磁共振弹性成像在脑组织中的研究及进展

王丹丹

天津市宝坻区人民医院 CT室，天津 301800

引言

磁共振弹性成像（Magnetic Resonance elastography，MRE）是一种新的、无创性的以不同组织弹性特性为基础的成像方法，不受诊断部位的限制，因此被称作“影像触诊”。最初由Muthupilla等[1]于1995年报道，通过相位对比MRI技术获得剪切模型（也称作弹性模型），通过分析证实该模型与力学方法测量有高度相关性。目前，该成像方法已在临床应用中初步开展。

1 MRE成像原理简介

相较于传统MRI技术，MRE成像需要在外部放置一套激发装置，产生的信号作用于被检体引起组织质点位移，经过MR成像及重组算法得到该组织弹性系数的分布图，即弹性图。

激发装置大多采用电磁装置，用以产生低频率正弦信号，该信号作用于被检体表面产生低频率剪切波。同时进行磁共振成像，以梯度回波序列为基础，施加运动敏感序列（Motion Sensitive Gradient，MSG），因质点会在垂直于剪切波方向上产生位移，所以施加的MSG方向需与剪切波垂直，且频率一致、同步进行。此时会获得该组织磁共振相位图像，经过反演重组算法获得组织弹性系数分布图。组织的弹性与剪切模量μ，又称弹性模量、剪切硬度，是一个复杂的物理量，与剪切波的频率f、剪切波的波长u、组织的密度ρ有关[2-3]。在后处理过程中，还可以得到一个参数，即相位角ψ，或空间阻尼比ξ。

2 MRE在脑组织中的研究

目前，MRE技术已经能够广泛应用于人体众多组织器官中，特别是慢性肝病患者。由于脑组织组成结构的复杂性及颅骨对脑的保护性，使这项技术在脑组织应用中发展缓慢。直到2008年，才将此技术第一次应用于脑组织中。且随着技术的不断更新，已从单频率、单参数成像到多频率、多参数成像。

2.1 MRE在健康志愿者中的研究

Kruse等[4]首次应用于人脑中，并测量了健康志愿者全脑组织结构的剪切模量。刘光锐等[5]对105名健康志愿者进行MRE成像，结果显示健康人脑、灰白质剪切模量存在显著性差异。Zhang等[6]分别对大脑与小脑、大脑不同脑叶进行定量测量，结果显示不同脑组织间剪切模量存在显著差异。Johnson等[7]进一步对大脑深部灰质各核团及深部脑白质进行研究，各剪切模量同样存在着差人异性。刘光锐等[5]、Arani等[8]的研究共同表明脑组织的剪切模量与年龄的增长呈正相关，但除外小脑组织。多数学者认为，各脑组织结构剪切模量的不同与其组成的微结构及功能有关，根据不同疾病脑组织细微结构的差异，能够指导临床的治疗及评估预后情况。

对于性别对剪切模量的研究较少，大部分学者认为性别与脑组织结构的剪切模量无相关性。而Arani等[8]发现颞枕叶剪切模量与性别有相关性，且所得到的女性剪切模量要高于男性。这可能与男、女个性差异有关。颞枕叶功能与情感记忆有关。也就是说，在探索脑组织不同部位的功能方面，MRE可能是一种新的成像方法。Schwarb等[9]在健康中青年男性人群中采用MRE技术研究海马结构弹性特性中发现，该特性与脑记忆功能有很强的相关性。这也是首次提出应用MRE技术来观察不同组织弹性特性与脑认知功能方面的关系。研究还发现，在研究海马区记忆的相关性方面，采用MRE得到的脑组织的剪切模量要比测量海马体积变化更敏感。

Lucy等[10]选取年轻人（19～30岁）及老年人（66～73岁）作为研究对象，分别测量大脑深部灰质核团（包括杏仁体、尾状核、苍白球、壳核、丘脑）及海马的体积及剪切模量，并对其进行相关性分析。结果显示各脑结构体积随年龄的增加而减小；剪切模量随年龄的增加而减低。由于随年龄的增长，会出现不同程度的脑萎缩和脑白质稀疏，这也是该研究选取大脑深部灰质核团作为研究对象的原因之一。并且在比较青少年海马体积及有氧运动对记忆影响的研究中发现，年长儿童海马的体积及弹性均较年幼的儿童大，且经常进行有氧运动的儿童其海马体积较同龄儿童的大[11]。MRE是以不同组织结构的弹性特性为基础的一种成像方法，也可以应用于青少年中，但目前没有应用于青少年的相关报道。

在所有研究中，选择感兴趣区时，都要尽可能避开脑室、脑脊液等干扰因素，远离大脑皮层下结构[12]。

2.2 MRE在神经退行性变中的研究

基于前期对MRE可行性应用的研究成果，现已将该技术应用于颅脑疾病的研究中。神经系统退行性变的研究主要包括阿尔兹海默症（Alzheimer’s Disease，AD）、多发性硬化（Multiple Sclerosis，MS）、肌萎缩性脊髓侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）、帕金森病（Parkinson’s Disease，PD）。

MRE技术在神经系统退行性变中的应用，常集中于以下研究：① 健康志愿者与患者的对比研究；② 疾病不同阶段的剪切模量范围；③ 不同组成成分的剪切模量。

Murphy等[13]多年的研究表明，AD患者全脑剪切模量较健康人低，并发现这种改变首先出现在额颞顶叶。Hiscox等[14]的研究得到了与前者一致的结果，并得出MRE可以作为一种对AD患者疾病严重程度的新的生物学标记方法，但却得到一个与预期结果不同的结论，即得到的剪切模量与AD严重程度并非线性的、单一因素，还受其他因素的影响，比如脑组织结构体积的变化。Wuerfel等[15]发现无论是复发-缓解型还是进展期的MS患者，其脑组织的剪切模量均低于健康人（分别低于12.7%、20.5%）；且随病情进展，其值进一步减低。在中毒后引起神经系统脱髓鞘改变的小鼠实验模型中发现，剪切模量与相位角同时减低，并且随病情好转，逐渐恢复至正常。在研究中还发现，病灶组织的弹性改变与髓鞘的形成及脑外矩阵模型有关，特别是脱髓鞘造成的相位角的减低[16]。在小鼠自身免疫性脑脊髓炎的实验模型中，也得出了患鼠脑组织剪切模量减低的结论[17]。对于ALS患者的研究，文献鲜少报道，仅Romano等[18]对其与健康志愿者做过对比研究，结果显示ASL患者感兴趣区的剪切模量较健康者低。

通过上述的研究发现，在神经系统脱髓鞘改变的疾病中，患病脑组织的剪切模量均较健康脑组织低。之后Freimann等[19]发现脑组织的剪切模量减低与神经元的缺少有关。为了验证该理论的正确性，Klein等[20]做了进一步的研究。以PD为模型的小鼠实验中发现，早期由于机体的代偿作用，会大量产生神经细胞，得到的海马剪切模量也随之增高。无论何种原因引起的神经系统脱髓鞘改变，在组织病理学上是由于神经元的缺失造成的剪切模量的降低。

2.3 MRE在脑肿瘤中的研究

MRE在脑肿瘤中的应用主要集中在脑膜瘤及胶质瘤中，对转移瘤及其他常见的肿瘤中研究较少。Joshua等[21]研究脑膜瘤的MRE图像与术中所得病灶有较好的一致性。无论是脑膜瘤还是胶质瘤，其实性成分均较健康人低。MRE在评估这两种肿瘤中有一定的应用价值。研究中还发现，脑膜瘤瘤体成分不同所得到的剪切模量亦不同。当瘤体不存在囊变坏死、肿瘤成分单一时，术中能够很容易将肿瘤完整切除；而当瘤体存在囊变坏死时，所得MRE图像显示混杂信号，术中瘤体不易完整切除。在之后的研究中，Joshua等[21]发现2例脑膜瘤患者与术后病理结果不一致，这两例患者瘤体周围均存在水肿带，而水肿带的剪切模量要高于瘤体实性部分。瘤周水肿带的存在对估肿瘤大小及成分中产生了误差。

2.4 MRE技术的发展及局限性

目前，MRE成像最常用的序列是单次激发平面回波技术，该序列的优点是成像速度快、稳定性好、灵活性好。在以往的研究中，该方法的应用价值已得到证实。如对健康人不同年龄段各脑结构剪切模量及部分脑组织神经变性的研究。但该方法存在一个最大问题，空间分辨率低。并且与其他常规MRI序列有着一个共性问题，成像时间相对较长。着力于解决上述问题，有学者将单次激发EPI序列变为多次激发、多频率、多方位成像，即3D-MRE成像[22]。

目前研究中常用的序列有非线性反转算法序列（Nonlinear Inversion Algorithm，NLI）[23]、间隔采样调整序列（Sample Interval Modulation，SLIM）[24-25]、基于多方面剪切应力的信噪比（Octahedral Shear Strain-Based SNR，OSS-SNR）[26]。NLI利用Naver’s方程来克服磁场的局部不均一性，进而提高空间分辨力。SLIM采用增加采样次数来提高扫描时间。OSS-SNR采用多层扫描减少重复时间提高信噪比，进而提高空间分辨力并减少扫描时间。

虽然近些年MRE在技术上有了一定的发展，但仍能获得满意的空间分辨力，无法对一些小病灶的进行分析[27]。并且因其对运动十分敏感，在一定程度上限制了技术的发展。在临床中，该技术尚处于初步研究阶段，其配套设备，如线圈，还未实现商业化。

3 总结

MRE在脑中的应用相对较少，研究对象多是动物模型及成年人，几乎没有以青少年为研究对象。研究方向主要集中在正常脑结构及脑组织的退变，对脑组织微结构的变化较传统MRI更敏感，并且能够显示出部分脑结构（如颞叶）的功能变化。在脑部肿瘤也有一定的应用，比如脑膜瘤、恶性胶质瘤，但目前该研究尚处于对比分析阶段，并不能用于肿瘤的诊断中。总体而言，该技术由于采用无创的成像方法来分析脑部病变的发生、发展过程，因而应用前景非常广阔。