骨質(zhì)疏松癥程度評價的常用MRI技術(shù)綜述,SCI醫(yī)學(xué)論文

骨質(zhì)疏松癥程度評價的常用MRI技術(shù)綜述,SCI醫(yī)學(xué)論文骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是一種以骨量減少為主的代謝性疾病[1],脆性骨折是其嚴(yán)重并發(fā)癥之一[1,2]。骨強(qiáng)度大小決定著脆性骨折發(fā)生率,影響骨強(qiáng)度大小的2個重要因素為骨密度(bonemineraldensity,BMD)和骨質(zhì)量。有研究表示清楚,BMD只能反映60%～80%的骨強(qiáng)度變化情況,OP還與皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨內(nèi)部的空間微構(gòu)造、骨髓性質(zhì)、骨有機(jī)基質(zhì)及脂肪含量相關(guān),有相當(dāng)數(shù)量的骨質(zhì)疏松性骨折患者BMD值在正常閾值內(nèi),僅用BMD值診斷OP及預(yù)測脆性骨折并不全面[3,4]。定量磁共振成像(qualitativemagneticresonanceimaging,QMRI)是基于常規(guī)MRI基礎(chǔ)之上無創(chuàng)性定量評估骨髓信號及檢測骨質(zhì)微構(gòu)造的技術(shù),從分子運(yùn)動水平、骨髓脂肪含量、局部磁場不均勻性等方面對BMD及骨強(qiáng)度進(jìn)行研究。如磁共振波譜(magneticresonancespectroscopy,MRS)探測骨髓內(nèi)脂水比、高分辨率核磁探測骨小梁形態(tài)、擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusionweightedimaging,DWI)測定表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparentdiffusionconfficient,ADC)值等?，F(xiàn)對幾種常用的MRI評價OP程度的技術(shù)進(jìn)行綜述,并分析不同MRI技術(shù)的優(yōu)勢、缺乏及臨床應(yīng)用價值。1、DWI技術(shù)DWI是測量活體水分子擴(kuò)散運(yùn)動并成像的唯一功能性MRI技術(shù),可在細(xì)胞水平測量活體組織水分子擴(kuò)散運(yùn)動的速率及方向,分析組織細(xì)胞的生理和病理細(xì)微構(gòu)造改變,近年來逐步應(yīng)用于骨肌系統(tǒng),可對椎體良、惡性壓縮性骨折進(jìn)行鑒別診斷[5]。DWI通常以ADC值描繪敘述組織中水分子擴(kuò)散運(yùn)動速率,計算出ADC圖,對所有像素的ADC值進(jìn)行自然對數(shù)運(yùn)算后得到DWI圖,通過計算ADC值能夠?qū)崿F(xiàn)對病變的定量分析。DWI受水分子擴(kuò)散和局部組織微循環(huán)血流灌注的雙重影響,即ADC值反映灌注和擴(kuò)散共同作用。影響ADC值的因素是b值,DWI有2個或2個以上的b值,高b值測得的ADC值反映被測定組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散能力,但高b值會導(dǎo)致DWI空間分辨率和信噪比降低,圖像易扭曲、變形[6]。DWI用于骨髓掃描與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要技術(shù)區(qū)別為骨髓掃描不抑水。OP時骨小梁間隙被脂肪細(xì)胞填充,骨小梁間隙增大,細(xì)胞外間隙減少,使水分子擴(kuò)散受限,所測ADC值降低。在腰椎MR擴(kuò)散加權(quán)成像對OP的定量診斷價值研究中以為腰椎骨髓的水分子擴(kuò)散有性別差異,女性腰椎A(chǔ)DC值與BMD值呈正相關(guān),與年齡呈負(fù)相關(guān),DWI技術(shù)能夠在一定程度上反映BMD值的變化[5,6]。ADC值與BMD的關(guān)系在多個研究中結(jié)果并不一致[7],這可能是選擇的b值不同引起的組織擴(kuò)散與灌注效應(yīng)不同所致。由于主磁場強(qiáng)度的不同及T2透射效應(yīng)等因素的存在也會影響ADC值的準(zhǔn)確性。DWI的定量指標(biāo)與BMD相關(guān)性的結(jié)果仍存在爭議,故限制了DWI對OP評價的臨床應(yīng)用。擴(kuò)散張量成像(diffusiontensorimaging,DTI)是DWI的一種技術(shù)延伸,可有效避開傳統(tǒng)DWI的T2透射效應(yīng),通太多個方向施加擴(kuò)散敏感梯度,在三維空間內(nèi)定量分析水分子的擴(kuò)散速率及方向。DTI通過測定ADC值和各向異性分?jǐn)?shù)(fractionanisotropy,FA)值定量反映OP骨質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散的細(xì)微變化[8]。FA值反映了水分子各向異性成分占整個擴(kuò)散張量的比例,具有方向依靠性,其變化趨勢能具體表現(xiàn)出組織水分子擴(kuò)散能力的改變。馬景旭等[8]以為FA值與BMD值呈負(fù)相關(guān),可反映骨量的改變,有利于預(yù)測腰椎骨折風(fēng)險。但DTI與BMD值的相關(guān)性研究同樣存在不一樣的結(jié)果,其診斷OP的價值尚有待進(jìn)一步確定。2、MRS技術(shù)MRS成像原理為利用質(zhì)子在化合物振頻率的化學(xué)位移現(xiàn)象和自旋耦合測定特定原子核及化合物組成成分及含量。已有研究以為OP發(fā)生的病因之一是骨髓干細(xì)胞向成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞分化紊亂,即OP骨髓內(nèi)出現(xiàn)脂肪替代,骨髓脂肪含量的定量測定可早于BMD反映OP情況[9]。MRS是在分子代謝水平評估骨髓的水脂含量,利用脂峰、水峰高度等參數(shù)對脂肪含量進(jìn)行定量分析,常用分析指標(biāo)有脂肪分?jǐn)?shù)(fatfraction,FF),脂水峰比(lipidwaterratio,LWR)、基線寬度(linewidth,LW)等[10]。Zhang等[11]使用1H-MRS定量評價腰椎OP與非OP的骨髓脂肪含量,發(fā)現(xiàn)2組間LWR與FF差異有統(tǒng)計學(xué)意義,FF診斷腰椎OP的受試者工作特征曲線下面積為0.740,LWR為0.706,以為MRS可用于OP的評價和監(jiān)測。MRS評價OP的優(yōu)勢在于可對骨髓生化成分進(jìn)行定量測定,從骨微構(gòu)造和組織生化成分方面對骨質(zhì)量進(jìn)行定量、無創(chuàng)、無輻射的評價[12]。但該技術(shù)仍存在缺乏:①M(fèi)RS不是常規(guī)MRI檢查序列,其應(yīng)用對場強(qiáng)有較高要求;②MRS校正經(jīng)過繁瑣,技術(shù)穩(wěn)定性差,檢查費(fèi)用較高,耗時長,僅能獲得較小體素內(nèi)代謝物的信息;③FF值并不能取代BMD值,FF和BMD既互相聯(lián)絡(luò)又相互獨立,由于OP發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,單純的BMD減少,其骨髓內(nèi)脂肪含量并不一定增加。MRS對OP程度的評價具有一定的局限性,限制了其臨床應(yīng)用。3、血流灌注成像研究動態(tài)加強(qiáng)磁共振成像(dynamiccontrast-enhancedMRI,DCE-MRI)是當(dāng)前常用的無創(chuàng)性評價組織微血管分布及血流灌注的技術(shù)。骨髓中填充著豐富的毛細(xì)血管,DCE-MRI通過靜脈注射比照劑改變局部組織磁場,在比照劑通過椎體毛細(xì)血管期間繪制出時間-信號強(qiáng)度曲線,可得到定性、半定量及定量參數(shù)。常用的定量參數(shù)有血漿容積分?jǐn)?shù)(Vp)、血管外細(xì)胞外容積分?jǐn)?shù)(Ve)、容積轉(zhuǎn)移常數(shù)(Ktrans)以及速率常數(shù)(kep),華而不實Ktrans和kep最具價值[13]。既往研究顯示,Ktrans能夠反映早期骨髓灌注的變化,卵巢切除鼠2周即可檢測到Ktrans降低,證實通過卵巢切除造模的OP組隨著FF值的增加Ve和Ktrans減小,血管內(nèi)皮生長因子和微血管密度降低,揣測OP的發(fā)生可能與骨髓血管收縮加強(qiáng)、血管內(nèi)皮細(xì)胞間隙減小有關(guān)[14]。Biffar等[15]研究發(fā)現(xiàn),OP組患者腰椎椎體骨髓血流量低于正常組,其血容量與定量CT測得的BMD值呈正相關(guān)。Ma等[16]研究顯示,在骨量減少或OP人群中,DCE-MRI的定量參數(shù)與年齡及腰椎椎體骨髓脂肪含量呈負(fù)相關(guān),能夠以此對腰椎椎體的OP進(jìn)行評價,經(jīng)長期隨訪發(fā)現(xiàn)骨髓灌注不佳可造成BMD值的持續(xù)降低,而良好的骨髓灌注能維持BMD值的穩(wěn)定,提示骨髓灌注對骨重構(gòu)的影響及在OP的發(fā)生發(fā)展中所起的作用。DCE-MRI能定量檢測骨髓的血供情況,其參數(shù)指標(biāo)與BMD值有很好的相關(guān)性,但DCE-MRI技術(shù)需要使用比照劑及缺乏統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn),所選用的掃描技術(shù)和序列不統(tǒng)一、藥代動力模型及處理軟件不同、參數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)的不同等均會影響測量結(jié)果的可比性,限制了其臨床應(yīng)用。4、化學(xué)位移水脂分離成像技術(shù)4.1、同反相位成像1984年TomasDixon根據(jù)水中氫質(zhì)子與脂肪中氫質(zhì)子的進(jìn)動頻率差異,提出利用化學(xué)位移效應(yīng)采用常規(guī)自旋回波序列在不同的回波時間(echotime,TE)進(jìn)行2次信號采集,第1次采集時水、脂的氫質(zhì)子橫向磁化強(qiáng)度矢量處于同相位,第2次采集兩者處于相反相位,即同時獲得同、反相位2幅圖像。同相位圖像就是普通的T1WI圖像;反相位圖像是水與脂肪信號相減圖像,圖像特點是水和脂肪成分混合時會出現(xiàn)明顯的信號衰減,純脂肪組織不會出現(xiàn)明顯的信號衰減。該技術(shù)近年來開場應(yīng)用到測定骨髓的脂肪組織[17]。Ojanen等[18]通過對同一家族成員椎體骨髓脂肪含量的測定表示清楚,同反相位成像技術(shù)能夠作為測定組織內(nèi)脂肪含量的檢查方式方法。張靈艷等[19]以為,反映脂肪含量的同反相位信號強(qiáng)度比(signalintensityratio,SIR)與BMD呈負(fù)相關(guān),SIR能夠反映骨量能否正常,但無法鑒別骨量不正常者的骨量減少程度。雷立存等[20]測量腰椎椎體同反相位圖像上的信號降低指數(shù),以為同反相位成像能夠反映椎體骨髓脂肪含量的變化。同反相位信號強(qiáng)度測定作為一種半定量脂肪含量測定方式方法,在評價OP程度的可靠性上還存在一定缺乏。Gokalp等[21]通過計算椎體的相對信號強(qiáng)度指數(shù),對OP患者的腰椎椎體骨髓脂肪含量進(jìn)行定量分析,以為同反相位成像并不是評估50～65歲女性BMD的可靠參數(shù)。4.2、Dixon水脂分離技術(shù)同反相位成像技術(shù)是Dixon水脂分離技術(shù)的基礎(chǔ),該技術(shù)以雙回波成像為基礎(chǔ),故也稱為Dixon兩點法水脂分離技術(shù)[22]。Dixon技術(shù)作為基于化學(xué)位移的水脂分離技術(shù),在獲得同反相位圖像同時,通過進(jìn)一步解析能夠得到純水像與純脂像。該技術(shù)具有分離脂肪組織迅速、兼容性好、信噪比擬高及能夠定量檢測脂肪組織等優(yōu)點,主要缺點為易受主磁場不均勻或顯著磁化率效應(yīng)的影響產(chǎn)生相位誤差,導(dǎo)致解得的水、脂兩相信號混雜,發(fā)生水、脂錯換[23]。為消除相位誤差的影響,提出了三點式Dixon技術(shù),在2次測量的基礎(chǔ)上增加了1次測量,使用增加的信息校正主磁場不均勻或磁化率效應(yīng)產(chǎn)生的相位誤差[24,25]。由于三點式Dixon要作3次測量,耗時較長,為了節(jié)省掃描時間又就Dixon技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步修改和完善,純水相和純脂肪相分離的關(guān)鍵在于校正場不均勻造成的相位誤差,故技術(shù)進(jìn)步的重點在于在相位誤差的校正。當(dāng)前用于評估脊柱椎體脂肪含量的水脂分離技術(shù)包括兩點式Dixon、三點式Dixon、mDixon和迭代最小二乘法非對稱采集水脂分離(iterativedecompositionofwaterandfatwithechoasymmetryandleast-squares,IDEAL)等技術(shù)[26]。IDEAL技術(shù)是改良的非對稱三點式Dixon技術(shù),其結(jié)合了非對稱采集技術(shù)與迭代最小二乘水脂分離算法,所獲得的圖像能夠更有效地克制磁場不均勻性,病變區(qū)脂肪檢出率提高,信噪比更高層次。Martin等[27]在其使用IDEAL序列快速測定椎體脂肪含量的研究中以為,IDEAL技術(shù)測定椎體FF值有很好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。相對于MRS法,IDEAL技術(shù)具有掃描簡便、成像速度快等優(yōu)點。改進(jìn)的Dixon技術(shù)如mDixon是較新的水脂分離技術(shù),該技術(shù)能夠靈敏選擇TE,有效縮短了TE和TR時間,提高信噪比的同時提高圖像采集速度,可用于全身掃描,該技術(shù)基于單峰值脂肪模型,與傳統(tǒng)的Dixon技術(shù)相比可消除磁場不均勻性的影響,提高水和脂肪信號分離的精到準(zhǔn)確度[28]。改進(jìn)的Dixon技術(shù)成像速度快,受呼吸運(yùn)動影響小,對磁場不均勻性不敏感[29],但其對場強(qiáng)要求高,需要特殊算法的軟件支持。5、高分辨率磁共振成像技術(shù)(high-resolutionMRI,HR-MRI)HR-MRI直接顯示骨小梁的微細(xì)構(gòu)造,其在顯示活體或離體骨小梁構(gòu)造方面與組織學(xué)檢查特別類似,被稱為骨活組織檢查技術(shù)。HR-MRI常用序列包括自旋回波序列和梯度回波序列,大多數(shù)傾向于GRE或三維GRE序列。HR-MRI圖像通過特定軟件反轉(zhuǎn)灰度等級顯示法顯示骨小梁網(wǎng)狀系統(tǒng),常用定量參數(shù)有單位面積連通數(shù)、骨小梁面積與感興趣區(qū)面積的比值、骨髓面積與感興趣區(qū)面積的比值、骨小梁平均厚度、骨小梁平均間隔、歐拉數(shù)與感興趣區(qū)的比值等13個參數(shù)[30]。骨質(zhì)疏松時,骨小梁間隙增寬、連接性降低,骨強(qiáng)度降低,骨脆性增加。王峻等[31]研究表示清楚,松質(zhì)骨丟失在男性以骨小梁厚度變薄為主,女性以骨小梁的斷裂、缺失為主,其原因可能為男性以骨構(gòu)成減少為主,女性以骨吸收加強(qiáng)為主,還發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松患者較非骨質(zhì)疏松患者骨小梁稀疏,網(wǎng)狀連接水平低,連續(xù)性差,密集度較低,抗骨折強(qiáng)度降低,其選用的9個參數(shù)中單位面積連通數(shù)、骨小梁平均厚度、骨小梁平均間隔及歐拉數(shù)與感興趣區(qū)的比值等在骨質(zhì)疏松組和正常組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義,能夠據(jù)此對OP作出評價。HR-MRI技術(shù)掃描時間長,需要較高配置的軟硬件,用于測量的選定區(qū)域骨小梁范圍較小,故在臨床中的應(yīng)用較為局限。HR-MRI有待進(jìn)一步研究的問題包括:空間分辨率、標(biāo)本大小、信號噪聲比、可重復(fù)性(運(yùn)動校正和圖像配準(zhǔn))、檢查所需時間、圖像采集及后處理經(jīng)過的復(fù)雜性、外周骨和中軸骨的生理差異不同、實驗研究向臨床應(yīng)用的過渡等。6、磁共振弛豫時間測量技術(shù)磁共振弛豫時間能夠間接反映骨小梁空間構(gòu)造,用于骨質(zhì)疏松研究的MR弛豫時間測量主要包括T2*、T2、T2、T1等。其互相關(guān)系是T2*值由梯度多回波掃描序列獲取;T2值來自于自旋多回波掃描序列;1/T2=1/T2*-1/T2,R2*=1/T2*,R2=1/T2[32]。在穩(wěn)定的外磁場下,骨小梁和骨髓分界處的2種物質(zhì)界面存在一定的空間不均一性,導(dǎo)致磁場的不均一。局部磁場不均勻性的程度取決于骨小梁與骨髓交界面的數(shù)量、骨小梁的外表積和主磁場場強(qiáng)的高低。梯度回波序列對局部磁場的不均勻性改變較敏感,有效橫向弛豫時間T2*值的變化與小梁骨網(wǎng)狀構(gòu)造的密度及空間幾何學(xué)形態(tài)直接相關(guān)[33]。T2*值的變化不僅與代表骨小梁數(shù)量的BMD值有關(guān),還可對骨小梁的空間構(gòu)造進(jìn)行表示出,T2*值在同一骨骼的不同部位及不同骨骼均有差異,這與電鏡組織切片下不同部位骨小梁的微構(gòu)造差異相對應(yīng)[32,33]。翟樹佳等[28]提出,骨髓T2*值的變化對OP的評估比BMD值變化愈加敏感,T2*值在OP骨質(zhì)中顯著增加,以為該技術(shù)能夠用于評估脆性骨折的風(fēng)險。T2*、T2、T2、T1等弛豫時間值同OP的相關(guān)性研究顯示,T2*較敏感而T2較特異[32,33]。分析其原因:T2*值主要由內(nèi)、外磁場的不均勻性決定,即T2*值反映了骨小梁與骨髓交界面的數(shù)量及構(gòu)造;而T2值主要由組織中的蛋白、脂肪、自由水等組分的相對數(shù)量及比例決定。7、其他技術(shù)超短回波時間磁共振成像(ultrashortecho-timemagneticresonanceimaging,UTE-MRI)為近年來快速發(fā)展的乏質(zhì)子成像技術(shù),在骨皮質(zhì)的定量成像方面獲得了較快發(fā)展。UTE-MRI技術(shù)利用超短回波時間采集短T2組織的信號,結(jié)合組織抑制技術(shù)可將骨皮質(zhì)顯示為高信號。骨皮質(zhì)UTE-MRI信號來源主要為結(jié)合水和孔隙水,前者與骨內(nèi)有機(jī)質(zhì)相關(guān),后者與骨皮質(zhì)的孔隙度相關(guān)[34]。Bae等[35]將結(jié)合水、孔隙水與孔隙度、骨彈性、骨極限應(yīng)力等骨骼生物力學(xué)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示孔隙水、結(jié)合水分別與孔隙度呈正、負(fù)相關(guān),骨骼機(jī)械性能指標(biāo)也與孔隙水含量相關(guān)。OP骨組織活檢發(fā)現(xiàn)孔隙增大,骨皮質(zhì)孔隙度與其能承受的峰值壓力相關(guān),孔隙度是影響骨強(qiáng)度和導(dǎo)致脆性骨折的重要因素。UTE-MRI在評估骨皮質(zhì)的有機(jī)質(zhì)相對含量、骨皮質(zhì)的孔隙度、骨皮質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)、骨強(qiáng)度等方面顯示了較好的應(yīng)用前景。8MRI技術(shù)評價骨質(zhì)疏松的前景及缺乏MRI技術(shù)通過獲取多種定量指標(biāo)反映松質(zhì)網(wǎng)狀骨和皮質(zhì)骨的顯微構(gòu)造、生物力學(xué)特性和骨組織內(nèi)成分等,華而不實的HR-MRI技術(shù)直接定量評價骨小梁疏密;T2*值間接反映骨小梁疏密度;多種MRI脂肪定量技術(shù)測量骨髓脂肪含量反映OP程度。以上技術(shù)均從骨質(zhì)量角度反映骨強(qiáng)度,是對BMD測定的有效補(bǔ)充。MRI技術(shù)評價OP能夠到達(dá)無創(chuàng)定量評價OP的目的,在骨質(zhì)疏松的早期診斷、骨折危險性的預(yù)測和治療后隨訪方面具有臨床價值,有助于更全面地了解眾多因素在OP進(jìn)展經(jīng)過中的綜合作用,在臨床科研和應(yīng)用角度具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前MRI技術(shù)檢查時間較長、檢查費(fèi)用較高,定量評價OP尚缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評價體系,在臨床的廣泛應(yīng)用遭到制約,但隨著MRI序列技術(shù)的進(jìn)步和臨床經(jīng)歷體驗積累,以上弊端正在逐一克制,其定量評價OP的臨床應(yīng)用將會逐步得到完善和推廣。以下為參考文獻(xiàn)[1]薛鵬,李玉坤.2021年版(原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥診療指南〕解讀[J].河北醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,2021,39(1):1-6.[2]張慧明,張志超,甄雪飛,等.唑來膦酸對骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折患者經(jīng)皮椎體成形術(shù)后骨密度及臨床異常感覺和狀態(tài)的影響[J].河北醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,2021,39(10):1210-1213.[3]OeiL,KoromaniF,RivadeneiraF,etal.Quantitativeimagingmethodsinosteoporosis[J].QuantImagingMedSurg,2021,6(6):680-698.[4]ColtE,AkramM,PiSunyerFX.Comparisonofhigh-resolutionperipheralquantitativecomputerizedtomographywithdual-energyX-rayabsorptiometryformeasuringbonemineraldensity[J].EurJClinNutr,2021,71(6):778-781.[5]HeJ,FangH,NaLiX.Vertebralbonemarrowdiffusivityinnormaladultswithvaryingbonedensitiesat3Tdiffusion-weightedimaging[J].ActaRadiol,2021,59(1):89-96.[6]JieH,HaoF,NaLX.Vertebralbonemarrowdiffusivityinhealthyadultsat3Tdiffusion-weightedimaging[J].ActaRadiol,2021,57(10):1238-1243.[7]GriffithJF,YeungDK,AntonioGE,etal.Vertebralmarrowfatcontentanddiffusionandperfusionindexesinwomenwithvaryingbonedensity:MRevaluation[J].Radiology,2006,241(3):831-838.[8]馬景旭,褚相樂,趙麗萍,等.擴(kuò)散張量成像在原發(fā)性骨質(zhì)疏松中的臨床應(yīng)用[J].實用放射學(xué)雜志,2021,31(12):1999-2002.[9]郭威,曾旭文,梁治平,等.椎體骨質(zhì)疏松性骨折MRI研究進(jìn)展[J].中國參與影像與治療學(xué),2021,15(2):119-122.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