超短回波时间磁共振（UTE-MRI）在骨皮质成像中的应用

陈民，袁慧书



超短回波时间磁共振（UTE-MRI）在骨皮质成像中的应用

陈民，袁慧书*

［摘要］随着社会老龄化的进展，骨质疏松患病率不断增高，作为骨质疏松最严重的并发症之一，骨质疏松骨折极大地降低了患者的生活质量，并带来沉重的社会经济负担。近年来，骨皮质在骨质疏松骨折中的重要作用越来越受到研究者的重视。相较于传统影像学方法，磁共振超短回波时间脉冲序列能够对骨皮质进行在体的定性定量研究，包括骨折等疾病观察、骨皮质T1、T2*时间测定、水定量、孔隙度测定、矿质含量测定、骨皮质灌注研究等，对骨皮质在骨质疏松等疾病中的改变可进行全面的评估，具有良好的临床应用前景。本文将对超短回波时间磁共振序列进行介绍，并着重对其在骨皮质成像中的研究进展进行综述。

［关键词］超短回波时间；磁共振成像；骨皮质；骨质疏松

作者单位：北京大学第三医院放射科，北京100191

接受日期：2016-01-08

陈民， 袁慧书. 超短回波时间磁共振（UTE-MRI）在骨皮质成像中的应用. 磁共振成像， 2016， 7（2）: 156–160.

*Correspondence to: Yuan HS， E-mail: huishuy@bjmu.edu.cn

Received 10 Dec 2015， Accepted 8 Jan 2016

根据民政部统计年鉴［1］，截至2014年底，中国60岁及以上老年人总数达2.12亿，占人口总数的15.5%。骨质疏松症在中国老年人群中平均患病率约16%［2］。作为骨质疏松最严重的并发症之一，骨质疏松骨折给社会和家庭带来沉重的经济负担，据不完全统计，我国不同地区老年人骨质疏松骨折患病率约9%～26%［2］。双能X线吸收法（dual energy x-ray absorptiometry， DXA）测定骨密度（bone mineral density， BMD）是目前WHO惟一推荐用于骨质疏松诊断及骨折风险预测的影像学检查［3］，但该方法无法区分骨皮质与骨松质，并以反映骨松质为主［4］，因此骨质疏松患者中骨皮质的改变往往被忽略［5］。有研究表明，65岁以上的老年人四肢骨骨量下降以骨皮质骨量下降为主［6］，此外，从60岁到80岁，骨折风险增加13倍，而DXA测得的BMD的降低只能导致骨折风险增加1倍［7］。因此，加强对骨皮质的评价对于完善骨质疏松的诊断和骨折风险的预测具有重要意义。超短回波时间磁共振成像（ultrashort echo-time magnetic resonance imaging， UTE-MRI）是近年来出现的可用于评价骨皮质的新技术，相较于显微CT（micro-computed tomography， μCT）、高分辨外周定量CT（high resolution-peripheral quantitative computed tomography， HR-pQCT）等方法，具有能够在体应用、无辐射等优势，具有很大的临床应用潜能。

1　UTE-MRI简介

目前广泛应用于临床的磁共振序列因回波时间（echo time， TE）的限制，均以采集中等及长T2组织（T2＞10 ms［8］）信号为主，短T2组织如跟腱、骨皮质等在图像中几乎不产生信号，为这些组织的直接观察和磁共振性质的研究带来了困难。

UTE技术利用超短TE（0.008～0.50 ms［8］），能够采集到多数短T2组织的信号。其超短TE的实现有赖于独特的半射频脉冲及K空间填写方式。2DUTE序列通过半射频脉冲结合选层梯度进行层面激发，并交替变换选层梯度方向，将两次半射频脉冲所得数据叠加填写K空间，从而避免了对层面选择射频激发脉冲重新进行相位编码，缩短了TE时间。在选层梯度降至0、射频激发脉冲开始时，K空间数据同时从中心放射状填写，此外，数据采集可在层面选择梯度上升的同时及到达平台期后持续进行［8-9］。相似的，利用短硬激发脉冲及三维放射状采集可实现3DUTE成像［10］。3DUTE获得的信息是基于多层面的空间平均值，降低了随机和系统误差，包括采集噪声、分段误差及配准误差，对于提高UTE技术用于定量分析的准确性具有更大的优势［1 1］。此外，在基本UTE序列的基础上还出现了多种包含长T2组织抑制的序列，主要包括［10］绝热反转恢复UTE（adiabatic inversion recovery-UTE， AIR-UTE）、偏共振饱和UTE（UTE with off-resonance saturation， UTEOSC）、双回波剪影UTE等，通过抑制脂肪或长T2的水成分，提高短T2成分的图像对比度。

目前国内外已有的UTE-MRI相关研究多在高场强磁共振临床用机上进行（如1.5 T或3.0 T MR机），并对扫描线圈的转换速度（transmit-receive time， T/R时间）有一定的要求［12］。不同厂家及型号的磁共振机上UTE序列可获得的最短TE时间略有差别，但均在0.10 ms以内［13-14］。同时，根据定量及定性研究的不同要求，可应用临床常用的后处理技术如多平面重组技术［15］对UTE获得的图像进行处理，或借助Matlab［13］、ImageJ［16］等图像处理软件进行半定量、定量计算。

2　骨皮质的定性观察

UTE序列结合组织抑制技术可将骨皮质显示为高信号，因此可以对骨质疏松、骨折等疾病中骨皮质的改变进行良好的观察。Reichert I等人［17］用UTE序列在骨质疏松病人观察到了骨皮质信号的增高。Robson M等人［18］观察到急性期骨折病人骨皮质短T2成分信号降低，而修复期信号增高，同时可观察骨痂形成和骨膜的改变。

3　T1及T2*值测定

利用饱和恢复UTE（saturation recovery UTE，SR-UTE）序列可测得骨皮质的T1时间。通过逐步增加饱和恢复时间，将获得的骨皮质信号用指数信号恢复曲线进行拟合，得到骨皮质的T1时间范围为140～400 ms［17， 19］。骨皮质T2*时间的测定是通过一系列的TE时间获得相应一系列的信号强度，随后通过信号衰减指数模型进行曲线拟合而得到，其范围为0.42～0.60 ms［17， 19］。为提高T2*测量的准确性，减轻涡流对信号的影响，可辅以绝热反转等长T2抑制序列［12］。

Reichert I等人［17］发现，UTE测得的骨皮质T1时间随年龄增长而延长，提示骨皮质的T1、T2*时间可能与年龄相关的骨改变及骨质疏松等疾病具有相关性，因此，进一步研究骨皮质T1及T2*时间在不同疾病状态下的变化情况，可能为相关疾病的诊断提供更为丰富的资料。

4　骨皮质水含量测定

骨皮质中的水质子信号是UTE-MRI获得信号的主要组成成分［20］。骨皮质水包括孔隙水和结合水，前者占总水含量约1/3，指的是存在于骨哈弗斯系统、骨陷窝和骨小管中的水，可反映骨皮质的孔隙度［20］；后者占总水含量的约2/3，指的是与骨有机质结合的水，反映骨有机质的含量［20-22］。

4.1骨皮质总水含量测定

UTE-MRI可借助水模测定骨皮质的总含水量（bone water concentration， BWC）［12， 19， 23］。Techawiboonwong A等人［19， 24］将水模与人骨标本或志愿者小腿同时进行UTE序列扫描，以水模和胫骨骨皮质信号强度为基础，结合二者的T1、T2*时间进行计算，得到胫骨骨皮质BWC，并通过D2OH2O交换法［25］验证了该UTE方法的准确性。此外，他们还发现UTE测定的BWC在肾性骨病患者与健康人之间比DXA测得的BMD具有更显著的差异，提示UTE进行BWC测定可能作为区分疾病与健康人群有效且更为敏感的手段。Li C等人［23］用类似的水模比较法对70余位不同年龄及性别的健康志愿者进行了胫骨骨皮质BWC测定，发现BWC与年龄正相关，而与QCT测得的BMD负相关。

4.2骨皮质自由水与孔隙水含量测定

Biswas R等人［26］用UTE序列结合以多TE时间扫描为基础的双成分分析法，对牛骨标本骨皮质的孔隙水和结合水进行了定量分析，并利用风干及烤干牛骨标本的方法验证了其测得结果的准确性。Bae W等人［27］用同样的方法将测得的孔隙水、结合水与骨的极限应力、弹性等生物力学性能、μCT测得的骨皮质孔隙度进行比较，发现孔隙度与孔隙水含量正相关，与结合水含量负相关，同时，孔隙水及自由水含量与骨的机械性能参数也具有相关性。

Manhard等人［28-29］将UTE序列与T2选择性的绝热序列联合得到双绝热全流道序列（double adiabatic full passage， DAFP）和绝热反转恢复序列（adiabatic inversion recovery， AIR）序列，并通过二者分别获得骨皮质孔隙水及结合水的定量分布图，同时，借助水模计算得到孔隙水和结合水的体积分数。该方法对人骨标本测得的结果与4.7 T磁共振上的CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）回波序列进行的T2波谱测量结果高度相关，验证了其准确性。

最近，Allen MR等人［30］用上述UTE-MRI双成分分析模型对服用雷洛昔芬6个月的成年雌性猎狗进行孔隙水及结合水定量分析发现，服药组相比较盐水对照组结合水高出14%而孔隙水低于对照组20%，提示了UTE-MRI对于骨皮质水定量分析在骨质疏松药物治疗随访中的应用潜能。

5　骨皮质孔隙度评价

骨皮质孔隙的体积占骨皮质总体积的百分比即骨皮质的孔隙度［31］，与年龄相关的骨强度下降和脆性骨折的发生有关［32-34］。Chamith S［13］及Li C等人［23］用UTE-MRI对骨皮质孔隙度进行在体的半定量评价。Chamith S等人用双回波UTE序列对胫骨标本进行扫描，并以长TE及短TE获得的信号强度（intensity， I）为基础，定义孔隙度指数（porosity index， PI）为PI=ITE长/ITE短，通过人胫骨标本的测量发现PI与μCT测定的真实孔隙度线性正相关，同时，与年龄和BMD均呈负相关。Li C等人提出了抑制比（suppression ratio， SR），即在UTE-MRI扫描中施加长T2抑制序列前后获得的骨皮质信号强度比值，将其作为骨皮质孔隙度评价的指标，并得到了与上述相似的结果。

6　骨皮质磷成像与骨矿质定量分析

骨矿盐占骨皮质质量分数的45%，主要由羟基磷灰石晶体和无定形磷酸钙构成［35］。骨矿质的晶体结构与纯羟基磷灰石之间有许多差异，这些差异反映了骨代谢的过程。不同晶体结构的羟基磷灰石晶体T1值显著不同，因此测定其T1值可能反映骨的代谢状态［36］。MR成像对磷信号的敏感性低于质子信号且磷原子浓度远远低于人体中质子含量，为骨矿质中磷的评估和观察带来了极大的挑战。Robson M等人［37］用TE时间为70 μs的UTE序列，将射频脉冲设定于31P的共振频率上，在体扫描得到了人体胫骨骨皮质的磷成像图，并在此基础上测定了骨皮质的T1和T2*时间。骨皮质的磷含量是骨矿质密度的直接反映，而传统X线成像方法测定的骨密度主要反映了钙质的含量。因此，骨皮质的磷成像为骨矿质的评价提供了良好的补充和完善。此外，Anumula S等人［38］用UTE磷成像的方法，发现卵巢切除的大鼠与假手术大鼠之间骨皮质的磷含量差异，并观察到了手术组大鼠在双膦酸盐治疗后的磷含量变化，提示UTE磷成像可能作为骨质疏松治疗反应评价的手段。

7　骨皮质血流灌注研究

骨血流灌注对骨骼健康的维持具有重要作用［10］。Hauge EM等人［39］在松质骨标本研究中发现了“骨重塑单元”这一血管结构，阐释了骨灌注与骨重塑的密切关系。同时，低骨量及骨质疏松病人骨血流灌注减低，提示了骨灌注在骨代谢及相关疾病中的重要作用［40］。目前，骨灌注研究主要关注于骨松质及骨髓脂肪，对骨皮质灌注研究甚少。动态增强MRI是血流灌注研究中广泛应用的一种无创方法，UTE-MRI的出现为骨皮质的动态增强显像提供了可能［17］。Reichert I等人［17］利用UTE-MRI对健康志愿者静脉注射钆对比剂进行胫骨增强扫描，观察到了骨皮质的强化。Girard等人［41］用2DUTE序列并选取短TR时间（20 ms），对健康志愿者胫骨进行动态增强扫描，结合经典Tofts模型，获得了胫骨骨皮质容积转移常数（Ktrans）、速率常数（Kep）、对比剂血浆容积（Vp）、对比剂到达时间等血流灌注参数，为进一步研究骨皮质血流灌注在疾病中的变化提供了基础。

8　总结与展望

自1991年Bergin CJ等人［42］首次在人体中应用UTE序列对肺组织进行扫描，并对肺肿瘤、肺动静脉畸形等进行观察以来，UTE序列逐渐进入人们的视野。目前，应用UTE序列的研究涉及多个系统，如呼吸、循环、骨肌、神经系统［18， 43］等，尤其以骨肌系统的研究最为广泛［44］。目前，国内学者对UTE技术应用的相关研究也主要集中在骨肌系统，包括对人骨标本及健康志愿者的膝、踝关节进行3D UTE序列显像的参数调试［15， 45］，对兔膝关节进行UTE动态增强观察［46］，健康志愿者的腰椎终板UTE T2*mapping可行性研究［16］，及3D UTE用于颅骨骨折诊断的可行性研究［14］等。

相较于常规MRI序列，UTE磁共振序列最大的优势在于其超短TE时间、对人体短T2组织和病变的良好显示。UTE-MRI在骨皮质成像中方面的研究包括疾病的定性观察、骨皮质孔隙水及结合水定量分析、骨矿盐定量分析、骨灌注研究等多个方面，对加深对骨代谢疾病的理解、骨微观结构的评价具有重要意义。其中，骨皮质水定量与骨皮质孔隙度评价的相关研究，尤其是最为简便的孔隙度指数测定，在完善骨质疏松骨折风险评价、药物疗效评估等方面具有良好的临床应用潜能。然而，UTE-MRI在骨皮质成像中的应用仍主要处在“临床前”阶段，UTE序列测得的骨皮质水含量、孔隙度指数等随年龄、性别的变化规律，与骨质疏松及骨质疏松骨折的关系仍需要进一步研究。

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The application of UTE-MRI in cortical bone imaging

CHEN Min， YUAN Hui-shu*
Department of Radiology， Peking University Third Hospital， Beijing 100191， China

Key wordsUltra-short echo time； Magnetic resonance imaing； Cortical bone；Osteoporosis

AbstractThe prevalence of osteoporosis（OP） is developing with the aging of the society. As the most serious complication of OP， fragility fractures bring the patients heavy economic and disease burdens. Instead of focusing on the change of trabecular bone， recently， more researchers realize the important role of cortical bone in fragility fractures. UTE-MRI is a newly emerging MRI sequence which makes the qualitative and quantitative imaging of cortical bone possible in vivo. Some studies have proved the feasibility of the application of UTE-MRI in fracture imaging， cortical water quantification， cortical porosity measurement， bone perfusion imaging， etc， both in vitro and in vivo. The aim of this review is to briefly introduce this new MRI sequence and make a summary of its applications in cortical bone imaging.

通讯作者：袁慧书，E-mail: huishuy@bjmu.edu.cn

收稿日期：2015-12-10

中图分类号：R445.2；R589.5

文献标识码：A

DOI:10.12015/issn.1674-8034.2016.02.014