磁共振弹性成像

.11ChinaMedicalDeviceInformation|中国医疗器械信息放射·专题ThematicForum·Radiology磁共振弹性成像刘茜玮谢晟王武卫生部中日友好医院放射科(北京100029)内容提要：磁共振弹性成像(MagneticResonanceElastography，MRE)是一种发展迅速的用来定量地测量组织力学特性的新型非创伤性的成像方法，被认为是一种“影像触诊”。MRE在医学诊断上具有良好的发展前景。本文就MRE的基本原理以及研究现状作一简要综述。关键词：磁共振弹性成像新技术MagneticResonanceElastographyLIUXi-weiXIEShengWANGWuDepartmentofRadiology,China-JanpanFriendshipHospital(Beijing100029)Abstract:MagneticResonanceElastography(MRE)isarapidlydevelopingtechnologyforquantitativelyassessingthemechanicalpropertiesoftissue.Thetechnologycanbeconsideredtobethepalpationbyimaging.MREhavesignificantdiagnosticpotential.Thepurposeofthisarticleistointroducetheprincipleofthistechnologyandsomeofthecurrentclinicalapplications.Keywords:magneticresonanceelastography(MRE)newtechnique文章编号：1006-6586(2011)10-0011-05中图分类号：R814.4文献标识码：A收稿日期：2011-08-29作者简介：刘茜玮医学博士;通讯作者王武中日友好医院放射科主任0.引言弹性是人体组织一个很重要的物理特性。人体不同组织的弹性不同，正常组织间的弹性模量的差异可超过五个数量级。同一组织在不同的生理状态下的弹性模量往往也不同，同一病变组织和正常组织的弹性模量也具有很大差异[1]。因此通过检测组织的弹性特征，可以用于疾病的诊断。在临床上，触诊作为一项基本而有效的检查方法，可以使医师对某些病变的情况有一个初步的了解，触诊之所以成为一种诊断方法，是由于组织的弹性通常会受到疾病过程的显著影响，如癌症、炎症和纤维化等，医师可以感受到弹性的差异并区分异常及正常的组织，是一种久经考验、行之有效的诊断手段。然而，触诊的应用往往仅局限于表面的器官，是一种定性、主观的检查方法，也受医师触觉敏感性的限制，应用范围较局限。目前尚没有一种常规的医学影像学技术，如CT、MRI和US，能够定量地描述触诊的特性。这种情况为发展可以量化评价弹性的特殊的影像学技术提供了动力。.12中国医疗器械信息|ChinaMedicalDeviceInformation专题·放射ThematicForum·RadiologyMRE作为一种新的、非创伤性的成像技术，它是传统触诊机械化、定量化的一种手段，且不受诊断部位的限制，因此被称作“影像触诊”。在大多数疾病中，组织的弹性会发生改变，如恶性肿瘤会导致组织弹性的增加；而肝纤维化同样能够使肝脏的硬度增加，这些特点使MRE在疾病诊断方面的应用成为可能。MRE利用一种特殊的磁共振技术，通过评价机械波在组织中的传播，从而提供关于组织弹性的信息。MRE已经在临床上被用来评价慢性肝病病人的情况，是一种安全的、可靠的、无创的、可以代替肝脏活检用来对肝脏纤维化进行分期的新型技术[2]。MRE也被研究应用于对其他器官的疾病生理的评价，包括乳腺、脑、骨骼肌等。这篇文章的目的是简要介绍这项技术的基本原理，以及目前一些对于临床应用方面的研究。1.MRE的基本原理磁共振弹性成像的基本原理是利用磁共振技术检测体内的组织或器官在外力作用下产生的质点位移，并通过运动敏感梯度而获得磁共振相位图像,以此为基础通过对弹性力学的逆行求解,得出组织或器官内部各点的弹性系数的分布图(即弹性图)，并以组织或器官的弹性力学参数作为医学诊断的依据。磁共振弹性成像可以在普通的MR设备中完成，只需要另外加入一套能够对成像部位施加剪切波，即横波激励的机械装置。机械装置产生的剪切波从组织或器官的表面进入后,在其内部进行传播,质点会在垂直波的传播路径上产生周期位移,位移大小与质点的弹性(或硬度)相关。在剪切波传播的同时,进行磁共振位移相位成像,利用运动敏感梯度将质点的位移反映在磁共振相位图上,将位移图作为输入，对弹性力学的逆问题进行求解，进而利用反演拟合算法得出组织的弹性系数的分布图,即弹性图。概括来说，MRE技术主要包括三个步骤：1、在组织中产生剪切波；2、获得反映剪切波的传播情况的MR图像；3、对剪切波图像进行处理，得到组织弹性（或硬度）的量化图，又称为弹性图。2.MRE的临床应用与研究MRE是一种动态的弹性成像技术，利用机械波定量地测量组织剪切模量（或称硬度）[3]。这种技术作为一种在常规MRI仪器的基础上发展出来的新技术，最重要的初步临床应用是在无创地评价肝脏纤维化方面的应用[2,4]。由于MRE为无创伤性检查，具有良好的临床应用前景，目前MRE已研究应用于多种器官，如肝脏、脾脏、肾脏、胰腺、脑、软骨、前列腺、跟腱脂肪垫、乳腺、心脏、肺、脊髓、骨、眼和肌肉[2,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。下文主要介绍目前研究较多的MRE在肝脏、乳腺、肌肉及脑组织方面的研究及应用情况。2.1肝脏磁共振弹性成像MRE在诊断肝脏疾病方面的研究很多，主要在于对肝纤维化及肝脏肿瘤的评价。慢性肝病是一个全球性公共卫生问题，各类肝脏疾病的主要早期病理改变是肝纤维化，肝脏纤维化的程度和进展情况也是慢性肝脏病变患者的重要预后因素。根据Scheuer分类法[21]可将肝脏纤维化分为四期：S0为无肝脏纤维化；S1.13ChinaMedicalDeviceInformation|中国医疗器械信息放射·专题ThematicForum·Radiology为汇管区纤维增生；S2为汇管区周围纤维化或纤维间隔形成，但小叶结构完整；S3（早期肝硬化）为肝脏纤维化伴小叶结构紊乱；S4为肝脏硬化。在分类由病毒性及自身免疫性肝炎引起的纤维化时，使用最为广泛的系统是Metavir，theIshakmodifiedKnodell和theBattsandLudwig系统，一般将慢性肝炎引起的肝纤维化过程分成五个阶段：无纤维化（F0）、肝门纤维性扩展（F1）、细纤维隔从汇管区发出（F2）、纤维隔桥接汇管区与中央静脉（F3）、肝硬化（F4）。目前对于肝脏纤维化程度的判断的“金标准”是肝脏穿刺活检，但它是一种有创性的检查，可能导致并发症，甚至会导致死亡，手术相关死亡率约1/10000~12000[22,23]，而且费用昂贵，取样可能存在误差，这些局限性限制了肝脏活检在评价肝纤维化方面的应用。因此我们需要一种能够无创地评价肝脏纤维化的方法。最近，各种以MRI为基础的技术已经用于评估肝纤维化，尤其是磁共振弹性成像具有很多优势，显示出越来越广阔的应用前景。Yin等[2]选取35个正常志愿者和50个慢性肝脏疾病病人进行MR弹性成像。MR弹性成像在GE1.5T(Signa;GEMedicalSystem,Milwaukee,WI)磁共振机器上完成，具体装置见图1。肝脏的硬度与纤维化分级直接相关，并随着病程进展硬度逐渐升高。图2显示一个正常志愿者和一个肝硬化病人的MR弹性成像图。基于ROC曲线分析，发现2.93kPa是区分正常肝脏和纤维化肝脏的临界值，灵敏度和特异度分别为98%和99%。图3显示正常志愿者的肝脏硬度值和不同程度肝脏纤维化病人的肝脏硬度值。其他影像学检查，如CT、超声和常规MRI很难发现肝脏纤维化，除非疾病进展到不可逆的肝硬化的程度[24,25]。MR弹性成像不仅可用于评价肝脏纤维化的程度，在评价肝脏肿瘤方面也有相应的研究。Venkatesh等[26]对44个肝脏肿瘤（其中转移瘤14个，肝细胞癌12个，血管瘤9个，胆管癌5个，局灶结节性增生3个，以及肝腺瘤1个）进行磁共振弹性成像研究，扫描仪器为GE1.5TMRScanners(Signa,GeneralElectricMedicalSystems，Milwaukee,WI)，扫描序列：MRE序列为相位对比梯度回波序列，另外肿瘤扫描图像还包括T2加权及T1加权相，和钆对比剂增强T1加权相。结果显示恶性肿瘤的硬度分别与良性肿瘤、纤维化肝脏以及正常肝脏都有显著性差异（分别为10.1kPavs.2.7kpa(p0.001),vs.5.9kPa(p0.001)andvs.2.3kPa(p0.001)），恶性肝脏肿瘤的平均剪切硬度显著高于良性肿瘤和正常肝脏组织，截断值5kPa可区分恶性肿瘤与良性肿瘤和正常肝脏组织。图4显示各种肝脏病变的硬度值。图1.肝脏磁共振弹性成像中产生剪切波的装置。激发驱动器放置于MR成像的磁场外，产生频率为60Hz的压力波，通过一根塑料管连接于放置在身体前的被动气压驱动器。左上角的图像是显示放置被动压力驱动器位置的冠状位图像，圆圈为具体的放置位置。.14中国医疗器械信息|ChinaMedicalDeviceInformation专题·放射ThematicForum·Radiology图2.一个正常志愿者和一个肝硬化病人的MR弹性成像图。左边列显示的是正常志愿者和肝硬化病人的肝脏解剖图像。中间列显示的是解剖图像相应层面肝脏和脾脏的剪切波的图像数据。右边列显示的是最后得到的弹性图。剪切波图像显示在硬化肝脏中的剪切波波长大于正常肝脏。弹性图显示硬化肝脏的平均硬度远大于正常肝脏（分别为12.1±1.2kPa和1.8±0.3kPa）。图3.正常志愿者与肝纤维化病人的肝脏硬度。平均肝脏硬度随着肝脏纤维化程度的进展而增加。2.2乳腺磁共振弹性成像对于乳腺癌的评价是磁共振弹性成像的另一项应用[27,18]。众所周知，乳腺癌的硬度通常比良性结节和正常乳腺组织高[28]。McKnight等[27]对6个健康女性和6个乳腺癌病人进行磁共振弹性成像研究，所用装置见图5。所得的弹性图显示肿瘤局部区域为高硬度（图6），乳腺癌肿瘤区域的平均硬度较周围乳腺组织高418%。乳腺触诊是常规乳腺癌筛查的重要手段[29]。对比增强磁共振成像被认为是一种有较高灵敏度的探测肿瘤结节的检查方法，但是它的特异性不高[30]，会产生许多假阳性结果，以及导致许多病人进行了不必要的活检穿刺检查。乳腺磁共振弹性成像被认为是对比增强磁共振成像的重要补充，为可疑病变的区域提供了更多的信息，这两种技.15ChinaMedicalDeviceInformation|中国医疗器械信息放射·专题ThematicForum·Radiology术的联合应用提高了诊断的特异性和准确性[31,32]。2.3肌肉磁共振弹性成像了解肌肉的功能，能够对病人的康复起到非常重要的作用。但是我们对于肌肉在损伤、疾病和治疗中的变化和生理状态方面的了解却非常有限。目前有多种技术可以帮助我们了解肌肉的病生理状态，如血清肌酶水平只可以提供全身肌肉整体的信息，而肌电图和肌活检是有创的、会给病人带来痛苦的检查。目前我们需要一种无创伤性的、可重复的并可以定量评价肌肉功能的检查。磁共振弹性成像技术即符合这一需求。磁共振弹性成像已经广泛应用于肌肉弹性的研究中，经证实肌肉处于不同的收缩状态时的弹性有很大差异[7,16,33]。肌肉磁共振弹性成像可用来研究患病和损伤肌肉的病生理变化。比如，目前已发现患有神经肌肉病的肌肉弹性与不患神经肌肉病的肌肉有差异[34]。Heers等[35]选取6个志愿者进行肌肉磁共振弹性成像研究。他们的年龄在27~36岁之间，平均年龄30.1岁，没有外伤或神经肌肉方面的异常，扫描仪