扩散加权成像和磁共振波谱成像在诊断椎体良、恶性病变中的应用

高才良，董国礼，曾南林

(川北医学院附属医院放射科，四川 南充 637000)

扩散加权成像和磁共振波谱成像在诊断椎体良、恶性病变中的应用

高才良，董国礼△，曾南林

(川北医学院附属医院放射科，四川 南充 637000)

临床上对不同病因引起的椎体病变，其治疗方法、原则及预后差别大相庭径，因此正确找出椎体病变的病因对制定治疗原则及方案便显得十分重要。近年来，随着MR硬件和软件的迅速发展，磁共振扩散加权成像(Diffusion-weight imaging，DWI)及磁共振波谱成像(Magnetic resonance spectroscopy，MRS)技术在椎体良、恶性病变诊断及鉴别诊断中显现出良好的应用前景。

扩散加权成像;表观扩散系数;磁共振波谱

椎体压缩性骨折在临床上相当常见，按照病因我们把其分为良性骨折和恶性骨折［1］。然而因骨质疏松、良性肿瘤或感染性疾病等良性病变引起的椎体压缩性骨折形态上可类似于恶性压缩性骨折，且合并有肿瘤病史者并不少见［2］，使得部分良、恶性压缩性骨折在传统放射学图像上表现非常相似，就很难做出准确诊断［2－4］。在常规MRI诊断的基础上，随着DWI和MRS技术的不断进步，MR功能成像在椎体良、恶性病变诊断及鉴别诊断中成为新的研究热点。DWI和MRS均为无创的MR功能成像技术。DWI是用MRI成像中的特殊序列来观察组织中水分子的微观扩散运动的一种MRI功能成像，通过检测生物体内水分子运动状态的改变来间接反映组织结构和细胞密度等信息。除了可以直接观察组织信号改变外，还能通过计算表观扩散系数(Apparent diffusion coefficient，ADC)值来对病变进行量化分析。MRS是一种利用磁共振现象及化学位移作用，进行一系列特定原子核及其化合物分析的方法。

1 原理及技术

1.1 DWI的基本原理及常用序列

DWI又称弥散成像，属于MRI功能成像，利用水分子在梯度磁场中相位不一致而造成的信号衰减来成像［5－6］。能够在微观水平上反映水分子的无序运动，从而对活体组织内水分子的扩散运动加以分析。由于不同组织中水分子所处的环境不同，其扩散运动就有差异，从而导致DWI信号的不同。在DWI上用ADC来描述水分子运动浓度所造成的差异，水分子在活体局部组织内的扩散能力可以用ADC值(mm2/S)来表示，从而对病变进行定量分析。定量分析使结果更具可比性，减少人为主观因素的影响［7］。组织的ADC值和组织细胞的构成关系，用公式:ADC=(S低/S高)/(b高－b低)表示，S低为低扩散敏感系数(b)值时DWI信号强度，S高为高扩散敏感系数(b)值时DWI信号强度［8］。b值(s/mm2)即扩散敏感系数:b=γ2G2δ2(Δ－δ/3)，γ为磁旋比，G和δ分别为弥散脉冲的强度和持续时间，Δ则为两个脉冲之间的时间间隔。

扩散信号的获取包括自旋回波序列的磁共振扩散加权成像、受激回波序列的磁共振扩散加权成像、稳态自由进动序列的磁共振扩散加权成像和平面回波序列的磁共振扩散加权成像等多种类型，但在获得高的信噪比、好的弥散图像，降低伪影及缩短检查时间等方面，上述检查序列各有优缺点。

1.2 MRS的基本原理及技术

MRS是一种无创性的检查方法，亦属于MRI功能成像，是在形态成像基础上，提供被检测组织的代谢信息。MRS采集的是化学位移变化的微小信息，然后通过增益放大后经傅立叶转换将其变换为MR波谱。不同化合物的化学位移各不同，各自产生的信号强度就不同，从而MRS便可对不同的化合物进行系列的分析。任何有适当自旋数目的原子核都可以获得MRS。相对于其他原子核，氢质子在人体中含量较丰富且具有磁化率，所以最常应用于临床的是1H波谱［9］。

磁共振波谱分析常用的基本采集方法包括受激回波采集方法(stimulated echo acquisition mode，STEAM)和点分辨波谱成像(point resolved spectroscopy，PRESS)两种。STEAM有特点如下:①可以选择很短的回波时间(echo time，TE);②信号不用完全恢复，J偶联效应SE序列小;③形成精确的容积(体素)。最初的MRS多用此技术，然而随着射频技术的改进，纯的180°射频脉冲得以产生，STEAM的应用便减少。而PRESS有如下特点:①信噪比相对高，可达STEAM的两倍，由于具有较高的信噪比，便可缩短采集时间，从而成为目前临床上应用相对较多的采集技术;②对质子的弥散相对不敏感。

MRS无论采用PRESS还是STEAM定位，均可选择单体素(single voxel，SV)或多体素(multi voxel，MV)技术。SV技术应用相对较广泛，一般成像时间在3～5 min左右，体素通常取2 cm×2 cm×2 cm，对于小的局灶性病变，体素还可缩小。SV时采集的兴趣区则要避开磁敏感伪影区及脂肪等。然而SV技术的主要缺陷则是解剖范围覆盖相对较小，即采集一次只能分析一个区域，对体素放置的位置要求也较高，使得其应用趋于减少。MV技术可行二维单层面成像或三维多层面成像。MV可同时获取活体组织多个体素的代谢信息，并同时显示病变组织及周围组织被侵犯的情况。在对称性的组织结构中(如脑等)可与同时采集对侧的正常组织进行对照性分析，并可将不同代谢物的分布情况通过后处理成伪彩图同时显示在磁共振图像上，因此相对SV技术能够提供更多、更直观的代谢信息，从而对分析和诊断更为有利，使得MV具有更大的临床应用价值及前景。

2 临床应用

2.1 DWI在椎体良、恶性病变诊断中的价值

脊柱骨骼良、恶性病变的发病原理不同，致使它们细胞外的水分子扩散状况就大相径庭:良性病变引起椎体骨髓水肿、出血，使得细胞外可自由活动的水分子相对增多，扩散变加快，ADC值就增大;然而椎体为恶性病变时，因为肿瘤细胞的浸润、局部堆积，所以细胞外的空间相对减少，从而水分子的运动就受到一定的限制，故ADC值降低。正常椎体的ADC值(≈2.7－3.3×10－4 mm2/S)低于椎体良性压缩性骨折的(3.4±0.5)×10－4 mm2/S，但高于椎体恶性病变的ADC值(1.9±0.3)×10－4 mm2/S［3］。亦有椎体恶性病变的ADC值高于正常椎体的报道［10］。Chan等［10］认为这可能是椎体转移性肿瘤组织间隙中自由水成分的含量高于正常的椎体有关。

由于DWI信号强度与ADC值呈负相关关系:即弥散越快的组织，信号衰减就越大，ADC值就高，但在DWI上呈低信号，ADC图上呈高信号;相反弥散越慢的组织，则呈相反表现［11］。Baur等［12］用SSFP-DWI序列，b值=165 s/mm2对39个椎体(含良、恶性椎体压缩性骨折)进行了前瞻性研究，结果示:骨质疏松组骨折与邻近正常骨髓相比呈等或低信号;而转移性肿瘤组致椎体压缩性骨折呈高信号。但不是所有的转移性肿瘤致椎体压缩性骨折均为高信号［13－14］。Castillo等［14］认为这可能与成骨转移、治疗后骨髓纤维化或硬化等原因有关。

2.2 MRS在椎体良、恶性病变鉴别诊断中的价值

正常骨髓主要成分为红骨髓和黄骨髓，两者所含脂肪和水成分明显不同。正常成人椎体红骨髓的脂肪含量(fat fraction%，FF%)一般为25%～30%，且随着年龄的增长红骨髓含量逐渐减少，但脂肪含量却逐渐增多［15－16］，脂水比(lipid－water－ratio，LWR)亦增大［16－17］。且椎体骨髓脂肪含量随年龄增长而增多的趋势男性较女性更显著［18］。MRS可提供活体组织的生化信息和代谢状态，在显示组织的生化特征方面较传统磁共振成像(conventional magnetic resonance imaging，cMRI)好［19－21］。由于代谢异常一般较结构的变化早，MRS可检测到cMRI不能显示的异常［9］。MRS对椎体骨髓脂肪含量的分析得出骨质疏松组高于骨量减少组和正常组［15，22－24］。Schellinger等［25］对22例脊柱良性骨损伤患者研究得出，损伤骨髓的脂肪含量明显高于对照组。

由于脊柱良、恶性病变的病理基础不同，其脂肪与水的含量及比例也就有明显差异，其代谢过程也完全不同，两者化学位移就有显著区别，然而MRS是定量检测它们最敏感的手段，可有效地鉴别两者［26］。虞志康等［26］对37例骨质疏松病人和21例恶性肿瘤所致椎体压缩性骨折的研究结果显示，骨质疏松组的平均LWR和FF%为1.75和67.0%±14.3，明显高于恶性肿瘤组的0.1和1.8±1.2%，亦较高于正常对照组腰2椎体的0.76和45.0%±20.2;转移瘤组的LWR和FF%明显低于正常对照组［26－27］。Anik等［28］研究了15例脊柱结核和15例转移瘤后，发现结核组的LWR和每个病灶的水含量指数较转移瘤组高，但无统计学意义。然而Anik等［28］认为MRS作为一种非创伤性技术，可在脊柱结核与转移瘤等脊柱骨髓疾病的鉴别诊断方面提供重要线索。

2.3 弥散加权成像和磁共振波谱的相关性

DWI和MRS作为目前无创性检测活体组织的技术，无论是直接观察信号的改变，还是通过检测代谢物信息及计算ADC值对病变进行量化分析，都为脊柱良、恶性病变的诊断及鉴别诊断提供了客观可靠的诊断依据，使得两者具有特定的相关性。Tang等［23，24］用Philips公司Gyroscan 1.5T超导型MR分别对78例和102例绝经后妇女进行研究，结果显示椎体骨髓FF%与ADC值呈负相关关系。

3 展望

MRI已成为显示骨髓组织最好的影像技术［29］。国内外利用DWI和MRS对椎体良、恶性病变的诊断及鉴别诊断的研究已取得了可喜的成效。但是对MR设备和检查条件的要求相对较高，且准确定位也是检查成功的关键，且MRS和DWI技术在骨骼肌肉系统的疾病中应用刚刚起步，对各项评价指标的完善需作深人细致的研究。但随着MR设备及相关检查序列、技术的不断完善，MRS和DWI在椎体良、恶性病变的诊断及鉴别诊断中必将拥有更加广阔的应用前景。

［1］刘兴华，董国礼.良恶性椎体压缩性骨折的MRI诊断与鉴别诊断研究进展［J］.川北医学院学报，2009，24(4):367－371

［2］Uetani M，Hashmi R，Hyashi K.Malignant and benign comprehension fractures:differentiation and diagnostic pitfall on MRI［J］.Clin Radiol，2004，59(2):124－131

［3］Zhou XJ，Leeds NE，McKinnon GC，et al.Characterization of benign and metastatic vertebral compression fractures with quantitative diffusion MR imaging［J］.AJNR Am J Neuroradiol，2002，23(1):165－170

［4］Falcone S.Diffusion-weighted imaging in the distinction of benign from metastatic vertebral compression fractures:is this a numbers game［J］.AJNR Am J Neuroradiol，2002，23(1):5－6

［5］ZENG Hong-wu，WANG Pei-jun.The principle and difference of diffusion imaging and diffusion tensor imaging［J］.Chin J Med Imaging Technol，2005，21(12):1945－1947

［6］曾旭，董国礼，曾南林.MR扩散加权成像在鉴别脊椎良恶性骨折中的研究进展［J］.川北医学院学报，2009，24(6):607－609

［7］林帆，雷仪，李杨彬，等.磁共振双回波技术与表观扩散系数的定量分析联合鉴别脊柱单纯性骨折与转移瘤［J］.实用放射学杂志，2009，25(12):1785－1789

［8］段如刚，杜勇，杨汉丰.磁共振扩散加权成像对肝脏局灶性病变的评价［J］.川北医学院学报，2010，25(1):82－87

［9］Daniclsen ER，Ross B.Magnetic resonance spectroscopy diagnosis of neurological diseasese［M］.New York:Marcel Dekker，1999.1－43

［10］Chan JH，Peh WC，Tsui EY，et al.Acute vertebral body compression fractures:discrimination between benign and malignant causes using apparent diffusion coefficients［J］.Br J Radiol，2002，75(891):207－214

［11］Kuker W，Weise J，Krapf H，et al.MRI characteristics of acute and subacute brainstem and thalamic infarctions:value of T2-and diffusion-weighted sequences［J］.J Neurol，2002，249(1):33－42

［12］Baur A，Stiibler A，Huber A，et al.Diffusion-weighted MR imaging of spinal bone marrow［J］.Seminars in Musculoskeletal Radiology，2001，5(1):35－41

［13］Ozgur O，Ztekin E，Hilal Adibelli Z，et al.SSH-EPI diffusionweighted MR imaging of the spine with low b values:is it useful in differentiating malignant metastatic tumor infiltration from benign fracture edema［J］.Skeletal Radiol，2009，38(7):651－658

［14］Castillo M，Arbelaez A，Smith KJ，et al.Diffusion－weighted MR imaging offers no advantage over routine noncontrast MR imaging in the detection of vertebral metastases［J］.AJNR Am J Neuroradiol，2000，21(5):948–953

［15］Yeung DK，Griffith JF，Antonio GE，et al.Osteoporosis is associated with increased marrow fat content and decreased marrow fat unsaturation:a proton MR spectroscopy study［J］.J Magn Reson Imaging，2005，22(2):279－285

［16］尚伟，林强，余卫，等.氢质子MR波谱评估骨质疏松的初步研究［J］.中华放射学杂志，2009，41(9):947－951

［17］Chen WT，Shih TT.Correlation between the bone marrow blood perfusion and lipid water content on the lumbar spine in female subjects［J］.J Magn Reson Imaging，2006，24(1):176－181

［18］Liney GP，Bernard CP，Manton DJ，et al.Age，gender，and skeletal variation in bone marrow composition:a preliminary study at 3.0 Tesla［J］.J Magn Reson Imaging，2007，26(3):787－793

［19］Kadota T，Horinouchi T，Kuroda C.Development and aging of the cerebrum:assessment with proton MR spectroscopy［J］.AJNR，2001，22(1):128－135

［20］Rudkin TM，Arnold DL.Proton magnetic resonance spectroscopy for the diagnosis and management of cerebral disorders［J］.Arch Neurol，1999，56(8):919－926

［21］Burtscher IM，Stahlberg F，Holtas S.Proton(1H)MR spectroscopy for routine diagnostic evaluation of brain lesions［J］.Acta Radiologica，1997，38(6):953－960

［22］Griffith JF，Yeung DK，Antonio GE，et al.Vertebral bone mineral density，marrow perfusion，and fat content in healthy men and men with osteoporosis:dynamic contrast-enhanced MR imaging and MR spectroscopy［J］.Radiology，2005，236(3):945－951

［23］G.Y.Tang，Z.W.Lv，R.B.Tang，et al.Evaluation of MR spectroscopy and diffusion-weighted MRI in detecting bone marrow changes in postmenopausal women with osteoporosis［J］.Clinical Radiology，2010，65(5):377–381

［24］LIU Yong，TANG Guang-yu，TANG Rong-biao，et al.Assessment of bone marrow changes in postmenopausal women with varying bone densities:magnetic resonance spectroscopy and diffusion magnetic resonance imaging［J］.Chin Med J，2010，123(12):1524－1527

［25］Schellinger D，Lin CS，Hatipoglu HG，et al.Potential value of vertebral proton MR spectroscopy in determining bone weakness［J］.AJNR Am J Neuroradiol，2001，22(8):1620－1627

［26］虞志康，严志汉，周云新，等.脊柱良恶性压缩骨折的MR波谱分析［J］.中华放射学杂志，2006，40(4):410－414

［27］赵秀芹，林青，徐文坚，等.脊柱转移瘤的3.0T氢质子磁共振波谱初步观察与分析［J］.医学影像学杂志，2009，19(7):899－902

［28］Anik Y，Cifti E，Sarisoy HT，et al.MR spectroscopy findings in tuberculous spondylitis;comparison with Modic type-I end-plate changes and metastatic vertebral disease［J］.Eur J Radiol，2009，71(2):324－332

［29］黄仲奎.不断加强血液病骨髓MRI研究与临床应用推广［J］.中华放射学杂志，2011，45(9):805－806

Application of diffusion weighted imaging and magnetic resonance spectroscopy in identifying vertebral benign and malignant diseases

GAO Cai-liang，DONG Guo-li△，ZENG Nan-lin
(Department of Radiology，the Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College，Nanchong 637000，Sichuan，China)

As therapeutic principles and prognosis were different to vertebral body lesions caused by different cases，the accurate diagnosed cause is particularly important in establishing treatment strategies.In recent years，with the rapid development of MR hardware and software，Diffusion-weight imaging and Magnetic resonance spectroscopy technology have had a broad application prospect in differentiating and diagnosed benign and malignant vertebral disease.

Diffusion-weight imaging;Apparent diffusion coefficient;Magnetic resonance spectroscopy

1005-3697(2012)06-0627-04

R445.2;R681.5;R738.1

A

10.3969/j.issn.1005-3697.2012.06.028

四川省卫生厅科研项目(100153)

2012-03-12

高才良(1984－)，男，重庆垫江人，硕士研究生，主要从事CT/MRI影像诊断研究。

△通讯作者:董国礼，E-mail:guoli_d@163.com网络出版时间:2012-11-1217∶13

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1254.R.20121112.1713.019.html