骨髓脂肪影像檢測技術(shù)研究進展

李米芳 張妃媛 張靈艷

骨不僅僅是由骨組織構(gòu)成的，還包括位于骨小梁之間的骨髓組織。隨著年齡的增長，紅骨髓大部分轉(zhuǎn)換為黃骨髓。骨髓里的脂肪細胞是骨骼和造血細胞相互作用的一種特殊脂肪細胞，不僅可以作為儲存細胞，而且也是分泌細胞因子的細胞，如瘦素和脂聯(lián)素和白細胞介素6等，它的積累構(gòu)成了骨髓脂肪組織(marrow adipose tissue,MAT)[1-2]。骨髓脂肪是骨骼微環(huán)境中的一個參與者。近年來，研究發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松、糖尿病、肥胖等代謝性疾病、絕經(jīng)、神經(jīng)厭食癥、腫瘤或某些放/化療患者骨髓中均可見MAT增多的現(xiàn)象。骨髓脂肪是上述疾病的重要生物學(xué)標(biāo)記物，與骨髓的各種生理性、病理性改變都密切相關(guān)[3-9]。對骨髓脂肪的更好理解可以提供新的診斷或預(yù)后標(biāo)準(zhǔn)，并能打開新的治療視角。因此，研究骨髓脂肪對評估上述疾病的狀態(tài)具有重要意義。目前，MAT的定量評估標(biāo)準(zhǔn)主要是骨髓活檢，但這一技術(shù)屬于有創(chuàng)檢查。近年來隨著影像技術(shù)的發(fā)展，多種影像新技術(shù)應(yīng)用于骨髓脂肪的研究。

一、 核磁共振成像(MRI)

1.單體素質(zhì)子磁共振波譜(1H-MRS)：1H-MRS是量化MAT的金標(biāo)準(zhǔn)[10]，是目前最成熟的一種技術(shù)。它是基于化學(xué)位移原理，通過單體素 PRESS 序列檢測骨髓內(nèi)成分，得到脂肪峰(Ifat)和水峰(Iwat)。脂肪峰的主峰位于1.3 ppm處，水峰位于(4.6～4.7)ppm處。通過專門軟件分析脂峰和水峰曲線下的面積，可以計算出MAT的脂水比率和脂肪分數(shù)(fat fraction,FF)等反映骨髓成分的相關(guān)指標(biāo)[11]，其中，F(xiàn)F=[Ifat /(Ifat +Iwat)]×100%。

有研究發(fā)現(xiàn)，MAT含量與性別、年齡密切相關(guān)。在一個接受1H-MRS檢測以評估健康男性和女性MAT含量的研究中發(fā)現(xiàn)，男性的MAT含量在一生中逐漸增長，在大部分時間里都比女性的MAT含量高，而女性的MAT含量在55～65歲之間急劇上升；60歲以上女性的MAT含量超過男性[12-13]。這與女性在絕經(jīng)后卵巢功能減退、雌激素迅速下降有關(guān)。隨著年齡的增長，骨密度下降，骨質(zhì)疏松患者的MAT含量隨之升高，骨髓脂肪的不飽和度下降，飽和度升高[14-15]。FF值與骨密度呈負相關(guān)性。絕經(jīng)后女性骨密度降低，MAT含量增加[16-17]。因此，在評估MAT含量變化時，必須考慮年齡和性別因素的影響。

另一方面，與健康女性相比，在神經(jīng)性厭食癥患者中，1H-MRS測出神經(jīng)性厭食癥患者的腰椎和股骨遠端的MAT含量較高，與一定體積的骨密度呈負相關(guān)[18-19]。在一項針對神經(jīng)性厭食癥患者的研究中發(fā)現(xiàn)，從神經(jīng)性厭食癥康復(fù)了的女性，其MAT的含量與患有活動性疾病的女性相比減低了，這與前脂肪細胞因子-1的下降有關(guān)[20]。這可用于指導(dǎo)進一步研究營養(yǎng)和激素環(huán)境變化對骨骼成分的影響。

MAT含量與機體代謝密切相關(guān)；而2型糖尿病(T2DM)作為一種代謝綜合征可影響骨吸收和形成過程。有研究發(fā)現(xiàn)，利用1H-MRS 測定的糖尿病患者脊柱椎體MAT含量增多[21]，且骨髓不飽和脂肪指數(shù)可出現(xiàn)明顯降低，T2DM 患者的骨髓脂肪成分的變化與HbA1C 密切相關(guān)[22-23]。在一項評估Roux-en-Y胃旁路術(shù)后患者的研究中顯示，MAT的變化取決于個人的糖尿病狀態(tài)。相比非糖尿病患者，T2DM患者的MAT含量在Roux-en-Y胃旁路術(shù)后減少[24-25]。因此，對骨髓脂肪的研究應(yīng)該考慮到糖尿病的狀況，而磁共振波譜(MRS)作為一種骨髓脂肪組分無創(chuàng)檢測技術(shù)可作為監(jiān)測血糖控制程度的標(biāo)志。

隨著社會發(fā)展，肥胖作為影響身心健康的疾病受到公眾的關(guān)注。有研究發(fā)現(xiàn)肥胖與骨髓成分密切相關(guān)。內(nèi)臟脂肪含量高的人，其骨髓脂肪含量比低內(nèi)臟脂肪的高，椎體骨髓脂肪與內(nèi)臟脂肪呈正相關(guān)，與胰島素樣生長因子1(IGF-1)和骨密度呈負相關(guān)。內(nèi)臟脂肪的增加可能與生長激素和IGF-1水平有關(guān)，這表明在某種程度上，IGF-1是脂肪和骨組織的重要調(diào)節(jié)因子[26-28]。MRS作為評估骨髓脂肪的技術(shù)可進一步指導(dǎo)我們對肥胖的研究。

總而言之，1H-MRS 作為一種無創(chuàng)影像學(xué)技術(shù)，對評估多種疾病的骨髓脂肪有重要作用。目前，1H-MRS較差的空間分辨率和較長的掃描時間限制其發(fā)展[29]，這也對我們發(fā)展新的技術(shù)提出了要求。

2.T1加權(quán)MRI：MRI通過對靜磁場中的人體施加某種特定頻率的射頻脈沖，使人體中的氫質(zhì)子受到激勵而發(fā)生磁共振現(xiàn)象。停止脈沖后，質(zhì)子在弛豫過程中產(chǎn)生MR信號。通過對MR信號的接收、空間編碼和圖像重建等處理過程，即產(chǎn)生MR信號。在序列中采用短脈沖重復(fù)時間(TR)和短脈沖回波時間(TE)就可得到T1加權(quán)像，其中高信號代表T1弛豫時間短的組織。骨髓是富含脂肪和水的組織，脂肪和水含量的變化影響骨髓MRI信號強度。由于骨髓的脂肪質(zhì)子大多以與Larmor頻率相似的頻率進動，氫質(zhì)子能量釋放較快，Tl弛豫時間較短，因此在磁共振T1WI信號上MAT通常是高信號的[30]。

T1加權(quán)MRI可用于半定量測量骨髓脂肪容量。在健康的年輕人和老年人中使用這種技術(shù)時，發(fā)現(xiàn)MAT含量與骨密度之間呈反向關(guān)系[31]。在將T1加權(quán)MRI技術(shù)和水脂分離技術(shù)、MRS技術(shù)相比較的研究中發(fā)現(xiàn)，T1加權(quán)MRI技術(shù)能夠測量骨髓脂肪組織含量，但無法實現(xiàn)對骨脂肪分數(shù)的測量。由于脂肪組織中含有水、蛋白質(zhì)等其他成分，因此T1加權(quán)MRI測出的數(shù)值可能會有偏差。的誤差來源可歸因為MRI的部分容積效應(yīng)和閾值分割，只有達到一定閾值的MAT的圖像像素才能被量化為MAT[10]。

3.水脂分離MRI：水脂分離MRI，又稱為Dixon技術(shù)，最初是由Dixon在1984年提出的。它是基于化學(xué)位移效應(yīng)，利用自旋回波序列，通過調(diào)節(jié)不同的回波時間，獲得水和脂肪質(zhì)子的同相和反相回波信號。然后將兩種信號相加，去除脂肪信號，即得到水質(zhì)子的影像，這就是原始的兩點式Dixon方法。由于兩點Dixon受磁場不均勻性的影響較大，于是對技術(shù)進行了改進，發(fā)展了3點Dixon技術(shù)。由于增加了1個信號采集點，3點Dixon很好地降低了相位誤差和磁場不均勻性對脂肪抑制技術(shù)的影響[32]。

近年來，對Dxion技術(shù)進一步改進，發(fā)展了mDIXON-Quant技術(shù)和IDEAL技術(shù)。mDIXON-Quant技術(shù)采用脂肪7峰值模型，通過1次屏氣采集 6 個回波，進一步提高了脂肪定量的精確性，且能夠全面評估骨髓情況[33]。IDEAL技術(shù)結(jié)合了非對稱采集技術(shù)與迭代最小二乘水脂分離算法，在此基礎(chǔ)上，對T2*衰減、脂肪的多譜峰分布等進行校正，能夠更加準(zhǔn)確地獲取脂肪定量的信息[34-35]。

水脂成像技術(shù)在定量分析骨髓脂肪方面與1H-MRS有著良好的等效性，且能夠很好地評估癌癥患者骨髓成分的變化與化放療的劑量。癌癥患者的FF較非癌癥患者的降低，在放化療后，紅骨髓的造血功能受到抑制,增加間充質(zhì)干細胞的分化，脂肪細胞增加，導(dǎo)致MAT增加，F(xiàn)F升高。由此可見，基于水脂成像技術(shù)評估骨髓脂肪對癌癥患者的規(guī)劃和監(jiān)測很有幫助[7,36-37]。又因為骨髓是人體最受輻射影響的組織之一，因此，在放射性核素治療中，骨髓脂肪應(yīng)作為臨床劑量測定的重要指標(biāo)[38]。

二、雙能計算機斷層成像技術(shù)(DECT)

CT是利用X線束對體部某一選定體層層面進行掃描，測定透過的X線量，數(shù)字化后計算得出該層面各個單位容積的吸收系數(shù)，然后重建圖像的一種成像技術(shù)。CT可用量化指標(biāo)CT值[單位為亨氏單位(Hounsfield unit,Hu)]來表示。人體內(nèi)不同的組織具有不同的衰減系數(shù)，因而其CT值也各不相同。按照CT值的高低分別為骨組織、軟組織、水、脂肪、氣體。水的CT值為0 Hu左右，脂肪的CT值為-70～-90 Hu。

DECT是在同一解剖區(qū)域行高低兩種電壓(80 kV和140 kV)的瞬時切變，并根據(jù)不同能級衰減差異來識別不同組織成分。與單能CT相比，DECT對于提高圖像質(zhì)量、病變檢出和定性診斷，以及消除線束硬化性偽影均有一定的價值[39]。

最近，有研究使用先進的CT掃描儀和技術(shù)對健康的志愿者的腰椎椎體進行掃描研究。研究發(fā)現(xiàn)，在量化腰椎骨髓脂肪含量方面，DECT與1H-MRS密切相關(guān)。與其他技術(shù)相比，DECT的優(yōu)點是可在一次檢查中同時評估骨密度和MAT的內(nèi)容。與此同時，有研究發(fā)現(xiàn)MAT的存在導(dǎo)致了骨密度的低估。這種偏差隨著MAT含量的增加而增加，而DECT可以對MAT進行校正，從而提供比單能CT更準(zhǔn)確的骨密度評估[40]。臨床上，放射治療和化療會導(dǎo)致骨髓脂肪的迅速增加，DECT可以作為一種有用的影像學(xué)方法來鑒別癌癥治療的不良骨骼效應(yīng)，更敏感和準(zhǔn)確地評估特定部位骨折風(fēng)險，如婦科惡性腫瘤放射治療后骨盆骨折的風(fēng)險[41]。

由于DECT涉及到兩種的能量獲取，使人體接受的掃描時間和輻射劑量加倍。然而，隨著CT技術(shù)的發(fā)展(允許快速采集，降噪和降低輻射暴露)。

近年來，研究骨髓脂肪的作用及其與骨髓微環(huán)境和骨質(zhì)量的關(guān)系成為熱點，加快了非創(chuàng)傷性影像技術(shù)的進展。多種影像技術(shù)可以無創(chuàng)地評價骨髓脂肪及其在不同疾病狀態(tài)下的變化。雖然目前不同的影像技術(shù)各自存在不同的優(yōu)缺點，但隨著研究的不斷深入，必將不斷克服技術(shù)的缺陷，使這些影像技術(shù)在骨髓脂肪研究、藥物療效評估及臨床治療方面發(fā)揮重要作用。