MR灌注成像在骨髓血流灌注中的研究进展

涂云 汤光宇 诸静其

多数骨髓疾病的病理生理变化与其血流灌注变化密切相关，采用影像技术测定骨髓血流动力学相关参数无创评价血流灌注，从骨髓微环境层面敏感反映骨髓疾病的病理生理变化，是目前临床研究骨髓疾病的常用手段。CT灌注成像由于辐射剂量较大使得应用受限，而MR灌注成像因没有辐射的优势而得到广泛应用。MR灌注成像能够利用快速成像及影像后处理技术来反映组织内的微血管分布及血流灌注情况，对骨髓疾病的诊断及疗效评估具有重要意义，近年已成为骨髓灌注影像研究的主要方法。骨髓MR灌注成像技术可分为注射对比剂和无对比剂成像两大类，前者即为动态增强MRI（dynamic contrast-MRI,DCE-MRI）； 后者包括动脉自旋标记成像（arterial spin labeling,ASL）、体素内不相干运动扩散加权成像 （intra-voxel incoherent motion diffusion weighted imaging,IVIM-DWI）、血氧水平依赖（blood oxygen level dependent,BOLD）MRI。本文介绍多种MR灌注成像技术在骨髓血流灌注评估中的应用及研究进展。

1 MR灌注成像技术

1.1 DCE-MRI 目前，动态MRI评价组织微血管生成及通透性的检查技术包括基于T1WI的DCEMRI和基于T2WI/T2*WI的动态磁敏感对比MRI（dynamic susceptibility contrast-enhanced MRI,DSC-MRI）。DSC-MRI主要应用于颅脑、腮腺及乳腺等，在骨关节系统尚未见文献报道；DCE-MRI主要对血管外细胞外间隙内的对比剂敏感，反映组织灌注及毛细血管通透性，目前已用于评估包括骨髓在内的不同组织器官的灌注情况。DCE-MRI能够反映注射对比剂后组织动态信号强度的变化，通过绘制时间-信号强度曲线 （time-signal intensity curve,TIC）进行定性、半定量以及定量分析。TIC曲线分为3种类型：Ⅰ型，速升速降型；Ⅱ型，平台型；Ⅲ型，持续上升型[1]。根据TIC类型能够对病变进行定性诊断。恶性病变多为Ⅰ、Ⅱ型曲线；良性病变多为Ⅲ型曲线，部分为Ⅱ型。半定量分析主要是通过TIC获得一组与血流动力学相关的参数值，用于分析组织强化特征，间接反映血管通透性及组织灌注。常用的半定量参数包括最大强化率（maximum enhancement,Emax）、达峰时间（time to peak,TTP）、增强斜率（enhancement slope,Eslope）、 曲线下面积 （area under curve,AUC）、平均通过时间、血流量及血容量等。半定量分析虽可直接反映组织中对比剂流入与流出的情况，但缺乏具体药代动力学模型，不能准确反映组织中对比剂的浓度变化情况。定量分析也称渗透性分析，可直接反映血管通透性及组织灌注，利用TIC拟合药代动力学模型 （Tofts,Extended Tofts或Brix模型)得到对比剂浓度-时间曲线，从而定量评估微血管通透性及组织灌注。常用的定量参数包括血浆容积分数（vp）、血管外细胞外容积分数（ve）、容积转运常数（Ktrans）、速率常数（kep），vp和 ve满足vp+ve≤1，Ktrans和 kep满足 Ktrans=Kep×ve[2]。

1.2 ASL ASL是一种不需要外源性对比剂的灌注成像技术，通过标记内源性质子，进行前后2次信号采集分别得到标记血的组织灌注时的标记像及无标记血的灌注时同一部位的对照像，2次采集的影像“减影”即可得到包含灌注信息的影像，根据灌注成像中获得的信息（如信号强度变化值ΔM）可计算出组织血流量（tissue blood flow,TBF）。ASL根据标记脉冲的不同，可分为连续式标记（continuous ASL,CASL）及脉冲式标记（pulsed ASL,PASL），在此基础上发展的伪连续式标记 （pseudo-continuous ASL,pCASL）具有更高的信噪比及标记效率[3]；根据采集动态可分为单时相ASL（single-phase ASL）及多时相ASL（multi-phase ASL）；根据采集方式又可分为2D、3D及4D ASL，2D采集需先进行层间编码（即选层激发某一特定层面），再通过另外2个方向的梯度进行空间定位，3D采集不需要选层，通过射频脉冲激发所有区域，再通过3个方向的梯度进行空间定位，3D采集结合多时相还可以做4D ASL。

1.3 IVIM-DWIIVIM-DWI是在DWI基础上发展起来的一种MR成像技术,通过双指数模型评估水分子扩散和微血管灌注。与单指数模型相比，其能更好地描述生物体内复杂的信号衰减，更准确地反映组织灌注情况及病理状态。扫描时一般选取8~10个扩散梯度敏感因子（b值），低b值（<200 s/mm2）时信号衰减主要反映灌注情况，高b值时主要反映纯水分子的扩散信息。参数包括：灌注分数（f），代表兴趣区微循环灌注占总体扩散效应的容积率；扩散系数（D），主要代表兴趣区纯水分子所致扩散效应；假扩散系数（D*），主要代表兴趣区局部微循环灌注所致扩散效应[4]。

1.4 BOLD-MRIBOLD-MRI使用血液作为内源性对比剂，主要检测血管内血红蛋白比例的变化。氧合血红蛋白是一种抗磁性物质，去氧合血红蛋白是一种顺磁性物质，去氧合血红蛋白/氧合血红蛋白比值增高时会造成周围局部组织磁场不均匀，导致质子自旋去相位，缩短横向磁化T2*，T2*WI呈低信号；反之，比值降低时T2*缩短效应减弱，信号增强[5]。

2 MR灌注成像在不同骨疾病中对骨髓血流灌注的评估

2.1 骨质疏松（osteoporosis,OP） 雌激素降低可加剧骨量丢失，从而导致OP。Griffith等[6-7]通过DCEMRI半定量分析（Emax和Eslope）研究去卵巢大鼠OP模型和老年女性骨量与骨髓灌注的关系，发现骨量的下降伴随骨髓灌注的下降，认为骨髓血管内皮细胞舒缩功能紊乱和红/黄骨髓比例下降是导致灌注下降的主要原因，根据受试者操作特征（ROC）曲线评价各参数诊断骨量丢失的效能时，发现老年女性中髋臼Eslope是区分快速和慢速骨量丢失最敏感的指标，AUC为0.9，敏感度为89%。Zhu等[8]根据DCE-MRI定量参数评估去卵巢大鼠椎体的灌注变化，证实OP早期灌注下降与骨髓血管内皮细胞功能障碍有关，而晚期灌注下降与微血管密度降低以及骨髓纤维化程度加重有关；有研究[9]还发现定量参数Ktrans较半定量参数Emax能更敏感地反映OP早期骨髓灌注下降。

Xing等[10]对27名志愿者行腰椎ASL及DCEMRI扫描，发现ASL得到的TBF值与DCE-MRI定量灌注参数呈正相关，提示ASL具有评估骨髓血流灌注的潜能，由于其无需注射对比剂，有望成为骨髓灌注评估的理想手段。

Ohno等[11]对11名健康志愿者椎体骨髓IVIM参数（D、D*、f值） 及椎体骨密度（bone mineral density,BMD）进行相关性研究发现，与灌注有关的假D*与BMD呈正相关,与健康受试者相比，OP病人骨髓血流量明显降低，表明椎体灌注降低可能会导致BMD下降并增加压缩性骨折的风险。目前将IVIM-DWI应用于OP的国内外报道并不多见，这可能是由于脂质成分对骨髓灌注的影响。Lasbleiz等[12]对6名健康志愿者进行IVIM分析，发现无脂肪抑制时的f值小于脂肪抑制时，说明脂质成分可能会导致f值被低估，由于OP病人伴随骨髓脂肪的增多，f值的下降是由脂肪增多而引起，还是由脂肪信号的干扰尚需大样本研究进一步确认。

2.2 骨关节炎 （osteoarthritis,OA）和缺血性骨病 OA以关节软骨退变、滑膜炎症及软骨下骨改变为主要特征，其中软骨下骨改变被认为是OA进展及病人疼痛的关键因素。de Vries等[13]基于Tofts模型用DCE-MRI评价OA灌注，发现单间室OA（内侧或外侧）病人中，受OA影响较大的间室骨Ktrans、kep显著高于受影响较小的间室骨，有软骨下骨髓病变（bonemarrowlesion,BML）者的软骨下骨Ktrans、kep显著高于无BML的软骨下骨，说明BML可能是膝关节OA骨髓灌注较高的主要原因。然而，Lee等[14]基于未使用动脉输入函数（arterial input function,AIF）的Brix模型对豚鼠OA模型进行DCE-MRI评估发现，软骨下灌注的减少与随后的关节软骨病变的发展呈正相关。Aaron等[15]基于Brix模型也发现OA者kep和TIC下降。针对目前使用不同模型研究得出的结论不一致的问题，亦有研究者进行了比较并认为Tofts模型在评估骨髓血流灌注方面优于Brix模型[16]。今后可进行更多相关研究深入论证。

Zhao等[17]采用IVIM-DWI对41例强直性脊柱炎（ankylosing spondylitis,AS）病人的骶髂关节进行研究，兴趣区分别放在活动组病灶中心及非活动组和对照组骶髂关节面两侧软骨下骨髓中，发现活动组和非活动组的f值显著高于对照组，但活动组和非活动组的f值以及3组的D*值差异均无统计学意义。Sun等[18]进行了类似研究，发现AS病人骶髂关节活动组的f值显著高于非活动组和对照组，D*值显著低于非活动组和对照组，但非活动组和对照组的f值、D*值无差异。因此，IVIM-DWI可初步应用于评估AS病人骶髂关节炎的活动性，但可重复性不高，f和D*值的稳定性和可靠性有待大样本进一步证实。

月骨缺血坏死的组织病理学表现取决于疾病阶段，其特征是坏死骨和新生骨交替出现。Müller等[19]发现罹患月骨缺血坏死的病人月骨DCE-MRI半定量参数TTP降低、Emax和Eslope增高，病理证实骨形成及骨坏死区域灌注均增加，正常骨区域低灌注，说明DCE-MRI有助于月骨缺血性坏死的诊断，但灌注增加并不能作为骨存活的标志。股骨头激素相关性骨坏死（steroid-associated osteonecrosis,ON）是一种导致髋关节功能丧失的顽固性疾病，发病机制不清，类固醇治疗后缺血可能是导致骨坏死的主要机制。Sheng等[20]发现注射类固醇后，家兔股骨近端半定量参数Emax下降，但缺血并不意味着骨坏死，骨坏死发生与否与缺血程度有关。Yamamoto等[21]对家兔注射甲基强的松龙并进行电刺激干预，同时与对照组比较，在注射激素前及注射激素后1、5、10、14 d进行DCE-MRI扫描，发现电刺激组家兔Eslope及AUC显著上升，而对照组各指标下降，且最终对照组家兔ON比例达60%，电刺激组中无ON发生，结果表明电刺激引起股动脉血流增加可能与激素治疗后的骨坏死预防有关。

2.3 骨肿瘤和肿瘤样病变 恶性肿瘤 （如骨肉瘤、高级别软骨肉瘤等）的血管分化不成熟及微血管数量增多能够导致血流灌注增加，在进行DCE-MRI时，恶性肿瘤早期即可表现为显著强化，TIC斜率较大，多表现为Ⅰ型和Ⅱ型；而良性肿瘤和肿瘤样病变血管分化相对较成熟，数量较少，多缓慢持续强化，TIC斜率较小，多表现为Ⅲ型曲线[22]。部分具有较好血流灌注的病变（如骨巨细胞瘤、动脉瘤样骨囊肿）也可早期强化，TIC呈Ⅱ型。已有研究[23]发现Ktrans与非骨肿瘤微血管密度及肿瘤的侵袭性有关。在骨肿瘤中，Oh等[24]发现与良性骨肿瘤相比，恶性骨肿瘤Ktrans、kep明显更高；采用ROC评价各参数值鉴别肿瘤良恶性的诊断效能时，Ktrans的诊断效能最高，AUC为 0.772，敏感度 80.6%，kep的 AUC为0.734，特异度63.2%最高。Xu等[25]也发现骨肿瘤恶性程度越高，3D-ASL测得的TBF值越高。Ryu等[26]报道常规应用ASL获取血流灌注变化的信息可能有助于检测恶性肿瘤的颅骨转移。

Park等[27]对19例椎体骨转移瘤进行IVIM-DWI和18F-FDG PET/CT检查，发现灌注分数f与PET/CT参数最大和平均标准化摄取值呈正相关，D*和平均标准化摄取值呈弱正相关。Wu等[28]对15例骨转移病人和13例良性骨病变病人进行IVIM-DWI和扩散峰度成像 （diffusion kurtosis imaging,DKI）比较，发现与良性病变组相比，骨转移组的DKI参数平均峰度和f值显著增高，ROC曲线分析显示D、f、D* 值 的 AUC 分 别为 0.939、0.891、0.701， 提 示IVIM-DWI参数值可在一定程度上鉴别骨转移与骨良性病变。Lim等[29]对65例接受过初步治疗的骨肌肿瘤病人的70个肿瘤性病变（恶性47例，良性23例）进行IVIM-DWI分析发现，恶性肿瘤的ADC与D值低于良性肿瘤，而f值显著高于良性肿瘤，与Wu等[28]研究结果相似。但也有研究[30]显示在鉴别OP或转移瘤导致的压缩性骨折方面，转移瘤组的f值低于OP组，D*值更高。Chen等[31]报道IVIMDWI在评估脊柱良恶性病变方面优于DWI及化学位移成像，恶性肿瘤的D值、f值显著低于良性病变，而D*值较高。上述研究结果提示，一方面骨转移灶可能基于原发灶的差异表现出不同的灌注特征，另一方面IVIM-DWI参数测量的可重复性和一致性有待进一步考证。

BOLD-MRI可反映血氧水平，而氧浓度作为实体瘤复发因素的预后意义已得到证实，乏氧性骨肉瘤是最常见的原发性恶性骨肿瘤。在分子成像中，PET/CT结合特定的放射性核素18F-米索硝唑可用于评估细胞缺氧，Dallaudiere等[32]通过对8只SD大鼠骨肉瘤模型进行研究发现，与正常骨组织相比，肿瘤组织平均BOLD信号强度下降，BOLD信号强度与18F-米索硝唑PET/CT的最大标准化摄取值呈显著正相关，同时组织学乏氧标志物（哌莫硝唑和缺氧诱导因子-1）也证实了肿瘤的缺氧状态，表明BOLD-MRI可用于评估骨肉瘤缺氧，但其空间分辨率较低，敏感性和特异性需要进一步评估。Duan等[33]使用低频段功率谱分析检测48例良恶性肌肉骨骼肿瘤病人的BOLD信号波动，发现在0.073~0.198 Hz的频段中，恶性肿瘤中心的BOLD信号波动能力低于肿瘤周围区域，而良性肿瘤未观察到这种差异，这种BOLD信号波动可能与肿瘤内部急性缺氧有关，尚需进一步研究。

2.4 血液病 血管生成、灌注增加不仅是实体肿瘤生长、侵袭和转移的关键，对血液系统肿瘤也很重要。血液恶性肿瘤的进展伴随着骨髓新血管形成，DCE-MRI可在一定程度上反映恶性血液病病人的微循环变化。Zha等[34]将血液恶性肿瘤病人（包括多发性骨髓瘤、淋巴瘤和白血病）与健康志愿者进行对比，发现随着肿瘤组织学浸润程度增加，半定量参数Emax、Eslope明显升高，TTP明显下降，表明DCEMRI半定量参数不仅可判断血液恶性肿瘤是否存在弥漫性骨髓浸润，还能用于评估肿瘤的组织学等级。Bourillon等[35]联合IVIM-DWI和DCE-MRI评估多发性骨髓瘤的疗效，发现治疗有效组的Emax和f值均出现下降，但两者无显著相关性。血管生成是急性白血病（acute leukemia,AL）的不良预后因素之一，Li等[36]发现AL骨髓f值与微血管密度（microvessel density,MVD）呈显著正相关，认为f值可用作评估AL骨髓血管生成的影像学标志；同时还发现，急性淋巴细胞白血病组的f值和MVD值高于急性髓细胞白血病组，提示急性淋巴细胞白血病的发生与进展可能比急性髓细胞白血病需要更多的微血管。

3 展望

尽管骨髓MR灌注成像可以提供组织微循环信息，但目前主要应用于科学研究，在骨髓疾病临床诊疗中的应用并不广泛。这主要由于：一是对扫描设备及线圈要求较高，需合理设置成像参数以提高信噪比及空间分辨率，对操作人员的技术要求高，扫描时间延长；二是后处理过程复杂，部分软件并未商用，需开发更快速、简单、强大的处理软件；三是各种灌注参数测量的可重复性及其与体内真实灌注间的一致性有待进一步论证[37-38]。目前DCEMRI技术较成熟，应用也最广泛；ASL、IVIM-DWI无需外源性对比剂，具有广阔前景；而BOLD-MRI可检测血氧水平。相信随着MR软硬件的不断发展以及临床研究的进一步深入，骨髓MR灌注成像技术势必会在骨骼系统疾病的早期诊断、进展监测以及疗效评估等方面得到更好的应用。