磁共振擴散張量成像在下肢肌肉病變中的應用進展

付云雷，杜梅，張追陽，倪建明

(南京醫科大學附屬無錫第二醫院放射科，江蘇 無錫214000)

下肢肌肉對維持人體直立姿勢、支撐體重及進行走、跑、跳等運動至關重要。下肢肌肉發生病變將對人類的正常活動產生重要影響，嚴重者可致癱瘓，因此臨床上及時診斷和治療下肢肌肉病變顯得尤為重要。由病理(生理)條件改變(如炎癥、創傷、萎縮或肥大)引起的下肢肌肉組織結構變化，可通過常規磁共振T1 和T2 加權成像進行評估。然而，早期的病理(生理)變化往往始于細胞水平，超出了常規T1 和T2 加權成像的檢測能力，往往需要借助活檢才能證實。活檢具有侵入性，在健康人群中不適合下肢肌肉病變的篩查，也無法用于下肢肌肉病變患者定期隨訪。因此，迫切需要一種無創的、靈敏的、能及早發現下肢肌肉病變的檢查技術。下肢肌肉屬于骨骼肌的范疇，肌纖維呈圓柱形，沿著特定方向整齊排列，使得肌纖維的縱軸明顯長于橫軸。由于肌細胞膜(肌膜)的橫向限制，水分子在肌纖維中沿縱軸方向的擴散快于沿橫軸方向。擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)相關參數的變化與下肢肌肉病理生理學改變一致，能敏感地反映下肢肌肉病理生理變化;另外，DTI 的纖維束成像技術還能直觀顯示肌纖維束的增多、減少或紊亂情況［1］，因此DTI 成功應用于下肢肌肉病變的檢查。由于下肢DTI 對運動偽影敏感、空間分辨率較低、采集時間較長等限制了DTI 在臨床上的應用。現就DTI 在下肢肌肉病變中的應用進展予以綜述。

1 DTI 概論

1.1 DTI 基本理論 DTI 是擴散成像的高級形式，可通過測量至少6 個獨立方向上的表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)來定量評價擴散方向的各向異性。骨骼肌中由于肌膜的限制，使得縱向擴散速度快于橫向擴散，即為各向異性［1］。目前DTI 描述各向異性參數的量化指標有部分各向異性分數(fractional anisotropy，FA)、特征值(λ1、λ2、λ3)、平均擴散率(mean diffusivity，MD)等。DTI 的可視化方法主要有彩色編碼圖和纖維示蹤技術。彩色編碼圖中用紅色編碼表示主要特征向量是左右方向走行，綠色編碼表示前后方向走行，藍色編碼表示上下方向走行。

1.2 下肢骨骼肌DTI 采集技術及優化 下肢肌肉DTI 主要采用自旋回波-DTI 和回波平面成像(echo planar imaging，EPI)-DTI 序列掃描。自旋回波-DTI信噪比(signal noise ratio，SNR)高，但采集時間長，對運動偽影非常敏感;EPI-DTI 速度快，但對磁敏感偽影和化學位移偽影非常敏感。目前，單回波DTI脈沖序列是骨骼肌DTI 的主要研究方法，然而無法量化微結構變化。Ababneh 等［2］首次證實多回波DTI 也可用于骨骼肌DTI。隨后的研究發現，多回波DTI 可用于量化肌纖維大小變化［3］。目前研究認為，不同場強下獲得的DTI 參數均是有效的，可用于骨骼肌定量分析［4-5］。另外，線圈對下肢肌肉DTI也存在影響，主要使用膝關節線圈和體部線圈，膝關節線圈SNR 高，視野局限;體部線圈SNR 較低，采集范圍大。由于下肢肌肉DTI 的T2 值較低，導致獲得的圖像SNR 較低，一定程度上限制了下肢DTI 的應用。SNR 與采集參數(重復時間、回波時間、層厚、b 值等)密切相關。為了提高SNR，可從以下4 個方面對EPI-DTI 采集參數進行優化:①采用并行采集技術減少回波時間;②應用部分傅立葉采集，減少運動偽影和磁敏感偽影;③選擇相對低的b 值;④增加梯度編碼方向［6］。有研究認為，體素控制在20 ～30 mm3，b 值為400 ～500 s/mm2，同時盡量使用短回波時間來最大化SNR，并至少使用10 個梯度方向可以獲得良好的SNR［7-8］。

2 DTI 在下肢骨骼肌中的應用

2.1 DTI 在正常下肢肌肉中的研究 正常下肢骨骼肌具有清晰的組織結構，能很好地區分下肢各肌肉解剖，但目前正常下肢擴散相關參數尚無統一標準。DTI 采集參數的設置差異可造成測得的擴散相關參數不同［9-11］。而梯度方向的不同可致FA 不同，Rockel 和Noseworthy［12］的研究表明，梯度方向越少，FA 越高。下肢肌肉的研究大多選取某一條肌肉或部分肌肉進行DTI，但下肢肌肉間擴散相關參數存在差異［6，9-10］。有研究發現，FA 與纖維類型比例顯著相關，Ⅰ型纖維比例越高，FA 越低［13］。另外，同一條下肢肌肉的不同層面擴散相關參數值也存在差異，肌腱處的FA 往往高于肌腹處，可能是由于肌腱處的肌纖維呈均勻平行排列、結締組織較多［10，14］。臨床資料的差異(性別、年齡、體重等)對擴散相關參數也有影響，因而在研究中需要設立對照組，分析相關性［15-17］。不同狀態下的下肢肌肉DTI，擴散相關參數也不同，可能與下肢肌肉灌注有關［18-20］。有研究認為，下肢肌肉灌注造成的差異可以通過體素內不相干運動擴散加權成像進行校正［21］。

2.2 DTI 在下肢肌肉病變中的應用

2.2.1 在下肢肌肉萎縮中的應用 引起下肢肌肉萎縮的原因錯綜復雜，下肢肌肉萎縮輕者限制患者正常活動，嚴重者可致癱瘓。及早發現造成肌肉萎縮的病因、監測肌肉萎縮程度及評價預后顯得尤為重要。蒙秋華等［22-23］制作的兔失神經支配骨骼肌退變及再生模型的研究表明，DTI 評價失神經靶肌肉退變及再生的情況的靈敏度高，本征向量平行值(λ//)、本征向量垂直值(λ⊥)及FA 均能敏感地反映由牽拉損傷繼發造成的失神經靶肌肉的早期微小損傷及修復情況，且三者變化與病理學變化一致，即靶肌肉肌纖維間質出現水腫時，λ//、λ⊥及FA 開始下降;隨著靶肌肉內血管擴張、肌纖維灶性萎縮、肌肉間隙增寬等的出現，水分子擴散受限制，各向異性進一步減小，λ//、λ⊥及FA 進一步下降;當病理改變逐漸減輕，三者均逐漸升高直至恢復;由于損傷24 h λ//下降最顯著，故λ//被認為是最敏感指標。上述研究結果與Zhang 等［24］的研究有相似之處。另外，DTI 還可用于評估下肢肌肉功能。Hara 等［25］利用DTI 評價大鼠跟腱切除后的小腿三頭肌的功能，發現λ1 與肌肉力量和肌腹長軸的長度呈顯著正相關，λ1 的減少代表肌腹長軸縮短，而肌腹長軸縮短是導致肌肉功能減退的原因，因此推測λ1 有助于評估肌肉力量。近年來，關于下肢肌肉萎縮的研究不再局限于與病理、生理對照，越來越多的研究利用DTI 探索組織微結構參數的變化。在單側肢體懸吊模型中，Malis 等［26］發現特征值(λ1、λ2、λ3)均下降，且λ2下降最顯著;這與肌纖維橫截面的變化有關，肌纖維的橫截面呈不對稱的橢圓形，懸吊后肌纖維短軸與長軸比率增加，肌纖維橫截面趨向正圓形，不對稱性下降，其中λ2 與肌纖維橫截面的長軸有關，因此下降最顯著。

2.2.2 在神經肌肉疾病中的應用 杜氏肌營養不良癥(Duchenne muscular dystrophy，DMD)的特征是骨骼肌逐漸破壞，隨后被脂肪和纖維組織替代，肌肉退化，最終可致患者死亡。肌肉活檢是目前監測疾病和干預的參考標準，但肌肉活檢具有侵入性，并且其準確性僅限于一小塊肌肉，限制了DMD 患者療效評估及新藥研發。Ponrartana 等［27］利用DTI 發現DMD 患者大腿肌肉的ADC 和FA 與肌肉脂肪含量密切相關。Li 等［28］進一步研究了DMD 患者大腿肌肉的ADC 和FA 與脂肪浸潤的相關性，結果表明，脂肪浸潤的平均分級評分越高，對肌纖維完整性的損害越大，FA 下降越明顯。DMD 的骨骼肌被脂肪和纖維組織取代，病變限制了水的自由擴散運動，破壞了肌纖維結構的完整性，導致ADC 增加和FA 降低。DMD 發展過程中伴隨著脂肪浸潤和肌肉細胞的減少，早期階段肌肉細胞減少不明顯，而脂肪浸潤明顯;而晚期階段，肌肉細胞顯著減少。因此，DTI不僅可診斷DMD，還能檢測DMD 的疾病進展及評估藥物療效，有利于新藥研究及預后判斷。

2.2.3 在關節病變中的應用 髕股關節不穩定是青少年膝關節疼痛和(或)功能障礙的最常見原因之一。先天性發育不良、外傷等均可導致髕股關節不穩定。對髕股關節不穩定的病因探究主要集中在骨因素，然而肌肉因素對髕股關節不穩定也有影響。有研究探究了復發性髕骨脫位患者的股內斜肌的DTI，結果發現ADC、λ2、λ3 顯著低于正常人，FA 顯著高于正常人［29］。股內斜肌是髕骨主要的穩定裝置，能抵抗股外側肌的作用力。當股內斜肌發生功能障礙時，會降低內側髕骨的結合力，并形成復發性髕骨外側脫位的病理基礎。DTI 相關參數和肌肉病變與內部組織結構的病理學變化密切相關。Scheel 等［30］發現，FA 與最大肌肉力量呈負相關，肌肉力量越弱，FA 越大，股內斜肌肌力降低，FA 相應增高;生理條件下，肌肉收縮，軸向平面中的肌纖維數量和MD 增加;隨著肌肉松弛，λ2 和λ3 減小，因此，股內斜肌肌力降低使得λ2 和λ3 減少;肌力下降也可引起肌肉萎縮，從而導致細胞膜發生幾何變形、肌纖維直徑減小，因此λ3 下降更顯著;而ADC 下降主要歸因于λ2 和λ3 的下降。此外，Liu 等［29］的研究發現，股內斜肌的橫截面減少，但與正常人比較差異無統計學意義，表明肌纖維的微觀結構變化可能先于肌肉的形態變化，證明DTI 可用于發現早期微觀結構變化。

2.2.4 在代謝性疾病導致的下肢肌肉病變中的應用 糖尿病的微血管病變不僅可發生在視網膜、腎臟，對四肢肌肉也能產生重要影響，嚴重的糖尿病下肢肌肉病變可致癱瘓。因此，對糖尿病下肢病變的早期診斷、早期治療及監測進展也至關重要。Edalati 等［18］利用DTI 評估跖屈和靜息狀態下糖尿病小腿肌肉和正常人小腿擴散相關參數差異，結果發現，糖尿病組與健康組的腓腸肌內側頭、腓腸肌外側頭、比目魚肌的MD 均有顯著差異，且在跖屈狀態下糖尿病組的MD 增加更顯著;另外，纖維束成像發現糖尿病組靜息狀態至跖屈狀態，纖維長度和纖維密度減少較正常組明顯，推測DTI 能在跖屈運動狀態下區分是否患有糖尿病疾病的小腿;同時，糖尿病肌肉組織中受損的細胞外基質重塑導致細胞外基質體積增大，雖然分子擴散過程并不完全由細胞外基質中的膠原含量控制，但與肌肉細胞的降解和損傷有關，從而導致擴散性增加，這可能是導致糖尿病組MD 增大的基礎。然而DTI 在一些代謝性疾病導致的下肢肌肉病變的診斷中不具有特異性。有研究應用骨骼肌DTI 評價Ⅴ型糖原貯積病患者大腿肌肉擴散參數，測量了Ⅴ型糖原貯積病患者和正常對照組間雙側股外側肌、股內側肌、股直肌、股二頭肌、半腱肌和半膜肌的FA、MD、λ1、λ2、λ3，并對3 例Ⅴ型糖原貯積病患者大腿肌肉進行活檢，結果發現，活檢的3 例Ⅴ型糖原貯積病患者大腿肌肉細胞內有糖原積累，然而除Ⅴ型糖原貯積病患者左側半膜肌的FA與對照組比較差異有統計學意義外，兩組其他指標比較差異無統計學意義［31］。因此，認為DTI 檢測對糖原累積引起的細胞內變化不敏感。DTI 在代謝性疾病導致的下肢肌肉病變中的應用有待進一步研究。

2.2.5 在炎癥性肌病中的應用 多發性肌炎/皮肌炎是兩種特發性炎癥性肌病，診斷不具有特異性，主要依賴疾病特異性自身抗體、肌電圖以及肌肉活檢發現肌纖維變性支持診斷。常規磁共振成像能發現多發性肌炎/皮肌炎患者大腿肌肉異常，但僅能通過炎癥、水腫及脂肪浸潤的可視化發現病變，局限于定性評估。多發性肌炎/皮肌炎患者肌肉典型的病理變化是肌纖維變性和炎癥細胞浸潤，可以影響肌肉內水分子的擴散，因而DTI 可能是診斷炎癥性肌病的一種新方法。研究發現，多發性肌炎/皮肌炎患者受影響大腿肌肉病變與正常大腿肌肉的ADC 及特征值比較差異有統計學意義，多發性肌炎/皮肌炎患者未受影響肌肉與正常大腿肌肉比較差異無統計學意義，因而DTI 能將多發性肌炎/皮肌炎患者受影響肌肉、未受影響肌肉及正常肌肉區分開［32］，這對炎癥性肌病的診斷及治療監測具有潛在價值。FA 是反映肌纖維內各向異性程度的參數之一，盡管多發性肌炎/皮肌炎患者的肌纖維不斷發生變性、壞死和再生，但肌纖維的結構和方向仍未被破壞，因此FA在炎癥性肌病和正常肌肉間差異無統計學意義;肌肉炎癥性改變可引起肌肉水腫，ADC 隨之增大;由于肌纖維的長度遠大于水分子的擴散距離，因此，含水量的增加是導致λ1 增加的主要原因;而λ2 增加與炎癥導致水分子穿過肌內膜和肌膜跨膜運動的增加有關，炎癥使細胞腫脹和細胞外間隙增加，故λ3增加，而λ2 和λ3 的增加可能反映肌肉內發生炎性浸潤［32］。多發性肌炎/皮肌炎患者大腿肌肉與正常大腿肌肉的DTI 特征值的差異可以在分子水平上得到解釋，提供了診斷炎癥性肌病疾病的新視角。對皮肌炎的DTI 研究大部分是在靜息狀態下進行。Sigmund 等［33］將靜態DTI 與動態DTI 相結合評價皮肌炎患者和正常大腿肌肉擴散參數變化，結果發現，運動后動態DTI 獲得的ADC 和λ2、λ3 增加更顯著，運動將水從脈管系統轉移至細胞內(肌纖維)和細胞外(肌內膜)空間，使得λ2、λ3 顯著增加，而動態DTI 對肌肉微結構的時間分辨率靈敏度更高，這可能更有助于發現皮肌炎等炎癥性肌病的特性。

3 小 結

DTI 是定量檢測活體組織水分子擴散運動情況的無創功能成像方法。DTI 在下肢肌肉的應用不僅能清晰顯示下肢肌肉的形態和走行，還能從微觀水平反映下肢肌肉的病理生理改變，為下肢肌肉的正常解剖和異常形態、功能的研究提供了評價的新視角。目前，由于DTI 技術的局限，尚未總結出擴散特征值的參考值，一定程度上限制了DTI 的使用，但隨著成像技術及掃描參數的不斷優化、相關研究的不斷深入，DTI 在下肢肌肉病變的早期診斷、治療及預后評價等方面將得到廣泛應用。