骨髓脂肪影像检测技术研究进展

李米芳 张妃媛 张灵艳

骨不仅仅是由骨组织构成的，还包括位于骨小梁之间的骨髓组织。随着年龄的增长，红骨髓大部分转换为黄骨髓。骨髓里的脂肪细胞是骨骼和造血细胞相互作用的一种特殊脂肪细胞，不仅可以作为储存细胞，而且也是分泌细胞因子的细胞，如瘦素和脂联素和白细胞介素6等，它的积累构成了骨髓脂肪组织(marrow adipose tissue,MAT)[1-2]。骨髓脂肪是骨骼微环境中的一个参与者。近年来，研究发现骨质疏松、糖尿病、肥胖等代谢性疾病、绝经、神经厌食症、肿瘤或某些放/化疗患者骨髓中均可见MAT增多的现象。骨髓脂肪是上述疾病的重要生物学标记物，与骨髓的各种生理性、病理性改变都密切相关[3-9]。对骨髓脂肪的更好理解可以提供新的诊断或预后标准，并能打开新的治疗视角。因此，研究骨髓脂肪对评估上述疾病的状态具有重要意义。目前，MAT的定量评估标准主要是骨髓活检，但这一技术属于有创检查。近年来随着影像技术的发展，多种影像新技术应用于骨髓脂肪的研究。

一、 核磁共振成像(MRI)

1.单体素质子磁共振波谱(1H-MRS)：1H-MRS是量化MAT的金标准[10]，是目前最成熟的一种技术。它是基于化学位移原理，通过单体素 PRESS 序列检测骨髓内成分，得到脂肪峰(Ifat)和水峰(Iwat)。脂肪峰的主峰位于1.3 ppm处，水峰位于(4.6～4.7)ppm处。通过专门软件分析脂峰和水峰曲线下的面积，可以计算出MAT的脂水比率和脂肪分数(fat fraction,FF)等反映骨髓成分的相关指标[11]，其中，FF=[Ifat /(Ifat +Iwat)]×100%。

有研究发现，MAT含量与性别、年龄密切相关。在一个接受1H-MRS检测以评估健康男性和女性MAT含量的研究中发现，男性的MAT含量在一生中逐渐增长，在大部分时间里都比女性的MAT含量高，而女性的MAT含量在55～65岁之间急剧上升；60岁以上女性的MAT含量超过男性[12-13]。这与女性在绝经后卵巢功能减退、雌激素迅速下降有关。随着年龄的增长，骨密度下降，骨质疏松患者的MAT含量随之升高，骨髓脂肪的不饱和度下降，饱和度升高[14-15]。FF值与骨密度呈负相关性。绝经后女性骨密度降低，MAT含量增加[16-17]。因此，在评估MAT含量变化时，必须考虑年龄和性别因素的影响。

另一方面，与健康女性相比，在神经性厌食症患者中，1H-MRS测出神经性厌食症患者的腰椎和股骨远端的MAT含量较高，与一定体积的骨密度呈负相关[18-19]。在一项针对神经性厌食症患者的研究中发现，从神经性厌食症康复了的女性，其MAT的含量与患有活动性疾病的女性相比减低了，这与前脂肪细胞因子-1的下降有关[20]。这可用于指导进一步研究营养和激素环境变化对骨骼成分的影响。

MAT含量与机体代谢密切相关；而2型糖尿病(T2DM)作为一种代谢综合征可影响骨吸收和形成过程。有研究发现，利用1H-MRS 测定的糖尿病患者脊柱椎体MAT含量增多[21]，且骨髓不饱和脂肪指数可出现明显降低，T2DM 患者的骨髓脂肪成分的变化与HbA1C 密切相关[22-23]。在一项评估Roux-en-Y胃旁路术后患者的研究中显示，MAT的变化取决于个人的糖尿病状态。相比非糖尿病患者，T2DM患者的MAT含量在Roux-en-Y胃旁路术后减少[24-25]。因此，对骨髓脂肪的研究应该考虑到糖尿病的状况，而磁共振波谱(MRS)作为一种骨髓脂肪组分无创检测技术可作为监测血糖控制程度的标志。

随着社会发展，肥胖作为影响身心健康的疾病受到公众的关注。有研究发现肥胖与骨髓成分密切相关。内脏脂肪含量高的人，其骨髓脂肪含量比低内脏脂肪的高，椎体骨髓脂肪与内脏脂肪呈正相关，与胰岛素样生长因子1(IGF-1)和骨密度呈负相关。内脏脂肪的增加可能与生长激素和IGF-1水平有关，这表明在某种程度上，IGF-1是脂肪和骨组织的重要调节因子[26-28]。MRS作为评估骨髓脂肪的技术可进一步指导我们对肥胖的研究。

总而言之，1H-MRS 作为一种无创影像学技术，对评估多种疾病的骨髓脂肪有重要作用。目前，1H-MRS较差的空间分辨率和较长的扫描时间限制其发展[29]，这也对我们发展新的技术提出了要求。

2.T1加权MRI：MRI通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体中的氢质子受到激励而发生磁共振现象。停止脉冲后，质子在弛豫过程中产生MR信号。通过对MR信号的接收、空间编码和图像重建等处理过程，即产生MR信号。在序列中采用短脉冲重复时间(TR)和短脉冲回波时间(TE)就可得到T1加权像，其中高信号代表T1弛豫时间短的组织。骨髓是富含脂肪和水的组织，脂肪和水含量的变化影响骨髓MRI信号强度。由于骨髓的脂肪质子大多以与Larmor频率相似的频率进动，氢质子能量释放较快，Tl弛豫时间较短，因此在磁共振T1WI信号上MAT通常是高信号的[30]。

T1加权MRI可用于半定量测量骨髓脂肪容量。在健康的年轻人和老年人中使用这种技术时，发现MAT含量与骨密度之间呈反向关系[31]。在将T1加权MRI技术和水脂分离技术、MRS技术相比较的研究中发现，T1加权MRI技术能够测量骨髓脂肪组织含量，但无法实现对骨脂肪分数的测量。由于脂肪组织中含有水、蛋白质等其他成分，因此T1加权MRI测出的数值可能会有偏差。的误差来源可归因为MRI的部分容积效应和阈值分割，只有达到一定阈值的MAT的图像像素才能被量化为MAT[10]。

3.水脂分离MRI：水脂分离MRI，又称为Dixon技术，最初是由Dixon在1984年提出的。它是基于化学位移效应，利用自旋回波序列，通过调节不同的回波时间，获得水和脂肪质子的同相和反相回波信号。然后将两种信号相加，去除脂肪信号，即得到水质子的影像，这就是原始的两点式Dixon方法。由于两点Dixon受磁场不均匀性的影响较大，于是对技术进行了改进，发展了3点Dixon技术。由于增加了1个信号采集点，3点Dixon很好地降低了相位误差和磁场不均匀性对脂肪抑制技术的影响[32]。

近年来，对Dxion技术进一步改进，发展了mDIXON-Quant技术和IDEAL技术。mDIXON-Quant技术采用脂肪7峰值模型，通过1次屏气采集 6 个回波，进一步提高了脂肪定量的精确性，且能够全面评估骨髓情况[33]。IDEAL技术结合了非对称采集技术与迭代最小二乘水脂分离算法，在此基础上，对T2*衰减、脂肪的多谱峰分布等进行校正，能够更加准确地获取脂肪定量的信息[34-35]。

水脂成像技术在定量分析骨髓脂肪方面与1H-MRS有着良好的等效性，且能够很好地评估癌症患者骨髓成分的变化与化放疗的剂量。癌症患者的FF较非癌症患者的降低，在放化疗后，红骨髓的造血功能受到抑制,增加间充质干细胞的分化，脂肪细胞增加，导致MAT增加，FF升高。由此可见，基于水脂成像技术评估骨髓脂肪对癌症患者的规划和监测很有帮助[7,36-37]。又因为骨髓是人体最受辐射影响的组织之一，因此，在放射性核素治疗中，骨髓脂肪应作为临床剂量测定的重要指标[38]。

二、双能计算机断层成像技术(DECT)

CT是利用X线束对体部某一选定体层层面进行扫描，测定透过的X线量，数字化后计算得出该层面各个单位容积的吸收系数，然后重建图像的一种成像技术。CT可用量化指标CT值[单位为亨氏单位(Hounsfield unit,Hu)]来表示。人体内不同的组织具有不同的衰减系数，因而其CT值也各不相同。按照CT值的高低分别为骨组织、软组织、水、脂肪、气体。水的CT值为0 Hu左右，脂肪的CT值为-70～-90 Hu。

DECT是在同一解剖区域行高低两种电压(80 kV和140 kV)的瞬时切变，并根据不同能级衰减差异来识别不同组织成分。与单能CT相比，DECT对于提高图像质量、病变检出和定性诊断，以及消除线束硬化性伪影均有一定的价值[39]。

最近，有研究使用先进的CT扫描仪和技术对健康的志愿者的腰椎椎体进行扫描研究。研究发现，在量化腰椎骨髓脂肪含量方面，DECT与1H-MRS密切相关。与其他技术相比，DECT的优点是可在一次检查中同时评估骨密度和MAT的内容。与此同时，有研究发现MAT的存在导致了骨密度的低估。这种偏差随着MAT含量的增加而增加，而DECT可以对MAT进行校正，从而提供比单能CT更准确的骨密度评估[40]。临床上，放射治疗和化疗会导致骨髓脂肪的迅速增加，DECT可以作为一种有用的影像学方法来鉴别癌症治疗的不良骨骼效应，更敏感和准确地评估特定部位骨折风险，如妇科恶性肿瘤放射治疗后骨盆骨折的风险[41]。

由于DECT涉及到两种的能量获取，使人体接受的扫描时间和辐射剂量加倍。然而，随着CT技术的发展(允许快速采集，降噪和降低辐射暴露)。

近年来，研究骨髓脂肪的作用及其与骨髓微环境和骨质量的关系成为热点，加快了非创伤性影像技术的进展。多种影像技术可以无创地评价骨髓脂肪及其在不同疾病状态下的变化。虽然目前不同的影像技术各自存在不同的优缺点，但随着研究的不断深入，必将不断克服技术的缺陷，使这些影像技术在骨髓脂肪研究、药物疗效评估及临床治疗方面发挥重要作用。