磁共振成像技术在非酒精性脂肪性肝病肝脂肪定量中的应用

穆 容， 陆伦根

上海交通大学 医学院， 上海 200025

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD) 是一种与胰岛素抵抗和遗传易感密切相关的代谢应激性肝损伤，疾病谱包括非酒精性肝脂肪变、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、NASH相关肝硬化和肝细胞癌[1]。随着生活方式和饮食习惯的改变，NAFLD已成为中国乃至全球慢性肝病的首要病因，其全球患病率约为25%，中国城市人口患病率已达到27%[2]。在排除过量饮酒等其他病因后，临床上可通过弥漫性肝细胞脂肪变的影像学或组织学证据诊断NAFLD、评估肝脂肪变性程度[3]。肝脂肪变性程度与肝细胞炎症损伤及纤维化密切相关，是诊断疾病、评估病情、预测并发症和肝外疾病风险的重要指标[4]。肝活组织检查是定量检测脂肪变性程度的金标准，但存在侵入性、取样误差、观察者误差、可重复性差等缺点。超声检查、CT和MRI等影像学技术也已被应用于NAFLD的临床诊断与研究中。腹部超声和CT作为经典检查手段应用广泛，但对肝轻度脂肪变诊断的灵敏度和特异度不高，且无法准确定量[3]。基于瞬时弹性超声(FibroScan和FibroTouch)的受控衰减参数(controlled attenuation parameter, CAP)能够检出5%以上的肝脂肪变，可较准确区分轻度与中-重度肝脂肪变，但对轻度脂肪肝定量检测的可靠性相对较差[5]。MRI具有安全无创、准确性高、稳定性好、可重复等优点，诸多研究证实了其在肝脂肪变性评估与定量中的作用，欧洲肝病学会也肯定了磁共振波谱成像(magnetic resonance spectroscopy, MRS)、MRI质子密度脂肪分数(proton density fat fraction, PDFF)与组织活检的一致性[6]。本文就MRI在NAFLD肝脂肪定量的研究进展作一综述。

1 脂肪抑制技术

常规SE序列扫描时，正常肝组织的T1WI和T2WI表现为均匀的中等信号，信号强度异常升高提示肝内脂肪含量增加，但其对轻度脂肪变不敏感，且无法准确量化脂肪。通过脂肪抑制技术对其处理可获得压脂后图像，进而计算出脂肪信号强度在组织中的占比即脂肪分数(fat fraction, FF)，得到肝脂肪含量。常用的脂肪抑制技术主要有频率选择饱和法与短时反转恢复序列。Cotler等[7]研究发现通过频率选择饱和法获得的FF与组织活检得到的脂肪含量高度相关，相关系数为0.93，提示该方法可用于脂肪定量。但该方法受磁场强度及均匀度影响大，局部磁场不均匀会导致脂肪抑制失败。短时反转恢复序列有更好的脂肪抑制效果，且对场强和磁场匀度要求不高，但特异性低，对脂肪的量化分析结果可靠性较低[8]。

2 化学位移编码成像技术(chemical-shift-encodedMRI, CSE-MRI)

不同分子中的同一原子核因所处化学环境不同，周围的电子云密度及屏蔽效应存在差异，进而产生不同的局部磁场强度，导致共振频率偏移的现象称为化学位移。基于此原理， CSE-MRI采集不同回波时间的磁共振图像，将共振频率差异转换为信号差异，通过相应数学模型可换算出对应化合物的含量。临床上最常用的CSE-MRI是水脂分离法，最早是由Dixon提出的两点式Dixon技术，或称同反相位法。根据化学位移原理，脂肪和水分子的氢质子回波存在独立而明确的频率差异。两点式Dixon技术假设主磁场均匀，采集两个特定回波时间下的信号，分别获得脂肪与水质子的同相位(in-phase, IP)和反相位(out-of-phase， OP)图像，测量两者信号强度(signal intensity, SI)可计算出基于信号强度的脂肪分数FF=|SIIP-SIOP|/(2SIIP)，进而得到肝脂肪含量。该方法能够测定肝细胞内异常堆积的甘油三酯含量，且不受胆固醇、神经鞘磷脂、磷脂等干扰，FF与组织学显著相关，敏感度和特异度也较高，但只适用于小于50%的肝脂肪变性，且受静磁场不均匀性、铁沉积所致的T2*衰减等影响较大。三点式Dixon技术在两点式的基础上多采集一个同相位回波信号，能一定程度上矫正T2*衰减，获得信号强度和相位信息，得到基于复杂信息的FF，测量范围为0～100%的脂肪变。但上述方法获得的FF易受多种混淆因素影响，包括T1误差、T2*衰减、脂质多峰性、噪声误差、J耦联效应、涡电流、磁场差异等，其准确性和可重复性不足以成为肝脂肪定量的可靠指标广泛应用于临床和科研[9]。

通过采集更多回波，使用更先进的采集方式和优化后处理算法可有效降低误差。当混淆因素的影响被最小化时，甘油三酯和水分子信号强度能够直接反映二者质子含量，此时可得到PDFF，即组织中脂肪质子密度与总质子密度的比值，从而准确、定量的表示组织的脂肪含量。有研究者[10]采用非对称采集技术和迭代最小二乘水脂分离算法对三点式Dixon技术进行改良，设计出IDEAL(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least squares estimation)。IDEAL能减少磁场差异干扰，并得到感兴趣区域(region of interest, ROI)纯水像和纯脂肪像信号强度值与肝脏PDFF。研究证明，IDEAL获得的PDFF与肝组织活检相关性良好，且已在NAFLD相关疾病的评估中有所应用。采集更多回波也可以提高数据的准确性，但需要更长的采集时间和更复杂的设备，六回波序列具有较高的准确性与可行性[11]，在近期研究中使用较多，且逐渐出现一些商业化序列，如GE的IDEAL-IQ、飞利浦的mDixon等。IDEAL-IQ又称T2*修正梯度多回波水脂分析脂肪定量技术，在IDEAL基础上运用多回波信号的变化去除干扰并对混淆因素进行矫正，测得的肝脂肪含量更接近真实值。这些六回波序列缩短了检测时间，具有较高分辨率，能矫正多种混淆因素，使MRI信号强度为组织中质子密度所决定。

大量数据证实，MRI-PDFF与组织活检、MRS及肝甘油三酯高度相关，敏感度和特异度均较高，能够客观、准确的量化肝脂肪含量[12]。MRI-PDFF 诊断 NAFLD 脂肪变分级的阈值分别为：6.5%、17.5%、22.2%，对应组织活检的5%、33%、66%。与组织活检或腹部超声相比，MRI-PDFF具有无创，成功率高，取样误差小，不受人为因素、检查时刻、患者饮食和病理生理因素影响等优点，可提供全肝各部位的脂肪含量信息，且在不同场强、不同厂商的MRI仪器及不同重建方法间具有很好的一致性[13]。Noureddin等[14]发现与组织活检相比，MRI-PDFF对肝脂肪含量的增减更敏感，能作为连续变量客观评价肝脂肪含量变化，可作为临床试验的终点[15]。现在许多NAFLD的药物研发已将MRI-PDFF作为疗效的纵向随访指标。此外，Patel 等[16]证明肝MRI-PDFF相对下降29%与NASH组织学反应有关，或可作为NASH治疗反应标志物。Ajmera等[17]发现高PDFF者肝纤维化风险显著增高，可通过MRI-PDFF预测NAFLD的进展。借助CSE-MRI，研究者们还发现肝脂肪并非均匀分布，肝脏不同区域的平均PDFF值和变异度不同，其中右叶的平均PDFF较高且变异度较小[18]，且NAFLD患者的肝脂肪分布与正常人有差异[19]，治疗后肝脏各区域脂肪含量的变化也不同[20]。这些研究对于探寻NAFLD的病因、发病机制、疾病发展过程和治疗方案有着一定意义。

然而MRI-PDFF的测量受限于目前的MRI技术，对于不能配合呼吸及身体有金属物植入等情况者不适用，且对MRI设备的软硬件配置有一定要求，检测成本较高。有新的研究[21]显示MRI-PDFF的准确性可能会受到纤维化和严重脂肪变性的影响，更适用于较轻的NAFLD患者。近期还有文献[22]提示不同的序列和仪器间MRI-PDFF再现性不高，纵向随访时建议使用相同的序列和成像仪。

3 MRS分析

MRS是目前唯一能无创性活体检测组织生化、代谢物的成像方法。其原理是通过射频脉冲激励被检物质的原子核，产生磁共振信号转换为频率在化合物固有的波谱位置上显示。研究[23]表明无论是正常人群还是脂肪肝患者，MRS测量肝脂肪含量准确性、可重复性均很高，对肝脂肪变性的诊断最接近于肝脏病理检查。

MRS在肝脏研究方面应用较多的是磷谱和氢谱，磷谱能评估复杂的能量代谢，多应用于肝硬化、脂肪性肝炎、梗阻性黄疸等，氢谱能够评估肝甘油三酯含量，现多用氢质子磁共振波谱成像(1H-MRS)定量肝脂肪。1H-MRS是一种能够精准量化动物和人肝脂肪含量的非侵入性方法，与组织活检具有良好的一致性和相关性[24]。根据水和脂肪的氢质子共振频率不同，1H-MRS不仅可以观察脂肪肝时肝脏脂质代谢变化，还可观察到水峰、脂肪峰，直接比较脂肪峰和水峰面积可获得FF。但与基于MRI的量化技术一样，在MRS中考虑混淆因素后获得PDFF更能准确的表示组织内脂肪含量[25]。

研究[26]表明，MRS-PDFF可有效诊断肝脏轻度脂肪变，能分辨出1%的脂肪变化，对脂肪含量的微小变化比组织活检更敏感。1H-MRS能够精准检测活体组织代谢及病理生理变化，具有低变异性和组织学高相关性，其结果不受肝硬化、铁沉积、高脂饮食等影响，可取代组织活检作为NAFLD诊断金标准[6]。MRS现常应用于流行病学和观察性研究，以及作为MRI-PDFF、CAP等量化肝脂肪方法的评价指标[27]。Cao等[28]通过MRS-PDFF、CT得到的肝脏体积密度计算了肝内脂肪的总质量。他们还发现模型动物肝脏密度与肝内水占比是相对稳定的数值，在正常小鼠和脂肪肝小鼠中无明显差异，提示使用1H-MRS和CT无创计算肝内总脂肪量具有可能。

虽然MRS被认为是定量评估肝脂肪最准确的非侵入性工具，但其空间覆盖范围有限，无法避免采样误差，且扫描时间长，后续处理复杂，对设备和操作人员要求高，难以在临床上广泛使用[6]。

4 弥散加权成像(diffusionweightedimaging, DWI)

DWI是磁共振功能成像的一种，通过反映水分子的运动来体现组织生理及病理状态。DWI的表观弥散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)主要反映水分子运动能力，可以定性定量反应组织病理变化[29]。当肝脂肪变程度大于5%时，ADC显著降低，与肝脂肪含量呈负相关[30]，其原理主要是脂肪变性使肝细胞体积增大，细胞间隙减小，导致水分子扩散受限。但ADC受血流灌注、炎症和纤维化影响较大，不能准确量化肝脏脂肪。

扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)在DWI的基础上从多个方向施加扩散梯度场，可以度量扩散的大小及方向性，准确反映组织与水分子之间相互作用时的结构环境。Lee等[31]发现除了ADC外，DTI的各向异性分数(fractional anisotropy, FA)也与脂肪含量相关。磁共振扩散峰度成像(diffusional kurtosis imaging, DKI)是DTI技术的扩展，除了可得到常规DTI、DWI的信息外，还可以产生峰度信息，反映生物组织中水分子非高斯扩散特性。Li等[32]进行动物实验发现NAFLD的进展与DKI平均扩散峰度(mean kurtosis, MK)呈正相关，与平均扩散率(mean diffusion，MD)和ADC均呈负相关，单纯脂肪变的肝脏ADC、MD低于正常组，FA、MK高于正常组，并且与DWI相比，DKI可以更准确地区分NASH和单纯脂肪变。然而，目前DTI与DKI应用于NAFLD肝脂肪变的研究较少，相关参数易受肝纤维化影响，与脂肪变程度的关系还需更多实验探索。

体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion, IVIM)是基于传统DWI进一步分析组织内分子运动情况的技术，可同时描述水分子的真性扩散及毛细血管微循环灌注的假性扩散，较ADC能更真实评估组织情况，可定量研究组织灌注对DWI采集信号的影响。Joo等[33]发现NAFLD兔的灌注分数f明显低于正常组，随着NAFLD严重程度的增加，f进一步降低。Murphy等[34]对89例NAFLD患者行肝活检和IVIM检查，认为f主要与纤维化有关，真实水分子扩散系数D与肝脂肪变性程度负相关，且未发现ADC与任何组织学特征相关。Shin等[35]对123例怀疑肝脂肪变性或纤维化的儿童进行IVIM检查，发现肝脂肪含量与f呈正相关，肝硬度与假性扩散系数D*呈负相关，D和ADC与肝脂肪含量无明显相关性。IVIM目前在肝肿瘤和纤维化研究中运用较多，它存在空间分辨率低，易受仪器、人为因素和生物学因素的影响等局限性，在肝脂肪变评估中的作用需要更多的数据来验证。

5 小结与展望

在磁共振技术中，脂肪抑制技术和DWI可用于定性评估肝脂肪，但目前还不能准确量化，尚需进一步研究与改进。MRS是最精准的量化肝脂肪的技术，被认为是磁共振技术中的金标准，现在常作为肝脂肪定量的评价指标，却存在人员仪器要求高、后续处理复杂等局限性，只能读取有限的肝脏区域，且存在操作误差。CSE-MRI获得的PDFF被证实与组织学、MRS有高度一致性，敏感度和特异度均较高，能够客观、准确的量化肝脂肪含量，具有无创、误差小、操作简单等优点，有良好的再现性，现已大量应用于临床与研究。CSE-MRI的一些商业序列能获得整个肝脏的PDFF并形成PDFF图像，可读取任意ROI区域的脂肪含量，但选取哪些区域、多大采样面积最有临床意义，目前并没有公认的标准，包括肝穿刺活检、MRS、CAP也是经验性的选取采样位置，期待未来能够通过全肝的PDFF分布获得相应规律。

综上所述，MRI-PDFF已在被用于定量检测肝脂肪变程度，但包括其在内的磁共振脂肪定量技术尚存在许多不足。然而，无论作为现阶段科学研究的手段还是未来独立的临床检测项目，它都有广阔的研究空间和良好的应用前景。