不同场强下磁共振IDEAL-IQ技术对腰椎椎体脂肪含量定量对比分析

宋 宇，宋清伟，张 楠，刘爱连，苗延巍

（大连医科大学附属第一医院放射科，辽宁 大连 116011）

骨髓是人体内的造血组织，成年人的骨髓一般分为黄骨髓和红骨髓，是重要的造血组织和免疫组织[1]，而脂肪组织是髓腔的重要组成。随着研究的不断深入，有研究证实骨髓脂肪细胞与成骨细胞源自共同前体——骨髓间充质干细胞[2]。由此可见，脂肪组织是影响骨髓微环境的重要因素之一。因此，骨髓内的脂肪组织的变化将直接影响骨髓组成成分的变化，而磁共振骨髓脂肪定量技术可以监测骨髓脂肪变化，对骨髓病变进行诊断或对其功能状态进行评估。目前，非对称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 quan-titation sequence，IDEAL-IQ）技术在不同场强间脂肪定量的相关性研究方面的文献报道较少，本文拟探讨IDEAL-IQ技术评估腰椎椎体脂肪含量（Fat fraction，FF）在不同场强下的相关性，这对于临床工作中在不同场强下进行FF值测量是否有误差这一问题提供帮助。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取2018年4月来我院进行常规体检的志愿者 21 名，年龄 21～50 岁（均为女性），平均（27.95±9.92）岁，所有健康志愿者均签署知情同意书，且无MRI检查禁忌症，如体内有起搏器、支架、金属植入物等，常规MR检查椎体无形态及信号异常者。在控制体质指数（Body mass index，BMI）无统计学差异后，上述21例健康志愿者在4～6 h内分别接受1.5T MR和3.0T MR扫描，扫描序列包括矢状位T2WI、T1WI、轴位T1WI和IDEAL-IQ序列。

1.2 MR检查方法及数据测量

分别采用GE Signa HDxt 1.5T和GE Signa HDxt 3.0T MR扫描仪及8通道颈胸腰线圈，所有检查者取仰卧位，头先进，扫描序列包括矢状位T2WI和IDEAL-IQ序列。IDEAL-IQ序列参数如下：1.5T MR 上 ，TR=17.6 ms，TE=6 ms，NEX=4，FOV=32 cm×32 cm，层厚=5 mm，Phase=192，翻转角=5°，带宽=125 kHz， 扫描时间为 122 s；3.0T MR 上，TR=5.7 ms，TE=2.8 ms，NEX=4，FOV=32 cm×32 cm，层厚=6 mm，Phase=192，翻转角=3°，带宽=125，扫描时间为78 s。通过一次扫描，系统可自动生成6幅图像，包括R2*弛豫率像、水像、脂像、同相位及反相位图像。在GE AW4.6后处理工作站上根据脂像分别测量L1～L5椎体FF值：选取L1～L5椎体矢状面最大层面（即经过腰椎正中的图像），手动放置长方形感兴趣区（ROI）到椎体中心位置，ROI大小约为232mm2，且每个椎体ROI均相同，每个ROI要最大限度包括椎体松质骨，但要避开骨皮质、终板和椎间盘。每个椎体测量2次，求平均值[3-4]。

1.3 统计学处理

采用SPSS 17.0软件统计包，单因素方差分析（Analysis of variance ANOVA）对各椎体FF值的差异进行方差齐性检验，使用配对样本t检验对比分析两种场强的FF值，P＜0.05表示有统计学差异。

2 结果

如表1所示，不同场强下各椎体间FF值比较结果显示，1.5T和3.0T MRI两次扫描所获得的腰椎椎体（L1～L5）FF 值无统计学差异：1.5T&3.0T L1（t=1.58，P=0.13），1.5T&3.0T L2（t=-1.11，P=0.28），1.5T&3.0T L3（t=0.77，P=.45），1.5T&3.0T L4（t=0.67，P=0.51），1.5T&3.0T L5（t=0.18，P=0.86），P 值均大于0.05。

表1 不同场强下各椎体间FF值对比

图1 ～4 女，21岁，BMI为19.49 kg/m2。 图1，2：1.5T MR腰椎IDEAL-IQ脂肪分量图和对应伪彩图；图3，4：3.0T MR腰椎IDEAL-IQ脂肪分量图和对应伪彩图。Figure 1～4. Female,21 years old,BMI was 19.49 kg/m2.Figure 1～2:1.5T MR lumbar vertebra IDEAL-IQ fat fraction map and corresponding pseudo color map;Figure 3～4:3.0T MR lumbar vertebra IDEAL-IQ fat fraction map and corresponding pseudo color map.

3 讨论

近年来，各种影像成像方法在骨髓脂肪评估方面，取得了一定的进展。目前，定量测量骨髓FF值的方法有很多，如弥散加权成像（DWI）、磁共振波谱成像（MRS）和化学位移水脂反相位饱和成像（Dixon技术），但均存在一定的局限性。如在DWI检测中，骨髓脂肪含量的改变会导致相应细胞外间隙的改变，从而影响水分子的扩散，其定量指标ADC值能对组织内水分子随机扩散的程度做定量测量，但其结果易受b值的影响。应用小b值时，DWI除了受扩散影响，还受局部组织微循环血流灌注的影响；高b值时则受血流灌注影响较小，但空间分辨率和信噪比较差[5]。MRS技术扫描条件较严格，过程较复杂，时间较长，技术稳定性较差，不便于临床工作中的使用[6]。常飞霞等[7]利用Dixon技术对椎体FF值进行测量，然而，水和脂肪的进动频率易受主磁场和射频场不均匀的影响，会产生相位误差，从而导致解得的水像、脂肪像不纯，即存在水、脂错换。而IDEALIQ技术通常利用3D FSPGR在一个TR中采集6个梯度回波，采用多回波的水脂分离技术，根据多回波信号变化曲线在进行脂肪定量时能够去除组织T2*的干扰，从而精确量化脂肪的百分比，从技术角度而言具有很大的优势。近年来，脂肪定量技术在骨骼及肌肉系统疾病中的应用研究越来越多，很多研究证实骨髓脂肪浸润与骨质疏松、强直性脊柱炎、贫血和恶性肿瘤造成骨髓变化，肌肉脂肪侵润和退变等疾病有关。Hu等[8]通过定量动态对比增强MR（DCE）和IDEAL-IQ序列来确定四氧嘧啶诱导的兔糖尿病模型中腰椎骨髓渗透性与骨髓脂肪组织之间的关系，结果表明其腰椎微血管通透性和椎体脂肪沉积增高高度相关，说明糖尿病和腰椎椎体骨髓含量之间也有一定的关系。Aoki等[9]利用IDEAL-IQ来评估骨髓脂肪在不同骨部位的变化，并调查其与年龄和更年期的关系，结果表明骨髓脂肪含量在腰椎有明显的差异，且绝经后女性FF值明显高于绝经前女性（P＜0.05），而在股骨大转子中则无明显差异。这也是本研究为什么选择腰椎作为FF值的定量评估是否受不同场强影响的原因。代岳等[10]利用IDEAL-IQ技术对不同年龄椎体骨髓FF值进行定量评估，其结果表明随着年龄的增加，椎管内FF值逐渐增加。骨髓脂肪定量技术通过对量化结果的分析，有助于临床医生对疾病的发生和发展过程有更详尽的了解，同时也对预防疾病的发生、评估药物的疗效等具有重要意义。但很少有研究表明骨髓脂肪定量技术是否受不同场强或不同MR设备的影响，骨髓脂肪组织的定量测量是否有显著差异，这对于精确评估骨髓FF值具有重大的临床意义，本研究的创新点即在此。Roldan-Valadez等[11]用MRS技术对44名健康志愿者进行3T磁共振检查，在控制BMI之后，评估每个腰椎椎体FF值是否因性别和年龄的差异而有所不同。研究结果表明，使用MRS对骨髓脂肪进行定量可能被用作临床环境中骨髓活性的替代生物标志物，说明了腰椎椎体骨髓FF值与性别和年龄密切相关。与Martin等[12]的研究相似，本研究也发现随着年龄的增长，腰椎椎体FF值也逐渐增加，这是因为人体骨髓是由红骨髓和黄骨髓组成的，随着年龄的增长，红骨髓逐渐向黄骨髓转变所致。

场强越高，磁共振图像信噪比越高，具有更高的时间分辨率和空间分辨率，还可以提高波谱和fMRI分辨率，识别更多的代谢物峰或脑激活区，但需要注意的是，运动伪影也因此较1.5T加重，呼吸运动、肠道运动及血管搏动伪影表现更明显。场强越高，也会带来组织纵向弛豫时间T1的延长。磁共振成像信号产生的过程中，90度射频脉冲关闭后，Mz开始以特定的弛豫速率从零恢复到初始最大值，在此过程中仍受到主磁场B0的牵制和反作用力，所以磁场越大，反作用力越大，恢复速度越慢，其T1值越大，因此，T1对比度下降。此外，在气体与组织交界面，由于T2*相移，容易出现图像变形或局部低信号甚至无信号区，磁场越高，T2*相移更加明显，磁敏感现象加重。本实验显示健康成年女性在1.5T和3.0T IDEAL-IQ序列上测得的FF值具有高度一致性，无明显统计学差异，表明IDEAL-IQ序列测量的腰椎椎体FF值在不同场强间是可替代的。

在无创磁共振脂肪相关成像技术中利用化学位移的双回波成像也是临床实践工作中广泛应用的一种方法。在严格排除其他干扰因素如铁过载、纤维化时，这种方法也能比较准确的反映FF值。其基本原理是：同相位信号等同于水脂相加，反相位信号等同于水脂相减，这样我们可以通过运算求得脂肪在整个信号中的百分比。但这种方法的一个内在的问题是忽略了同反相位回波时间不同所导致的信号衰减。实际上在很多病理情况下这种衰减不能忽略不计。同反相位方法的另一个问题是：在同反相位中所关注的脂肪是甘油三酯，甘油三酯和水的共振频率差异是3.5 PPM（在人体体温时略有变化，为不使问题复杂化此处不做进一步讨论）。但由于脂类分子结构的复杂性使得总体脂类的化学位移随着分子结构不同化学位移也有所不同。在所有的脂类物质中甘油三酯所占的比例为75%，其它脂类物质与甘油三酯间比例相对恒定。在同反相位成像所能探测到的脂类信号只与甘油三酯相关，而其它脂类物质未予考虑。同时在同反相位成像我们所看到的信号还受许多扫描参数影响如回波时间、翻转角等。基于以上因素这种利用同反相位化学位移成像所测量出的脂肪分数属于信号水平域的脂肪分数。与同反相位化学位移成像相比，IDEAL-IQ采用多回波成像技术并依此计算出信号弛豫率，在进行脂肪定量计算时校正由于弛豫率不同所导致的信号衰减；而在计算模型中也充分考虑到甘油三酯以外的其他脂类物质的含量，当计算出甘油三酯的含量后根据相对比例计算其它脂类物质。在参数设计方面也充分考虑到T1弛豫等因素的影响并加以克服。正因为如此，IDEAL-IQ技术才实现了从传统基于信号的脂肪分数到基于质子密度的脂肪分数的飞跃。同时因为IDEDL-IQ是三维容积扫描，也克服了MRS等的采样误差等缺陷，且兼具扫描时间点无须繁琐后处理等优点，在临床上具有更强的可操作性。IDEAL-IQ技术采用区域增长技术，从而克服了传统水脂分离技术对主磁场均匀度的高度依赖性，确保精确量化FF值。IDEAL-IQ可结合多种数学算法能对T2*衰减、脂肪的多谱峰分布等进行校正，因此，IDEAL-IQ技术可作为定量评估FF值的一种较可靠的方法。

本研究也存在一定的局限性：研究对象中受试者均为女性。但Heba等[13]和Ruschke等[14]的研究中均表明性别差异对FF值的测量的准确率无明显差异。此外，本研究仅在GE公司的设备上进行，且数值均在GE ADW4.6工作站上测得，不同厂家的设备和不同的后处理工作站对于FF值的测量是否有差异还有待进一步研究。

综上所述，磁共振IDEAL-IQ技术可作为定量评估腰椎椎体FF值的一种可靠的方法，且在1.5T和3.0T场强下具有很好的一致性。基于该技术对人体无电离辐射，无需活检穿刺，操作简单易行等优点，可被临床广泛使用，并且为疾病的发生、发展提供一定的理论依据。