代最小二乘法非對稱采集水脂分離 (iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares, IDEAL) 等技術[26]。

  IDEAL技術是改進的非對稱三點式Dixon技術, 其結合了非對稱采集技術與迭代最小二乘水脂分離算法, 所獲得的圖像能夠更有效地克服磁場不均勻性, 病變區脂肪檢出率提高, 信噪比更高。Martin等[27]在其使用IDEAL序列快速測定椎體脂肪含量的研究中認為, IDEAL技術測定椎體FF值有很好的準確性和可重復性。相對于MRS法, IDEAL技術具有掃描簡便、成像速度快等優點。

  改良的Dixon技術如mDixon是較新的水脂分離技術, 該技術可以靈活選擇TE, 有效縮短了TE和TR時間, 提高信噪比的同時提高圖像采集速度, 可用于全身掃描, 該技術基于單峰值脂肪模型, 與傳統的Dixon技術相比可消除磁場不均勻性的影響, 提高水和脂肪信號分離的精確度[28]。改良的Dixon技術成像速度快, 受呼吸運動影響小, 對磁場不均勻性不敏感[29], 但其對場強要求高, 需要特殊算法的軟件支持。

  5、 高分辨率磁共振成像技術 (high-resolution MRI, HR-MRI)

  HR-MRI直接顯示骨小梁的微細結構, 其在顯示活體或離體骨小梁結構方面與組織學檢查十分相似, 被稱為“骨活組織檢查技術”。HR-MRI常用序列包括自旋回波序列和梯度回波序列, 大多數傾向于GRE或三維GRE序列。HR-MRI圖像通過特定軟件反轉灰度等級顯示法顯示骨小梁網狀系統, 常用定量參數有單位面積連通數、骨小梁面積與感興趣區面積的比值、骨髓面積與感興趣區面積的比值、骨小梁平均厚度、骨小梁平均間隔、歐拉數與感興趣區的比值等13個參數[30]。骨質疏松時, 骨小梁間隙增寬、連接性降低, 骨強度降低, 骨脆性增加。王峻等[31]研究表明, 松質骨丟失在男性以骨小梁厚度變薄為主, 女性以骨小梁的斷裂、缺失為主, 其原因可能為男性以骨形成減少為主, 女性以骨吸收增強為主, 還發現骨質疏松患者較非骨質疏松患者骨小梁稀疏, 網狀連接水平低, 連續性差, 密集度較低, 抗骨折強度降低, 其選用的9個參數中單位面積連通數、骨小梁平均厚度、骨小梁平均間隔及歐拉數與感興趣區的比值等在骨質疏松組和正常組間差異有統計學意義, 可以據此對OP作出評價。

  HR-MRI技術掃描時間長, 需要較高配置的軟硬件, 用于測量的選定區域骨小梁范圍較小, 故在臨床中的應用較為局限。HR-MRI有待進一步研究的問題包括:空間分辨率、標本大小、信號噪聲比、可重復性 (運動校正和圖像配準) 、檢查所需時間、圖像采集及后處理過程的復雜性、外周骨和中軸骨的生理差別、實驗研究向臨床應用的過渡等。

  6 、磁共振弛豫時間測量技術

  磁共振弛豫時間可以間接反映骨小梁空間結構, 用于骨質疏松研究的MR弛豫時間測量主要包括T2*、T2、T2′、T1等。其相互關系是T2*值由梯度多回波掃描序列獲取;T2值來自于自旋多回波掃描序列;1/T2′=1/T2*-1/T2, R2*= 1/T2*, R2=1/T2[32]。在穩定的外磁場下, 骨小梁和骨髓分界處的2種物質界面存在一定的空間不均一性, 導致磁場的不均一。局部磁場不均勻性的程度取決于骨小梁與骨髓交界面的數量、骨小梁的表面積和主磁場場強的高低。梯度回波序列對局部磁場的不均勻性改變較敏感, 有效橫向弛豫時間T2*值的變化與小梁骨網狀結構的密度及空間幾何學形態直接相關[33]。T2*值的變化不僅與代表骨小梁數量的BMD值有關, 還可對骨小梁的空間結構進行表達, T2*值在同一骨骼的不同部位及不同骨骼均有差異, 這與電鏡組織切片下不同部位骨小梁的微結構差異相對應[32,33]。

  翟樹佳等[28]提出, 骨髓T2*值的變化對OP的評估比BMD值變化更加敏感, T2*值在OP骨質中顯著增加, 認為該技術可以用于評估脆性骨折的風險。T2*、T2、T2′、T1等弛豫時間值同OP的相關性研究顯示, T2*較敏感而T2較特異[32,33]。分析其原因:T2*值主要由內、外磁場的不均勻性決定, 即T2*值反映了骨小梁與骨髓交界面的數量及結構;而T2值主要由組織中的蛋白、脂肪、自由水等組分的相對數量及比例決定。

  7 、其他技術

  超短回波時間磁共振成像 (ultrashort echo-time magnetic resonance imaging, UTE-MRI) 為近年來快速發展的乏質子成像技術, 在骨皮質的定量成像方面取得了較快發展。UTE-MRI技術利用超短回波時間采集短T2組織的信號, 結合組織抑制技術可將骨皮質顯示為高信號。骨皮質UTE-MRI信號來源主要為結合水和孔隙水, 前者與骨內有機質相關, 后者與骨皮質的孔隙度相關[34]。Bae等[35]將結合水、孔隙水與孔隙度、骨彈性、骨極限應力等骨骼生物力學參數進行相關性分析, 結果顯示孔隙水、結合水分別與孔隙度呈正、負相關, 骨骼機械性能指標也與孔隙水含量相關。OP骨組織活檢發現孔隙增大, 骨皮質孔隙度與其能承受的峰值壓力相關, 孔隙度是影響骨強度和導致脆性骨折的重要因素。UTE-MRI在評估骨皮質的有機質相對含量、骨皮質的孔隙度、骨皮質的力學性質、骨強度等方面顯示了較好的應用前景。

  8 MRI技術評價骨質疏松的前景及不足

  MRI技術通過獲取多種定量指標反映松質網狀骨和皮質骨的顯微結構、生物力學特性和骨組織內成分等, 其中的HR-MRI技術直接定量評價骨小梁疏密;T2*值間接反映骨小梁疏密度;多種MRI脂肪定量技術測量骨髓脂肪含量反映OP程度。以上技術均從骨質量角度反映骨強度, 是對BMD測定的有效補充。MRI技術評價OP可以達到無創定量評價OP的目的, 在骨質疏松的早期診斷、骨折危險性的預測和治療后隨訪方面具有臨床價值, 有助于更全面地了解諸多因素在OP進展過程中的綜合作用, 在臨床科研和應用角度具有廣闊的應用前景。目前MRI技術檢查時間較長、檢查費用較高, 定量評價OP尚缺乏統一的技術標準和評價體系, 在臨床的廣泛應用受到制約, 但隨著MRI序列技術的進步和臨床經驗積累, 以上弊端正在一一克服, 其定量評價OP的臨床應用將會逐步得到完善和推廣。

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