MR弹性成像及其临床应用

王向阳（综述） 杨正汉 周 诚（审校）

触诊是指医生通过触摸感觉组织在外力作用下的变形反应来探测肿瘤或其他异常组织的存在。触诊的应用常局限于人体表面的器官，是一种定性、主观的检查方法，受医生个体触觉敏感性的限制，应用范围较局限。弹力成像技术自1991年由Ophir提出以来，在超声和MRI领域得到广泛关注并迅猛发展，已经成为医学成像的一个研究热点[1]。目前，MR弹性成像（MRE）是在常规MRI基础上发展起来的新技术，是一种机械化、定量化的触诊手段，具有客观、分辨率高、无创、不受诊断部位限制的优点，被称作“影像触诊”。

1 MRE基本原理

MRE是一种无创性测量组织硬度或弹性的新成像技术[2]，在常规MRI设备中添加一套频率可调节的单频振动机械装置，将振动施加于人体表面，在受检组织内产生横向传播的剪切波及质点位移，利用对运动敏感的成像序列扫描获得反映质点运动情况的图像，对图像数据进行运算处理，获得反映受检组织内部的弹性系数空间分布图（即弹性图）[2,3]。因此，MRE需要解决三个主要技术问题：机械振动装置及耦合设备、对机械振动敏感的脉冲序列、能从原始图像数据计算弹性性质的软件。

MRE激发装置需要精确的机械设计，以产生机械振动，并与MR兼容。产生机械振动需要满足两个条件[2,4]：①激发装置和扫描的同步性，即在组织内的机械波与扫描序列保持同步相位，在人体组织器官应用时振动频率通常＜200 Hz；②受检组织接受刺激后有明显的震动幅度（＞200 µm）。目前，外部激发装置有电磁装置、压电装置和气动传导装置[5,6]。

组织的质点位移采用1D、2D、或3D相位对比MR脉冲序列记录，其中可以包括梯度回波（GRE）、自旋回波（SE）、平面回波成像（EPI）、平衡稳态自由进动（B-SSFP）技术。质点的运动（剪切波）与脉冲序列同步，脉冲序列经修改并施加额外的运动编码梯度（类似流动编码梯度）。一次采集产生一个运动编码梯度方向上的质点真实矢量运动图像（通常称为相位或位移图像）。振动和运动编码梯度之间的相对时间（或相位偏置）在一次图像采集到另一次图像采集之间进行校正，可以获得一套在不同时间点上的波场图，并且运动编码梯度的方向在随后的采集中可以变化，从而能够记录组织内的全矢量运动。计算机软件处理、研究波场的时间和空间的特性，形成反映组织机械性能的弹性图像[2]。

2 MRE的临床应用

由于具有灵活性、无创伤性和临床应用的可行性等特点，MRE技术迅速应用于临床不同领域。

2.1 MRE在乳腺的应用 乳腺癌的硬度通常比良性结节和正常乳腺组织高。Mcknight等[7]采用MRE证实了乳腺癌肿瘤区域平均硬度较周围组织高4倍。Lorenzen等[8]的研究也证明乳腺恶性浸润性肿瘤的弹性值显著高于乳腺良性病变，但在少数患者中两者的弹性值范围有一定重叠。Sinkus等[9]发现用MRE联合MRI动态增强扫描能够提高对乳腺癌的诊断，其诊断特异度比单纯用MRI动态增强扫描提高了20%，敏感度提高了100%。

2.2 MRE在肝脏的应用 MRE在肝脏部位的应用主要集中于肝纤维化和肝脏肿瘤两个方面。与传统影像学相比，MRE在评价肝纤维化和肝硬化方面有着特殊的优势。Rouvière等[10]于2006年首先发现肝纤维化时肝脏的剪切弹性模量和剪切黏性增高。Yin等[11]研究发现随着纤维化等级的增加，肝硬度也逐渐增加，同时也证明MRE可以区别中、高级纤维化和轻度纤维化。利用MRE对肝纤维化和肝硬化进行分期和评估的研究，发现MRE剪切弹性模量能够清楚地分辨出早期肝纤维化的各个阶段[12,13]。

由于MRE能够准确地直接测量肝实质硬度的变化，而形态学改变通常是肝纤维化的继发性改变，因此MRE的准确诊断可以避免行穿刺活检等创伤性检查。同时由于MRE检查的可重复性，MRE在肝纤维化分期及肝硬化进展的评估方面亦有重要价值。

此外，Motosugi等[14]将MRE测量的肝硬度作为肝癌的危险因素进行病例对照研究，采用Logistic回归对性别、MRE测量的肝硬度、血清ALT和AST、AFP、维生素K或拮抗剂II诱导的蛋白质进行危险因素分析，其多变量分析显示，只有MRE测量的肝硬度是肝癌的重要危险因素。

MRE在肝脏研究的另一个方向是肿瘤样病变，Venkatesh等[15]对肝占位性病变的患者行MRE扫描，结果发现肝恶性肿瘤的硬度分别高于良性肿瘤、纤维化肝组织及正常肝组织，纤维化肝组织的硬度与良、恶性肿瘤有一定的重叠，证明利用MRE测定组织弹性特征参数可鉴别肝脏良、恶性肿瘤。

2.3 MRE在脑部的应用 常规MRI在显示脑内结构和病变方面已经取得很大成就，但是仍需要在治疗前后提供更多的脑实质病变信息[16]。由于脑表面覆盖颅骨，MRE很难在颅内形成有效的剪切波，使用咬合棒经过下颌将剪切波偶联进入大脑，可成功获得脑实质弹性图[17-19]。Kruse等[18]发现脑白质硬度高于脑灰质。Green等[19]在90 Hz机械刺激下行MRE扫描，发现弹性图与预期解剖学之间存在非常高的符合性。徐磊等[20]将其自行研制的激发装置固定于被检者头部，产生的低频振动波经颅骨传导至颅内脑组织，对14例脑肿瘤患者进行MRE肿瘤硬度评价，并与术后获得的肿瘤硬度相对照，发现MRE结果与术后评估肿瘤硬度一致，证明MRE可以在术前通过显示肿瘤的弹性评价肿瘤硬度。

2.4 MRE在前列腺的应用 前列腺经直肠触诊是临床评估组织硬度的有效方法，但仅应用接近于体表的病灶，且缺乏定量指标。Kemper等[21]通过将激发装置放置于耻骨产生纵向振动波的方式对7例健康志愿者进行检测，结果显示弹性值与前列腺的解剖分区有相关性，中央区的弹性值[（2.2±0.3）kPa]低于周围区[（3.3±0.5） kPa]。Sahebjavaher等[22]和Arani等[23]分别采用经会阴和经直肠机械振动的方式探索并实现了前列腺MRE扫描。陈敏等[24]通过测量剪切波、黏滞度等参数对比分析前列腺癌和前列腺炎的差异，发现MRE有助于前列腺癌的探查和鉴别诊断。Li等[25]利用MRE对8例患者的12处前列腺癌病灶及10例患者的14处前列腺炎病灶进行研究（图1、2），结果发现前列腺癌病灶的平均弹性和黏滞性均高于前列腺炎性病灶及健康的前列腺周围带，差异有统计学意义；并且前列腺癌的弹性和黏滞性与格里森评分之间存在相关性。前列腺MRE能够可视化地显示前列腺癌与良性前列腺疾病在弹性和黏滞性方面的差异，是一种新的成像方法和潜在的前列腺癌症诊断方法。

图1 患者男，73岁，左侧外周带前列腺癌。A.前列腺T2WI轴位图显示左侧外周带低信号；B.相对应弹性图显示左侧外周带前列腺癌灶（红色），表示病灶中可能存在较硬的组织；C.左侧外周带感兴趣区平均弹性为6.85 kPa（图片由北京医院李飒英、陈敏教授提供）

图2 患者男，55岁，前列腺左侧外周带炎症。A.前列腺T2WI轴位图；B.相对应弹性图显示左侧外周带前列腺炎症（蓝色），表示没有明显较硬的组织存在；C.弹性图显示左侧外周带感兴趣区平均弹性为1.85 kPa，明显低于前列腺癌（图片由北京医院李飒英、陈敏教授提供）

2.5 MRE在骨骼肌肉的应用 肌肉组织具有高度的各向异性。Basford等[26]利用MRE研究健康者和神经肌肉功能不良的患者，发现健康肌肉的弹性随着载荷的增大而增大，并且健康和功能不良的肌肉弹性图有明显的差异。Heers等[27]对人体健康肌肉进行MRE，发现弹性波的波长与相同载荷下肌电图测得的肌肉活力成正比。Klatt等[28]研究发现MRE可以反映人体骨骼肌肉在不同收缩状态下的弹性变化。

2.6 MRE在血管的应用 目前，MRE对血管弹性的探测还处于实验研究阶段。Woodrum等[29]发现MRE可以显示和评价机械波在充满液体的体模管道中的传播，并且可以通过测量管壁的弹性来定量评价异常狭窄的病灶。Kolipaka等[30]利用MRE测量活体内主动脉的弹性，并对高血压[（9.3±1.9）kPa]患者和健康志愿者[（3.7 ±0.8） kPa]进行对比，发现高血压患者的主动脉硬度显著高于健康志愿者。

3 展望

随着影像技术的发展，影像医学越来越多地由传统的静态、形态学及组织学方面的分析向动态、功能学及生物力学等方面发展。作为一种无创的、能准确反映组织生物力学的检查手段，MRE具有良好的研究和应用前景。

[1] 徐争, 杨丽春.乳腺超声弹性成像的应用进展.中国医学影像学杂志 , 2013, 21(2): 155-160.

[2] Glaser KJ, Manduca A, Ehman RL.Review of MR elastography applications and recent developments.J Magn Reson Imaging,2012, 36(4): 757-774.

[3] 陈俊 , 黄永峰 , 宋朝昀 , 等.磁共振弹性图.国外医学 : 生物学工程分册 , 2005, 28(2): 1001-1110.

[4] Tse ZT, Chan YJ, Janssen H, et al.Piezoelectric actuator design for MR elastography: implementation and vibration issues.Int J Med Robot, 2011, 7(3): 353-360.

[5] Uffmann K, Ladd ME.Actuation systems for MR elastography:design and applications.IEEE Eng Med Biol Mag, 2008, 27(3):28-34.

[6] Tse ZT, Janssen H, Hamed A, et al.Magnetic resonance elastography hardware design: a survey.Proc Inst Mech Eng H,2009, 223(4): 497-514.

[7] Mcknight AL, Kugel JL, Rossman PJ, et al.MR elastography of breast cancer: preliminary results.Am J Roentgenol, 2002, 178(6):1411-1417.

[8] Lorenzen J, Sinkus R, Schrader D, et al.Imaging of breast tumors using MR elastography.Rofo, 2001, 173(1): 12-17.

[9] Sinkus R, Siegmann K, Xydeas T, et al.MR elastography of breast lesions: understanding the solid/liquid duality can improve the specificity of contrast-enhanced Mr mammography.Magn Reson Med, 2007, 58(6): 1135-1144.

[10] Rouvière O, Yin M, Dresner MA, et al.MR elastography of the liver: preliminary results.Radiology, 2006, 240(2): 440-448.

[11] Yin M, Talwalkar JA, Ehman RL, et al.Assessment of hepatic fibrosis with magnetic resonance elastography.Clin Gastroenterol Hepatol, 2007, 5(10): 1207-1213.

[12] Huwart L, Sempoux C, Salameh N, et al.Liver fibrosis:noninvasive assessment with MR elastography versus aspartate aminotransferase-to-platelet ratio index.Radiology, 2007, 245(2):458-466.

[13] Rustogi R, Horowitz J, Harmath C, et al.Accuracy of MR elastography and anatomic MR imaging features in the diagnosis of severe hepatic fibrosis and cirrhosis.J Magn Reson Imaging,2012, 35(6): 1356-1364.

[14] Motosugi U, Ichikawa T, Koshiishi T, et al.Liver stiffness measured by magnetic resonance elastography as a risk factor for hepatocellular carcinoma: a preliminary case-control study.Eur Radiol, 2013, 23(1): 156-162.

[15] Venkatesh SK, Yin M, Glockner JF, et al.MR elastography of liver tumors: preliminary results.Am J Roentgenol, 2008, 190(6): 1534-1540.

[16] Cha S.CNS tumors monitoring therapeutic response and outcome prediction.Top Magn Reson Imaging, 2006, 17(2): 63-68.

[17] Mccracken PJ, Manduca A, Felmlee J, et al.Mechanical transientbased magnetic resonance elastography.Magn Reson Med, 2005,53(3): 628-639.

[18] Kruse SA, Rose GH, Glaser KJ, et al.Magnetic resonance elastography of the brain.Neuroimage, 2008, 39(1): 237-253.

[19] Green MA, Bilston LE, Sinkus R.In vivo brain viscoelastic properties measured by magnetic resonance elastography.NMR Biomed, 2008, 21(7): 755-764.

[20] 徐磊 , 高培毅 , 林燕 , 等.脑肿瘤 MR 弹性成像的初步临床研究.中华放射学杂志 , 2008, 42(6): 605-608.

[21] Kemper J, Sinkus R, Lorenzen J, et al.MR elastography of the prostate: initial in-vivo application.Rofo, 2004, 176(8): 1094-1099.

[22] Sahebjavaher RS, Baghani A, Honarvar M, et al.Transperineal prostate MR elastography: initial in vivo results.Magn Reson Med,2013, 69(2): 411-420.

[23] Arani A, Plewes D, Krieger A, et al.The feasibility of endorectal MR elastography for prostate cancer localization.Magn Reson Med, 2011, 66(6): 1649-1657.

[24] 陈敏 , 李飒英 , 王文超 , 等.MR 弹力成像在前列腺疾病诊断中的初步临床研究.中华放射学杂志 , 2010, 44(8): 816-818.

[25] Li S, Chen M, Wang W, et al.A feasibility study of MR elastography in the diagnosis of prostate cancer at 3.0T.Acta Radiol, 2011, 52(3): 354-358.

[26] Basford JR, Jenkyn TR, An KN, et al.Evaluation of healthy and diseased muscle with magnetic resonance elastography.Arch Phys Med Rehabil, 2002, 83(11): 1530-1536.

[27] Heers G, Jenkyn T, Dresner MA, et al.Measurement of muscle activity with magnetic resonance elastography.Clin Biomech(Bristol, Avon), 2003, 18(6): 537-542.

[28] Klatt D, Papazoglou S, Braun J, et al.Viscoelasticity-based MR elastography of skeletal muscle.Phys Med Biol, 2010, 55(21):6445-6459.

[29] Woodrum DA, Romano AJ, Lerman A, et al.Vascular wall elasticity measurement by magnetic resonance imaging.Magn Reson Med, 2006, 56(3): 593-600.

[30] Kolipaka A, Woodrum D, Araoz PA, et al.MR elastography of the in vivo abdominal aorta: a feasibility study for comparing aortic stiffness between hypertensives and normotensives.J Magn Reson Imaging, 2012, 35(3): 582-586.