磁共振彈性成像在腦組織中的研究及進展

王丹丹

天津市寶坻區人民醫院 CT室，天津 301800

引言

磁共振彈性成像（Magnetic Resonance elastography，MRE）是一種新的、無創性的以不同組織彈性特性為基礎的成像方法，不受診斷部位的限制，因此被稱作“影像觸診”。最初由Muthupilla等[1]于1995年報道，通過相位對比MRI技術獲得剪切模型（也稱作彈性模型），通過分析證實該模型與力學方法測量有高度相關性。目前，該成像方法已在臨床應用中初步開展。

1 MRE成像原理簡介

相較于傳統MRI技術，MRE成像需要在外部放置一套激發裝置，產生的信號作用于被檢體引起組織質點位移，經過MR成像及重組算法得到該組織彈性系數的分布圖，即彈性圖。

激發裝置大多采用電磁裝置，用以產生低頻率正弦信號，該信號作用于被檢體表面產生低頻率剪切波。同時進行磁共振成像，以梯度回波序列為基礎，施加運動敏感序列（Motion Sensitive Gradient，MSG），因質點會在垂直于剪切波方向上產生位移，所以施加的MSG方向需與剪切波垂直，且頻率一致、同步進行。此時會獲得該組織磁共振相位圖像，經過反演重組算法獲得組織彈性系數分布圖。組織的彈性與剪切模量μ，又稱彈性模量、剪切硬度，是一個復雜的物理量，與剪切波的頻率f、剪切波的波長u、組織的密度ρ有關[2-3]。在后處理過程中，還可以得到一個參數，即相位角ψ，或空間阻尼比ξ。

2 MRE在腦組織中的研究

目前，MRE技術已經能夠廣泛應用于人體眾多組織器官中，特別是慢性肝病患者。由于腦組織組成結構的復雜性及顱骨對腦的保護性，使這項技術在腦組織應用中發展緩慢。直到2008年，才將此技術第一次應用于腦組織中。且隨著技術的不斷更新，已從單頻率、單參數成像到多頻率、多參數成像。

2.1 MRE在健康志愿者中的研究

Kruse等[4]首次應用于人腦中，并測量了健康志愿者全腦組織結構的剪切模量。劉光銳等[5]對105名健康志愿者進行MRE成像，結果顯示健康人腦、灰白質剪切模量存在顯著性差異。Zhang等[6]分別對大腦與小腦、大腦不同腦葉進行定量測量，結果顯示不同腦組織間剪切模量存在顯著差異。Johnson等[7]進一步對大腦深部灰質各核團及深部腦白質進行研究，各剪切模量同樣存在著差人異性。劉光銳等[5]、Arani等[8]的研究共同表明腦組織的剪切模量與年齡的增長呈正相關，但除外小腦組織。多數學者認為，各腦組織結構剪切模量的不同與其組成的微結構及功能有關，根據不同疾病腦組織細微結構的差異，能夠指導臨床的治療及評估預后情況。

對于性別對剪切模量的研究較少，大部分學者認為性別與腦組織結構的剪切模量無相關性。而Arani等[8]發現顳枕葉剪切模量與性別有相關性，且所得到的女性剪切模量要高于男性。這可能與男、女個性差異有關。顳枕葉功能與情感記憶有關。也就是說，在探索腦組織不同部位的功能方面，MRE可能是一種新的成像方法。Schwarb等[9]在健康中青年男性人群中采用MRE技術研究海馬結構彈性特性中發現，該特性與腦記憶功能有很強的相關性。這也是首次提出應用MRE技術來觀察不同組織彈性特性與腦認知功能方面的關系。研究還發現，在研究海馬區記憶的相關性方面，采用MRE得到的腦組織的剪切模量要比測量海馬體積變化更敏感。

Lucy等[10]選取年輕人（19～30歲）及老年人（66～73歲）作為研究對象，分別測量大腦深部灰質核團（包括杏仁體、尾狀核、蒼白球、殼核、丘腦）及海馬的體積及剪切模量，并對其進行相關性分析。結果顯示各腦結構體積隨年齡的增加而減小；剪切模量隨年齡的增加而減低。由于隨年齡的增長，會出現不同程度的腦萎縮和腦白質稀疏，這也是該研究選取大腦深部灰質核團作為研究對象的原因之一。并且在比較青少年海馬體積及有氧運動對記憶影響的研究中發現，年長兒童海馬的體積及彈性均較年幼的兒童大，且經常進行有氧運動的兒童其海馬體積較同齡兒童的大[11]。MRE是以不同組織結構的彈性特性為基礎的一種成像方法，也可以應用于青少年中，但目前沒有應用于青少年的相關報道。

在所有研究中，選擇感興趣區時，都要盡可能避開腦室、腦脊液等干擾因素，遠離大腦皮層下結構[12]。

2.2 MRE在神經退行性變中的研究

基于前期對MRE可行性應用的研究成果，現已將該技術應用于顱腦疾病的研究中。神經系統退行性變的研究主要包括阿爾茲海默癥（Alzheimer’s Disease，AD）、多發性硬化（Multiple Sclerosis，MS）、肌萎縮性脊髓側索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）、帕金森病（Parkinson’s Disease，PD）。

MRE技術在神經系統退行性變中的應用，常集中于以下研究：① 健康志愿者與患者的對比研究；② 疾病不同階段的剪切模量范圍；③ 不同組成成分的剪切模量。

Murphy等[13]多年的研究表明，AD患者全腦剪切模量較健康人低，并發現這種改變首先出現在額顳頂葉。Hiscox等[14]的研究得到了與前者一致的結果，并得出MRE可以作為一種對AD患者疾病嚴重程度的新的生物學標記方法，但卻得到一個與預期結果不同的結論，即得到的剪切模量與AD嚴重程度并非線性的、單一因素，還受其他因素的影響，比如腦組織結構體積的變化。Wuerfel等[15]發現無論是復發-緩解型還是進展期的MS患者，其腦組織的剪切模量均低于健康人（分別低于12.7%、20.5%）；且隨病情進展，其值進一步減低。在中毒后引起神經系統脫髓鞘改變的小鼠實驗模型中發現，剪切模量與相位角同時減低，并且隨病情好轉，逐漸恢復至正常。在研究中還發現，病灶組織的彈性改變與髓鞘的形成及腦外矩陣模型有關，特別是脫髓鞘造成的相位角的減低[16]。在小鼠自身免疫性腦脊髓炎的實驗模型中，也得出了患鼠腦組織剪切模量減低的結論[17]。對于ALS患者的研究，文獻鮮少報道，僅Romano等[18]對其與健康志愿者做過對比研究，結果顯示ASL患者感興趣區的剪切模量較健康者低。

通過上述的研究發現，在神經系統脫髓鞘改變的疾病中，患病腦組織的剪切模量均較健康腦組織低。之后Freimann等[19]發現腦組織的剪切模量減低與神經元的缺少有關。為了驗證該理論的正確性，Klein等[20]做了進一步的研究。以PD為模型的小鼠實驗中發現，早期由于機體的代償作用，會大量產生神經細胞，得到的海馬剪切模量也隨之增高。無論何種原因引起的神經系統脫髓鞘改變，在組織病理學上是由于神經元的缺失造成的剪切模量的降低。

2.3 MRE在腦腫瘤中的研究

MRE在腦腫瘤中的應用主要集中在腦膜瘤及膠質瘤中，對轉移瘤及其他常見的腫瘤中研究較少。Joshua等[21]研究腦膜瘤的MRE圖像與術中所得病灶有較好的一致性。無論是腦膜瘤還是膠質瘤，其實性成分均較健康人低。MRE在評估這兩種腫瘤中有一定的應用價值。研究中還發現，腦膜瘤瘤體成分不同所得到的剪切模量亦不同。當瘤體不存在囊變壞死、腫瘤成分單一時，術中能夠很容易將腫瘤完整切除；而當瘤體存在囊變壞死時，所得MRE圖像顯示混雜信號，術中瘤體不易完整切除。在之后的研究中，Joshua等[21]發現2例腦膜瘤患者與術后病理結果不一致，這兩例患者瘤體周圍均存在水腫帶，而水腫帶的剪切模量要高于瘤體實性部分。瘤周水腫帶的存在對估腫瘤大小及成分中產生了誤差。

2.4 MRE技術的發展及局限性

目前，MRE成像最常用的序列是單次激發平面回波技術，該序列的優點是成像速度快、穩定性好、靈活性好。在以往的研究中，該方法的應用價值已得到證實。如對健康人不同年齡段各腦結構剪切模量及部分腦組織神經變性的研究。但該方法存在一個最大問題，空間分辨率低。并且與其他常規MRI序列有著一個共性問題，成像時間相對較長。著力于解決上述問題，有學者將單次激發EPI序列變為多次激發、多頻率、多方位成像，即3D-MRE成像[22]。

目前研究中常用的序列有非線性反轉算法序列（Nonlinear Inversion Algorithm，NLI）[23]、間隔采樣調整序列（Sample Interval Modulation，SLIM）[24-25]、基于多方面剪切應力的信噪比（Octahedral Shear Strain-Based SNR，OSS-SNR）[26]。NLI利用Naver’s方程來克服磁場的局部不均一性，進而提高空間分辨力。SLIM采用增加采樣次數來提高掃描時間。OSS-SNR采用多層掃描減少重復時間提高信噪比，進而提高空間分辨力并減少掃描時間。

雖然近些年MRE在技術上有了一定的發展，但仍能獲得滿意的空間分辨力，無法對一些小病灶的進行分析[27]。并且因其對運動十分敏感，在一定程度上限制了技術的發展。在臨床中，該技術尚處于初步研究階段，其配套設備，如線圈，還未實現商業化。

3 總結

MRE在腦中的應用相對較少，研究對象多是動物模型及成年人，幾乎沒有以青少年為研究對象。研究方向主要集中在正常腦結構及腦組織的退變，對腦組織微結構的變化較傳統MRI更敏感，并且能夠顯示出部分腦結構（如顳葉）的功能變化。在腦部腫瘤也有一定的應用，比如腦膜瘤、惡性膠質瘤，但目前該研究尚處于對比分析階段，并不能用于腫瘤的診斷中。總體而言，該技術由于采用無創的成像方法來分析腦部病變的發生、發展過程，因而應用前景非常廣闊。