陳民，袁慧書

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超短回波時間磁共振（UTE-MRI）在骨皮質(zhì)成像中的應(yīng)用

陳民，袁慧書*

［摘要］隨著社會老齡化的進(jìn)展，骨質(zhì)疏松患病率不斷增高，作為骨質(zhì)疏松最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，骨質(zhì)疏松骨折極大地降低了患者的生活質(zhì)量，并帶來沉重的社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。近年來，骨皮質(zhì)在骨質(zhì)疏松骨折中的重要作用越來越受到研究者的重視。相較于傳統(tǒng)影像學(xué)方法，磁共振超短回波時間脈沖序列能夠?qū)瞧べ|(zhì)進(jìn)行在體的定性定量研究，包括骨折等疾病觀察、骨皮質(zhì)T1、T2*時間測定、水定量、孔隙度測定、礦質(zhì)含量測定、骨皮質(zhì)灌注研究等，對骨皮質(zhì)在骨質(zhì)疏松等疾病中的改變可進(jìn)行全面的評估，具有良好的臨床應(yīng)用前景。本文將對超短回波時間磁共振序列進(jìn)行介紹，并著重對其在骨皮質(zhì)成像中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

［關(guān)鍵詞］超短回波時間；磁共振成像；骨皮質(zhì)；骨質(zhì)疏松

作者單位：北京大學(xué)第三醫(yī)院放射科，北京100191

接受日期：2016-01-08

陳民， 袁慧書. 超短回波時間磁共振（UTE-MRI）在骨皮質(zhì)成像中的應(yīng)用. 磁共振成像， 2016， 7（2）: 156–160.

*Correspondence to: Yuan HS， E-mail: huishuy@bjmu.edu.cn

Received 10 Dec 2015， Accepted 8 Jan 2016

根據(jù)民政部統(tǒng)計年鑒［1］，截至2014年底，中國60歲及以上老年人總數(shù)達(dá)2.12億，占人口總數(shù)的15.5%。骨質(zhì)疏松癥在中國老年人群中平均患病率約16%［2］。作為骨質(zhì)疏松最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，骨質(zhì)疏松骨折給社會和家庭帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國不同地區(qū)老年人骨質(zhì)疏松骨折患病率約9%～26%［2］。雙能X線吸收法（dual energy x-ray absorptiometry， DXA）測定骨密度（bone mineral density， BMD）是目前WHO惟一推薦用于骨質(zhì)疏松診斷及骨折風(fēng)險預(yù)測的影像學(xué)檢查［3］，但該方法無法區(qū)分骨皮質(zhì)與骨松質(zhì)，并以反映骨松質(zhì)為主［4］，因此骨質(zhì)疏松患者中骨皮質(zhì)的改變往往被忽略［5］。有研究表明，65歲以上的老年人四肢骨骨量下降以骨皮質(zhì)骨量下降為主［6］，此外，從60歲到80歲，骨折風(fēng)險增加13倍，而DXA測得的BMD的降低只能導(dǎo)致骨折風(fēng)險增加1倍［7］。因此，加強(qiáng)對骨皮質(zhì)的評價對于完善骨質(zhì)疏松的診斷和骨折風(fēng)險的預(yù)測具有重要意義。超短回波時間磁共振成像（ultrashort echo-time magnetic resonance imaging， UTE-MRI）是近年來出現(xiàn)的可用于評價骨皮質(zhì)的新技術(shù)，相較于顯微CT（micro-computed tomography， μCT）、高分辨外周定量CT（high resolution-peripheral quantitative computed tomography， HR-pQCT）等方法，具有能夠在體應(yīng)用、無輻射等優(yōu)勢，具有很大的臨床應(yīng)用潛能。

1　UTE-MRI簡介

目前廣泛應(yīng)用于臨床的磁共振序列因回波時間（echo time， TE）的限制，均以采集中等及長T2組織（T2＞10 ms［8］）信號為主，短T2組織如跟腱、骨皮質(zhì)等在圖像中幾乎不產(chǎn)生信號，為這些組織的直接觀察和磁共振性質(zhì)的研究帶來了困難。

UTE技術(shù)利用超短TE（0.008～0.50 ms［8］），能夠采集到多數(shù)短T2組織的信號。其超短TE的實現(xiàn)有賴于獨(dú)特的半射頻脈沖及K空間填寫方式。2DUTE序列通過半射頻脈沖結(jié)合選層梯度進(jìn)行層面激發(fā)，并交替變換選層梯度方向，將兩次半射頻脈沖所得數(shù)據(jù)疊加填寫K空間，從而避免了對層面選擇射頻激發(fā)脈沖重新進(jìn)行相位編碼，縮短了TE時間。在選層梯度降至0、射頻激發(fā)脈沖開始時，K空間數(shù)據(jù)同時從中心放射狀填寫，此外，數(shù)據(jù)采集可在層面選擇梯度上升的同時及到達(dá)平臺期后持續(xù)進(jìn)行［8-9］。相似的，利用短硬激發(fā)脈沖及三維放射狀采集可實現(xiàn)3DUTE成像［10］。3DUTE獲得的信息是基于多層面的空間平均值，降低了隨機(jī)和系統(tǒng)誤差，包括采集噪聲、分段誤差及配準(zhǔn)誤差，對于提高UTE技術(shù)用于定量分析的準(zhǔn)確性具有更大的優(yōu)勢［1 1］。此外，在基本UTE序列的基礎(chǔ)上還出現(xiàn)了多種包含長T2組織抑制的序列，主要包括［10］絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)UTE（adiabatic inversion recovery-UTE， AIR-UTE）、偏共振飽和UTE（UTE with off-resonance saturation， UTEOSC）、雙回波剪影UTE等，通過抑制脂肪或長T2的水成分，提高短T2成分的圖像對比度。

目前國內(nèi)外已有的UTE-MRI相關(guān)研究多在高場強(qiáng)磁共振臨床用機(jī)上進(jìn)行（如1.5 T或3.0 T MR機(jī)），并對掃描線圈的轉(zhuǎn)換速度（transmit-receive time， T/R時間）有一定的要求［12］。不同廠家及型號的磁共振機(jī)上UTE序列可獲得的最短TE時間略有差別，但均在0.10 ms以內(nèi)［13-14］。同時，根據(jù)定量及定性研究的不同要求，可應(yīng)用臨床常用的后處理技術(shù)如多平面重組技術(shù)［15］對UTE獲得的圖像進(jìn)行處理，或借助Matlab［13］、ImageJ［16］等圖像處理軟件進(jìn)行半定量、定量計算。

2　骨皮質(zhì)的定性觀察

UTE序列結(jié)合組織抑制技術(shù)可將骨皮質(zhì)顯示為高信號，因此可以對骨質(zhì)疏松、骨折等疾病中骨皮質(zhì)的改變進(jìn)行良好的觀察。Reichert I等人［17］用UTE序列在骨質(zhì)疏松病人觀察到了骨皮質(zhì)信號的增高。Robson M等人［18］觀察到急性期骨折病人骨皮質(zhì)短T2成分信號降低，而修復(fù)期信號增高，同時可觀察骨痂形成和骨膜的改變。

3　T1及T2*值測定

利用飽和恢復(fù)UTE（saturation recovery UTE，SR-UTE）序列可測得骨皮質(zhì)的T1時間。通過逐步增加飽和恢復(fù)時間，將獲得的骨皮質(zhì)信號用指數(shù)信號恢復(fù)曲線進(jìn)行擬合，得到骨皮質(zhì)的T1時間范圍為140～400 ms［17， 19］。骨皮質(zhì)T2*時間的測定是通過一系列的TE時間獲得相應(yīng)一系列的信號強(qiáng)度，隨后通過信號衰減指數(shù)模型進(jìn)行曲線擬合而得到，其范圍為0.42～0.60 ms［17， 19］。為提高T2*測量的準(zhǔn)確性，減輕渦流對信號的影響，可輔以絕熱反轉(zhuǎn)等長T2抑制序列［12］。

Reichert I等人［17］發(fā)現(xiàn)，UTE測得的骨皮質(zhì)T1時間隨年齡增長而延長，提示骨皮質(zhì)的T1、T2*時間可能與年齡相關(guān)的骨改變及骨質(zhì)疏松等疾病具有相關(guān)性，因此，進(jìn)一步研究骨皮質(zhì)T1及T2*時間在不同疾病狀態(tài)下的變化情況，可能為相關(guān)疾病的診斷提供更為豐富的資料。

4　骨皮質(zhì)水含量測定

骨皮質(zhì)中的水質(zhì)子信號是UTE-MRI獲得信號的主要組成成分［20］。骨皮質(zhì)水包括孔隙水和結(jié)合水，前者占總水含量約1/3，指的是存在于骨哈弗斯系統(tǒng)、骨陷窩和骨小管中的水，可反映骨皮質(zhì)的孔隙度［20］；后者占總水含量的約2/3，指的是與骨有機(jī)質(zhì)結(jié)合的水，反映骨有機(jī)質(zhì)的含量［20-22］。

4.1骨皮質(zhì)總水含量測定

UTE-MRI可借助水模測定骨皮質(zhì)的總含水量（bone water concentration， BWC）［12， 19， 23］。Techawiboonwong A等人［19， 24］將水模與人骨標(biāo)本或志愿者小腿同時進(jìn)行UTE序列掃描，以水模和脛骨骨皮質(zhì)信號強(qiáng)度為基礎(chǔ)，結(jié)合二者的T1、T2*時間進(jìn)行計算，得到脛骨骨皮質(zhì)BWC，并通過D2OH2O交換法［25］驗證了該UTE方法的準(zhǔn)確性。此外，他們還發(fā)現(xiàn)UTE測定的BWC在腎性骨病患者與健康人之間比DXA測得的BMD具有更顯著的差異，提示UTE進(jìn)行BWC測定可能作為區(qū)分疾病與健康人群有效且更為敏感的手段。Li C等人［23］用類似的水模比較法對70余位不同年齡及性別的健康志愿者進(jìn)行了脛骨骨皮質(zhì)BWC測定，發(fā)現(xiàn)BWC與年齡正相關(guān)，而與QCT測得的BMD負(fù)相關(guān)。

4.2骨皮質(zhì)自由水與孔隙水含量測定

Biswas R等人［26］用UTE序列結(jié)合以多TE時間掃描為基礎(chǔ)的雙成分分析法，對牛骨標(biāo)本骨皮質(zhì)的孔隙水和結(jié)合水進(jìn)行了定量分析，并利用風(fēng)干及烤干牛骨標(biāo)本的方法驗證了其測得結(jié)果的準(zhǔn)確性。Bae W等人［27］用同樣的方法將測得的孔隙水、結(jié)合水與骨的極限應(yīng)力、彈性等生物力學(xué)性能、μCT測得的骨皮質(zhì)孔隙度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)孔隙度與孔隙水含量正相關(guān)，與結(jié)合水含量負(fù)相關(guān)，同時，孔隙水及自由水含量與骨的機(jī)械性能參數(shù)也具有相關(guān)性。

Manhard等人［28-29］將UTE序列與T2選擇性的絕熱序列聯(lián)合得到雙絕熱全流道序列（double adiabatic full passage， DAFP）和絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（adiabatic inversion recovery， AIR）序列，并通過二者分別獲得骨皮質(zhì)孔隙水及結(jié)合水的定量分布圖，同時，借助水模計算得到孔隙水和結(jié)合水的體積分?jǐn)?shù)。該方法對人骨標(biāo)本測得的結(jié)果與4.7 T磁共振上的CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）回波序列進(jìn)行的T2波譜測量結(jié)果高度相關(guān)，驗證了其準(zhǔn)確性。

最近，Allen MR等人［30］用上述UTE-MRI雙成分分析模型對服用雷洛昔芬6個月的成年雌性獵狗進(jìn)行孔隙水及結(jié)合水定量分析發(fā)現(xiàn)，服藥組相比較鹽水對照組結(jié)合水高出14%而孔隙水低于對照組20%，提示了UTE-MRI對于骨皮質(zhì)水定量分析在骨質(zhì)疏松藥物治療隨訪中的應(yīng)用潛能。

5　骨皮質(zhì)孔隙度評價

骨皮質(zhì)孔隙的體積占骨皮質(zhì)總體積的百分比即骨皮質(zhì)的孔隙度［31］，與年齡相關(guān)的骨強(qiáng)度下降和脆性骨折的發(fā)生有關(guān)［32-34］。Chamith S［13］及Li C等人［23］用UTE-MRI對骨皮質(zhì)孔隙度進(jìn)行在體的半定量評價。Chamith S等人用雙回波UTE序列對脛骨標(biāo)本進(jìn)行掃描，并以長TE及短TE獲得的信號強(qiáng)度（intensity， I）為基礎(chǔ)，定義孔隙度指數(shù)（porosity index， PI）為PI=ITE長/ITE短，通過人脛骨標(biāo)本的測量發(fā)現(xiàn)PI與μCT測定的真實孔隙度線性正相關(guān)，同時，與年齡和BMD均呈負(fù)相關(guān)。Li C等人提出了抑制比（suppression ratio， SR），即在UTE-MRI掃描中施加長T2抑制序列前后獲得的骨皮質(zhì)信號強(qiáng)度比值，將其作為骨皮質(zhì)孔隙度評價的指標(biāo)，并得到了與上述相似的結(jié)果。

6　骨皮質(zhì)磷成像與骨礦質(zhì)定量分析

骨礦鹽占骨皮質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的45%，主要由羥基磷灰石晶體和無定形磷酸鈣構(gòu)成［35］。骨礦質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與純羥基磷灰石之間有許多差異，這些差異反映了骨代謝的過程。不同晶體結(jié)構(gòu)的羥基磷灰石晶體T1值顯著不同，因此測定其T1值可能反映骨的代謝狀態(tài)［36］。MR成像對磷信號的敏感性低于質(zhì)子信號且磷原子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人體中質(zhì)子含量，為骨礦質(zhì)中磷的評估和觀察帶來了極大的挑戰(zhàn)。Robson M等人［37］用TE時間為70 μs的UTE序列，將射頻脈沖設(shè)定于31P的共振頻率上，在體掃描得到了人體脛骨骨皮質(zhì)的磷成像圖，并在此基礎(chǔ)上測定了骨皮質(zhì)的T1和T2*時間。骨皮質(zhì)的磷含量是骨礦質(zhì)密度的直接反映，而傳統(tǒng)X線成像方法測定的骨密度主要反映了鈣質(zhì)的含量。因此，骨皮質(zhì)的磷成像為骨礦質(zhì)的評價提供了良好的補(bǔ)充和完善。此外，Anumula S等人［38］用UTE磷成像的方法，發(fā)現(xiàn)卵巢切除的大鼠與假手術(shù)大鼠之間骨皮質(zhì)的磷含量差異，并觀察到了手術(shù)組大鼠在雙膦酸鹽治療后的磷含量變化，提示UTE磷成像可能作為骨質(zhì)疏松治療反應(yīng)評價的手段。

7　骨皮質(zhì)血流灌注研究

骨血流灌注對骨骼健康的維持具有重要作用［10］。Hauge EM等人［39］在松質(zhì)骨標(biāo)本研究中發(fā)現(xiàn)了“骨重塑單元”這一血管結(jié)構(gòu)，闡釋了骨灌注與骨重塑的密切關(guān)系。同時，低骨量及骨質(zhì)疏松病人骨血流灌注減低，提示了骨灌注在骨代謝及相關(guān)疾病中的重要作用［40］。目前，骨灌注研究主要關(guān)注于骨松質(zhì)及骨髓脂肪，對骨皮質(zhì)灌注研究甚少。動態(tài)增強(qiáng)MRI是血流灌注研究中廣泛應(yīng)用的一種無創(chuàng)方法，UTE-MRI的出現(xiàn)為骨皮質(zhì)的動態(tài)增強(qiáng)顯像提供了可能［17］。Reichert I等人［17］利用UTE-MRI對健康志愿者靜脈注射釓對比劑進(jìn)行脛骨增強(qiáng)掃描，觀察到了骨皮質(zhì)的強(qiáng)化。Girard等人［41］用2DUTE序列并選取短TR時間（20 ms），對健康志愿者脛骨進(jìn)行動態(tài)增強(qiáng)掃描，結(jié)合經(jīng)典Tofts模型，獲得了脛骨骨皮質(zhì)容積轉(zhuǎn)移常數(shù)（Ktrans）、速率常數(shù)（Kep）、對比劑血漿容積（Vp）、對比劑到達(dá)時間等血流灌注參數(shù)，為進(jìn)一步研究骨皮質(zhì)血流灌注在疾病中的變化提供了基礎(chǔ)。

8　總結(jié)與展望

自1991年Bergin CJ等人［42］首次在人體中應(yīng)用UTE序列對肺組織進(jìn)行掃描，并對肺腫瘤、肺動靜脈畸形等進(jìn)行觀察以來，UTE序列逐漸進(jìn)入人們的視野。目前，應(yīng)用UTE序列的研究涉及多個系統(tǒng)，如呼吸、循環(huán)、骨肌、神經(jīng)系統(tǒng)［18， 43］等，尤其以骨肌系統(tǒng)的研究最為廣泛［44］。目前，國內(nèi)學(xué)者對UTE技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)研究也主要集中在骨肌系統(tǒng)，包括對人骨標(biāo)本及健康志愿者的膝、踝關(guān)節(jié)進(jìn)行3D UTE序列顯像的參數(shù)調(diào)試［15， 45］，對兔膝關(guān)節(jié)進(jìn)行UTE動態(tài)增強(qiáng)觀察［46］，健康志愿者的腰椎終板UTE T2*mapping可行性研究［16］，及3D UTE用于顱骨骨折診斷的可行性研究［14］等。

相較于常規(guī)MRI序列，UTE磁共振序列最大的優(yōu)勢在于其超短TE時間、對人體短T2組織和病變的良好顯示。UTE-MRI在骨皮質(zhì)成像中方面的研究包括疾病的定性觀察、骨皮質(zhì)孔隙水及結(jié)合水定量分析、骨礦鹽定量分析、骨灌注研究等多個方面，對加深對骨代謝疾病的理解、骨微觀結(jié)構(gòu)的評價具有重要意義。其中，骨皮質(zhì)水定量與骨皮質(zhì)孔隙度評價的相關(guān)研究，尤其是最為簡便的孔隙度指數(shù)測定，在完善骨質(zhì)疏松骨折風(fēng)險評價、藥物療效評估等方面具有良好的臨床應(yīng)用潛能。然而，UTE-MRI在骨皮質(zhì)成像中的應(yīng)用仍主要處在“臨床前”階段，UTE序列測得的骨皮質(zhì)水含量、孔隙度指數(shù)等隨年齡、性別的變化規(guī)律，與骨質(zhì)疏松及骨質(zhì)疏松骨折的關(guān)系仍需要進(jìn)一步研究。

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The application of UTE-MRI in cortical bone imaging

CHEN Min， YUAN Hui-shu*
Department of Radiology， Peking University Third Hospital， Beijing 100191， China

Key wordsUltra-short echo time； Magnetic resonance imaing； Cortical bone；Osteoporosis

AbstractThe prevalence of osteoporosis（OP） is developing with the aging of the society. As the most serious complication of OP， fragility fractures bring the patients heavy economic and disease burdens. Instead of focusing on the change of trabecular bone， recently， more researchers realize the important role of cortical bone in fragility fractures. UTE-MRI is a newly emerging MRI sequence which makes the qualitative and quantitative imaging of cortical bone possible in vivo. Some studies have proved the feasibility of the application of UTE-MRI in fracture imaging， cortical water quantification， cortical porosity measurement， bone perfusion imaging， etc， both in vitro and in vivo. The aim of this review is to briefly introduce this new MRI sequence and make a summary of its applications in cortical bone imaging.

通訊作者：袁慧書，E-mail: huishuy@bjmu.edu.cn

收稿日期：2015-12-10

中圖分類號：R445.2；R589.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.12015/issn.1674-8034.2016.02.014