正常椎体的磁共振化学位移成像技术定量分析

作者：杨惠娅，张同华，徐正道，陈建新，胡惠良，胡翼江，蔡惠芳，王兆平，李玉洁，尹其华

【摘要】 目的 使用磁共振化学位移成像技术测量正常椎体骨髓信号强度(SI)下降指数。方法 对35例共238个正常椎体进行常规MRI扫描和同相位、反相位成像检查，在每一个正常椎体上设置感兴趣区(ROI)，在同相位及反相位图像的同一位置分别测量其信号强度值，计算椎体信号强度下降指数，SI下降指数=\[(SI同相位-SI反相位)/SI同相位\]×100%，并将颈椎、胸椎与腰椎之间进行两两比较，同时将椎体信号强度下降指数与年龄进行相关性分析。结果 与同相位图像相比较，所有的椎体在反相位图像上均显示出信号下降，全部椎体平均信号强度下降指数为71.1%±10.2%，其中颈椎78.2%、胸椎72.3%、腰椎68.8%，颈、胸、腰椎间信号强度下降指数间差异无显著性，信号强度下降指数与年龄间呈正相关性。结论 在化学位移成像图像上，正常椎体信号强度下降指数会呈现出一定程度的变化。

【关键词】 脊椎;化学位移成像;同相位;反相位;磁共振成像;信号强度

【Abstract】 Objective To establish retrospectively a range of values for signal intensity change in normal centrum by using chemical shift magnetic resonance (MR)imaging.Methods A total of 238 normal vertebrae in 35 patients were studied by using 1.5-T chemical shift MR imaging. The proportional change in signal intensity on in-phase compared with out-of-phase images was calculated.This change in signal intensity (expressed as a percentage) was compared.Results All vertebral levels exhibited a decrease in signal intensity on out-of phase images compared with in-phase images; no increases in signal intensity were noted. The mean decrease in signal intensity(expressed as a percent) for all vertebral levels was 71.1%±10.2%. According to vertebral level， the mean decrease in signal intensity was 78.2% for cervical vertebrae， 72.3% for thoracic vertebrae， and 68.8% for lumbosacral vertebrae; there was no significant variability among the three main(cervical， thoracic， or lumbosacral) spinal segments. There was correlation between decreases in signal intensity and age.Conclusion There was some variability in the loss of signal intensity according to location(spinal segment)， and there were associations between decreases in signal intensity and age.

【Key words】 vertebrae;chemical shift; in phase ; opposed phase ; magnetic resonance imaging;signal intensity

磁共振化学位移成像(chemical shift imaging)也称同相位(in phase)/反相位(out of phase)成像，能检测出组织内的微量脂肪，有望成为鉴别椎体良恶性病变的一种有效方法[1～3]。因此，研究的目的是使用磁共振化学成像技术，研究正常椎体骨髓信号强度下降指数范围，以期为磁共振化学位移成像技术在椎体病变中的应用提供参考值范围。

1 资料与方法

1.1 一般资料

35例正常志愿者，其中男15例，女20例;年龄27～85岁，平均52.9岁。其中颈椎11例，胸椎6例，腰椎18例。

1.2 磁共振检查方法

所有检查采用西门子1.5T超导磁共振扫描仪及16通道相控阵脊柱线圈。所有病例全部采用SE序列矢状位T1WI(TR/TE 550/10 msec)、FSE序列矢状位T2WI (TR/TE 4000/110 msec)、矢状位STIR(TR/TE 3500/65)。矩阵256×256，层厚为5mm。in-phase (90/4.4;flip angle， 30°)，out-of-phase (90/2.2;flip angle，30°)，FOV(颈椎20cm，胸椎34cm，腰椎24cm)。

1.3 化学位移图像信号分析

将获得化学位移图像传输至PACS工作站，由2名有经验的MR诊断医师分别在磁共振同相位及反相位图像上，在每一椎体的相同位置设置面积约1cm2的感兴趣区(ROI)，测量其信号强度平均值。所有的ROI设置及信号强度测量均在椎体正中矢状位的图像上进行。将脑脊液作为参考标准，在脑脊液设置感兴趣区，在同相位与反相位图像上其信号强度不会发生变化，因为其差别接近零。

1.4 统计学分析

将反相位与同相位图像上的椎体骨髓信号强度进行比较，计算出椎体信号强度下降指数，SI下降指数=[(SI同相位-SI反相位)/(SI同相位)]×100%。信号强度指数按照椎体类型进行分类。并将颈椎、胸椎与腰椎之间进行两两比较，同时将椎体信号强度下降指数与年龄进行相关性分析， P<0.05差异有显著性。

2 结果

与同相位图像相比较，所有的椎体在反相位图像上均显示出信号强度不同程度下降;椎体的平均信号强度下降指数为71.1%±10.2%，其中颈椎78.2%、胸椎72.3%、腰椎68.8%;颈、胸、腰椎间信号强度下降指数间差异无显著性;信号强度指数与年龄呈正相关性(图1)。图1 女性，32岁，正常颈椎。(a) out-of-phase，(b) n-phase。同相位上转移灶信号强度是253，反相位64，椎体信号强度下降指数为74%，与同相位相比，颈椎椎体在反相位图像上信号程度明显下降

3 讨论

正常椎体骨髓内含有脂肪和水(红骨髓含大约40%脂肪成分，黄骨髓含80%的脂肪成分)，而骨髓病变，包括一些肿瘤性病变如各种白血病、多发性骨髓瘤、骨髓转移瘤等，肿瘤组织可以破坏正常骨髓结构，并易于完全取代其脂肪成分，而一些外伤性及炎症性病变，虽可以造成骨髓结构的破坏及骨髓水肿，但仍存在一定量的脂肪组织;而磁共振化学位移成像(chemical shift imaging)能检测出组织内的微量脂肪，由此磁共振化学位移成像有望成为鉴别椎体良恶性病变的一种非常有效的方法。因此，本文研究的目的是使用磁共振化学位移成像技术，确定正常椎体的信号强度变化的范围值，以期为这种技术鉴别椎体良恶性病变建立基础。

本文的研究结果显示，正常椎体骨髓在化学位移成像上具有一定的特征性， 与同相位图像相比较，所有椎体在反相位图像上均显示出不同程度信号强度的下降，椎体信号强度指数根据椎体位置而发生一定程度的变化，椎体信号强度指数与年龄间存在正相关性，即随着年龄的增长，椎体信号强度下降越来越明显。化学位移成像技术是根据水和脂肪在外磁场的作用下，共振频率不一样，质子间的相位不一致，在不同的回波时间可获得不同相位差的影像这一基本原理而开发的序列。当水质子和脂肪质子处于同相位时， 两者磁化矢量相加， 信号强度增加;反相位时两者磁化矢量相减，信号强度减低[4]。当组织内含有等量的脂肪和水时，在反相像位图像上，信号强度的下降程度是最明显的，而在以脂肪或水为主要成分的组织中，信号强度下降程度最小[5]。正常情况下，成年人椎体骨髓内含有40%的脂肪、40%的水分及20%的蛋白质，因此在反相位图像上椎体信号强度出现不同程度下降。椎体信号强度指数与年龄的相关性是我们所期待的，因为骨内红骨髓及黄骨髓的分布随年龄而不同，由婴儿至成人进行着生理性转换。胎儿期骨髓全部为红骨髓，出生后不久逐渐从外周骨向中轴骨以基本对称的形式向黄骨髓转换，约25岁时达到成人型骨髓，这时红骨髓主要分布于中轴骨(颅骨、脊柱、肋骨、骨盆及胸骨等)及四肢长骨(肱骨、股骨)近端，其余部位骨髓主要为黄骨髓。黄骨髓由于含有较多的脂肪成分，在反相位图像上应产生更高信号强度的图像。本文的研究结果显示椎体信号强度下降指数与年龄间存在正相关性，即椎体在反相位上的信号强度下降的程度随着年龄的增加而明显。本研究没有将其他一些影响因素排除在外，如贫血、吸烟史、骨质疏松等，这些均与红骨髓逆转换有关。当人体需要的血量超过现有红骨髓的造血能力时，黄骨髓即向红骨髓转换，其转换过程与生理性转换恰恰相反，由中轴骨向外周骨转换，称为骨髓逆转换。很多疾病可引起骨髓逆转换，例如慢性贫血、全身转移性肿瘤、骨髓纤维化、骨髓瘤等[6～8]。另外化学位移成像能够证实位于同一个像素里的脂肪与水含量的比例关系，骨髓的主要成分包括血管、神经、造血细胞、脂肪组织、骨性成分和结缔组织，因此骨髓的基本成分也会影响到这种关系[9]。总之，化学位移成像技术简单、成像时间短，另外，该成像技术由于只与脂肪和水质子进动频率有关，与进动频率的绝对值无关，受静磁场非均匀性影响较小，可用于定量分析椎体骨髓。