磁共振Dixon技術(shù)在骨髓脂肪定量中的應(yīng)用

齊國(guó)將， 彭鵬

骨髓包含紅骨髓(red bone marrow，RBM)，其含有造血細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞成分，作為脂肪以及富含脂肪細(xì)胞黃骨髓(yellow bone marrow，YBM)前體。學(xué)者[1]利用MR技術(shù)定量分析骨髓脂肪成分。骨髓脂肪增多會(huì)導(dǎo)致患骨質(zhì)疏松癥[2]、肥胖癥[3]和糖尿病[4]等代謝性疾病骨折風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，骨髓脂肪定量在診斷和預(yù)測(cè)相關(guān)疾病方面具有相當(dāng)大潛力，可進(jìn)一步了解骨髓病理及其與骨髓脂肪生成關(guān)系。骨髓組織中脂肪具有短T1值和中長(zhǎng)T2值 ,在T1WI為高信號(hào)及在T2WI上為中等高信號(hào)。較高的脂肪信號(hào)會(huì)造成水脂交換界面上嚴(yán)重化學(xué)位移偽影，從而影響圖像質(zhì)量和降低病變檢出率。因此，骨髓MR檢查中抑制脂肪信號(hào)顯得十分重要，在骨髓MR中利用脂肪抑制技術(shù)來(lái)診斷和鑒別各種病理改變。根據(jù)臨床不同需求選擇對(duì)應(yīng)序列來(lái)定量或者抑制骨髓脂肪組織信號(hào)，這些序列包括頻率預(yù)飽和翻轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(spectral presaturation inversion recovery，SPIR)、頻譜變細(xì)反轉(zhuǎn)恢復(fù)(spectral presaturation attenuated inversion recovery,SPAIR)、短時(shí)間反轉(zhuǎn)恢復(fù)(short inversion time (TI) inversion recovery，STIR)[5]、化學(xué)位移成像(chemical shift imaging，CSI)和基于Dixon的方法。不同技術(shù)有不同優(yōu)缺點(diǎn)，這使它們適用于不同磁體強(qiáng)度、設(shè)置和檢查部位。筆者就Dixon技術(shù)的基本原理、發(fā)展與改進(jìn)和其在骨髓磁共振成像領(lǐng)域中應(yīng)用予以綜述。

Dixon技術(shù)誕生

Dixon技術(shù)是由Dixon在1984年提出的[6]，其依賴水、脂肪化學(xué)位移差異，水中質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率比脂肪中質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率要快約3.5 ppm，相當(dāng)于150 Hz/T(在1.5T場(chǎng)強(qiáng)中進(jìn)動(dòng)頻率差是225 Hz/T；在3.0T場(chǎng)強(qiáng)中進(jìn)動(dòng)頻率差是450 Hz/T)。利用脂肪和水中質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率不同分別采集水和脂肪相位差為0°(即同相位)和相位差為180°(即反相位)圖像。Dixon表明兩個(gè)圖像簡(jiǎn)單加法和減法可以產(chǎn)生純水圖像和純脂肪圖像，即Dixon兩點(diǎn)法。與其他脂肪抑制技術(shù)不同的是脂肪信號(hào)是在后處理中被抑制，而不是在信號(hào)采集過(guò)程中。Dixon兩點(diǎn)法不足限制了它在臨床中廣泛應(yīng)用。首先，對(duì)磁場(chǎng)B0不均勻敏感從而獲得的圖像中因相位誤差導(dǎo)致水和脂肪分離不完全。其次，需增加掃描時(shí)間獲取更多圖像進(jìn)行后處理，增加運(yùn)動(dòng)和呼吸偽影影響采集圖像質(zhì)量，進(jìn)而影響后處理出來(lái)的同、反相位圖像質(zhì)量。

Dixon技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新

1.Dixon技術(shù)發(fā)展

為了改進(jìn)上述中Dixon兩點(diǎn)法的不足，Glover和Schneider[7]以及Glover[8]在1991年提出Dixon三點(diǎn)法，通過(guò)增加第三組圖像來(lái)補(bǔ)償對(duì)磁場(chǎng)B0不均勻敏感。使用第三組圖像修改采集方案是(-180°，0°，180°)或(0°，180°，360°)的形式。Dixon三點(diǎn)法需要一個(gè)特定脂肪和水信號(hào)分離算法，這比Dixon兩點(diǎn)法中使用簡(jiǎn)單加法或者減法要復(fù)雜得多，從而避免了因?yàn)橄辔徽`差導(dǎo)致水和脂肪分離不完全。由于增加了激勵(lì)次數(shù)，所以也增加了組織對(duì)比的效果。這些改良后的Dixon三點(diǎn)法包括Ideal IQ(GE Healthcare)、mDixon (Philips Healthcare)和q-Dixon(Siemens Healthcare)。以q-Dxion為例，其一次掃描可得到4幅定量圖像即水含量圖、脂肪含量圖、T2*圖和R2*圖。得到準(zhǔn)確脂肪含量的同時(shí)還可計(jì)算出反映鐵沉積狀況T2*和 R2*值。

2.改良后Dixon技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

首先，Dixon三點(diǎn)法對(duì)B0和B1不均勻性不敏感，同時(shí)通過(guò)校正T2*消除T2*效應(yīng)[9,10]。與化學(xué)選擇脂肪飽和技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)在于即使在難以化學(xué)脂肪飽和區(qū)域(例如頸部或肺部頂點(diǎn))也能產(chǎn)生均勻脂肪抑制。其次，Dixon技術(shù)中采樣數(shù)量增加使處理后純水和純脂肪圖像中信噪比(SNR)增加，即使在具有高磁化率區(qū)域(如在金屬植入物附近)也可顯示高SNR圖像。第三，Dixon技術(shù)具有掃描時(shí)間短、操作流程簡(jiǎn)單、后處理功能強(qiáng)大。

3.改良后Dixon技術(shù)不足

Dixon技術(shù)的缺點(diǎn)，目前Dixon偶爾出現(xiàn)水脂交換算法錯(cuò)誤，是由于水和脂肪峰值變化而對(duì)水或脂肪不適當(dāng)抑制。后續(xù)Dixon技術(shù)使用多個(gè)回波和脂肪峰計(jì)算有望減少這種錯(cuò)誤，有利于在臨床中開展與應(yīng)用。

Dixon技術(shù)在骨髓脂肪定量中應(yīng)用

1.腰椎椎體脂肪定量研究

單體素磁共振波譜(MRS)通常被認(rèn)為是體內(nèi)脂肪定量金標(biāo)準(zhǔn)[11,12]。但是，MRS對(duì)于硬件要求高且掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，后處理過(guò)程繁瑣，感興趣區(qū)受限于體素大小，給臨床應(yīng)用帶來(lái)諸多不便。因此，臨床實(shí)踐中有學(xué)者嘗試將磁共振成像(MRI)其他脂肪定量技術(shù)作為替代方案。近年來(lái)，隨著Dixon技術(shù)的發(fā)展，Dixon脂肪定量技術(shù)在骨髓脂肪含量方面的應(yīng)用也逐漸增多[13]。Li等[14]通過(guò)3點(diǎn)Dixon序列測(cè)量20只雌性家兔骨髓脂肪分?jǐn)?shù)(fat fraction，F(xiàn)F)發(fā)現(xiàn)3點(diǎn)Dixon序列定量骨髓FF具有重復(fù)性和穩(wěn)定性。Zha等[15]利用Ideal IQ序列同樣發(fā)現(xiàn)Dixon序列可用于定量評(píng)估家兔椎體脂肪沉積程度。Sang等[16]通過(guò)mDixon序列和單體素MRS對(duì)24名患者行腰椎椎體FF的測(cè)量，結(jié)果顯示mDixon和MRS有很好一致性。研究表明Dixon序列可作為腰椎骨髓快速和準(zhǔn)確定量脂肪的替代技術(shù)，同時(shí)通過(guò)測(cè)量FF值間接提示椎體骨質(zhì)變化情況。Zhang等[17]研究結(jié)果同樣提示Dixon序列在腰椎骨髓應(yīng)用的可行性。

2.脊柱椎體脂肪抑制技術(shù)應(yīng)用

快速自旋回波(FSE)T2WI是目前脊柱MRI檢查的常規(guī)序列，在提供對(duì)比度同時(shí)可有效減少掃描時(shí)間。但FSE不可避免在T2WI上產(chǎn)生高脂肪信號(hào)[18]。高信號(hào)脂肪可能掩蓋潛在病理改變?nèi)缢[、腫瘤轉(zhuǎn)移等。所以，需要添加具有脂肪抑制T2WI以抑制具有豐富脂肪成分(例如腰椎)解剖區(qū)域。目前常用脂肪抑制技術(shù)有化學(xué)位移選擇性飽和度(chemical shift selective，CHESS) 、STIR和SPAIR。CHESS具有脂肪選擇性和高SNR的優(yōu)點(diǎn)，但易受磁場(chǎng)不均勻性影響。STIR對(duì)磁場(chǎng)不均勻性不敏感; 但并不特定于脂肪。Brandao等[19]發(fā)現(xiàn)與STIR序列相比，Dixon在腰椎脂肪抑制效果更好。Lee等[20]通過(guò)比較Dixon和SPAIR序列對(duì)腰椎脂肪抑制作用，認(rèn)為Dixon比SPAIR在腰部區(qū)域偽影更少。Dixon序列在骨髓脂肪抑制方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在空氣-組織和金屬植入物層面，Dixon產(chǎn)生的偽影更少，可更好顯示脊柱解剖細(xì)節(jié)和發(fā)現(xiàn)病灶。

3.良惡性椎體壓縮性骨折(vertebral compression fractures，VCFs)鑒別

如何有效鑒別骨質(zhì)疏松性VCFs和惡性VCFs對(duì)于臨床診療和預(yù)后有著重要意義。傳統(tǒng)MRI檢查序列如T1WI、T2WI有助于鑒別良惡性VCFs，但是缺乏特異性[21]。新鮮骨折常規(guī)序列作用更加有限。骨質(zhì)疏松性VCFs通常由脂肪細(xì)胞填充骨髓腔[22]，同時(shí)伴有一定程度骨髓水腫[23]。惡性VCFs中腫瘤組織浸潤(rùn)或者替代了正常骨髓和正常細(xì)胞。因此Yoo等通過(guò)改進(jìn)的Dixon序列對(duì)120名患者的脊柱良惡性疾病進(jìn)行研究，結(jié)果顯示惡性VCFs的FF(2.8%)和FF比值(0.082)低于良性病變(P<0.001)，研究認(rèn)為Dixon序列自動(dòng)生成FF圖可用于區(qū)分骨髓異常良惡性病變[24]。Kim等[25]對(duì)41名確診急性椎體骨折患者回顧性分析Dixon檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)以5.26%脂肪分?jǐn)?shù)為診斷良惡性VCFs截?cái)嘀稻哂泻芨咴\斷正確率(AUC，0.98)，只有1例確診急性骨質(zhì)疏松性VCFs的FF(2.8%)低于截?cái)嘀担J(rèn)為原因?yàn)閲?yán)重壓縮椎體存在T2*效應(yīng)模糊導(dǎo)致。Schmeel等[26]在Kim學(xué)者研究的基礎(chǔ)上對(duì)119名疑似VCFs患者行改良mDixon序列檢查，發(fā)現(xiàn)利用mDixon序列生成質(zhì)子密度脂肪分?jǐn)?shù)對(duì)于良性和惡性VCFs鑒別診斷具有高準(zhǔn)確性，患者可以避免進(jìn)行有創(chuàng)骨穿刺活檢及穿刺活檢遺漏部分病灶可能，同時(shí)為臨床進(jìn)一步治療提供指導(dǎo)意見。Schmeel等[27]利用六回波mDixon序列自動(dòng)生成T2*圖用于鑒別急性良惡性VCFs，研究發(fā)現(xiàn)急性良惡性VCFs的T2*值存在明顯差異，通過(guò)T2*值可提高鑒別急性良惡性VCFs診斷準(zhǔn)確性。總之，Dixon序列在良惡性椎體壓縮性骨折方面顯示了它特有序列優(yōu)點(diǎn)和高診斷準(zhǔn)確率，為臨床進(jìn)一步治療提供有效指導(dǎo)。

4.評(píng)估骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)

OP是一種以骨量減少、骨組織微觀結(jié)構(gòu)退變，骨脆性增加和骨折風(fēng)險(xiǎn)升高的疾病。OP最常見于老年人尤其是絕經(jīng)后婦女[28]，OP的預(yù)防和診療成為亟待解決的難點(diǎn)問(wèn)題。目前，雙能量X線吸收測(cè)定法(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)是量化骨密度(bone mineral density，BMD)的非侵入性參考標(biāo)準(zhǔn)[29]，但DXA診斷OP準(zhǔn)確性受到椎體骨折、脊柱退行性變化、腹主動(dòng)脈動(dòng)脈硬化和脂肪影響。為更準(zhǔn)確評(píng)估OP需尋找替代技術(shù)。Griffith等[30]通過(guò)MRS技術(shù)對(duì)OP患者進(jìn)行椎體骨髓脂肪定量，結(jié)果表明椎體脂肪含量與骨密度有關(guān)，骨密度降低同時(shí)伴隨骨髓脂肪含量升高。但MRS序列對(duì)于磁場(chǎng)均勻度要求高，而且MRS檢查大大增加磁共振掃描時(shí)間，對(duì)于患有OP中老年人長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。隨著Dixon技術(shù)不斷發(fā)展，研究人員將Dixon技術(shù)用于OP的評(píng)估和預(yù)測(cè)。Zhao等[31]以BMD作為參考標(biāo)準(zhǔn)，表明通過(guò)Dixon技術(shù)得到腰椎骨髓FF和BMD存在中度負(fù)相關(guān)。Dixon技術(shù)可作為檢測(cè)異常骨密度和OP的篩查工具之一。Dixon可用來(lái)診斷OP原理在于骨髓FF與BMD之間存在負(fù)相關(guān)，利用Dixon得到FF值準(zhǔn)確定量脂肪含量。Guo等[32]同樣發(fā)現(xiàn)骨髓FF與BMD之間存在負(fù)相關(guān)。研究納入108名絕經(jīng)后婦女，采用定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping，QSM)和Dixon定量不同BMD的絕經(jīng)后婦女腰椎磁敏感值和骨髓FF，探討QSM和骨髓FF在OP評(píng)估中的作用。結(jié)果顯示骨髓FF僅對(duì)脂肪變化敏感，而QSM對(duì)脂肪和鈣變化敏感。利用QSM+骨髓FF組合AUC值均高于QSM和骨髓FF的AUC值。通過(guò)利用QSM和骨髓FF組合有可能成為評(píng)估絕經(jīng)后OP新檢查方法。總之，骨髓FF是可以成為評(píng)估OP一個(gè)重要指標(biāo)，Dixon是一種替代技術(shù)提供可靠骨髓FF定量。一次成像時(shí)間里除了定量FF，還可以提供脊柱解剖圖像。

5.評(píng)估強(qiáng)直性脊柱炎

強(qiáng)直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一種病因尚不明確的慢性疾病，最先侵犯骶髂關(guān)節(jié)和脊柱等中軸關(guān)節(jié)，好發(fā)于青少年。骶髂關(guān)節(jié)是AS最常見也是最早侵犯的部位，骶髂關(guān)節(jié)炎早期診斷對(duì)AS患者有著很重要的意義。MRI在早期診斷骶髂關(guān)節(jié)病變有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。研究顯示脂肪性病變是骶髂關(guān)節(jié)炎癥消退、組織修復(fù)到新骨形成中關(guān)鍵一環(huán)[33,34]。因此，骶髂關(guān)節(jié)的脂肪定量研究對(duì)于評(píng)估骶髂關(guān)節(jié)炎進(jìn)展和預(yù)測(cè)治療效果有著重要意義。Ren等[35]通過(guò)DWI和IDEAL-IQ序列對(duì)58名AS患者和30名志愿者骶髂關(guān)節(jié)進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示在鑒別非活動(dòng)性骶髂關(guān)節(jié)炎組與志愿者組中FF值A(chǔ)UC是最高的，F(xiàn)F值有最大診斷效能。Ren認(rèn)為DWI和IDEAL-IQ序列有助于定量評(píng)估AS患者骶髂關(guān)節(jié)炎的活動(dòng)進(jìn)展。Koo等[36]對(duì)138名脊柱關(guān)節(jié)炎患者的骶髂關(guān)節(jié)進(jìn)行FF值的定量評(píng)估，結(jié)果表明隨著疾病不斷進(jìn)展骶髂關(guān)節(jié)脂肪沉積比例越來(lái)越高，高于正常骨髓脂肪含量。炎癥活動(dòng)期時(shí)由于骨髓水腫所以FF值明顯低于正常骨髓值。他認(rèn)為通過(guò)Dixon技術(shù)FF值有助于評(píng)估脊柱關(guān)節(jié)炎進(jìn)展。?zgen等[37]在診斷活動(dòng)性和慢性骶髂關(guān)節(jié)炎中將多點(diǎn)Dixon序列與T1加權(quán)、脂肪飽和T2加權(quán)和對(duì)比增強(qiáng)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示多點(diǎn)Dixon在鑒別活動(dòng)性和慢性骶髂關(guān)節(jié)炎中更具有優(yōu)勢(shì)。認(rèn)為可以替代T1加權(quán)、脂肪飽和T2加權(quán)和對(duì)比增強(qiáng)，在節(jié)約大量時(shí)間和成本同時(shí)還可以避免對(duì)比劑潛在不良反應(yīng)。

綜上所述，Dixon技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，在骨骼成像中可提供更好脂肪抑制技術(shù)的同時(shí)，還可精確定量脂肪，通過(guò)脂肪含量來(lái)有效鑒別良惡性椎體壓縮性骨折，間接評(píng)估骨質(zhì)疏松癥，直接評(píng)估骶髂關(guān)節(jié)炎。未來(lái)隨著硬件和后處理工作站不斷迭代升級(jí)，Dixon技術(shù)在骨肌系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值會(huì)越來(lái)越大。