MRI的弥散加权成像技术在骨骼病变中的应用进展
2021-03-28
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泰山医学院学报 JOURNAL OF TAISHAN MEDICAL COLLEGE Vo1.3 1 No.2 2010 MRI的弥散加权成像技术 在骨骼病变中的应用进展 梁艳梅李长勤 (泰山医学院附属医院放射科,山东泰安271000) 关键词:磁共振成像;弥散加权成像;骨组织 中图分类号:R445.2 文献标识码:A文章编号:1004-7115(2010)02 ̄t56-04 磁共振弥散加权成像(MR—DWI)是20世纪90 exp 。,其中D为扩散系数,反映水分子扩散运动的 年代发展起来的MRI新技术,是目前唯一能够检测 能力,D值越大,水分子扩散能力越强,信号衰减越 活体组织内水分子扩散运动的无创性方法,可通过 多。D=In(S低/S高)/(b高一b低),b为扩散梯度因 分析细胞内外水分子的跨膜运动功能状态的改变诊 子,b:r2×8 X g X(△一5/3),其中r为磁旋比,g 断和鉴别疾病…。近几年来,DWI在脑部、肝脏、前 和8分别为扩散梯度脉冲的强度和持续时问,△为 列腺等部位的应用已充分体现了其临床价值和发展 两个梯度脉冲起始点的时间间隔,s低与s高为不同 潜力。在骨骼病变诊断方向上的应用也有了新的进 b值条件下组织的信号强度。b值信号越高,DWI 展,现综述如下。 对水分子的运动越敏感,对病灶的显示也越清楚,但 1 MR.DWI的基本原理及参数的选择 图像的信噪比显著下降。临床上根据设备条件、所 1.1基本原理 选用的序列以及I临床目的不同,可适当调整b值。 DWI与传统的磁共振常规成像技术不同,它依 有学者 研究b值分别为200、400、600、500、1000 赖水分子运动,与组织质子密度、T1值或T2值无重 s/mm 时,良、恶性肿瘤的ADC值之间比较无显著 要关系。组织中水分子扩散是指组织内(包括细胞 性差异,但随着b值的增加ADC值降低(当b=400 内和细胞外)水分子的不规则、随机的改变运动方 s/mm )可获得清晰的图像,测得的ADC值稳定。 向和位置的现象,即布朗运动,单位是平方毫米/秒 并且随着b值的增加图像的信噪比逐渐减低,图像 (mm /s)。MR.DWI的基本原理是在常规自旋回波 质量略差,伪影增多,测得的ADC值不稳定。这说 序列(sE)前后分别施加一个大小相等、极性相反强 明骨肿瘤的DWI研究b值在400 s/mm 左右时获得 度的梯度脉冲,第一个梯度脉冲引起所有质子自旋 的图像较好,而且ADC值的测定比较准确 。 去相位,而后一个使其相位重聚。在未施加敏感梯 1.2 MRI.DWI的扩散特性和ADC值 度脉冲的情况下,回波时质子完全重聚复相位,信号 强度不受磁场梯度影响;相反,在施加敏感梯度脉冲 大多数生物组织中存在许多如细胞膜或大分子 的情况下,质子依磁场梯度随机移动,因质子的自旋 蛋白等天然屏障,使得生物组织中水分子的弥散受 频率不同,导致回波时不能相位重聚,造成DWI上 到限制,称为弥散受限。弥散受限的程度用表观扩 信号改变,衰减的程度依赖水分子的表观扩散系数 散系数‘ADC’来表示,在生命组织中,扩散系数D ADC值(mm /s)和b值的大小(s/mm ) 。在弥散 值不仅与布朗运动有关,而且与组织的生理学特性, 加权中,信号衰减程度可用公式表示为:SD= 如呼吸、心跳、脉搏、脑脊液流动、血液灌注、细胞内 作者简介:梁艳梅(1975一),女,山东济宁人,硕士研究生,主要研究方向:影像医学与核医学。 泰山医学院学报 157 JOURNAL OF TAISHAN MEDICAL COLLEGE Vo1.3 1 No.2 2010 外状态、体温等多种因素有关。人体由于组织结构 不同,阻碍水分子扩散运动的障碍物的组织构成类 型和分布也不相同。如果水分子的扩散运动在各方 向上受到的限制是对称的,在DWI图像上引起的信 行背景脂肪信号的抑制来进行全身横断面平扫,再 利用三维图像后处理技术进行重组,并采用黑白图 像翻转技术,得到的图像类似于PET(正电子发射体 层摄影)成像,其临床意义也与之相似,由此简称 号表现相同,称之为各向同性扩散。如果水分子的 扩散运动在各方向上受到的限制是不对称的,在 DWI图像上引起信号表现不同,称之为各向异性扩 散。各向异性扩散在人体组织中普遍纯在,最典型 的是脑白质神经纤维束。即水分子在神经纤维长轴 方向上扩散运动相对自由,而在垂直于神经纤维长 轴的方向上,水分子的扩散运动将明显受到细胞膜 和髓鞘的限制。 表观弥散系数是用来描述DWI不同方向分子 扩散运动的速度和范围,是反映组织中水分子扩散 运动的物理量,不同组织有不同的ADC值,而ADC 图主要反映水分子的扩展幅度,其黑白度往往与弥 散加权相反。在水分子运动不受限制区(高扩散 区),ADC值高,而DWI图像上呈低信号,在彩色 ADC图上以红色表示;相反,在水分子运动受限制 区(低扩散区),ADC值低,在DWI图像上呈高信 号,在彩色ADC图上以较暗的颜色表示 。定量 ADC测量可为疾病的早期诊断提供更多的信息,有 助于早期病变的发现;同时也可作为无创性地监测 疾病发展过程的一种手段,根据ADC值的动态变化 推测疾病进展的程度。 1.3成像序列 扩散敏感梯度可以与任何脉冲序列相融合,诸 多研究者使用了不同的DWI序列进行骨髓的检查, 已用序列包括自旋回波DWI(spine—echo DWI,SE— DWI)、稳态自由进动DWI(steady-state free preces— sion SSFP—DWI)、回波平面成像DWI(echo planar imaging,EPI—DWI)等,但SE—DWI序列成像时间相 对较长,对运动伪影敏感,EPI-DWI明显缩短成像时 问,简便、易行、具有无创的特点。但由于它对磁敏 感效应明显,易导致随b值增加,而出现明显的变形 伪影,严重影响ADC值的准确性。 2类PET(DWIBS)的定义及技术特点 背景信号抑制全身弥散加权成像(diffusion weighted whole body imaging with background body signal suppression,DWIBS)是利用射频脉冲技术进 MR“类PET”技术。DWIBS的原理与局部DWI成 像原理是相同的。但DWIBS是在自由呼吸状态下 完成大范围的全身多段薄层扫描。扫描时,应注意 各段扫描的层厚、层间距、FOV、矩阵、TR、TE、b值 等应该保持一致,这有利于三维图像的重建。单次 激发平面回波成像(echo planar imaging,EPI)、短T1 反转回复时间成像(short T1 inversion recovery, STIR)和敏感编码技术(sensitivity encoding,SENSE) 是DWIBS的核心技术。EPI是目前成像速度最快 的MR扫描技术,并且对磁敏感伪影非常敏感,化 学位移伪影较重,需加以并行采集技术阵列射频线 圈SENSE的运用,这样可基本去除了运动伪影,提 高图像的质量。STIR技术的运用,明显抑制肌肉及 脂肪等正常组织信号提高病变的显示率。随着磁共 振设备的发展和一些快速序列的临床应用,全身弥 散成像逐渐成为近年来研究的热点。 3 MR.DWI在骨骼病变中的应用 3.1发现病变 DWIBS在发现原发和转移性病变有着非常重 要的临床价值,同时也是发现骨髓受累的有效方 法 J。Nemeth等 应用DWI研究颅骨转移性病 变,结果显示DWI对于颅骨转移性病变的敏感性为 68%~71.1%,远远高于常规MRI成像,尤其是在 乳腺癌、肺癌等疾病发生颅骨转移时,具有较高的敏 感性。Won—Jin Moon等 研究结果同样显示,DWI 对颅骨转移性病变的检出率明显高于常规MRI,可 作为评价颅骨转移的重要手段之一。DWI对发现 骨骼系统的转移敏感性和特异性最高,但对于小于 1.0 cm的病灶检出敏感性较差 J。为进一步明确 DWIBS发现病变的敏感性,有研究者已经在GE、西 门子MRI弥散成像和18F—FDG PET/CT图像发现, 两种图像融合对肿瘤诊断无显著性差异。大量的病 例和PET对照实验也表明,DWIBS诊断转移性病变 的灵敏度达到89.5%_l 。另外,DWIBS也可发现 全身常T2信号的良I生病变。由于DWIBS对背景信 号抑制充分,所得图像信噪比(SNR)较差,不能清晰 泰158 山医学院学报 JOURNAL OF TAISHAN MEDICAI COLLEGE Vo1.3 1 No.2 2010 判断病灶的解剖位置,需与常规T2WI的影像融合 成功率及术前病理诊断的正确性具有重要意义。 有效的抗肿瘤治疗会导致肿瘤细胞溶解、碎裂, 细胞外间隙的增宽,水分子扩散能力增加 15j。Lang 等_l 利用骨肉瘤动物模型研究显示坏死性肿瘤的 才能获得满意的诊断效果。总之,MRI弥散成像逐 步取代核医学图像及PET图像成像已经成为发展 趋势,由于其对病变的敏感性高、无辐射、无需对比 剂、重复性好、节约资金等特点。 3.2在肿瘤鉴别中的应用 水分子弥散较活性肿瘤明显增高,主要原因是由于 坏死性肿瘤组织的细胞膜破裂,水分子的随意运动 使用MR.DWI在正常骨髓方面的研究为进一 步探讨其在疾病方面的研究提供了客观依据及 加快,而细胞膜完整的活性肿瘤组织对水分子弥散 有限制作用。DWI亦可显示人体内坏死性肿瘤与 ADC值参考范围。据国内外研究显示:DWI在骨髓 中的应用越来越受到重视,特别是在椎体病变的早 期发现及骨骼病变中良恶性的鉴别方面已显示出特 殊的优势。大量研究证明:退变、炎症、创伤、肿瘤等 其它因素严重影响活体组织的水分子扩散,其ADC 均值分别是(0.47±0.14)×10~、(1.26±0.28)× l0一 、(1.30±0.48)×10一 和(1.30±0.48)×10一 mm!/s_l 。此研究表明退变、感染和转移瘤的ADC 均值明显高于正常骨髓。Chan【12]对椎体良恶性病 变的ADC值研究得出,良性椎体压缩骨折ADC值 为(1.21±0.17)×10 mm /s,恶性椎体压缩骨折 ADC值为(0.92±0.20)x 10 mm /s,良性者的 ADC值高于恶性者,两者之间的差异有显著性。 Nagata等¨ 利用SSEPI序列对57例骨肌系统肿瘤 进行MR—DWI发现,取b值为1000 mm /s时,良、 恶性肿瘤的ADC值分别为1.97×10 mm /s和 1.35×10 mm /s,良恶性骨肌肿瘤之问ADC值差 异有显著性,有助于良恶性骨肿瘤的鉴别。尽管这 些研究为评价椎体病变提供新的定量分析信息,但 是良、恶性病变者之间鉴别至今尚无明确界定。 3.3在活检及治疗疗效中的应用 DWIBS在发现骨病变和骨髓穿刺活检之间两 者一致性非常高 J。近期研究显示¨ :恶性肿瘤在 DWI图肿瘤实性部分呈较高信号。因为大多数恶 性肿瘤生长活跃,其肿瘤细胞异常增殖,排列紧密, 导致细胞外间隙减小,细外水分子扩散运动受限, ADC值减低;同时应用DWI和ADC值测量,结合常 规MRI图像,可很好显示恶性肿瘤的侵犯范围及其 肿瘤中生长活跃部分所占比例,初步判断肿瘤组织 成分及恶性程度。结合常规MR及DWI图像特点, 肿块在各序列均呈低信号区域即是瘤骨存在的部 位,从而指导临床正确选取活检部位,对于提高活检 活性肿瘤ADC值的差别,结果与动物模型研究相 似,证明DWI可作为一种无创方法检测I临床治疗后 肿瘤的坏死程度。通过描述组织和器官内病理变化 的弥散信号改变和肿瘤区域放化疗前后ADC值的 检查比较,DWI技术开始应用于骨疾病治疗前评估 及治疗后评价,并对肿瘤治疗效果的预测取得了积 极的效果 17 3。DWI在评价肿瘤疗效中的价值在最 近的活体研究中也得到进一步验证。Woo等¨ 为 了优化放射剂量并得到满意的治疗效果对24例恶 性肿瘤脊柱转移瘤(原发癌包括乳腺侵袭性导管癌 l4例,肾纽胞癌2例,胃腺癌3例,肺癌2例,子宫 颈鳞状细胞癌、肝胆管细胞癌、肝细胞癌各1例)进 行放射治疗,放疗前1周及放疗后1~2月分别行常 规MRI和DWI(b值650 s/ram。时)检查。放疗前 脊柱转移瘤的ADC值为(0.75±0.03)×10 mm /s,放疗后ADC值升高到(1.22±0.02)×10 mm /s;正常骨盆的ADC值比转移瘤低,且放疗前 后没有变化,为(0.33±0.03)×10 mm /s。MR 扩散加权像常规sE序列T1 WI、 WJ信号形态变化 不大,则难以评估其疗效。在MR扩散加权像上,脊 柱转移瘤在放疗前相对于正常椎体为高信号,放疗 后临床症状改善者的脊柱转移瘤相对于正常椎体的 为低信号。ADC值定量分析显示病变区的ADC值 升高,而正常椎体的ADC值未见变化。该研究结果 表明,DWI能用于监侧和评估放骨转移瘤放射治疗 的疗效,而且有助于制定和调整下一步的治疗计划, 特别在临床医师判定患者是否需要进行下一个疗程 的治疗以改善患者生存质量和提高生存率方面具有 积极的作用。总之,DWI及其ADC值的测量为骨骼 疾病诊断和治疗提供了无可估量的信息,在未来的 研究和临床应用中,我们应该广泛而有效的将这些 信息付诸实践中。 泰山医学院学报 JOURNAL OF TAISHAN MEDICAL COLLEGE Vo1.3 1 No.2 2010 3.4 当前的限制及未来的发展 DWIBS在临床上的应用还不尽完善,技术上还 存在一些限制:①由于视野较小或呼吸不均匀,有可 能遗漏一些较小病变;②DWIBS的敏感性虽高,但 由于空间分辨率低,不能准确定位,其特异度也低; ③由于机器工作时间过长,会导致梯度系统不稳定, 造成图像变形或信号不均匀,影像ADC值测量的准 确性;④由于可能存在的Tl和(或) 穿透效应, DWIBS发现肿瘤的特异性会受限;DWIBS不能提供 病变准确的解剖位置¨ 等。 总之,DWI在发现病变及其评估骨转移方面比 有着较高的优越性和敏感性,可作为替代SPECT或 PET/CT工具,对良恶性骨肿瘤的鉴别及肿瘤治疗 前后的评价、预测还需要大量研究进一步评价其价 值。尽管这种方法在临床的应用还不是多完善,相 信随着核磁软硬件技术研究的深入和不断完善, DWIBS将会给临床创造更高的应用价值。 参考文献: 陈业媛,周战梅,何斌,等.DWI在单发性脑转移瘤、胶质瘤和 脑脓肿鉴别诊断中的价值[J].实用放射学杂志,2008,9(4): 87-89. 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