MR扩散张量成像在骨骼肌研究中的应用进展

葛晓雪，孙洪赞，孙英伟，郭启勇

（1.中国医科大学附属盛京医院放射科，辽宁 沈阳　110004；2.辽宁中医药大学附属医院放射科，辽宁 沈阳　110032）

◁综述▷

MR扩散张量成像在骨骼肌研究中的应用进展

葛晓雪1，孙洪赞1，孙英伟2，郭启勇1

（1.中国医科大学附属盛京医院放射科，辽宁 沈阳110004；2.辽宁中医药大学附属医院放射科，辽宁 沈阳110032）

肌，骨骼；磁共振成像

MR扩散张量成像（Diffusion tensor imaging，DTI）是目前唯一可以对组织内水分子扩散状况进行定量分析，并对三维组织纤维结构进行示踪的磁共振技术，此项技术最开始主要用于评价脑白质结构及神经纤维束成像，随着技术的发展和研究的深入，骨骼肌逐渐成为了DTI研究的热点，本文将对DTI在骨骼肌研究中的应用进行简要综述。

1　概述

DTI最早于1994年由Basser等［1］提出，是扩散加权成像的一种延伸，反映各个方向上水分子扩散的快慢。人骨骼肌含75%～80%的水，细胞内的水分子受细胞器、大分子和细胞膜的限制，不能进行自由运动，相对而言细胞外水分子的运动更加的自由［2］，这种水分子自由运动上的差异是DTI评价活体组织的基础，为三维组织纤维结构的合成提供解剖学和细微结构的信息。

骨骼肌的DTI技术主要采用回波平面成像（Echo planar imaging，EPI）序列，虽然对磁敏感伪影和化学位移伪影敏感，但具有信噪比高和成像速度快的优点，可以精确定量扩散效应［3］。针对技术参数的优化，Saupe等［4］认为1.5T的场强下，b值为625 s/mm2对骨骼肌DTI最佳。也有研究认为，当信噪比和梯度方向分别≥25和≥12，并且b值在400～500 s/mm2之间时，骨骼肌DTI的数据采集最佳［5］。

用于描述DTI的主要参数包括表观扩散系数（Apparent diffusion coefficient，ADC），本征值λ1、λ2、λ3，各向异性分数（Fractional anisotropy，FA）和 相 对 各 向 异 性 （Relative anisotropy，RA）等。其中ADC不具方向性，反映单位体素内整体微观运动快慢。λ1代表的是肌纤维的走行方向，是最大的本征值，此方向上水分子扩散是最快的，λ2和λ3代表垂直肌纤维长轴方向上水分子的扩散，其中λ2与肌内膜内的扩散有关，λ3与单一肌肉内所有肌纤维的平均直径相关，代表了跨越肌纤维横截面积的扩散［6］。FA表示水分子各向异性成分占整个扩散张量的百分比，范围为0～1，FA的值越大，表示扩散的各向异性越强。

DTI的可视化图像主要有彩色编码图和纤维示踪技术。FA图是DTI最常用的编码图，直接反映各向异性的比例，间接反映组织水扩散的快慢，FA值越大，FA图信号强度越强。纤维示踪技术利用组织内水分子扩散的各向异性来显示各个像素之间的连续性，三维立体的显示肌纤维的走行结构。

2　应用

2.1正常骨骼肌研究

正常骨骼肌有高度组织化的层次结构，很多学者对正常大腿、小腿及足部的肌肉进行DTI研究。正常大腿肌肉的平均FA值为0.27～0.38，ADC值为0.76×10-3～0.96×10-3mm2/s，其中股四头肌的FA和ADC值为0.25和1.91×10-3mm2/s，而腘绳肌分别为0.28和1.64×10-3mm2/s，两者具有明显的差异［7-8］。同样具有差异性的还有正常小腿肌肉，FA值为0.26～0.42，3个本征值分别为 2.0×10-3～2.5×10-3mm2/s、1.4×10-3～1.8×10-3mm2/s和0.8×10-3～1.3×10-3mm2/s，其中胫骨前肌的本征值最小，FA值最大，腓肠肌的FA值最小［6］。也有研究发现比目鱼肌的λ1是最小的，而且不同肌肉的FA值存在统计学差异［9］。另外足部肌肉的平均ADC值和FA值分别为（1.48～1.55）×10-3mm2/s和0.21～0.40［10］。还有研究对深层盆底肌肉进行参数测定，发现尿道括约肌的FA值最低，肛门括约肌最高，为盆底肌肉DTI研究提供参数标准［11］。

骨骼肌内水分子的扩散可能受很多因素影响，例如年龄。有研究发现高龄组骨骼肌的3个本征值较年轻组明显增加，但FA的增加不明显。高龄组肌肉的纤维长度较青年组明显缩短，羽状角变小不明显。可见随着年龄增长、肌肉萎缩及纤维化的增加，阻碍了肌肉内水分子的扩散，导致了老龄肌肉功能的改变［12］。但也有研究证明年龄对骨骼肌DTI参数没有影响，年轻组和老年组大腿肌肉的ADC值及FA值分别为1.76×10-3mm2/s、1.83×10-3mm2/s和0.27、0.26，没有统计学差异［13］。Jones等［14］通过对腰方肌的研究也得到了同样的结论，认为骨骼肌DTI参数与年龄无关，而受人体质量指数影响。同样存在争议的还有性别因素，Kermarrec等［13］对大腿肌肉进行DTI研究，发现男性和女性的FA值都是0.26，两组的ADC值也非常接近，认为性别对骨骼肌水分子扩散没有影响。但也有研究发现女性骨骼肌本征值较男性高，而男性的FA值则高于女性［8］。这两项因素的影响仍需要更多的研究来证实。

正常人的体位变化和肢体受压情况改变也会对骨骼肌水分子扩散产生影响，站立位到平卧位，小腿肌肉的3个本征值和ADC明显下降，而FA没有明显的变化［15］。当踝关节跖屈角度从正立位（角度为90°）变为跖屈位（120°）时，比目鱼肌的3个本征值是增加的，中比目鱼肌和后比目鱼肌FA有下降趋势，而前比目鱼肌的FA则是升高的［16］。肌肉受压和拉伸时，FA升高，λ3下降，这些改变可能是由肌纤维半径变小，肌肉水分子扩散减低引起的［17-18］。

DTI可以测量肌纤维的长度和羽状角，还可用来测量骨骼肌肌纤维的比例［19］。有研究显示认为Ⅰ型肌纤维的分布比例越大，肌肉的FA值越高，同时RD和MD就越低，PD无明显的相关性［20］。还有研究发现，比目鱼肌的最大肌力与FA呈负相关，与RD呈正相关，肌肉内Ⅱ型肌纤维含量增加，最大肌力也增大，并推测Ⅱ型肌纤维的更大纤维直径和更低线粒体浓度，是导致DTI参数变化的可能因素，并认为DTI可以对肌纤维分布进行无创测量［21］。

2.2病变骨骼肌的应用

2.2.1运动损伤

骨骼肌损伤在日常生活和临床诊疗中都很常见，外伤、体力劳动、运动训练等都可能导致肌肉损伤。肌肉损伤由轻到重可表现为正常、水肿、损伤及破裂等，ADC和FA值依次是升高和下降的，纤维示踪图像中，肌纤维走行依次表现为轻微紊乱、明显紊乱及结构消失［22］。与之前Zaraiskaya等［23］对损伤腓肠肌和比目鱼肌的研究结果相同。当肌肉拉伤时，ADC增加，FA平行下降，同时T2的变化没有DTI明显，而且肌营养不良大鼠的参数变化比正常对照组要明显［24］。对于运动诱导的骨骼肌损伤，有研究发现15或30min的冰敷可以使DTI参数的变化幅度减小，减轻或限制了肌细胞的水肿和渗出，有利于运动微损伤的恢复［25］。另外，作为肛门失禁的最常见原因之一，妇女生产时肛门括约肌的损伤也可以通过DTI进行评价［26］。

2.2.2缺血缺氧损伤

骨骼肌缺血-再灌注可导致肌肉微血管和细胞损伤，在创伤性休克、外科手术、器官移植、烧伤、冻伤等血液循环障碍时都会发生，早期的诊断治疗对病情的控制和恢复有很大意义。Heemskerk等［30］用DTI来研究成年小鼠骨骼肌短暂缺血和再灌注时的扩散特点，发现缺血再灌注损伤时肌纤维是肿胀的，其ADC值、本征值、FA的变化都与细胞的损伤程度平行，其中以λ3的改变最大。兔后肢缺血模型的研究发现早期λ3的升高与细胞肿胀时水分子扩散的增加有关，认为ADC和FA值可较好的反映肌肉结构和功能变化［31］。最近的一项研究［32］比较了成年和幼年SD鼠缺血损伤后肌肉再生情况，结果表明幼年鼠肌肉对缺血的反应更敏感，恢复的更快，证明了肌肉缺血损伤恢复与年龄的相关性。

慢性劳力性筋膜室综合征 （Chronic exertional compartment syndrome，CECS）也是骨骼肌缺血缺氧病变的一种，可以伴随严重的并发症，早期准确的诊断治疗很重要。Sigmund等［35］对7位临床怀疑CECS患者及8位健康志愿者在运动之前和之后进行时相DTI，发现CECS患者的肌纤维间的高压水肿提高了水分子自由扩散并限制了运动诱导的肌纤维扩张。这种特异性有助于临床对CECS疾病的鉴别诊断及相关治疗的效果评价。

2.2.3去神经支配

肌肉去神经支配主要由外伤和神经系统疾病导致，在其典型症状出现之前，其形态学及代谢方面有很多的改变，例如细胞膜渗透性的改变，可以通过DTI早期检测出来。对坐骨神经切断后25天的大鼠进行DTI研究，受累肌肉的FA升高，λ2和λ3减小，可能与肌肉萎缩时，肌纤维直径的缩小及细胞外间隙的增宽有关［33］。而针对兔失神经靶肌肉模型的研究则发现，造模后第1天，FA和本征值都下降，分别在第2和第4周达到最低值，随后逐渐升高，至第8周基本恢复正常水平，并由此推测靶肌肉再生的时间点可能在第4周［34］。

2.2.4炎性损伤

炎症改变是肌肉损伤的致病机制之一，也有学者在此方向展开研究。对鼠大腿肌肉注射能够致炎的角叉菜胶100μL，在随后的6～8 h内进行DTI成像，发现3个本征值及ADC升高，其中λ3的变化最明显，而FA则没有明显的改变，但有下降的趋势［27］。同样的肌肉炎症模型，也有研究发现FA是明显下降的［28］。

Esposito等［29］对注射了蛇毒血清的小鼠胫骨前肌（TA）进行观察，分别在毒素注射前和注射之后的第1、3、5、7、10、15 和30天进行MRI和组织学分析，发现注射后第1天TA肌纤维坏死，纤维原结构丢失，FA值达到最低限，随后FA随着组织未成熟肌纤维的再生平行增高，在第5天达到峰值，之后再生肌纤维逐渐增粗成熟，FA也逐渐回到原始值。可见DTI可直观反映急性骨骼肌损伤修复过程。

综上所述，DTI在骨骼肌方面的研究主要采用回波平面成像技术，通过表观扩散系数、本征值、各向异性分数等参数及可视化图像处理，对肌肉组织内水分子扩散情况进行定量分析。目前DTI已经在正常及运动、缺血缺氧、去神经支配及炎症损伤等病变骨骼肌的研究取得一定的进展，但相对于应用较为广泛的脑神经方面来说，仍存在很多不足，但随着技术的发展和科研的深入，DTI定会为骨骼肌甚至全身各个器官组织疾病的诊断、治疗及预后提供确切有效的指导。

［1］Basser PJ，Mattiello J，LeBihan D.Estimation of the effective self-diffusion tensor from the NMR spin echo［J］.J Magn Reson B，1994，103（3）：247-254.

［2］Khoo MM，Tyler PA，Saifuddin A，et al.Diffusion-weighted imaging（DWI）in musculoskeletal MRI：a critical review［J］.Skeletal Radiol，2011，40（6）：665-681.

［3］邓德茂，孟悛非，张朝晖，等.正常人小腿肌肉3T MR扩散张量成像的参数优化［J］.中华放射学杂志，2009，43（6）：637-642.

［4］Saupe N，White LM，Stainsby J，et al.Diffusion tensor imaging and fiber tractography of skeletal muscle：optimization of B value for imaging at 1.5T［J］.Am J Roentgenol，2009，192（6）：W 282-290.

［5］Froeling M，Nederveen AJ，Nicolay K，et al.DTI of human skeletal muscle：the effects of diffusion encoding parameters，sig-nal-to-noise ratio and T2on tensor indices and fiber tracts［J］. NMR Biomed，2013，26（11）：1339-1352.

［6］Galban CJ，Maderwald S，Uffmann K，et al.Diffusive sensitivity tomusclearchitecture：amagneticresonancediffusiontensor imaging study of the human calf［J］.Eur J Appl Physiol，2004，93（3）：253-262.

［7］Budzik JF，Le Thuc V，Demondion X，et al.In vivo MR tractography of thigh muscles using diffusion imaging：initial results［J］. Eur Radiol，2007，17（12）：3079-3085.

［8］Galban CJ，Maderwald S，Uffmann K，et al.A diffusion tensor imaging analysis of gender differences in water diffusivity within human skeletal muscle［J］.NMR Biomed，2005，18（8）：489-498.

［9］邓德茂，孟悛非，马玲，等.正常人小腿肌肉3.0T磁共振扩散张量成像初步研究［J］.临床放射学杂志，2008，27（5）：663-667.

［10］Elzibak AH，Kumbhare DA，Harish S，et al.Diffusion Tensor Imaging of the Normal Foot at 3T［J］.J Comput Assist Tomogr，2014，38（3）：329-334.

［11］Zijta FM，Froeling M，van der Paardt MP，et al.Feasibility of diffusion tensor imaging（DTI）with fibre tractography of the normal female pelvic floor［J］.Eur Radiol，2011，21（6）：1243-1249.

［12］Sinha U，Csapo R，Malis V，et al.Age-related differences in diffusion tensor indices and fiber architecture in the medial and lateral gastrocnemius［J］.JMagn Reson Imaging，2014.

［13］Kermarrec E，Budzik JF，Khalil C，et al.In vivo diffusion tensor imaging and tractography of human thigh muscles in healthy subjects［J］.Am J Roentgenol，2010，195（5）：W352-356.

［14］Jones GE，Kumbhare DA，Harish S，et al.Quantitative DTI assessment in human lumbar stabilization muscles at 3T［J］.J Comput Assist Tomogr，2013，37（1）：98-104.

［15］Elzibak AH，Noseworthy MD.Assessment of diffusiontensor imaging indices in calf muscles following postural change from standing to supine position［J］.MAGMA，2014，27（5）：387-395.

［16］Sinha U，Sinha S，Hodgson JA，et al.Human soleus muscle architecture at different ankle joint angles frommagnetic resonance diffusion tensor imaging［J］.J Appl Physiol（1985），2011，110（3）：807-819.

［17］Schwenzer NF，Steidle G，Martirosian P，et al.Diffusion tensor imaging of the human calf muscle：distinct changes in fractional anisotropy and mean diffusion due to passive muscle shortening and stretching［J］.NMR Biomed，2009，22（10）：1047-1053.

［18］HataJ，Yagi K，HikishimaK，et al.Diffusionfractional anisotropy-based transformationin skeletal muscle causedby pressure［J］.Magn Reson Med Sci，2012，11（3）：179-184.

［19］Heymsfield SB，Adamek M，Gonzalez MC，et al.Assessing skeletal muscle mass：historical overview and state of the art［J］. J Cachexia Sarcopenia Muscle，2014，5（1）：9-18.

［20］Scheel M，von Roth P，Winkler T，et al.Fiber type characterization in skeletal muscle by diffusion tensor imaging［J］.NMR Biomed，2013，26（10）：1220-1224.

［21］Scheel M，Prokscha T，von Roth P，et al.Diffusiontensor imaging of skeletal muscle-correlation of fractional anisotropy to muscle power［J］.Rofo，2013，185（9）：857-861.

［22］Zeng H，Zheng JH，Zhang JE，et al.Grading of rabbit skeletal muscle trauma by diffusion tensor imaging and tractography on magnetic resonance imaging［J］.Chin Med Sci J，2006，21（4）：276-280.

［23］Zaraiskaya T，Kumbhare D，Noseworthy MD.Diffusion tensor imaging in evaluation of human skeletal muscle injury［J］.J Magn Reson Imaging，2006，24（2）：402-408.

［24］McMillan AB，Shi D，Pratt SJ，et al.Diffusion tensor MRI to assess damage in healthy and dystrophic skeletal muscle after lengthening contractions［J］.J Biomed Biotechnol，2011，2011：970726.

［25］王丰哲，潘诗农，安琦，等.大鼠骨骼肌急性挤压伤冰敷治疗扩散张量成像动态研究 ［J］.中华放射学杂志，2010，44（12）：1329-1334.

［26］Mittal RK，Bhargava V，Sheean G，et al.Purse-string morphology of external anal sphincter revealed by novel imaging techniques［J］.Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2014，306（6）：G505-514.

［27］Bryant ND，Li K，Does MD，et al.Multi-parametric MRI characterization of inflammation in murine skeletal muscle［J］.NMR Biomed，2014，27（6）：716-725.

［28］Fan RH，Does MD.Compartmental relaxation and diffusion tensor imaging measurements in vivo in lambda-carrageenan-induced edema in rat skeletal muscle［J］.NMR Biomed，2008，21 （6）：566-573.

［29］Esposito A，Campana L，Palmisano A，et al.Magnetic resonance imaging at 7T reveals common events in age-related sarcopenia and in the homeostatic response to muscle sterile injury［J］.PLoS One，2013，8：e59308.

［30］Heemskerk AM，Drost MR，van Bochove GS，et al.DTI-based assessment of ischemia-reperfusion in mouse skeletal muscle［J］. Magn Reson Med，2006，56（2）：272-281.

［31］曾祥柱，李选，余若辉，等.兔骨骼肌缺血模型扩散张量成像研究［J］.中华放射学杂志，2010，44（2）：207-212.

［32］Jiang K，Wang X，Lei H，et al.Investigation of muscle degeneration process in young rats with ischemia injury using MR diffusion tensor imaging［J］.Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc，2013，2013：81-84.

［33］Zhang J，Zhang G，Morrison B，et al.Magnetic resonance imaging of mouse skeletal muscle to measure denervation atrophy［J］. Exp Neurol，2008，212（2）：448-457.

［34］蒙秋华，林云恩，陈镜聪，等.失神经靶肌肉的弥散张量成像与病理对比研究［J］.中华关节外科杂志，2013，7（2）：207-212.

［35］Sigmund EE，Novikov DS，Sui D，et al.Time-dependent diffusion in skeletal muscle with the random permeable barrier model（RPBM）：application to normal controls and chronic exertional compartment syndrome patients［J］.NMR Biomed，2014，27（5）：519-528.

Progress of the application of MR diffusion tensor imaging in skeletal muscle

GE Xiao-xue1，SUN Hong-zan1，SUN Ying-wei2，GUO Qi-yong1
（1.Department of Radiology，Shengjing Hospital of China Medical University，Shenyang 110004，China；2.Department of Radiology，Affiliated Hospital of Liaoning University of Traditional Chinese Medicine，Shenyang 110032，China）

R685；R445.2

B

1008-1062（2015）02-0122-03

2014-07-16；

2014-10-13

葛晓雪（1990-），女，辽宁东港人，硕士研究生。

郭启勇，中国医科大学附属盛京医院放射科，110004。