功能MRI在肌肉损伤中的应用进展

曾飘娥 周延 刘剑羽*

肌肉损伤是临床常见疾病，准确早期诊断及检测损伤修复情况对治疗和预后有重要意义。目前主要根据临床症状，辅以实验室检查、肌电图等对其进行诊断。MRI具有良好的软组织分辨力及多参数成像等特点，可以为评估肌肉损伤范围及损伤程度提供重要信息，但常规抑脂T2WI对肌肉损伤的评估依赖于医师的经验，主观性强，且不能检测到细微肌肉撕裂[1]。近年来，功能MRI在评价肌肉损伤方面有较多临床及基础研究，T2mapping反映细胞水肿情况，扩散加权成像（DWI）及扩散张量成像（DTI）提供组织扩散信息，能在微观层面对肌肉损伤及其动态恢复变化进行定量评估。本文就功能MRI技术的基本原理及在肌肉损伤方面的应用进行综述。

1 功能MRI技术的基本原理

目前用在肌肉损伤方面较多的技术主要有T2mapping、DWI及 DTI。 T2mapping成像是采用多回波快速自旋回波序列，测量不同回波时间的MR信号强度，从而定量评估兴趣区T2值的新技术[2]。在正常肌肉组织中，肌细胞和细胞外间隙的水分子分别主要以结合水和自由水形式存在，结合水的横向弛豫时间较自由水短，因此正常肌肉组织呈现短T2信号。当肌肉损伤时，水分子的状态与分布发生改变，导致T2改变。T2mapping成像正是通过测量受损肌肉T2值，定量反映水分子分布微观变化情况，从而评估肌肉损伤状态[3]。

DWI是无创反映组织内水分子扩散的成像技术，水分子扩散受限程度可以用表观扩散系数（ADC）表示。含水量和细胞结构等变化都会引起扩散受限的变化，导致测量ADC值改变。肌肉损伤时，肌纤维、细胞膜和细胞内大分子等发生变化，可能引起ADC值变化。

水分子扩散具有各向异性，为准确分析组织内水分子扩散特性，1994年Basser等[4]首次提出引入张量及扩散椭球体来表示各向异性，在6个非共线方向施加扩散敏感梯度，从而获得描述扩散各向异性的量化参数，即DTI。其中各向异性分数（FA）代表测量体素中的扩散异性成分，是水分子各向异性成分占整个扩散张量的比例。本征值（λ1、λ2、λ3）分别反映3个正交方向的扩散系数大小，λ1代表平行于纤维方向的扩散系数，λ2和λ3代表垂直于纤维方向的扩散系数[5－6]。DTI已经较广泛地应用于正常及损伤肌肉的微观结构变化研究。当肌肉损伤时，有序的肌纤维结构遭到破坏，水分子在各个方向的扩散增加，DTI参数会发生相应的改变，表现为受损肌肉FA 值下降，本征值升高[7－9]。

2 功能MRI在肌肉损伤中的应用

2.1 反映肌肉损伤与再生修复的病理、生理微观变化 肌肉损伤的病理、生理过程包括细胞水肿、坏死、炎症、纤维再生。T2mapping、DWI及DTI的参数值可以定量反映肌肉损伤不同阶段微观组织学变化特点，进而评估其损伤严重程度及再生修复情况。McMillan等[7]发现营养不良小鼠离心运动后受损胫骨前肌近端T2值升高，同时荧光显微镜下伊文思蓝染色（EBD）－阳性纤维（EBD染色阳性指示纤维膜的破坏）较对照组显著增加，另一研究[10]发现受损肌肉T2值升高与EBD阳性纤维成正比，提示受损肌肉T2值升高与肌纤维膜破坏有关。更多研究进一步证实受损肌肉T2值变化与其病理变化过程密切相关。Zhang等[11]在兔肌肉挤压损伤模型中发现，损伤后第1天肌肉坏死、炎性浸润，导致肌细胞破坏，肌纤维膜通透性增加，细胞内大分子外溢以及细胞外间隙水分子进入细胞内，导致细胞水肿，T2值升高；炎性反应也使肌细胞膜和毛细血管壁通透性增加，细胞间质水肿，横向弛豫时间延长，T2值升高。病理显示在损伤第7天时炎性浸润最明显，此时T2值最高。7 d后炎性浸润减轻，肌纤维开始再生，肌间隙减小，自由水减少，T2值减低。损伤后30 d时肌肉病理表现基本恢复正常，T2值也恢复到正常。另有研究[12－14]也证实T2mapping的T2值与病理变化过程的平行性，在3～7 d时T2值达到顶峰，28～30 d时恢复正常，不同研究T2值达到高峰及恢复正常时间有所不同，这可能与损伤机制、损伤局限性及研究模型的种类不同有关。Esposito等[12]研究还发现T2值与损伤肌肉炎性白细胞 （CD45+）数量及组织损伤/炎性浸润评分呈正相关（r=0.881，P=0.007 2），进一步证实T2值可以反映肌肉损伤炎性反应程度，T2值峰值出现在炎症最严重时，进而评估肌肉损伤程度。

Yanagisawa等[15]研究人踝关节跖屈收缩小腿肌肉损伤腓肠肌内侧头ADC值升高，第3天时显著升高，推测由于肌肉损伤肌纤维破坏，细胞膜屏障破坏导致酶溢出到细胞外间隙，吸引水分子进入细胞间质，细胞间质水肿使水分子扩散受限减轻，ADC值升高。此外，水分子扩散主要受限于平行肌纤维方向，纤维结构破坏本身也会导致水分子扩散增加，因此ADC值升高可能提示肌肉损伤的存在。Feng等[16]研究不同MR参数区分肌肉损伤和修复时间进程的可行性，发现ADC值在损伤早期(1 d内)显著升高，之后进行性下降，此时受损肌肉病理变化以细胞水肿为主，T2值在第3天升高达到顶峰，病理表现肌纤维坏死，间质吞噬细胞、淋巴细胞浸润伴少许再生肌纤维，故推测ADC值反映细胞微结构的完整性，与细胞水肿相关，在损伤早期即出现。

DTI通过水分子的扩散受限及各向异性的特点分析肌肉损伤的微观变化。Yanagisawa等[17]评估踝关节屈曲运动损伤后，腓肠肌内侧头FA值在2～5 d显著下降，平均扩散率（mean diffusivity，MD）、λ2、λ3第3天显著升高。λ2、λ3的升高表明垂直于肌纤维长轴方向的水分子扩散增加，提示急性期肌肉损伤肌纤维水肿。FA值最能反映肌肉损伤与再生修复过程。Esposito等[12]诱导鼠胫骨前肌急性损伤，损伤后第1天时FA值下降到最低，此时病理表现以纤维坏死为主，肌纤维完整性缺失导致扩散各向异性减低。随后，FA值变化趋势与组织病理再生修复过程相平行，由于肌纤维再生，且再生的肌纤维不成熟，直径小，导致FA值升高甚至高于正常组织水平，当30 d时再生肌纤维逐渐成熟，纤维直径恢复正常大小，FA值恢复正常。同时，FA值与再生的中央核肌纤维比例呈正相关，进一步佐证FA值与肌肉损伤的再生修复过程的相关性。当诱导破坏肌卫星细胞（参与肌纤维受损后再生修复的干细胞），受损的肌纤维无法再生修复，受损区域最终被脂肪及纤维组织替代，使水分子扩散受阻，相应FA值减低，不能恢复至正常水平[18]。Peng等[19]通过移植内皮祖细胞促进受损肌肉组织修复，移植后第7天、第14天的λ1、λ2、λ3和 ADC 值较生理盐水治疗对照组显著下降，FA值显著升高。

2.2 诊断肌肉损伤的敏感性 常规T2WI主要从形态学评价肌肉的损伤，如细胞水肿、肌肉撕裂或断裂，主观性强，敏感性欠佳。T2mapping在诊断肌肉损伤的敏感性可能较传统T2WI更佳。Zhang等[11]研究发现，受损肌肉第1、3、7天时T2WI呈高信号，信号强度逐渐减低，此时T2值递增。但第14天时T2WI呈稍低信号，较正常对照组无明显差异，而T2值仍显著高于对照组，此时病理也显示肌肉损伤还未恢复到正常，提示T2mapping定量诊断较常规T2WI诊断更敏感。该研究还发现受损肌肉的T2值与血清肌钙蛋白和尿肌红蛋白数量呈线性正相关（回归系数分别为 0.299、8.26，P 均＜0.05），血清肌钙蛋白是肌肉损伤的早期敏感指标，T2值可能是评估肌肉损伤的敏感指标。Ha等[20]也提出对比常规T2WI，T2mapping可早期检测急性去神经支配肌肉损伤，在肌肉损伤3 d后T2值轻度升高，T2WI影像无明显变化，1周后T2值显著变化，而T2WI影像才开始出现可疑及确定的信号强度改变。阴道分娩6周后采用T2mapping评估髂尾肌，T2WI上表现为信号正常，无水肿、撕裂、断裂，但其T2值显著高于无损伤对照组，同时伪彩图也可显示其色阶混杂、色调增高，提示髂尾肌存在病损，推测可能是由于髂尾肌细小，T2WI影像难以发现微小损伤，T2值及其伪彩图有助于发现细微肌肉损伤[21]。Fulford等[22]研究认为联合ADC与T2值可能提高检测肌肉损伤的敏感性。Foeling等[23]发现5名马拉松运动员比赛后在抑脂T2WI上，180块肌肉中9块肌肉出现1级肌肉拉伤。除去9块拉伤肌肉，肱二头肌和半腱肌的本征值和MD在比赛后2 d仍显著升高。该研究表明DTI参数能检测到常规抑脂影像未出现的肌肉损伤变化，验证DTI用于检测亚临床运动相关肌肉损伤的可行性。在评估运动员肌肉损伤时，需要考虑到运动员优势侧及非优势侧肌肉特征及代谢的不对称性可能会导致DTI测值的偏侧化，经标准化（损伤肌肉和同侧健康肌肉的比值与对侧对比）后能更精确评估肌肉损伤，避免肌肉偏侧性导致的偏倚[24]。功能MRI可早期、敏感检测肌肉损伤，较常规MRI具有优势。

2.3 在盆底肌损伤中的应用 功能MRI已经较多地用于评估上、下肢的粗大肌肉群损伤，但近年来尝试应用于盆底肌进行相关研究。盆底肌是女性盆底支持结构中的重要组成部分，主要维持盆腔脏器正常解剖位置、形态和生理功能。盆底肌肉损伤会导致盆腔脏器脱垂、压力性尿失禁、直肠脱垂等盆底功能障碍性疾病的发生。由于盆底肌肉纤细，走行复杂，目前尚无良好的评估其损伤的检查方法。T2mapping技术可通过定量测量组织T2值间接评定组织损伤状态。赵等[21]研究产后受损的耻骨直肠肌T2值升高，其伪彩图可直观显示损伤程度及范围，损伤越重，色阶增加越明显，色调越高。DTI及纤维示踪技术开始用于评估盆底脏器脱垂病人及阴道分娩初产妇盆底肌损伤。2011年Zijta等[25]首次验证了DTI和纤维示踪技术用于盆底肌研究的可行性，获得了耻尾肌、会阴小体、肛门及尿道括约肌和闭孔内肌解剖结构。Rousset等[26]运用纤维示踪技术进一步细分肛提肌的解剖结构，观察到耻尾肌及耻骨直肠肌形态和纤维走行，但骶尾肌的成像欠佳，可能与其形态复杂且纤维网稀疏有关。尚等[27]在国内首次对50例未生育或经剖宫产生育志愿者女性盆底肌肉纤维束进行了DTI研究，结果显示DTI纤维束成像可以三维观察女性盆底复杂肌肉纤维束结构，并且获得其正常ADC值和FA值。Zijta等[28]发现盆底脏器脱垂病人与未生育女性2组间肛门括约肌、会阴小体及耻骨会阴肌的FA和MD值无显著差异，而盆底脏器脱垂组左侧闭孔内肌FA值显著高于未生育组。但国内一项研究[29]与之结果不一致，发现2组间闭孔内肌DTI测值差异无统计学意义，考虑闭孔内肌不是盆底支持结构的主要成分，损伤程度轻导致测值无显著差异。但脱垂病人左侧髂尾肌λ1、λ3明显高于正常对照组，提示左侧髂尾肌细长而纤维稀疏，损伤程度较重。崔等[30]研究发现阴道分娩后6个月初产妇耻骨内脏肌损伤组、无损伤组及对照组间耻骨内脏肌的FA和ADC值无显著差异，分析原因可能是分娩后6个月损伤程度轻且肛提肌体积小，部分容积效应影响的结果，但是损伤组ADC值比对照组高，这可能对肛提肌损伤具有一定提示作用。DTI及纤维示踪技术对于评估盆底肌是可行的，对揭示盆底器官脱垂发生机制及早期诊断孕产妇盆底肌损伤有重要意义，但仍属初步探索阶段，部分研究结果仍未取得一致，有待更多研究证实。

3 小结

总之，T2mapping、DWI、DTI等功能 MRI在肌肉损伤的评估研究中已取得较大进展，其相关参数T2值、ADC、FA及本征值等可量化反映肌肉损伤后病理、生理状态微观结构的变化情况，提示受损肌肉坏死、炎性水肿、纤维破坏、纤维再生过程，从而无创、定量、客观地评估肌肉损伤的严重程度与再生修复动态变化，甚至可早期发现肌肉损伤，这将对肌肉损伤相关疾病的临床治疗和预后评估有重要的指导意义。