MRI弥散加权成像和表观弥散系数在骨骼病变中的应用

山东省青岛市海慈医疗集团（266033）刘勇山 梁文娟

贵州省铜仁市第二人民医院（554300）史天亮

弥散加权成像（diffusion-weighted imaging，DWI）与表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）是20世纪90年代发展起来的MRI新技术，是目前唯一能够检测活体组织内水分子扩散运动的无创性方法，可通过分析细胞内外水分子的跨膜运动功能状态的改变来诊断和鉴别疾病，已被广泛用于中枢神经系统和腹部实质性器官病变的诊断和鉴别诊断，近几年来其作为一种功能性成像技术在诊断骨骼病变方面，显示出良好的应用前景[1]。

1 DWI和ADC的基本原理

DWI 技术是目前唯一可在活体上检测组织中水分子布朗运动的成像技术，通过分析信号强度及对组织弥散系数的测量等，获得生物组织微动态和微结构变化的信息[2]。

目前常规采用的成像技术是在SE序列中180°脉冲相位重聚脉冲的两侧各施加一个强度和持续时间完全相同的扩散敏感梯度场，在这样一对梯度场强的作用下，静态组织因质子运动小，于复相脉冲施加时其自选相位基本完全重聚，信号丢失少，图像信号高；而对于弥散速度快的质子在第二个复相脉冲施加期间已运动出检测平面，无法完全重聚，从而引起失相位，MR信号衰减，图像呈低信号。因此DWI提供的图像对比所表达的为机体各种组织内水分子的弥散相对速度。在生物体中DWI信号衰减的主因是细胞外水分子运动和灌注，同时生物体内各种因素的影响如血流、病人的运动以及脉冲和梯度的不稳定，都可以影响所测得的弥散系数。在弥散加权中，信号衰减程度可用公式表示为：SD=exp-bD，其中D为扩散系数，反映水分子扩散运动的能力，D值越大，水分子扩散能力越强，信号衰减越多。b为扩散梯度因子，b值信号越高，DWI对水分子的运动越敏感，对病灶的显示也越清楚，但图像的信噪比显著下降。临床上根据设备条件、所选用的序列以及临床目的不同，可适当调整b值。有学者研究b值分别为200、400、600、500、1000s/mm2时，良、恶性肿瘤的ADC值之间比较无显著性差异，但随着b值的增加ADC值降低（当b=400s/mm2）可获得清晰的图像，测得的ADC值稳定，并且随着b值的增加图像的信噪比逐渐减低，图像质量略差，伪影增多，测得的ADC值不稳定。这说明骨肿瘤的DWI研究b值在400s/mm2左右时获得的图像较好，而且ADC值的测定比较准确。

ADC图是DWI的另一种表现形式，是通过计算机处理后的一种图像，其直接反映组织内水分子扩散的速度，数值越大，表示水分子的扩散活动越强。ADC图信号强度与ADC值正相关，如果组织扩散速度慢，ADC值低，图像信号强度低，成黑色，反之亦然。ADC值可根据等式ADC＝Ln（S2/S1）/（b1～b2）计算得出，由其而得出的参数图成为ADC图。式中的b值为弥散敏感系数，是外加梯度磁场的参数，反映弥散梯度场强和持续时间，决定扩散权重的量。ADC值在小b值的情况下，受局部组织微循环灌注影响大，所测得的ADC值稳定性差，不能有效反映水分子的弥散运动。相反用大b值所测得的ADC值，受血流灌注影响小，能较好的反映水分子的弥散运动。通常b值选0，100，500，1000等。b值越高弥散速度快慢差异显示越好。测得ADC值后，还可以对良、恶性病变进行量化鉴别。

2 DWI和ADC在骨骼病变中的应用

2.1 肿瘤性病变 DWI在发现原发和转移性病变方面有着非常重要的临床价值，同时也是发现骨髓受累的有效方法[3]，特别是对于骨转移瘤的早期发现尤为重要，可以在骨骼代谢状态发生改变之前检出病灶。大多数恶性肿瘤的病理特点是细胞密度大、细胞核质比例高，这样就导致细胞内和细胞外的水分子弥散运动受限，因而ADC值降低，在DWI上呈高信号[4]。DWI对良性和转移性骨质改变的鉴别较为可靠，尤其是对于椎体良恶性压缩骨折的鉴别。常规MRI显示良恶性椎体压缩均为T1低信号，T2高信号，特别是骨髓水肿累及整个椎体或者病人既往有恶性肿瘤史者，更难以鉴别。因为单纯性压缩骨折因骨髓水肿，细胞外可自由活动的水分子增多，运动增快，表观扩散系数增高，与周围正常骨髓相比，DWI示等或低信号，而转移性椎体骨折因肿瘤组织细胞浸润、堆积，细胞外空间减少，水分子运动受阻而DWI呈高信号。ADC值主要反映水分子扩散运动的速度和范围，ADC值和ADC图不受T2影响，能真实、量化反映组织水分子扩散。尽管ADC值定量测定的数值各组研究不完全一致，但均证实单纯性与病理性压缩性骨折的ADC值存在显著性差异[5]。

Herneth等[6]对22例椎体压缩骨折患者的研究结果表明：良性骨折的ADC值为（1.61±0.37）×10-3mm2/s，而恶性骨折为（0.71±0.27）×10-3mm2/s，脊椎转移瘤为（0.69±0.24）×10-3mm2/s。Zhou等人[7]对12例良性骨折和15例恶性骨折患者的研究示良性骨折患者ADC值为（3.2±0.5）×10-4mm2/s，恶性骨折患者ADC值为（1.9±0.3）×10-4mm2/s。Chan等[8]对32例急性压缩骨折进行SS—SE—EPI—DWI研究结果显示，正常椎体ADC值为（0.23±0.05）×10-3mm2/s，急性良性骨折为（1.94±0.20）×10-3mm2/s，恶性骨折为（0.82±0.20）×10-3mm2/s。通过以上实例笔者认为利用ADC值对良、恶性椎体压缩骨折进行鉴别诊断是有一定价值的。

磁共振全身弥散加权成像技术（WBDWI）采用一种全新的脉冲序列—反转恢复回波平面弥散序列（STIR-DWIEPI），在抑制肌肉、脂肪、肝脏等组织背景信号的基础上，提高病灶信噪比，使其可能较好地显示骨骼病灶。由于采用了全身大范围扫描，并加以3D后处理重建，其成像效果和临床意义与正电子发射成像（PET）有许多类似之处， 因此也被形象的称做MR“类PET”技术。在WB-DWI图像中正常骨骼中椎体信号最高，髂骨、肋骨较低，而四肢骨呈明显低信号，此现象可用骨骼不同部位红、黄骨髓成分的差别来解释。正常成人骨髓WB-DWI上呈低信号，是因为其含有大量脂肪成分，这为发现肿瘤奠定了基础。肿瘤细胞核质比高、排列紧密，破坏了正常的骨髓成分，致水分子弥散受限而出现明显高信号。经过图像反转，骨肿瘤病灶呈现出在“灰白”背景上的“黑色污点”，大大提高了病灶的检出率。绝大多数骨转移病灶形成始于髓内，当病灶局限于骨髓内，未出现成骨性改变时，WB-DWI对病灶的显示具有高度敏感性。WB-DWI还可以根据病变大小和ADC值变化来评价肿瘤的治疗效果。当前临床上评价治疗效果通常是根据常规影像检查比较病灶治疗前后的形态和大小变化，从而得出结论。但是肿瘤在经过放化疗治疗后，会引起肿瘤细胞的死亡，细胞膜的完整性丧失，细胞外间隙增加，水分子弥散增加，这时ADC值会发生明显升高。ADC值的变化会明显早于肿瘤组织切片上可观察到的改变，且更早于形态学改变，如肿瘤体积缩小等。这表明ADC 值对于肿瘤的疗效有一定的预测能力，不仅能在病变发生形态学变化之前预测肿瘤的转归， 而且为疗效的早期监测提供了一个量化的指标，是一种非常有价值的肿瘤评估手段。

2.2 非肿瘤性病变 DWI在非肿瘤病变诊断中的应用范围主要包括脊柱及股骨等含骨髓比较丰富的部位。脊柱的感染性疾病为临床多发病、常见病，包括特异性感染和非特异性感染。正常椎体骨髓在DWI上表现为均匀的低信号，而病变组织在DWI上的异常改变与病变内容物的物理性质和生化成份有关。感染所致的脓液因含有大量炎性细胞、细菌、坏死组织以及蛋白分泌物的粘稠液体，使脓液的大体运动速度和其内水分子的弥散速度都减慢，导致了ADC值减低，从而导致弥散加权图像的高信号，ADC图上呈暗区。结核所致椎体病理改变主要是病灶内干酪样坏死性物质的出现限制了水分子的弥散，故导致弥散速率减慢，弥散成像上表现为高信号。由于恶性肿瘤内细胞密度高于感染性病变，水分子弥散受限更显著，两者相比恶性肿瘤的ADC值显著低于感染性病变。而脊柱结核早期主要以渗出为主，导致水分子明显增多，扩散加快，ADC值增高。早期结核往往无明显的X线表现，有时CT表现也不明显，而MRI对椎体骨髓中水含量、蛋白及脂肪的变化非常敏感，能在早期炎性水肿期就能有异常表现，能做出定性诊断[9]。

影像学对骶髂关节病变表现研究比较多，包括强直性脊柱炎、类风湿关节炎、致密性骨炎等，其中最常见的是骶髂关节强直性脊柱炎。其主要病理改变为关节滑膜充血水肿、肉芽组织增生，造成关节软骨的破坏，并不断向深层蔓延，当侵犯软骨下骨组织时，可以出现相应骨组织的囊状破坏，最终出现关节间隙的钙化、骨化，直至关节骨性强直。常规 X 线放射学检查无法直接显示关节软骨，不能发现早期病变，只能通过关节间隙的狭窄程度来判断软骨的损害程度，因此对于关节病变的早期诊断和严重度评估不够敏感，准确性欠佳[10]。DWI通过检测组织内水分子运动来反映软骨内的代谢和生化信息，可以在分子水平检测关节软骨的病变，DWI除了可以直接观察组织结构的信号改变外，还可以利用ADC值计算，有利于对病变进行量化分析，为病变的检出提供客观的诊断依据。骶髂关节强直性脊柱炎早期关节软骨内胶原和蛋白多糖含量减少，水的含量增多导致软骨ADC值升高，可以发现无明显形态学改变的骶髂关节软骨的早期损伤，从而为早期诊断提供重要参考依据并前瞻性指导临床进行早期干预治疗，以防止软骨发生不可逆性改变。

健康人股骨头内的骨髓成分随着年龄的增长由红骨髓向黄骨髓转化，黄骨髓的主要成分为脂肪，由于脂类分子的存在限制了水分子的自由运动，所以股骨头的DWI为低信号和ADC值也较小，并且有随着年龄的增加ADC值逐渐减低的趋势。股骨头坏死早期病理变化是小动脉血管壁结构损害，引起髓腔造血细胞出现坏死，静脉窦充血，血浆渗出，而后发生骨陷窝空虚，骨小梁完全性坏死，骨陷窝扩大，脂肪细胞出现坏死，在DWI上表现为斑点状或片状高信号。随着损害的继续，坏死灶周围活骨组织反应性充血，大量炎性细胞增生浸润，周围部分坏死的骨小梁被不等量、不规则的新生网状骨质所封闭、包绕、逐渐吸收骨小梁，并取而代之，DWI呈小片状、带状、地图状或其他不规则状高信号区。由于骨髓充血水肿引起骨髓内自由水增加，从而病变内水分子弥散也逐渐增加，ADC值也呈现出比正常侧高的趋势。弥散变化反映了最初的骨骺组织细胞毒性水肿及之后发生的组织结构破坏，其表观弥散系数（ADC值）反映了水分子弥散的定量指标。DWI可以在分子水平检测股骨头病变，还可通过 ADC 值来进行定量分析，为疾病的检出和诊断提供客观依据，是一种能够早期发现股骨头缺血改变的无创性影像技术，为指导临床治疗、评估疗效及预后提供有效的依据。

总之，DWI在骨骼病变的发现及评估病变性质方面有着较高的优越性和敏感性，并且还能够通过对ADC值的测量，对病变的程度进行定量分析，为病变的诊断提供较为可靠的量化指标，是一种比较理想的无创性鉴别方法，具有很高的临床应用价值。但目前骨骼DWI的序列研究还不尽完善，要取得高质量的骨骼DWI图像，尚需进一步研究开发。同时，现在对正常骨骼DWI图像和ADC值的测量研究的数据比较少，如能提供足够大样本的正常ADC值参考范围，将为进一步探讨其在疾病方面的研究提供更客观的依据。