磁共振扩散张量成像在下肢肌肉病变中的应用进展

付云雷，杜梅，张追阳，倪建明

(南京医科大学附属无锡第二医院放射科，江苏 无锡214000)

下肢肌肉对维持人体直立姿势、支撑体重及进行走、跑、跳等运动至关重要。下肢肌肉发生病变将对人类的正常活动产生重要影响，严重者可致瘫痪，因此临床上及时诊断和治疗下肢肌肉病变显得尤为重要。由病理(生理)条件改变(如炎症、创伤、萎缩或肥大)引起的下肢肌肉组织结构变化，可通过常规磁共振T1 和T2 加权成像进行评估。然而，早期的病理(生理)变化往往始于细胞水平，超出了常规T1 和T2 加权成像的检测能力，往往需要借助活检才能证实。活检具有侵入性，在健康人群中不适合下肢肌肉病变的筛查，也无法用于下肢肌肉病变患者定期随访。因此，迫切需要一种无创的、灵敏的、能及早发现下肢肌肉病变的检查技术。下肢肌肉属于骨骼肌的范畴，肌纤维呈圆柱形，沿着特定方向整齐排列，使得肌纤维的纵轴明显长于横轴。由于肌细胞膜(肌膜)的横向限制，水分子在肌纤维中沿纵轴方向的扩散快于沿横轴方向。扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)相关参数的变化与下肢肌肉病理生理学改变一致，能敏感地反映下肢肌肉病理生理变化;另外，DTI 的纤维束成像技术还能直观显示肌纤维束的增多、减少或紊乱情况［1］，因此DTI 成功应用于下肢肌肉病变的检查。由于下肢DTI 对运动伪影敏感、空间分辨率较低、采集时间较长等限制了DTI 在临床上的应用。现就DTI 在下肢肌肉病变中的应用进展予以综述。

1 DTI 概论

1.1 DTI 基本理论 DTI 是扩散成像的高级形式，可通过测量至少6 个独立方向上的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)来定量评价扩散方向的各向异性。骨骼肌中由于肌膜的限制，使得纵向扩散速度快于横向扩散，即为各向异性［1］。目前DTI 描述各向异性参数的量化指标有部分各向异性分数(fractional anisotropy，FA)、特征值(λ1、λ2、λ3)、平均扩散率(mean diffusivity，MD)等。DTI 的可视化方法主要有彩色编码图和纤维示踪技术。彩色编码图中用红色编码表示主要特征向量是左右方向走行，绿色编码表示前后方向走行，蓝色编码表示上下方向走行。

1.2 下肢骨骼肌DTI 采集技术及优化 下肢肌肉DTI 主要采用自旋回波-DTI 和回波平面成像(echo planar imaging，EPI)-DTI 序列扫描。自旋回波-DTI信噪比(signal noise ratio，SNR)高，但采集时间长，对运动伪影非常敏感;EPI-DTI 速度快，但对磁敏感伪影和化学位移伪影非常敏感。目前，单回波DTI脉冲序列是骨骼肌DTI 的主要研究方法，然而无法量化微结构变化。Ababneh 等［2］首次证实多回波DTI 也可用于骨骼肌DTI。随后的研究发现，多回波DTI 可用于量化肌纤维大小变化［3］。目前研究认为，不同场强下获得的DTI 参数均是有效的，可用于骨骼肌定量分析［4-5］。另外，线圈对下肢肌肉DTI也存在影响，主要使用膝关节线圈和体部线圈，膝关节线圈SNR 高，视野局限;体部线圈SNR 较低，采集范围大。由于下肢肌肉DTI 的T2 值较低，导致获得的图像SNR 较低，一定程度上限制了下肢DTI 的应用。SNR 与采集参数(重复时间、回波时间、层厚、b 值等)密切相关。为了提高SNR，可从以下4 个方面对EPI-DTI 采集参数进行优化:①采用并行采集技术减少回波时间;②应用部分傅立叶采集，减少运动伪影和磁敏感伪影;③选择相对低的b 值;④增加梯度编码方向［6］。有研究认为，体素控制在20 ～30 mm3，b 值为400 ～500 s/mm2，同时尽量使用短回波时间来最大化SNR，并至少使用10 个梯度方向可以获得良好的SNR［7-8］。

2 DTI 在下肢骨骼肌中的应用

2.1 DTI 在正常下肢肌肉中的研究 正常下肢骨骼肌具有清晰的组织结构，能很好地区分下肢各肌肉解剖，但目前正常下肢扩散相关参数尚无统一标准。DTI 采集参数的设置差异可造成测得的扩散相关参数不同［9-11］。而梯度方向的不同可致FA 不同，Rockel 和Noseworthy［12］的研究表明，梯度方向越少，FA 越高。下肢肌肉的研究大多选取某一条肌肉或部分肌肉进行DTI，但下肢肌肉间扩散相关参数存在差异［6，9-10］。有研究发现，FA 与纤维类型比例显著相关，Ⅰ型纤维比例越高，FA 越低［13］。另外，同一条下肢肌肉的不同层面扩散相关参数值也存在差异，肌腱处的FA 往往高于肌腹处，可能是由于肌腱处的肌纤维呈均匀平行排列、结缔组织较多［10，14］。临床资料的差异(性别、年龄、体重等)对扩散相关参数也有影响，因而在研究中需要设立对照组，分析相关性［15-17］。不同状态下的下肢肌肉DTI，扩散相关参数也不同，可能与下肢肌肉灌注有关［18-20］。有研究认为，下肢肌肉灌注造成的差异可以通过体素内不相干运动扩散加权成像进行校正［21］。

2.2 DTI 在下肢肌肉病变中的应用

2.2.1 在下肢肌肉萎缩中的应用 引起下肢肌肉萎缩的原因错综复杂，下肢肌肉萎缩轻者限制患者正常活动，严重者可致瘫痪。及早发现造成肌肉萎缩的病因、监测肌肉萎缩程度及评价预后显得尤为重要。蒙秋华等［22-23］制作的兔失神经支配骨骼肌退变及再生模型的研究表明，DTI 评价失神经靶肌肉退变及再生的情况的灵敏度高，本征向量平行值(λ//)、本征向量垂直值(λ⊥)及FA 均能敏感地反映由牵拉损伤继发造成的失神经靶肌肉的早期微小损伤及修复情况，且三者变化与病理学变化一致，即靶肌肉肌纤维间质出现水肿时，λ//、λ⊥及FA 开始下降;随着靶肌肉内血管扩张、肌纤维灶性萎缩、肌肉间隙增宽等的出现，水分子扩散受限制，各向异性进一步减小，λ//、λ⊥及FA 进一步下降;当病理改变逐渐减轻，三者均逐渐升高直至恢复;由于损伤24 h λ//下降最显著，故λ//被认为是最敏感指标。上述研究结果与Zhang 等［24］的研究有相似之处。另外，DTI 还可用于评估下肢肌肉功能。Hara 等［25］利用DTI 评价大鼠跟腱切除后的小腿三头肌的功能，发现λ1 与肌肉力量和肌腹长轴的长度呈显著正相关，λ1 的减少代表肌腹长轴缩短，而肌腹长轴缩短是导致肌肉功能减退的原因，因此推测λ1 有助于评估肌肉力量。近年来，关于下肢肌肉萎缩的研究不再局限于与病理、生理对照，越来越多的研究利用DTI 探索组织微结构参数的变化。在单侧肢体悬吊模型中，Malis 等［26］发现特征值(λ1、λ2、λ3)均下降，且λ2下降最显著;这与肌纤维横截面的变化有关，肌纤维的横截面呈不对称的椭圆形，悬吊后肌纤维短轴与长轴比率增加，肌纤维横截面趋向正圆形，不对称性下降，其中λ2 与肌纤维横截面的长轴有关，因此下降最显著。

2.2.2 在神经肌肉疾病中的应用 杜氏肌营养不良症(Duchenne muscular dystrophy，DMD)的特征是骨骼肌逐渐破坏，随后被脂肪和纤维组织替代，肌肉退化，最终可致患者死亡。肌肉活检是目前监测疾病和干预的参考标准，但肌肉活检具有侵入性，并且其准确性仅限于一小块肌肉，限制了DMD 患者疗效评估及新药研发。Ponrartana 等［27］利用DTI 发现DMD 患者大腿肌肉的ADC 和FA 与肌肉脂肪含量密切相关。Li 等［28］进一步研究了DMD 患者大腿肌肉的ADC 和FA 与脂肪浸润的相关性，结果表明，脂肪浸润的平均分级评分越高，对肌纤维完整性的损害越大，FA 下降越明显。DMD 的骨骼肌被脂肪和纤维组织取代，病变限制了水的自由扩散运动，破坏了肌纤维结构的完整性，导致ADC 增加和FA 降低。DMD 发展过程中伴随着脂肪浸润和肌肉细胞的减少，早期阶段肌肉细胞减少不明显，而脂肪浸润明显;而晚期阶段，肌肉细胞显著减少。因此，DTI不仅可诊断DMD，还能检测DMD 的疾病进展及评估药物疗效，有利于新药研究及预后判断。

2.2.3 在关节病变中的应用 髌股关节不稳定是青少年膝关节疼痛和(或)功能障碍的最常见原因之一。先天性发育不良、外伤等均可导致髌股关节不稳定。对髌股关节不稳定的病因探究主要集中在骨因素，然而肌肉因素对髌股关节不稳定也有影响。有研究探究了复发性髌骨脱位患者的股内斜肌的DTI，结果发现ADC、λ2、λ3 显著低于正常人，FA 显著高于正常人［29］。股内斜肌是髌骨主要的稳定装置，能抵抗股外侧肌的作用力。当股内斜肌发生功能障碍时，会降低内侧髌骨的结合力，并形成复发性髌骨外侧脱位的病理基础。DTI 相关参数和肌肉病变与内部组织结构的病理学变化密切相关。Scheel 等［30］发现，FA 与最大肌肉力量呈负相关，肌肉力量越弱，FA 越大，股内斜肌肌力降低，FA 相应增高;生理条件下，肌肉收缩，轴向平面中的肌纤维数量和MD 增加;随着肌肉松弛，λ2 和λ3 减小，因此，股内斜肌肌力降低使得λ2 和λ3 减少;肌力下降也可引起肌肉萎缩，从而导致细胞膜发生几何变形、肌纤维直径减小，因此λ3 下降更显著;而ADC 下降主要归因于λ2 和λ3 的下降。此外，Liu 等［29］的研究发现，股内斜肌的横截面减少，但与正常人比较差异无统计学意义，表明肌纤维的微观结构变化可能先于肌肉的形态变化，证明DTI 可用于发现早期微观结构变化。

2.2.4 在代谢性疾病导致的下肢肌肉病变中的应用 糖尿病的微血管病变不仅可发生在视网膜、肾脏，对四肢肌肉也能产生重要影响，严重的糖尿病下肢肌肉病变可致瘫痪。因此，对糖尿病下肢病变的早期诊断、早期治疗及监测进展也至关重要。Edalati 等［18］利用DTI 评估跖屈和静息状态下糖尿病小腿肌肉和正常人小腿扩散相关参数差异，结果发现，糖尿病组与健康组的腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头、比目鱼肌的MD 均有显著差异，且在跖屈状态下糖尿病组的MD 增加更显著;另外，纤维束成像发现糖尿病组静息状态至跖屈状态，纤维长度和纤维密度减少较正常组明显，推测DTI 能在跖屈运动状态下区分是否患有糖尿病疾病的小腿;同时，糖尿病肌肉组织中受损的细胞外基质重塑导致细胞外基质体积增大，虽然分子扩散过程并不完全由细胞外基质中的胶原含量控制，但与肌肉细胞的降解和损伤有关，从而导致扩散性增加，这可能是导致糖尿病组MD 增大的基础。然而DTI 在一些代谢性疾病导致的下肢肌肉病变的诊断中不具有特异性。有研究应用骨骼肌DTI 评价Ⅴ型糖原贮积病患者大腿肌肉扩散参数，测量了Ⅴ型糖原贮积病患者和正常对照组间双侧股外侧肌、股内侧肌、股直肌、股二头肌、半腱肌和半膜肌的FA、MD、λ1、λ2、λ3，并对3 例Ⅴ型糖原贮积病患者大腿肌肉进行活检，结果发现，活检的3 例Ⅴ型糖原贮积病患者大腿肌肉细胞内有糖原积累，然而除Ⅴ型糖原贮积病患者左侧半膜肌的FA与对照组比较差异有统计学意义外，两组其他指标比较差异无统计学意义［31］。因此，认为DTI 检测对糖原累积引起的细胞内变化不敏感。DTI 在代谢性疾病导致的下肢肌肉病变中的应用有待进一步研究。

2.2.5 在炎症性肌病中的应用 多发性肌炎/皮肌炎是两种特发性炎症性肌病，诊断不具有特异性，主要依赖疾病特异性自身抗体、肌电图以及肌肉活检发现肌纤维变性支持诊断。常规磁共振成像能发现多发性肌炎/皮肌炎患者大腿肌肉异常，但仅能通过炎症、水肿及脂肪浸润的可视化发现病变，局限于定性评估。多发性肌炎/皮肌炎患者肌肉典型的病理变化是肌纤维变性和炎症细胞浸润，可以影响肌肉内水分子的扩散，因而DTI 可能是诊断炎症性肌病的一种新方法。研究发现，多发性肌炎/皮肌炎患者受影响大腿肌肉病变与正常大腿肌肉的ADC 及特征值比较差异有统计学意义，多发性肌炎/皮肌炎患者未受影响肌肉与正常大腿肌肉比较差异无统计学意义，因而DTI 能将多发性肌炎/皮肌炎患者受影响肌肉、未受影响肌肉及正常肌肉区分开［32］，这对炎症性肌病的诊断及治疗监测具有潜在价值。FA 是反映肌纤维内各向异性程度的参数之一，尽管多发性肌炎/皮肌炎患者的肌纤维不断发生变性、坏死和再生，但肌纤维的结构和方向仍未被破坏，因此FA在炎症性肌病和正常肌肉间差异无统计学意义;肌肉炎症性改变可引起肌肉水肿，ADC 随之增大;由于肌纤维的长度远大于水分子的扩散距离，因此，含水量的增加是导致λ1 增加的主要原因;而λ2 增加与炎症导致水分子穿过肌内膜和肌膜跨膜运动的增加有关，炎症使细胞肿胀和细胞外间隙增加，故λ3增加，而λ2 和λ3 的增加可能反映肌肉内发生炎性浸润［32］。多发性肌炎/皮肌炎患者大腿肌肉与正常大腿肌肉的DTI 特征值的差异可以在分子水平上得到解释，提供了诊断炎症性肌病疾病的新视角。对皮肌炎的DTI 研究大部分是在静息状态下进行。Sigmund 等［33］将静态DTI 与动态DTI 相结合评价皮肌炎患者和正常大腿肌肉扩散参数变化，结果发现，运动后动态DTI 获得的ADC 和λ2、λ3 增加更显著，运动将水从脉管系统转移至细胞内(肌纤维)和细胞外(肌内膜)空间，使得λ2、λ3 显著增加，而动态DTI 对肌肉微结构的时间分辨率灵敏度更高，这可能更有助于发现皮肌炎等炎症性肌病的特性。

3 小 结

DTI 是定量检测活体组织水分子扩散运动情况的无创功能成像方法。DTI 在下肢肌肉的应用不仅能清晰显示下肢肌肉的形态和走行，还能从微观水平反映下肢肌肉的病理生理改变，为下肢肌肉的正常解剖和异常形态、功能的研究提供了评价的新视角。目前，由于DTI 技术的局限，尚未总结出扩散特征值的参考值，一定程度上限制了DTI 的使用，但随着成像技术及扫描参数的不断优化、相关研究的不断深入，DTI 在下肢肌肉病变的早期诊断、治疗及预后评价等方面将得到广泛应用。