超短回波時間磁共振（UTE-MRI）在骨皮質成像中的應用

陳民，袁慧書

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超短回波時間磁共振（UTE-MRI）在骨皮質成像中的應用

陳民，袁慧書*

［摘要］隨著社會老齡化的進展，骨質疏松患病率不斷增高，作為骨質疏松最嚴重的并發癥之一，骨質疏松骨折極大地降低了患者的生活質量，并帶來沉重的社會經濟負擔。近年來，骨皮質在骨質疏松骨折中的重要作用越來越受到研究者的重視。相較于傳統影像學方法，磁共振超短回波時間脈沖序列能夠對骨皮質進行在體的定性定量研究，包括骨折等疾病觀察、骨皮質T1、T2*時間測定、水定量、孔隙度測定、礦質含量測定、骨皮質灌注研究等，對骨皮質在骨質疏松等疾病中的改變可進行全面的評估，具有良好的臨床應用前景。本文將對超短回波時間磁共振序列進行介紹，并著重對其在骨皮質成像中的研究進展進行綜述。

［關鍵詞］超短回波時間；磁共振成像；骨皮質；骨質疏松

作者單位：北京大學第三醫院放射科，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）在骨皮質成像中的應用. 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

根據民政部統計年鑒［1］，截至2014年底，中國60歲及以上老年人總數達2.12億，占人口總數的15.5%。骨質疏松癥在中國老年人群中平均患病率約16%［2］。作為骨質疏松最嚴重的并發癥之一，骨質疏松骨折給社會和家庭帶來沉重的經濟負擔，據不完全統計，我國不同地區老年人骨質疏松骨折患病率約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惟一推薦用于骨質疏松診斷及骨折風險預測的影像學檢查［3］，但該方法無法區分骨皮質與骨松質，并以反映骨松質為主［4］，因此骨質疏松患者中骨皮質的改變往往被忽略［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骨量下降為主［6］，此外，從60歲到80歲，骨折風險增加13倍，而DXA測得的BMD的降低只能導致骨折風險增加1倍［7］。因此，加強對骨皮質的評價對于完善骨質疏松的診斷和骨折風險的預測具有重要意義。超短回波時間磁共振成像（ultrashort echo-time magnetic resonance imaging， UTE-MRI）是近年來出現的可用于評價骨皮質的新技術，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，具有能夠在體應用、無輻射等優勢，具有很大的臨床應用潛能。

1　UTE-MRI簡介

目前廣泛應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、骨皮質等在圖像中幾乎不產生信號，為這些組織的直接觀察和磁共振性質的研究帶來了困難。

UTE技術利用超短TE（0.008～0.50 ms［8］），能夠采集到多數短T2組織的信號。其超短TE的實現有賴于獨特的半射頻脈沖及K空間填寫方式。2DUTE序列通過半射頻脈沖結合選層梯度進行層面激發，并交替變換選層梯度方向，將兩次半射頻脈沖所得數據疊加填寫K空間，從而避免了對層面選擇射頻激發脈沖重新進行相位編碼，縮短了TE時間。在選層梯度降至0、射頻激發脈沖開始時，K空間數據同時從中心放射狀填寫，此外，數據采集可在層面選擇梯度上升的同時及到達平臺期后持續進行［8-9］。相似的，利用短硬激發脈沖及三維放射狀采集可實現3DUTE成像［10］。3DUTE獲得的信息是基于多層面的空間平均值，降低了隨機和系統誤差，包括采集噪聲、分段誤差及配準誤差，對于提高UTE技術用于定量分析的準確性具有更大的優勢［1 1］。此外，在基本UTE序列的基礎上還出現了多種包含長T2組織抑制的序列，主要包括［10］絕熱反轉恢復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。

目前國內外已有的UTE-MRI相關研究多在高場強磁共振臨床用機上進行（如1.5 T或3.0 T MR機），并對掃描線圈的轉換速度（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［13-14］。同時，根據定量及定性研究的不同要求，可應用臨床常用的后處理技術如多平面重組技術［15］對UTE獲得的圖像進行處理，或借助Matlab［13］、ImageJ［16］等圖像處理軟件進行半定量、定量計算。

2　骨皮質的定性觀察

UTE序列結合組織抑制技術可將骨皮質顯示為高信號，因此可以對骨質疏松、骨折等疾病中骨皮質的改變進行良好的觀察。Reichert I等人［17］用UTE序列在骨質疏松病人觀察到了骨皮質信號的增高。Robson M等人［18］觀察到急性期骨折病人骨皮質短T2成分信號降低，而修復期信號增高，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UTE（saturation recovery UTE，SR-UTE）序列可測得骨皮質的T1時間。通過逐步增加飽和恢復時間，將獲得的骨皮質信號用指數信號恢復曲線進行擬合，得到骨皮質的T1時間范圍為140～400 ms［17， 19］。骨皮質T2*時間的測定是通過一系列的TE時間獲得相應一系列的信號強度，隨后通過信號衰減指數模型進行曲線擬合而得到，其范圍為0.42～0.60 ms［17， 19］。為提高T2*測量的準確性，減輕渦流對信號的影響，可輔以絕熱反轉等長T2抑制序列［12］。

Reichert I等人［17］發現，UTE測得的骨皮質T1時間隨年齡增長而延長，提示骨皮質的T1、T2*時間可能與年齡相關的骨改變及骨質疏松等疾病具有相關性，因此，進一步研究骨皮質T1及T2*時間在不同疾病狀態下的變化情況，可能為相關疾病的診斷提供更為豐富的資料。

4　骨皮質水含量測定

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

4.1骨皮質總水含量測定

UTE-MRI可借助水模測定骨皮質的總含水量（bone water concentration， BWC）［12， 19， 23］。Techawiboonwong A等人［19， 24］將水模與人骨標本或志愿者小腿同時進行UTE序列掃描，以水模和脛骨骨皮質信號強度為基礎，結合二者的T1、T2*時間進行計算，得到脛骨骨皮質BWC，并通過D2OH2O交換法［25］驗證了該UTE方法的準確性。此外，他們還發現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進行BWC測定可能作為區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行了脛骨骨皮質BWC測定，發現BWC與年齡正相關，而與QCT測得的BMD負相關。

4.2骨皮質自由水與孔隙水含量測定

Biswas R等人［26］用UTE序列結合以多TE時間掃描為基礎的雙成分分析法，對牛骨標本骨皮質的孔隙水和結合水進行了定量分析，并利用風干及烤干牛骨標本的方法驗證了其測得結果的準確性。Bae W等人［27］用同樣的方法將測得的孔隙水、結合水與骨的極限應力、彈性等生物力學性能、μCT測得的骨皮質孔隙度進行比較，發現孔隙度與孔隙水含量正相關，與結合水含量負相關，同時，孔隙水及自由水含量與骨的機械性能參數也具有相關性。

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

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行孔隙水及結合水定量分析發現，服藥組相比較鹽水對照組結合水高出14%而孔隙水低于對照組20%，提示了UTE-MRI對于骨皮質水定量分析在骨質疏松藥物治療隨訪中的應用潛能。

5　骨皮質孔隙度評價

骨皮質孔隙的體積占骨皮質總體積的百分比即骨皮質的孔隙度［31］，與年齡相關的骨強度下降和脆性骨折的發生有關［32-34］。Chamith S［13］及Li C等人［23］用UTE-MRI對骨皮質孔隙度進行在體的半定量評價。Chamith S等人用雙回波UTE序列對脛骨標本進行掃描，并以長TE及短TE獲得的信號強度（intensity， I）為基礎，定義孔隙度指數（porosity index， PI）為PI=ITE長/ITE短，通過人脛骨標本的測量發現PI與μCT測定的真實孔隙度線性正相關，同時，與年齡和BMD均呈負相關。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信號強度比值，將其作為骨皮質孔隙度評價的指標，并得到了與上述相似的結果。

6　骨皮質磷成像與骨礦質定量分析

骨礦鹽占骨皮質質量分數的45%，主要由羥基磷灰石晶體和無定形磷酸鈣構成［35］。骨礦質的晶體結構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。不同晶體結構的羥基磷灰石晶體T1值顯著不同，因此測定其T1值可能反映骨的代謝狀態［36］。MR成像對磷信號的敏感性低于質子信號且磷原子濃度遠遠低于人體中質子含量，為骨礦質中磷的評估和觀察帶來了極大的挑戰。Robson M等人［37］用TE時間為70 μs的UTE序列，將射頻脈沖設定于31P的共振頻率上，在體掃描得到了人體脛骨骨皮質的磷成像圖，并在此基礎上測定了骨皮質的T1和T2*時間。骨皮質的磷含量是骨礦質密度的直接反映，而傳統X線成像方法測定的骨密度主要反映了鈣質的含量。因此，骨皮質的磷成像為骨礦質的評價提供了良好的補充和完善。此外，Anumula S等人［38］用UTE磷成像的方法，發現卵巢切除的大鼠與假手術大鼠之間骨皮質的磷含量差異，并觀察到了手術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疏松治療反應評價的手段。

7　骨皮質血流灌注研究

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］在松質骨標本研究中發現了“骨重塑單元”這一血管結構，闡釋了骨灌注與骨重塑的密切關系。同時，低骨量及骨質疏松病人骨血流灌注減低，提示了骨灌注在骨代謝及相關疾病中的重要作用［40］。目前，骨灌注研究主要關注于骨松質及骨髓脂肪，對骨皮質灌注研究甚少。動態增強MRI是血流灌注研究中廣泛應用的一種無創方法，UTE-MRI的出現為骨皮質的動態增強顯像提供了可能［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行脛骨增強掃描，觀察到了骨皮質的強化。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行動態增強掃描，結合經典Tofts模型，獲得了脛骨骨皮質容積轉移常數（Ktrans）、速率常數（Kep）、對比劑血漿容積（Vp）、對比劑到達時間等血流灌注參數，為進一步研究骨皮質血流灌注在疾病中的變化提供了基礎。

8　總結與展望

自1991年Bergin CJ等人［42］首次在人體中應用UTE序列對肺組織進行掃描，并對肺腫瘤、肺動靜脈畸形等進行觀察以來，UTE序列逐漸進入人們的視野。目前，應用UTE序列的研究涉及多個系統，如呼吸、循環、骨肌、神經系統［18， 43］等，尤其以骨肌系統的研究最為廣泛［44］。目前，國內學者對UTE技術應用的相關研究也主要集中在骨肌系統，包括對人骨標本及健康志愿者的膝、踝關節進行3D UTE序列顯像的參數調試［15， 45］，對兔膝關節進行UTE動態增強觀察［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MRI序列，UTE磁共振序列最大的優勢在于其超短TE時間、對人體短T2組織和病變的良好顯示。UTE-MRI在骨皮質成像中方面的研究包括疾病的定性觀察、骨皮質孔隙水及結合水定量分析、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、骨微觀結構的評價具有重要意義。其中，骨皮質水定量與骨皮質孔隙度評價的相關研究，尤其是最為簡便的孔隙度指數測定，在完善骨質疏松骨折風險評價、藥物療效評估等方面具有良好的臨床應用潛能。然而，UTE-MRI在骨皮質成像中的應用仍主要處在“臨床前”階段，UTE序列測得的骨皮質水含量、孔隙度指數等隨年齡、性別的變化規律，與骨質疏松及骨質疏松骨折的關系仍需要進一步研究。

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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

文獻標識碼：A

DOI:10.12015/issn.1674-8034.2016.02.014