T2WI-Dixon序列在杜氏肌营养不良症患者肌肉脂肪浸润和水肿评价中的应用价值研究

石采灵，傅航，郭应坤，蔡晓唐，许华燕，岳文军*

杜氏肌营养不良症（Duchenne muscular dystrophy,DMD）是一种由肌营养不良蛋白缺失引起的致死性X染色体连锁隐性遗传病，在活产男婴中的发病率约为1/5000，是儿童肌营养不良症中最常见类型[1]。DMD 患者的进行性肌肉损伤首先发生在近端骨盆带和大腿，然后逐渐蔓延到远端肢体。肌肉脂肪浸润程度反映疾病的严重程度，水肿提示疾病处于炎症状态和临床活动期并能预测之后脂肪替代，因此，评估DMD 患者臀腿部肌肉脂肪浸润和水肿程度具有指导临床激素治疗等重要意义[2-4]。

肌肉活检是诊断DMD的金标准之一，但不能直观显示整体肌肉脂肪浸润和水肿程度，而且是有创的。而超声对于深部肌群评估的能力是有限的[5]。MRI具有软组织分辨率高、多平面成像等优点，能够直观显示单个肌肉受损情况，是评价DMD患者肌肉脂肪浸润和炎性水肿最直接和最常用的方法[6-7]。传统上使用T1WI 和T2 加权脂肪抑制序列对DMD 患者肌肉脂肪浸润和水肿程度进行定性及半定量分析，无创评估肌肉损伤程度，同时可根据不同肌肉受累模式区分不同类型的肌营养不良[6-7]。但臀部及大腿肌肉扫描范围大，所需扫描时间较长；尤其是对于病情较严重的DMD 患者，肌肉力量的丧失以及脊柱侧弯使他们无法保持长时间静止并维持仰卧位的姿势。Dixon 技术利用脂肪质子和水质子共振频率的差异分离水和脂肪，一次采集可获得同相位、反相位、水像、脂像四组图像[8]。T2WI-Dixon 序列应用于眼部、头颈部、脊柱和四肢等部位能够获得比常规序列更高质量的图像，同时缩短扫描时间[9-11]。Dixon成像在骨骼肌中的应用越来越广泛[12]。研究表明，在诊断神经肌肉疾病的脂肪浸润和水肿中，T2WI-Dixon序列与临床实践中使用的常规序列具有较好一致性[13]。然而，据作者所知，尚未有使用Dixon 技术评估DMD 患者肌肉损伤相关报道。因此，本研究通过比较T2WI-Dixon 序列与常规序列[T1WI 和T2WI-SPAIR（spectral attenuated inversion recovery）序列]图像质量以及在评价DMD患者臀腿肌肉脂肪浸润和水肿程度中的一致性，探讨T2WI-Dixon 作为单个序列在评估DMD 患者臀部及大腿肌肉脂肪浸润和水肿中的价值。

1 材料与方法

1.1 一般资料

本研究经四川大学伦理委员会批准（批准文号：K2019056），全体受试者本人或监护人均签署了知情同意书。前瞻性纳入2021 年1 月至2021 年11 月在四川大学华西第二医院就诊的DMD 患者71 例，均为男性，年龄5～17（9.85±2.82）岁。纳入标准：（1）经病理和或基因检测确诊为DMD 的患者；（2）年龄18 周岁以下；（3）检查前监护人或患者本人签署了知情同意书。排除标准：（1）不能配合完成检查过程的患者；（2）病理及影像资料不完整的患者；（3）存在MRI检查禁忌证的患者。

1.2 仪器与方法

采用Siemens skyra 3.0 T 磁共振设备、32 通道体线圈，患者取仰卧位、足先进，扫描范围自双侧髂前上棘至股骨中下段水平，扫描序列为常规轴位T1WI序列、轴位T2WI-SPAIR 序列、轴位T2WI-Dixon 序列。T1WI 序列的扫描参数：TR 813 ms，TE 12 ms，翻转角150°，视野（FOV）280 mm×280 mm，层厚6 mm，层间距0.4，层数35，带宽295 Hz/Px，采集时间2 min 23 s。T2WI-SPAIR序列的扫描参数：TR 11 580 ms，TE 99 ms，翻转角160°，FOV 360 mm×360 mm，层厚6 mm，层间距0.4，层数35，带宽280 Hz/Px，采集时间2 min 20 s。T2WI-Dixon序列的扫描参数：TR 3190 ms，TE 53 ms，翻转角150°，FOV 320 mm×320 mm，层厚6 mm，层间距0.4，层数35，带宽250 Hz/Px，采集时间2 min 52 s。

1.3 图像分析

入组臀部及双侧大腿肌肉共21 块，臀部（髂腰肌、臀大肌、臀中肌、臀小肌、梨状肌、闭孔内肌、闭孔外肌、耻骨肌）8块肌肉，大腿前外侧肌群（股外侧肌、股内侧肌、股中间肌、缝匠肌、股直肌、阔筋膜张肌）6块肌肉，大腿内侧肌群（长收肌、短收肌、大收肌、股薄肌）4 块肌肉，大腿后侧肌群（股二头肌长头、半膜肌、半腱肌）3块肌肉。

1.3.1 图像质量的主观评价

采用Likert 4分量表分别对T2WI-Dixon序列和常规序列图像的脂肪抑制能力、伪影和整体图像质量进行评价[10]。其中伪影包括运动伪影、磁敏感伪影。1分即脂肪抑制效果和整体图像质量差，严重伪影，图像无法诊断；2 分即脂肪抑制效果和整体图像质量欠佳，伪影较多，提供部分诊断信息；3分即脂肪抑制效果和整体图像质量良好，少量伪影，无诊断信息丢失；4分即脂肪抑制效果和整体图像质量优良，无伪影。Likert 4分量表评分标准如图1～图3。

图1 图像伪影评分，1A：1分；1B：2分；1C：3分；1D：4分。 图2 图像脂肪抑制均匀性评分，2A：1分；2B：2分；2C：3分；2D：4分。 图3 图像整体质量评分，3A：1分；3B：2分；3C：3分；3D：4分。Fig. 1 Images artifact scores, 1A: 1; 1B: 2; 1C: 3; 1D: 4. Fig. 2 Image fat suppression uniformity scores, 2A: 1; 2B: 2; 2C: 3; 2D: 4. Fig. 3 Overall image quality scores,3A:1;3B:2;3C:3;3D:4.

1.3.2 图像质量的客观评价

测量病灶的信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）以及与正常肌肉组织的对比噪声比（contrast-to-noise ratios, CNR）。采用以下公式计算：SNR=SI病灶/SD，CNR=（SI病灶-SI肌肉）/SD，其中SI病灶表示病灶感兴趣区（region of interest, ROI）信号平均值，SD 表示背景信号标准差，SI肌肉表示正常肌肉组织ROI信号平均值。对于脂肪病灶的测量，ROI 选择在患者脂肪浸润较严重的肌肉中病灶均匀的层面；左右两侧均勾画一个ROI，重复测量三次，最终取平均值；正常肌肉ROI 选择同层面相邻无明显病灶肌肉组织（见图4）。对于水肿病灶的测量，病灶的ROI选择在病灶强度较大且均匀层面，重复测量三次，取平均值；正常肌肉ROI 选择同层面相邻无明显病灶肌肉组织（见图4）。背景ROI选择在病灶ROI相位编码方向上FOV内离最外层组织0.5～1.0 cm空气区域范围内。同一病例脂肪或水肿病灶勾画的ROI大小一致，选择在同一部位，避开伪影、血管、肌间隙等，ROI的面积为20～25 mm2。对于肌肉损伤较轻，无法勾画病灶的ROI 或勾画的ROI 内信号不均匀的患者图像不纳入测量；对于肌肉损伤严重无健康肌肉组织或无法勾画健康肌肉组织ROI的患者图像，只选择测量其SNR。

图4 图像信噪比（SNR）、对比噪声比（CNR）测量中感兴趣区（ROI）及背景区域的选择。4A：T1WI序列图像；4B：T2WI-SPAIR序列图像。Fig. 4 Selection of region of interest and background area in the measurement of signal-to-noise ratio and contrast-to-noise ratios. 4A:T1WI sequence image; 4B: T2WI-SPAIR (spectral attenuated inversion recovery)sequence image.

1.4 肌肉脂肪浸润和水肿程度的评价

参考Mercuri 等[5]分级标准和Kim 等[2]分级量表分别对双侧21 块肌肉的脂肪浸润和水肿进行评分。（1）脂肪浸润分级标准：0 分，肌肉信号正常；1 分，肌肉内可见散在斑点状高信号；2 分，肌肉内片状高信号，受累范围＜30%；3 分，肌肉内片状高信号，受累范围30%～40%；4 分，肌肉内片状高信号，受累范围＞60%；5 分，完全脂肪浸润，受累100%；（2）水肿分级标准：0 分，无水肿；1 分，轻微肌束间水肿；2 分，束间及束内均受累，节段性水肿；3 分，束间及束内均受累，全局性水肿。肌肉脂肪浸润和水肿程度的评分如图5、6。

图5 男，9 岁，杜氏肌营养不良症，肌肉脂肪浸润评分。5A：T1WI 序列图像，右侧臀大肌（GMa）脂肪浸润5 分、股外侧肌（VL）和股直肌（RF）4 分、缝匠肌（Sa）3分、长收肌（AL）1分；5B：同层面T2WI-Dixon-fat图像，所示肌肉脂肪浸润评分与T1WI相同。 图6 男，7岁9个月，杜氏肌营养不良症，肌肉水肿评分。6A：T2WI-SPAIR 图像，右侧股二头肌（BF）水肿3 分，股外侧肌（VL）2 分、股直肌（RF）1 分；6B：同层面T2WI-Dixon-water 图像，所示肌肉水肿评分与T2WI-SPAIR序列相同。Fig. 5 Male, 9 years old, muscle fat infiltration score in patients with Duchenne muscular dystrophy. 5A: T1WI sequence image, fat infiltration of right gluteus maximus(GMa)5 points,vastus lateralis(VL)and rectus femoris(RF)4 points,sartorius sartorius(Sa)3 points,adductor longus(AL)1 point;5B:T2WI-Dixon-fat image at the same slice showed the same muscle fat infiltration score as T1WI. Fig. 6 Male，7 years old and 9 months old, muscle edema score in patients with Duchenne muscular dystrophy. 6A: T2WI-SPAIR image, edema of right biceps femoris (BF) 3 points, vastus lateralis (VL) 2 points, rectus femoris (RF) 1 points;6B:T2WI-Dixon-water image at the same slice showed the same muscle edema scores as T2WI-SPAIR.

1.5 观察者内和观察者间的一致性

肌肉脂肪浸润、水肿程度评分以及图像质量的主观评价，由2 名分别具有2 年和5 年肌肉骨骼影像诊断工作经验的放射科医师独立判断完成，2 周后，第一位医师对所有图像进行复评。图像判读过程中严格遵守双盲法原则。

1.6 统计学方法

采用SPSS 28.0 统计学软件(IBM Corp, Armonk,NY, USA)进行统计学分析。采用Shpiro-Wilk检验分析数据的正态性，符合正态分布的数据采用均数±标准差（±s）表示；不符合正态分布的数据采用中位数±四分位间距（M±Q）表示。采用Wilcoxon符号秩检验分析图像质量评分结果的差异性，SNR 和CNR差异比较采用配对t检验，P＜0.05 为差异具有统计学意义。采用加权Kappa 一致性检验比较常规序列与T2WI-Dixon序列在评估肌肉脂肪浸润和水肿程度中的一致性[13]。主观图像质量评分、脂肪浸润和水肿程度评分观察者内和观察者间的一致性也采用加权Kappa 一致性检验[13]。Kappa 值＜0.40 表示一致性较差，0.40≤Kappa 值＜0.60 表示一致性中等，0.60≤Kappa 值＜0.80 表示具有较好的一致性，Kappa 值≥0.8表示具有极好的一致性。

2 结果

2.1 图像质量

2.1.1 图像质量的主观评价

T2WI-Dixon-fat 图像伪影评分为4 分的数量占90.1%，整体图像质量评分为4 分的数量占81.7%，T2WI-Dixon-fat图像伪影和整体图像质量评分均高于T1WI图像，差异均具有统计学意义，P＜0.001（表1）。评分为4 分的T2WI-Dixon-water 图像数量占比59.6%，远多于T2WI-SPAIR 的数量占比29%，并且有10 例患者的T2WI-SPAIR 图像评分为1 分无法进行诊断，T2WI-Dixon-water 图像脂肪抑制的均匀性、伪影和整体图像质量评分均明显高于T2WI-SPAIR 图像，各项差异均具有统计学意义，P＜0.001（表2）。T2WI-Dixon 比常规序列脂肪抑制效果可靠、伪影控制能力好以及整体图像质量更优秀。

表1 常规T1WI与T2WI-Dixon-fat图像质量的主观评分Tab.1 Subjective scoring of image quality in T1WI and T2WI-Dixon-fat

表2 SPAIR与T2WI-Dixon-water图像质量的主观评分Tab.2 Subjective scores of SPAIR and T2WI-Dixon-water image quality

2.1.2 图像质量的客观评价

根据所测量肌肉脂肪浸润程度的不同将患者分为轻度、中度和重度脂肪浸润。轻度：脂肪浸润程度评分为1～2分，其中SNR和CNR测量例数均为16例；中度：脂肪浸润程度评分为3分，其中SNR和CNR测量例数分别为17例和16例；重度：脂肪浸润程度评分为4～5分，其中SNR和CNR测量例数分别为31例和22例。轻度、中度和重度脂肪浸润患者的T2WI-Dixon-fat图像CNR均明显高于T1WI [（273.36±92.687）vs.（224.62±42.385）、（341.93±66.028）vs.（290.41±62.573）和（449.15±87.936）vs.（396.64±56.767）]，各差异均具有统计学意义，P＜0.05（表3）。

表3 T1WI与T2WI-Dixon-fat图像的信噪比、对比噪声比的比较Tab.3 Comparison of SNR and CNR between T1WI and T2WI-Dixon-fat images

根据所测量肌肉水肿程度的不同将患者分为轻微和明显水肿。轻微：肌肉水肿程度评分为1～2分，其中SNR和CNR测量例数分别为34例和28例；明显：肌肉水肿程度评分为3分，其中SNR和CNR测量例数分别为15例和14例。轻微和严重水肿患者T2WI-Dixon-water图像SNR明显高于T2WI-SPAIR [（243.83±71.581）vs.（105.09±46.911）和（370.15±62.863）vs.（154.18±42.196）]，CNR明显高于T2WI-SPAIR [（85.36±33.017）vs.（52.88±20.659）和（175.43±50.338）vs.（102.48±42.976）]，各组间差异均具有统计学意义，P均＜0.001（表4）。

表4 T2WI-SPAIR与T2WI-Dixon-water图像的信噪比、对比噪声比的比较Tab.4 Comparison of SNR and CNR between T2WI-SPAIR and T2WI-Dixon-water images

2.2 诊断效能一致性评价

71 名DMD 患者臀部及双侧大腿21 块肌肉（共2982 块肌肉）基于T1WI 和T2WI-Dixon-fat 图像的脂肪浸润评分（表5）显示，T1WI 和T2WI-Dixon-fat 两种方法对评价肌肉脂肪浸润程度具有极好的一致性（Kappa=0.95，P＜0.001）。

表5 T2WI-Dixon-fat和T1WI评价脂肪浸润程度的一致性比较Tab.5 Consistency comparison between T2WI-Dixon-fat and T1WI in evaluating the degree of fatty infiltration

61名DMD患者臀部双侧大腿21块肌肉（除去10名患者的图像无法评估外共2562块肌肉）基于T2WI-SPAIR和T2WI-Dixon-water图像的水肿评分（表6）显示，DMD患者肌肉水肿评分大多集中在0～1分。经加权Kappa检验显示T2WI-SPAIR和T2WI-Dixon-water评估肌肉水肿程度具有极好的一致性（Kappa=0.84，P＜0.001）。

表6 T2WI-Dixon-water 与T2WI-SPAIR评价肌肉水肿程度的一致性比较Tab.6 Consistency comparison between T2WI-Dixon-water and T2WI-SPAIR in evaluating the degree of muscle edema

2.3 观察者内和观察者间一致性

同一医师前后以及不同医师间对于评估肌肉脂肪浸润、水肿以及图像质量的一致性如表7 所示。T2WI-SPAIR和T2WI-Dixon-water图像观察者间及观察者内肌肉水肿程度评价为中等一致性，Kappa 值0.42～0.55；其余评价指标的Kappa 值均达0.60 以上，具有较好的一致性（表7），P均＜0.001。

表7 同一医师前后以及不同医师间的一致性Tab.7 Intra-and inter-observer agreement

3 讨论

根据国内外已发表报道，本研究首次提出将T2WI-Dixon序列应用于评价DMD患者的肌肉损伤，采用主、客观评估方式对比分析T2WI-Dixon 序列与常规序列的图像质量，并比较两者诊断一致性，以探讨T2WI-Dixon 序列在DMD 患者臀腿部成像中的应用价值。本研究表明，T2WI-Dixon 序列不仅可以缩短扫描时间（177 s vs. 283 s），还能提高图像质量以及改善脂肪和水肿病变显示度，并且在半定量评估DMD患者臀部及大腿肌肉脂肪浸润和水肿具有较好的一致性。

3.1 水脂分离成像技术

Dixon 技术利用化学位移效应分离水和脂肪，将不对称采集的回波与迭代算法相结合，提高了水脂分离的准确性和稳定性[14-15]，并与自旋回波序列结合在不同设备制造商获得不同的序列名称[16]：IDEAL（GE）、Dixon（Siemens）和mDIXON（Philips）。IDEAL-IQ（GE）、LiverLab（Siemens）和mDIXON Quant（Philips）采用更复杂的脂肪定量方法，能够得到质子密度脂肪分数。本研究采用双回波水-脂分离Dixon 技术，一般来说两点Dixon 对外磁场（B0）异质性的稳健性不如三点Dixon，但两点Dixon 具有更短的扫描时间以及更高的信噪比效率[14,16-17]，这对儿童的扫描是十分有利的。

3.2 T2WI-Dixon-fat在评价肌肉脂肪浸润中的优势

本研究的图像质量评价显示，T2WI-Dixon-fat图像的伪影、整体图像质量以及CNR 优于T1WI 序列，但SNR低于T1WI序列，这是由于T2WI-Dixon的TE比T1WI长，当TE延长时，T2权重增加，由于T2衰减导致回波信号减弱，引起信噪比相应减低。T2WI-Dixon-fat图像特定于脂肪信号[8]，且CNR 显著高于T1WI 序列，提示T2WI-Dixon-fat 可能比T1WI 能更有效地发现病变，对脂肪病灶的观察也更为直接。同时本研究发现T2WI-Dixon-fat在评估肌肉脂肪浸润程度与T1WI具有极好的一致性，这与Schlaeger 等[13]研究结果究一致。最近有研究也试图用T2WI-Dixon 序列代替T1WI序列[18-19]，仅使用脂肪图像来检测椎体转移瘤并识别骶髂关节炎的关节周围脂肪替代。T2WI-Dixon-fat为快速筛查微小脂肪和含脂肪的病灶提供了一种有价值的工具[20]。

3.3 T2WI-Dixon-water在评价肌肉水肿中的优势

本研究中T2WI-Dixon-water图像的脂肪抑制能力、伪影、整体图像质量以及SNR和CNR均优于T2WI-SPAIR序列。Chen等[9]将T2WI-Dixon应用于甲状腺眼病，与传统的脂肪抑制技术相比，T2WI-Dixon-water不仅提供了更好的图像质量，而且提高了炎症检出率。SPAIR 技术采用频率选择脂肪饱和180°反转绝热脉冲，对B0 场不均匀性较敏感，容易产生伪影[21]。此外，B0 场的不均匀性可能会使脂肪选择性射频脉冲落在脂肪频率范围之外从而影响SPAIR 序列脂肪抑制的均匀性[21-22]。由于Dixon 技术对B0 和B1 场的异质性不敏感，所以即使在磁化率较高的区域（例如金属植入物）和大视野解剖区域中，Dixon技术也能提供均匀的脂肪抑制以及高SNR[11,15-16]。本研究还发现T2WI-Dixon 序列在评估肌肉水肿程度方面与T2WI-SPAIR 具有较好的一致性，DMD 患者肌肉炎性水肿多于疾病过程的早期发生且水肿的受累频率是远低于脂肪替代的[4,23]，因此肌肉水肿评分多集中在0～1分。

肌肉水肿评估的观察者内及观察者间一致性较低，主要原因可能是DMD患者臀部及大腿多数肌肉受到较严重脂肪浸润，正常肌肉组织与脂肪组织信号差异较大，导致视觉上高估正常肌肉组织的信号，将其误认为是肌肉内高信号的水肿。因此，要正确评估DMD患者的肌肉水肿，需要肌肉骨骼放射学方面的专业知识以及一定的经验。

3.4 Dixon技术在儿科成像中应用价值

与常规序列T1WI 和T2WI-SPAIR 相比，使用T2WI-Dixon方法显示出更多优势。首先，T2WI-Dixon序列（177 s 扫描时间）相对于T1WI 和T2WI-SPAIR（共283 s 扫描时间）能在更短的扫描时间内同时分离水和脂肪图像，尤其有利于病情严重的DMD 患者，患者由于膈肌无力，长时间仰卧位并保持静止会不利于呼吸。同时，缩短扫描时间可以降低运动伪影的频率，从而提高图像质量。其次，脂肪抑制不充分或失败以及伪影的影响是导致MRI图像不具诊断性且必须重复扫描的常见原因。而在儿科成像中，重复扫描所需的额外时间往往需要伴随长时间的镇静，这可能会增加患者的风险。再者，与T1WI 和T2WI-SPAIR 序列相比，T2WI-Dixon 序列还能够显著提高脂肪及水肿的图像CNR，有利于病灶检出。最后，Dixon得到的脂像可以用于后续脂肪定量。

3.5 本研究的局限性

本研究存在几方面局限性：首先，在评估肌肉脂肪浸润与水肿时未与病理一一对照，缺乏诊断的金标准。其次，肌肉脂肪浸润和水肿评估是通过观察者视觉半定量评估，依赖于观察者的诊断经验与水平，主观性较大，对结果具有一定影响。对于肌肉水肿的评估观察者内和观察者间一致性中等，可通过T2 mapping 等定量方法或影像组学来克服评分系统固有的主观性，接下来我们将完善这一点。

综上所述，T2WI-Dixon 序列扫描时间短，图像质量高，且其诊断效能与常规序列具有较好的一致性，因此，单独采用T2WI-Dixon序列可以作为评估DMD疾病臀部及大腿肌肉损伤程度的另一种MRI检查方案。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。