MR擴散張量成像在骨骼肌研究中的應用進展

葛曉雪，孫洪贊，孫英偉，郭啟勇

（1.中國醫科大學附屬盛京醫院放射科，遼寧 沈陽　110004；2.遼寧中醫藥大學附屬醫院放射科，遼寧 沈陽　110032）

?綜述?

MR擴散張量成像在骨骼肌研究中的應用進展

葛曉雪1，孫洪贊1，孫英偉2，郭啟勇1

（1.中國醫科大學附屬盛京醫院放射科，遼寧 沈陽110004；2.遼寧中醫藥大學附屬醫院放射科，遼寧 沈陽110032）

肌，骨骼；磁共振成像

MR擴散張量成像（Diffusion tensor imaging，DTI）是目前唯一可以對組織內水分子擴散狀況進行定量分析，并對三維組織纖維結構進行示蹤的磁共振技術，此項技術最開始主要用于評價腦白質結構及神經纖維束成像，隨著技術的發展和研究的深入，骨骼肌逐漸成為了DTI研究的熱點，本文將對DTI在骨骼肌研究中的應用進行簡要綜述。

1　概述

DTI最早于1994年由Basser等［1］提出，是擴散加權成像的一種延伸，反映各個方向上水分子擴散的快慢。人骨骼肌含75%～80%的水，細胞內的水分子受細胞器、大分子和細胞膜的限制，不能進行自由運動，相對而言細胞外水分子的運動更加的自由［2］，這種水分子自由運動上的差異是DTI評價活體組織的基礎，為三維組織纖維結構的合成提供解剖學和細微結構的信息。

骨骼肌的DTI技術主要采用回波平面成像（Echo planar imaging，EPI）序列，雖然對磁敏感偽影和化學位移偽影敏感，但具有信噪比高和成像速度快的優點，可以精確定量擴散效應［3］。針對技術參數的優化，Saupe等［4］認為1.5T的場強下，b值為625 s/mm2對骨骼肌DTI最佳。也有研究認為，當信噪比和梯度方向分別≥25和≥12，并且b值在400～500 s/mm2之間時，骨骼肌DTI的數據采集最佳［5］。

用于描述DTI的主要參數包括表觀擴散系數（Apparent diffusion coefficient，ADC），本征值λ1、λ2、λ3，各向異性分數（Fractional anisotropy，FA）和 相 對 各 向 異 性 （Relative anisotropy，RA）等。其中ADC不具方向性，反映單位體素內整體微觀運動快慢。λ1代表的是肌纖維的走行方向，是最大的本征值，此方向上水分子擴散是最快的，λ2和λ3代表垂直肌纖維長軸方向上水分子的擴散，其中λ2與肌內膜內的擴散有關，λ3與單一肌肉內所有肌纖維的平均直徑相關，代表了跨越肌纖維橫截面積的擴散［6］。FA表示水分子各向異性成分占整個擴散張量的百分比，范圍為0～1，FA的值越大，表示擴散的各向異性越強。

DTI的可視化圖像主要有彩色編碼圖和纖維示蹤技術。FA圖是DTI最常用的編碼圖，直接反映各向異性的比例，間接反映組織水擴散的快慢，FA值越大，FA圖信號強度越強。纖維示蹤技術利用組織內水分子擴散的各向異性來顯示各個像素之間的連續性，三維立體的顯示肌纖維的走行結構。

2　應用

2.1正常骨骼肌研究

正常骨骼肌有高度組織化的層次結構，很多學者對正常大腿、小腿及足部的肌肉進行DTI研究。正常大腿肌肉的平均FA值為0.27～0.38，ADC值為0.76×10-3～0.96×10-3mm2/s，其中股四頭肌的FA和ADC值為0.25和1.91×10-3mm2/s，而腘繩肌分別為0.28和1.64×10-3mm2/s，兩者具有明顯的差異［7-8］。同樣具有差異性的還有正常小腿肌肉，FA值為0.26～0.42，3個本征值分別為 2.0×10-3～2.5×10-3mm2/s、1.4×10-3～1.8×10-3mm2/s和0.8×10-3～1.3×10-3mm2/s，其中脛骨前肌的本征值最小，FA值最大，腓腸肌的FA值最小［6］。也有研究發現比目魚肌的λ1是最小的，而且不同肌肉的FA值存在統計學差異［9］。另外足部肌肉的平均ADC值和FA值分別為（1.48～1.55）×10-3mm2/s和0.21～0.40［10］。還有研究對深層盆底肌肉進行參數測定，發現尿道括約肌的FA值最低，肛門括約肌最高，為盆底肌肉DTI研究提供參數標準［11］。

骨骼肌內水分子的擴散可能受很多因素影響，例如年齡。有研究發現高齡組骨骼肌的3個本征值較年輕組明顯增加，但FA的增加不明顯。高齡組肌肉的纖維長度較青年組明顯縮短，羽狀角變小不明顯。可見隨著年齡增長、肌肉萎縮及纖維化的增加，阻礙了肌肉內水分子的擴散，導致了老齡肌肉功能的改變［12］。但也有研究證明年齡對骨骼肌DTI參數沒有影響，年輕組和老年組大腿肌肉的ADC值及FA值分別為1.76×10-3mm2/s、1.83×10-3mm2/s和0.27、0.26，沒有統計學差異［13］。Jones等［14］通過對腰方肌的研究也得到了同樣的結論，認為骨骼肌DTI參數與年齡無關，而受人體質量指數影響。同樣存在爭議的還有性別因素，Kermarrec等［13］對大腿肌肉進行DTI研究，發現男性和女性的FA值都是0.26，兩組的ADC值也非常接近，認為性別對骨骼肌水分子擴散沒有影響。但也有研究發現女性骨骼肌本征值較男性高，而男性的FA值則高于女性［8］。這兩項因素的影響仍需要更多的研究來證實。

正常人的體位變化和肢體受壓情況改變也會對骨骼肌水分子擴散產生影響，站立位到平臥位，小腿肌肉的3個本征值和ADC明顯下降，而FA沒有明顯的變化［15］。當踝關節跖屈角度從正立位（角度為90°）變為跖屈位（120°）時，比目魚肌的3個本征值是增加的，中比目魚肌和后比目魚肌FA有下降趨勢，而前比目魚肌的FA則是升高的［16］。肌肉受壓和拉伸時，FA升高，λ3下降，這些改變可能是由肌纖維半徑變小，肌肉水分子擴散減低引起的［17-18］。

DTI可以測量肌纖維的長度和羽狀角，還可用來測量骨骼肌肌纖維的比例［19］。有研究顯示認為Ⅰ型肌纖維的分布比例越大，肌肉的FA值越高，同時RD和MD就越低，PD無明顯的相關性［20］。還有研究發現，比目魚肌的最大肌力與FA呈負相關，與RD呈正相關，肌肉內Ⅱ型肌纖維含量增加，最大肌力也增大，并推測Ⅱ型肌纖維的更大纖維直徑和更低線粒體濃度，是導致DTI參數變化的可能因素，并認為DTI可以對肌纖維分布進行無創測量［21］。

2.2病變骨骼肌的應用

2.2.1運動損傷

骨骼肌損傷在日常生活和臨床診療中都很常見，外傷、體力勞動、運動訓練等都可能導致肌肉損傷。肌肉損傷由輕到重可表現為正常、水腫、損傷及破裂等，ADC和FA值依次是升高和下降的，纖維示蹤圖像中，肌纖維走行依次表現為輕微紊亂、明顯紊亂及結構消失［22］。與之前Zaraiskaya等［23］對損傷腓腸肌和比目魚肌的研究結果相同。當肌肉拉傷時，ADC增加，FA平行下降，同時T2的變化沒有DTI明顯，而且肌營養不良大鼠的參數變化比正常對照組要明顯［24］。對于運動誘導的骨骼肌損傷，有研究發現15或30min的冰敷可以使DTI參數的變化幅度減小，減輕或限制了肌細胞的水腫和滲出，有利于運動微損傷的恢復［25］。另外，作為肛門失禁的最常見原因之一，婦女生產時肛門括約肌的損傷也可以通過DTI進行評價［26］。

2.2.2缺血缺氧損傷

骨骼肌缺血-再灌注可導致肌肉微血管和細胞損傷，在創傷性休克、外科手術、器官移植、燒傷、凍傷等血液循環障礙時都會發生，早期的診斷治療對病情的控制和恢復有很大意義。Heemskerk等［30］用DTI來研究成年小鼠骨骼肌短暫缺血和再灌注時的擴散特點，發現缺血再灌注損傷時肌纖維是腫脹的，其ADC值、本征值、FA的變化都與細胞的損傷程度平行，其中以λ3的改變最大。兔后肢缺血模型的研究發現早期λ3的升高與細胞腫脹時水分子擴散的增加有關，認為ADC和FA值可較好的反映肌肉結構和功能變化［31］。最近的一項研究［32］比較了成年和幼年SD鼠缺血損傷后肌肉再生情況，結果表明幼年鼠肌肉對缺血的反應更敏感，恢復的更快，證明了肌肉缺血損傷恢復與年齡的相關性。

慢性勞力性筋膜室綜合征 （Chronic exertional compartment syndrome，CECS）也是骨骼肌缺血缺氧病變的一種，可以伴隨嚴重的并發癥，早期準確的診斷治療很重要。Sigmund等［35］對7位臨床懷疑CECS患者及8位健康志愿者在運動之前和之后進行時相DTI，發現CECS患者的肌纖維間的高壓水腫提高了水分子自由擴散并限制了運動誘導的肌纖維擴張。這種特異性有助于臨床對CECS疾病的鑒別診斷及相關治療的效果評價。

2.2.3去神經支配

肌肉去神經支配主要由外傷和神經系統疾病導致，在其典型癥狀出現之前，其形態學及代謝方面有很多的改變，例如細胞膜滲透性的改變，可以通過DTI早期檢測出來。對坐骨神經切斷后25天的大鼠進行DTI研究，受累肌肉的FA升高，λ2和λ3減小，可能與肌肉萎縮時，肌纖維直徑的縮小及細胞外間隙的增寬有關［33］。而針對兔失神經靶肌肉模型的研究則發現，造模后第1天，FA和本征值都下降，分別在第2和第4周達到最低值，隨后逐漸升高，至第8周基本恢復正常水平，并由此推測靶肌肉再生的時間點可能在第4周［34］。

2.2.4炎性損傷

炎癥改變是肌肉損傷的致病機制之一，也有學者在此方向展開研究。對鼠大腿肌肉注射能夠致炎的角叉菜膠100μL，在隨后的6～8 h內進行DTI成像，發現3個本征值及ADC升高，其中λ3的變化最明顯，而FA則沒有明顯的改變，但有下降的趨勢［27］。同樣的肌肉炎癥模型，也有研究發現FA是明顯下降的［28］。

Esposito等［29］對注射了蛇毒血清的小鼠脛骨前肌（TA）進行觀察，分別在毒素注射前和注射之后的第1、3、5、7、10、15 和30天進行MRI和組織學分析，發現注射后第1天TA肌纖維壞死，纖維原結構丟失，FA值達到最低限，隨后FA隨著組織未成熟肌纖維的再生平行增高，在第5天達到峰值，之后再生肌纖維逐漸增粗成熟，FA也逐漸回到原始值。可見DTI可直觀反映急性骨骼肌損傷修復過程。

綜上所述，DTI在骨骼肌方面的研究主要采用回波平面成像技術，通過表觀擴散系數、本征值、各向異性分數等參數及可視化圖像處理，對肌肉組織內水分子擴散情況進行定量分析。目前DTI已經在正常及運動、缺血缺氧、去神經支配及炎癥損傷等病變骨骼肌的研究取得一定的進展，但相對于應用較為廣泛的腦神經方面來說，仍存在很多不足，但隨著技術的發展和科研的深入，DTI定會為骨骼肌甚至全身各個器官組織疾病的診斷、治療及預后提供確切有效的指導。

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Progress of the application of MR diffusion tensor imaging in skeletal muscle

GE Xiao-xue1，SUN Hong-zan1，SUN Ying-wei2，GUO Qi-yong1
（1.Department of Radiology，Shengjing Hospital of China Medical University，Shenyang 110004，China；2.Department of Radiology，Affiliated Hospital of Liaoning University of Traditional Chinese Medicine，Shenyang 110032，China）

R685；R445.2

B

1008-1062（2015）02-0122-03

2014-07-16；

2014-10-13

葛曉雪（1990-），女，遼寧東港人，碩士研究生。

郭啟勇，中國醫科大學附屬盛京醫院放射科，110004。