MR 脂肪定量技术在腰椎椎体骨髓脂肪含量评估中的研究进展

宋宇 宋清伟*

骨髓是人体内重要的造血和免疫器官，主要由黄骨髓和红骨髓组成，红骨髓由约40%脂肪、40%水和20%蛋白质组成，而黄骨髓则由约80%脂肪、15%水和5%蛋白质组成[1-2]。在发育过程中，随着年龄的增长，有造血功能的红骨髓逐渐向无造血功能的黄骨髓转换，因此骨髓内脂肪含量会随年龄增长而增多[3]。近年有研究[4-9]表明，在骨质疏松、衰老、乙醇中毒、骨髓瘤、脊髓损伤和肿瘤骨转移等诸多疾病状态下均可观察到椎体骨髓脂肪组织含量不同程度的增多。其中，骨质疏松病人因椎体骨髓脂肪含量发生显著变化而将脂肪分数作为骨质疏松的生物标志物[10-11]。因此，精准定量和评估骨髓脂肪含量可为临床诊疗提供有价值的诊断信息。由于活体组织病理检查和定量CT 均为有创的检查方法，超声定量检查因受操作者主观影响较大致使测量结果缺乏可靠性，因此限制了其在临床的广泛应用。MR 成像凭借高分辨力、多平面成像、无辐射损伤等优点在对骨髓脂肪含量的定量评估上起着重要的作用。本文对扩散加权成像（DWI）、磁共振波谱成像（MRS）、化学位移成像（chemical shift imaging，CSI）以及MR 水脂分离技术即多回波Dixon 技术（包括IDEAL-IQ 和 3D mDixon Quant） 等 MR 脂肪定量技术在腰椎椎体骨髓脂肪含量定量评估方面的研究进展予以综述。

1 DWI

DWI 是一种在活体状态下探测水分子扩散运动的功能MRI 技术，可从分子水平对骨髓组织的病理生理改变进行评价，从而间接反映骨质量的变化[12-13]。同时，可利用表观扩散系数（ADC）值进行定量分析和评价，已应用于全身性骨病的检测和分期诊断。目前，DWI 是唯一能够在活体状态下无创、无需外源性对比剂来测量和监测体内水分子扩散的方法。

DWI 是探测骨质疏松发生发展过程中组织微观结构变化的有效方法，可通过定量指标ADC 值来鉴别椎体压缩性骨折的良、恶性，并且其特异性和敏感性较高[14]。Luo 等[15]研究表明利用ADC 值可以有效区分良恶性椎体骨折，因为良性和恶性椎体压缩性骨折ADC 值的差异在低b 值时更加明显，因此采用低b 值（<500 s/mm2）扫描的 DWI 在鉴别椎体压缩性骨折良恶性时准确度更高。同时，由于骨质疏松在病理上的改变为骨髓脂肪的增加，脂肪细胞填充骨小梁间隙后导致相应细胞外间隙减少，水分子扩散受限，DWI 可通过评估骨髓内水分子扩散的改变来反映骨髓质量的改变[16]。但是，该技术尚存在一定的局限性，在DWI 过程中骨髓脂肪含量的改变会伴随相应细胞外间隙的改变，水分子的扩散受到影响，ADC 值可定量测量组织内水分子的随机扩散运动状况，但其测量结果易受b 值的影响。b 值较小时，DWI 同时受扩散和局部组织微循环血流灌注的影响；而高b 值时则受血流灌注影响较小，但空间分辨力和信噪比较低[17]。此外，由于不同组织的磁化率不同，如骨骼和软组织等交界区的磁化率相差较大时，会造成局部组织磁场的不均匀，磁敏感伪影严重，影像质量降低。

2 MRS

目前，MRS 作为无创性成像技术已广泛用于盆腔、脊柱和髋部等部位的骨髓脂肪定量研究，曾经被认为是骨髓脂肪定量的磁共振成像的金标准[18]。在采集方面，大多采用单体素点分辨波谱（point resolved spectroscopy，PRESS）或激励回波采集法（stimulated-echo method，STEAM）MRS 脉冲序列设计。与PRESS 相比，STEAM 在脂肪定量方面具有明显优势：①STEAM 对脂肪峰的J 耦合效应的敏感性较低，可减少质子密度脂肪分数（proton density fat fraction, PDFF）量化的误差。②骨髓水峰的T2较短，STEAM 允许更短的最小回波时间[19]。Roldan-Valadez 等[20]采用MRS 对44 名不同年龄段的健康志愿者腰椎椎体骨髓脂肪含量进行研究，结果表明腰椎椎体脂肪含量与性别和年龄均相关，且两者间存在交互作用。MRS 可作为临床上骨髓脂肪定量的有效方法。

此外，由于骨骼和骨髓之间的磁化率差异以及峰的光谱叠加而导致谱线加宽，因此MRS 在临床应用中具有局限性[21]；而且MRS 技术扫描条件较严格，过程较繁琐，扫描时间较长，故该技术尚未在临床广泛应用。

3 CSI

CSI 也称为同相位或反相位成像，可无创地对组织内或骨髓结构内脂肪成分进行检测[22]。其原理是水和脂肪在磁场中的共振频率不同而导致质子相位不一致，在不同的重复时间其相位差不同而形成不同的影像。当水质子和脂肪质子处于同相位时，两者磁化矢量相加，信号强度增加；当水质子和脂肪质子处于反相位时，两者磁化矢量相减，信号强度减低[23]。Baum 等[24]对28 名健康受试者进行全脊椎CSI 以评估椎体骨髓脂肪在解剖学上的变化及其测量值的可重复性，结果表明CSI 可以评估整个脊椎椎体的骨髓脂肪，并且具有较好的可重复性。Dieckmeyer 等[25]应用CSI 对接受芳香化酶抑制剂联合双磷酸盐治疗的绝经后乳腺癌病人的椎体骨髓脂肪含量进行定量测量，结果表明其脂肪含量值较治疗前明显增加。但是，该方法存在以下问题：由于同反相位回波时间不同导致信号衰减，从而造成脂肪分数计算出现误差。同时，该方法仅能探测到酯类物质中三酰甘油的信号，而在所有的酯类物质中三酰甘油所占的比例为75%，因此其他脂类物质未予考虑。此外，当存在铁沉积和明显纤维化时，会导致组织的T2*衰减明显加快，因此测量结果受到影响。

4 Dixon 技术

Dixon 技术是基于水和脂肪分子中氢质子的化学位移效应，可分别得到同相位和反相位影像，进而对水和脂肪组织进行鉴别。但是，传统的两点式Dixon 技术在静磁场不均匀或磁化率较显著时会产生相位误差，水脂交换错误。为了解决传统两点式Dixon 方法的问题，提出了改良的三点式Dixon 水脂分离技术，其在GE 和飞利浦MR 设备中分别被称为非回波最小二乘估算法迭代水脂分离序列（iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation quantitation sequence, IDEAL-IQ）和 mDixon Quant序列。

4.1 IDEAL-IQ 技术 IDEAL-IQ 技术是一种通过多回波采集来实现对脂肪分数及铁含量相关参数定量测量的方法[26]。其采用三维快速多回波梯度回波成像序列，在一个重复时间中采集6 个梯度回波，并利用小翻转角减小T1效应，可通过一次扫描同时产生水像、脂像、脂肪分数图和R2*弛豫图像等[27]。同时，图像重建时IDEAL-IQ 技术采用区域增长算法，从而克服了传统水脂分离技术对主磁场均匀度的依赖性，实现精准量化脂肪含量。此外，IDEAL-IQ可结合多种数学算法对T2*衰减、脂肪的多谱峰分布等进行校正，并采用并行采集技术提高了扫描速度。目前，IDEAL-IQ 脂肪定量技术已广泛应用于全身各系统相关疾病中，如评估脂肪肝病人脂肪含量的变化及恶性肿瘤放化疗后骨盆及椎体骨髓成分组成[28-29]。

Aoki 等[30]采用IDEAL-IQ 技术评估了不同部位骨髓脂肪含量的变化及其与年龄的关系，结果表明腰椎、髂骨等部位的骨髓脂肪含量均与年龄有相关性，并且绝经后女性的平均脂肪含量明显高于绝经前女性，但在股骨大转子处骨髓脂肪含量与年龄无关。Ergen 等[31]利用IDEAL-IQ 对水和脂肪进行T2*迭代分解以评估椎体骨髓脂肪含量，并将其与骨密度水平进行比较，结果表明IDEAL-IQ 可用作无创评估脂肪含量的有效方法，并可通过评估骨髓脂肪含量来检测椎体骨矿物质的变化，从而反映骨密度水平。Hu 等[32]的研究采用IDEAL-IQ 技术与动态增强MRI 相结合用于验证四氧嘧啶诱导的兔糖尿病模型腰椎骨髓微血管通透性和骨髓脂肪组织的关系，结果表明动态增强MRI 和IDEAL-IQ 可用于定量评估腰椎微血管通透性与脂肪沉积，相关变化与椎体骨髓脂肪沉积的增加密切相关。IDEAL-IQ 技术对脂肪定量的测量，与活体组织病理检查和MRS序列的测量结果的一致性较高[33-35]，并且IDEAL-IQ具有无创、无电离辐射、操作简单等优势，因此被认为是一种可靠的、无创性的客观评价脂肪含量和监测治疗效果的无创技术。

4.2 3D mDixon Quant 3D mDixon Quant 技术是一种通过一次扫描采集6 个回波，结合7 峰值脂肪模型和T2* 校正得到高质量3D 脂肪分数图和T2*mapping 的方法。Zhang 等[36]研究表明3D mDixon Quant 技术测量腰椎和椎旁肌的脂肪含量具有较高的可靠性。展等[37]采用mDixon Quant 技术定量评估骶髂关节炎骨髓水肿区和脂肪沉积区的脂肪含量，结果表明慢性活动组骨髓水肿区的脂肪分数高于早期活动组，而非活动组脂肪沉积区的脂肪分数高于慢性活动组。Pacicco 等[38]采用3D mDixon Quant技术评估盆腔骨骼肌横截面积和肌肉脂肪含量与年龄、性别和肥胖的关系，结果发现臀肌脂肪含量与体质量指数（BMI）呈正相关，腹直肌脂肪含量与年龄、BMI 呈正相关，而股直肌面积与年龄呈显著负相关。Zhao 等[39]采用3D mDixon Quant 技术定量腰椎椎体脂肪含量，并分析脂肪含量值与正常骨密度、骨量减少和骨质疏松症3 组间骨密度的相关性，在控制年龄、性别和BMI 之后，结果发现脂肪含量与骨密度间存在中等程度的负相关，表明3D mDixon Quant 是一种快速、简单且无创地评估椎体骨髓脂肪含量的方法，在评估骨密度和骨质疏松症方面具有较高的预测能力。Guo 等[40]采用定量CT、定量磁化率图和mDixon Quant 技术研究绝经后女性腰椎磁化率和脂肪含量的变化，并探讨其在骨质疏松症评估中的价值，结果表明骨量减少组和骨质疏松症组磁化率较正常骨密度组显著升高，磁化率与骨密度呈负相关，而与脂肪含量呈正相关。可见，腰椎磁化率和脂肪含量这两种指标的结合有望成为评估绝经后病人骨质疏松症的生物标志物。由于mDixon Quant 与MRS 序列测量脂肪含量的一致性较高（r=0.960）[41]，因此该方法可作为临床评估脂肪含量的又一种可靠方法。

5 小结与展望

综上所述，骨质疏松症、糖尿病、恶性肿瘤等临床诸多疾病均可引起骨髓脂肪含量的改变。随着MR 定量成像技术的发展与进步，可对此类疾病脂肪含量的变化进行评估和监测。目前用于椎体骨髓定量的方法主要包括 DWI、MRS、CSI 和 Dixon 技术，其中基于Dixon 技术的IDEAL-IQ 和3D mDxion Quant 技术是通过多回波采集来实现对脂肪含量的精准定量。因其无创、操作简单快捷、精准可靠、重复性高等优点而被广泛应用于骨髓脂肪含量的定量评价，不仅可以诊断骨髓病变及其相关疾病，评估骨骼功能状态以及研究多种慢性疾病的机制，还可以为相关疾病治疗药物的开发和疗效评估提供客观和科学的依据，具有较大的临床应用价值及科研潜力。