磁共振Dixon技术在骨髓脂肪定量中的应用

齐国将， 彭鹏

骨髓包含红骨髓(red bone marrow，RBM)，其含有造血细胞和间充质干细胞成分，作为脂肪以及富含脂肪细胞黄骨髓(yellow bone marrow，YBM)前体。学者[1]利用MR技术定量分析骨髓脂肪成分。骨髓脂肪增多会导致患骨质疏松症[2]、肥胖症[3]和糖尿病[4]等代谢性疾病骨折风险增加。因此，骨髓脂肪定量在诊断和预测相关疾病方面具有相当大潜力，可进一步了解骨髓病理及其与骨髓脂肪生成关系。骨髓组织中脂肪具有短T1值和中长T2值 ,在T1WI为高信号及在T2WI上为中等高信号。较高的脂肪信号会造成水脂交换界面上严重化学位移伪影，从而影响图像质量和降低病变检出率。因此，骨髓MR检查中抑制脂肪信号显得十分重要，在骨髓MR中利用脂肪抑制技术来诊断和鉴别各种病理改变。根据临床不同需求选择对应序列来定量或者抑制骨髓脂肪组织信号，这些序列包括频率预饱和翻转恢复序列(spectral presaturation inversion recovery，SPIR)、频谱变细反转恢复(spectral presaturation attenuated inversion recovery,SPAIR)、短时间反转恢复(short inversion time (TI) inversion recovery，STIR)[5]、化学位移成像(chemical shift imaging，CSI)和基于Dixon的方法。不同技术有不同优缺点，这使它们适用于不同磁体强度、设置和检查部位。笔者就Dixon技术的基本原理、发展与改进和其在骨髓磁共振成像领域中应用予以综述。

Dixon技术诞生

Dixon技术是由Dixon在1984年提出的[6]，其依赖水、脂肪化学位移差异，水中质子的进动频率比脂肪中质子进动频率要快约3.5 ppm，相当于150 Hz/T(在1.5T场强中进动频率差是225 Hz/T；在3.0T场强中进动频率差是450 Hz/T)。利用脂肪和水中质子进动频率不同分别采集水和脂肪相位差为0°(即同相位)和相位差为180°(即反相位)图像。Dixon表明两个图像简单加法和减法可以产生纯水图像和纯脂肪图像，即Dixon两点法。与其他脂肪抑制技术不同的是脂肪信号是在后处理中被抑制，而不是在信号采集过程中。Dixon两点法不足限制了它在临床中广泛应用。首先，对磁场B0不均匀敏感从而获得的图像中因相位误差导致水和脂肪分离不完全。其次，需增加扫描时间获取更多图像进行后处理，增加运动和呼吸伪影影响采集图像质量，进而影响后处理出来的同、反相位图像质量。

Dixon技术发展与创新

1.Dixon技术发展

为了改进上述中Dixon两点法的不足，Glover和Schneider[7]以及Glover[8]在1991年提出Dixon三点法，通过增加第三组图像来补偿对磁场B0不均匀敏感。使用第三组图像修改采集方案是(-180°，0°，180°)或(0°，180°，360°)的形式。Dixon三点法需要一个特定脂肪和水信号分离算法，这比Dixon两点法中使用简单加法或者减法要复杂得多，从而避免了因为相位误差导致水和脂肪分离不完全。由于增加了激励次数，所以也增加了组织对比的效果。这些改良后的Dixon三点法包括Ideal IQ(GE Healthcare)、mDixon (Philips Healthcare)和q-Dixon(Siemens Healthcare)。以q-Dxion为例，其一次扫描可得到4幅定量图像即水含量图、脂肪含量图、T2*图和R2*图。得到准确脂肪含量的同时还可计算出反映铁沉积状况T2*和 R2*值。

2.改良后Dixon技术优点

首先，Dixon三点法对B0和B1不均匀性不敏感，同时通过校正T2*消除T2*效应[9,10]。与化学选择脂肪饱和技术相比优势在于即使在难以化学脂肪饱和区域(例如颈部或肺部顶点)也能产生均匀脂肪抑制。其次，Dixon技术中采样数量增加使处理后纯水和纯脂肪图像中信噪比(SNR)增加，即使在具有高磁化率区域(如在金属植入物附近)也可显示高SNR图像。第三，Dixon技术具有扫描时间短、操作流程简单、后处理功能强大。

3.改良后Dixon技术不足

Dixon技术的缺点，目前Dixon偶尔出现水脂交换算法错误，是由于水和脂肪峰值变化而对水或脂肪不适当抑制。后续Dixon技术使用多个回波和脂肪峰计算有望减少这种错误，有利于在临床中开展与应用。

Dixon技术在骨髓脂肪定量中应用

1.腰椎椎体脂肪定量研究

单体素磁共振波谱(MRS)通常被认为是体内脂肪定量金标准[11,12]。但是，MRS对于硬件要求高且扫描时间过长，后处理过程繁琐，感兴趣区受限于体素大小，给临床应用带来诸多不便。因此，临床实践中有学者尝试将磁共振成像(MRI)其他脂肪定量技术作为替代方案。近年来，随着Dixon技术的发展，Dixon脂肪定量技术在骨髓脂肪含量方面的应用也逐渐增多[13]。Li等[14]通过3点Dixon序列测量20只雌性家兔骨髓脂肪分数(fat fraction，FF)发现3点Dixon序列定量骨髓FF具有重复性和稳定性。Zha等[15]利用Ideal IQ序列同样发现Dixon序列可用于定量评估家兔椎体脂肪沉积程度。Sang等[16]通过mDixon序列和单体素MRS对24名患者行腰椎椎体FF的测量，结果显示mDixon和MRS有很好一致性。研究表明Dixon序列可作为腰椎骨髓快速和准确定量脂肪的替代技术，同时通过测量FF值间接提示椎体骨质变化情况。Zhang等[17]研究结果同样提示Dixon序列在腰椎骨髓应用的可行性。

2.脊柱椎体脂肪抑制技术应用

快速自旋回波(FSE)T2WI是目前脊柱MRI检查的常规序列，在提供对比度同时可有效减少扫描时间。但FSE不可避免在T2WI上产生高脂肪信号[18]。高信号脂肪可能掩盖潜在病理改变如水肿、肿瘤转移等。所以，需要添加具有脂肪抑制T2WI以抑制具有丰富脂肪成分(例如腰椎)解剖区域。目前常用脂肪抑制技术有化学位移选择性饱和度(chemical shift selective，CHESS) 、STIR和SPAIR。CHESS具有脂肪选择性和高SNR的优点，但易受磁场不均匀性影响。STIR对磁场不均匀性不敏感; 但并不特定于脂肪。Brandao等[19]发现与STIR序列相比，Dixon在腰椎脂肪抑制效果更好。Lee等[20]通过比较Dixon和SPAIR序列对腰椎脂肪抑制作用，认为Dixon比SPAIR在腰部区域伪影更少。Dixon序列在骨髓脂肪抑制方面具有独特优势，在空气-组织和金属植入物层面，Dixon产生的伪影更少，可更好显示脊柱解剖细节和发现病灶。

3.良恶性椎体压缩性骨折(vertebral compression fractures，VCFs)鉴别

如何有效鉴别骨质疏松性VCFs和恶性VCFs对于临床诊疗和预后有着重要意义。传统MRI检查序列如T1WI、T2WI有助于鉴别良恶性VCFs，但是缺乏特异性[21]。新鲜骨折常规序列作用更加有限。骨质疏松性VCFs通常由脂肪细胞填充骨髓腔[22]，同时伴有一定程度骨髓水肿[23]。恶性VCFs中肿瘤组织浸润或者替代了正常骨髓和正常细胞。因此Yoo等通过改进的Dixon序列对120名患者的脊柱良恶性疾病进行研究，结果显示恶性VCFs的FF(2.8%)和FF比值(0.082)低于良性病变(P<0.001)，研究认为Dixon序列自动生成FF图可用于区分骨髓异常良恶性病变[24]。Kim等[25]对41名确诊急性椎体骨折患者回顾性分析Dixon检查结果发现以5.26%脂肪分数为诊断良恶性VCFs截断值具有很高诊断正确率(AUC，0.98)，只有1例确诊急性骨质疏松性VCFs的FF(2.8%)低于截断值，认为原因为严重压缩椎体存在T2*效应模糊导致。Schmeel等[26]在Kim学者研究的基础上对119名疑似VCFs患者行改良mDixon序列检查，发现利用mDixon序列生成质子密度脂肪分数对于良性和恶性VCFs鉴别诊断具有高准确性，患者可以避免进行有创骨穿刺活检及穿刺活检遗漏部分病灶可能，同时为临床进一步治疗提供指导意见。Schmeel等[27]利用六回波mDixon序列自动生成T2*图用于鉴别急性良恶性VCFs，研究发现急性良恶性VCFs的T2*值存在明显差异，通过T2*值可提高鉴别急性良恶性VCFs诊断准确性。总之，Dixon序列在良恶性椎体压缩性骨折方面显示了它特有序列优点和高诊断准确率，为临床进一步治疗提供有效指导。

4.评估骨质疏松症(osteoporosis,OP)

OP是一种以骨量减少、骨组织微观结构退变，骨脆性增加和骨折风险升高的疾病。OP最常见于老年人尤其是绝经后妇女[28]，OP的预防和诊疗成为亟待解决的难点问题。目前，双能量X线吸收测定法(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)是量化骨密度(bone mineral density，BMD)的非侵入性参考标准[29]，但DXA诊断OP准确性受到椎体骨折、脊柱退行性变化、腹主动脉动脉硬化和脂肪影响。为更准确评估OP需寻找替代技术。Griffith等[30]通过MRS技术对OP患者进行椎体骨髓脂肪定量，结果表明椎体脂肪含量与骨密度有关，骨密度降低同时伴随骨髓脂肪含量升高。但MRS序列对于磁场均匀度要求高，而且MRS检查大大增加磁共振扫描时间，对于患有OP中老年人长时间制动是一个挑战。随着Dixon技术不断发展，研究人员将Dixon技术用于OP的评估和预测。Zhao等[31]以BMD作为参考标准，表明通过Dixon技术得到腰椎骨髓FF和BMD存在中度负相关。Dixon技术可作为检测异常骨密度和OP的筛查工具之一。Dixon可用来诊断OP原理在于骨髓FF与BMD之间存在负相关，利用Dixon得到FF值准确定量脂肪含量。Guo等[32]同样发现骨髓FF与BMD之间存在负相关。研究纳入108名绝经后妇女，采用定量磁敏感图(quantitative susceptibility mapping，QSM)和Dixon定量不同BMD的绝经后妇女腰椎磁敏感值和骨髓FF，探讨QSM和骨髓FF在OP评估中的作用。结果显示骨髓FF仅对脂肪变化敏感，而QSM对脂肪和钙变化敏感。利用QSM+骨髓FF组合AUC值均高于QSM和骨髓FF的AUC值。通过利用QSM和骨髓FF组合有可能成为评估绝经后OP新检查方法。总之，骨髓FF是可以成为评估OP一个重要指标，Dixon是一种替代技术提供可靠骨髓FF定量。一次成像时间里除了定量FF，还可以提供脊柱解剖图像。

5.评估强直性脊柱炎

强直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一种病因尚不明确的慢性疾病，最先侵犯骶髂关节和脊柱等中轴关节，好发于青少年。骶髂关节是AS最常见也是最早侵犯的部位，骶髂关节炎早期诊断对AS患者有着很重要的意义。MRI在早期诊断骶髂关节病变有着无可比拟的优势。研究显示脂肪性病变是骶髂关节炎症消退、组织修复到新骨形成中关键一环[33,34]。因此，骶髂关节的脂肪定量研究对于评估骶髂关节炎进展和预测治疗效果有着重要意义。Ren等[35]通过DWI和IDEAL-IQ序列对58名AS患者和30名志愿者骶髂关节进行检查，结果显示在鉴别非活动性骶髂关节炎组与志愿者组中FF值AUC是最高的，FF值有最大诊断效能。Ren认为DWI和IDEAL-IQ序列有助于定量评估AS患者骶髂关节炎的活动进展。Koo等[36]对138名脊柱关节炎患者的骶髂关节进行FF值的定量评估，结果表明随着疾病不断进展骶髂关节脂肪沉积比例越来越高，高于正常骨髓脂肪含量。炎症活动期时由于骨髓水肿所以FF值明显低于正常骨髓值。他认为通过Dixon技术FF值有助于评估脊柱关节炎进展。Özgen等[37]在诊断活动性和慢性骶髂关节炎中将多点Dixon序列与T1加权、脂肪饱和T2加权和对比增强进行比较，结果显示多点Dixon在鉴别活动性和慢性骶髂关节炎中更具有优势。认为可以替代T1加权、脂肪饱和T2加权和对比增强，在节约大量时间和成本同时还可以避免对比剂潜在不良反应。

综上所述，Dixon技术具有许多优势，在骨骼成像中可提供更好脂肪抑制技术的同时，还可精确定量脂肪，通过脂肪含量来有效鉴别良恶性椎体压缩性骨折，间接评估骨质疏松症，直接评估骶髂关节炎。未来随着硬件和后处理工作站不断迭代升级，Dixon技术在骨肌系统应用价值会越来越大。