骨髓脂肪影像檢測技術研究進展

李米芳 張妃媛 張靈艷

骨不僅僅是由骨組織構成的，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，如瘦素和脂聯素和白細胞介素6等，它的積累構成了骨髓脂肪組織(marrow adipose tissue,MAT)[1-2]。骨髓脂肪是骨骼微環境中的一個參與者。近年來，研究發現骨質疏松、糖尿病、肥胖等代謝性疾病、絕經、神經厭食癥、腫瘤或某些放/化療患者骨髓中均可見MAT增多的現象。骨髓脂肪是上述疾病的重要生物學標記物，與骨髓的各種生理性、病理性改變都密切相關[3-9]。對骨髓脂肪的更好理解可以提供新的診斷或預后標準，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具有重要意義。目前，MAT的定量評估標準主要是骨髓活檢，但這一技術屬于有創檢查。近年來隨著影像技術的發展，多種影像新技術應用于骨髓脂肪的研究。

一、 核磁共振成像(MRI)

1.單體素質子磁共振波譜(1H-MRS)：1H-MRS是量化MAT的金標準[10]，是目前最成熟的一種技術。它是基于化學位移原理，通過單體素 PRESS 序列檢測骨髓內成分，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(fat fraction,FF)等反映骨髓成分的相關指標[11]，其中，FF=[Ifat /(Ifat +Iwat)]×100%。

有研究發現，MAT含量與性別、年齡密切相關。在一個接受1H-MRS檢測以評估健康男性和女性MAT含量的研究中發現，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]。這與女性在絕經后卵巢功能減退、雌激素迅速下降有關。隨著年齡的增長，骨密度下降，骨質疏松患者的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性。絕經后女性骨密度降低，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，在神經性厭食癥患者中，1H-MRS測出神經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[18-19]。在一項針對神經性厭食癥患者的研究中發現，從神經性厭食癥康復了的女性，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[20]。這可用于指導進一步研究營養和激素環境變化對骨骼成分的影響。

MAT含量與機體代謝密切相關；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。有研究發現，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可出現明顯降低，T2DM 患者的骨髓脂肪成分的變化與HbA1C 密切相關[22-23]。在一項評估Roux-en-Y胃旁路術后患者的研究中顯示，MAT的變化取決于個人的糖尿病狀態。相比非糖尿病患者，T2DM患者的MAT含量在Roux-en-Y胃旁路術后減少[24-25]。因此，對骨髓脂肪的研究應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檢測技術可作為監測血糖控制程度的標志。

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

總而言之，1H-MRS 作為一種無創影像學技術，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展[29]，這也對我們發展新的技術提出了要求。

2.T1加權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，使人體中的氫質子受到激勵而發生磁共振現象。停止脈沖后，質子在弛豫過程中產生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，即產生MR信號。在序列中采用短脈沖重復時間(TR)和短脈沖回波時間(TE)就可得到T1加權像，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。由于骨髓的脂肪質子大多以與Larmor頻率相似的頻率進動，氫質子能量釋放較快，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時，發現MAT含量與骨密度之間呈反向關系[31]。在將T1加權MRI技術和水脂分離技術、MRS技術相比較的研究中發現，T1加權MRI技術能夠測量骨髓脂肪組織含量，但無法實現對骨脂肪分數的測量。由于脂肪組織中含有水、蛋白質等其他成分，因此T1加權MRI測出的數值可能會有偏差。的誤差來源可歸因為MRI的部分容積效應和閾值分割，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，最初是由Dixon在1984年提出的。它是基于化學位移效應，利用自旋回波序列，通過調節不同的回波時間，獲得水和脂肪質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，于是對技術進行了改進，發展了3點Dixon技術。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的影響[32]。

近年來，對Dxion技術進一步改進，發展了mDIXON-Quant技術和IDEAL技術。mDIXON-Quant技術采用脂肪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技術結合了非對稱采集技術與迭代最小二乘水脂分離算法，在此基礎上，對T2*衰減、脂肪的多譜峰分布等進行校正，能夠更加準確地獲取脂肪定量的信息[34-35]。

水脂成像技術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,增加間充質干細胞的分化，脂肪細胞增加，導致MAT增加，FF升高。由此可見，基于水脂成像技術評估骨髓脂肪對癌癥患者的規劃和監測很有幫助[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，骨髓脂肪應作為臨床劑量測定的重要指標[38]。

二、雙能計算機斷層成像技術(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，數字化后計算得出該層面各個單位容積的吸收系數，然后重建圖像的一種成像技術。CT可用量化指標CT值[單位為亨氏單位(Hounsfield unit,Hu)]來表示。人體內不同的組織具有不同的衰減系數，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是在同一解剖區域行高低兩種電壓(80 kV和140 kV)的瞬時切變，并根據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掃描儀和技術對健康的志愿者的腰椎椎體進行掃描研究。研究發現，在量化腰椎骨髓脂肪含量方面，DECT與1H-MRS密切相關。與其他技術相比，DECT的優點是可在一次檢查中同時評估骨密度和MAT的內容。與此同時，有研究發現MAT的存在導致了骨密度的低估。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更準確的骨密度評估[40]。臨床上，放射治療和化療會導致骨髓脂肪的迅速增加，DECT可以作為一種有用的影像學方法來鑒別癌癥治療的不良骨骼效應，更敏感和準確地評估特定部位骨折風險，如婦科惡性腫瘤放射治療后骨盆骨折的風險[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技術的發展(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境和骨質量的關系成為熱點，加快了非創傷性影像技術的進展。多種影像技術可以無創地評價骨髓脂肪及其在不同疾病狀態下的變化。雖然目前不同的影像技術各自存在不同的優缺點，但隨著研究的不斷深入，必將不斷克服技術的缺陷，使這些影像技術在骨髓脂肪研究、藥物療效評估及臨床治療方面發揮重要作用。