付云雷，杜梅，張追陽(yáng)，倪建明

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬無(wú)錫第二醫(yī)院放射科，江蘇 無(wú)錫214000)

下肢肌肉對(duì)維持人體直立姿勢(shì)、支撐體重及進(jìn)行走、跑、跳等運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。下肢肌肉發(fā)生病變將對(duì)人類的正?；顒?dòng)產(chǎn)生重要影響，嚴(yán)重者可致癱瘓，因此臨床上及時(shí)診斷和治療下肢肌肉病變顯得尤為重要。由病理(生理)條件改變(如炎癥、創(chuàng)傷、萎縮或肥大)引起的下肢肌肉組織結(jié)構(gòu)變化，可通過常規(guī)磁共振T1 和T2 加權(quán)成像進(jìn)行評(píng)估。然而，早期的病理(生理)變化往往始于細(xì)胞水平，超出了常規(guī)T1 和T2 加權(quán)成像的檢測(cè)能力，往往需要借助活檢才能證實(shí)?；顧z具有侵入性，在健康人群中不適合下肢肌肉病變的篩查，也無(wú)法用于下肢肌肉病變患者定期隨訪。因此，迫切需要一種無(wú)創(chuàng)的、靈敏的、能及早發(fā)現(xiàn)下肢肌肉病變的檢查技術(shù)。下肢肌肉屬于骨骼肌的范疇，肌纖維呈圓柱形，沿著特定方向整齊排列，使得肌纖維的縱軸明顯長(zhǎng)于橫軸。由于肌細(xì)胞膜(肌膜)的橫向限制，水分子在肌纖維中沿縱軸方向的擴(kuò)散快于沿橫軸方向。擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)相關(guān)參數(shù)的變化與下肢肌肉病理生理學(xué)改變一致，能敏感地反映下肢肌肉病理生理變化;另外，DTI 的纖維束成像技術(shù)還能直觀顯示肌纖維束的增多、減少或紊亂情況［1］，因此DTI 成功應(yīng)用于下肢肌肉病變的檢查。由于下肢DTI 對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影敏感、空間分辨率較低、采集時(shí)間較長(zhǎng)等限制了DTI 在臨床上的應(yīng)用?，F(xiàn)就DTI 在下肢肌肉病變中的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

1 DTI 概論

1.1 DTI 基本理論 DTI 是擴(kuò)散成像的高級(jí)形式，可通過測(cè)量至少6 個(gè)獨(dú)立方向上的表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)來定量評(píng)價(jià)擴(kuò)散方向的各向異性。骨骼肌中由于肌膜的限制，使得縱向擴(kuò)散速度快于橫向擴(kuò)散，即為各向異性［1］。目前DTI 描述各向異性參數(shù)的量化指標(biāo)有部分各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、特征值(λ1、λ2、λ3)、平均擴(kuò)散率(mean diffusivity，MD)等。DTI 的可視化方法主要有彩色編碼圖和纖維示蹤技術(shù)。彩色編碼圖中用紅色編碼表示主要特征向量是左右方向走行，綠色編碼表示前后方向走行，藍(lán)色編碼表示上下方向走行。

1.2 下肢骨骼肌DTI 采集技術(shù)及優(yōu)化 下肢肌肉DTI 主要采用自旋回波-DTI 和回波平面成像(echo planar imaging，EPI)-DTI 序列掃描。自旋回波-DTI信噪比(signal noise ratio，SNR)高，但采集時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影非常敏感;EPI-DTI 速度快，但對(duì)磁敏感偽影和化學(xué)位移偽影非常敏感。目前，單回波DTI脈沖序列是骨骼肌DTI 的主要研究方法，然而無(wú)法量化微結(jié)構(gòu)變化。Ababneh 等［2］首次證實(shí)多回波DTI 也可用于骨骼肌DTI。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，多回波DTI 可用于量化肌纖維大小變化［3］。目前研究認(rèn)為，不同場(chǎng)強(qiáng)下獲得的DTI 參數(shù)均是有效的，可用于骨骼肌定量分析［4-5］。另外，線圈對(duì)下肢肌肉DTI也存在影響，主要使用膝關(guān)節(jié)線圈和體部線圈，膝關(guān)節(jié)線圈SNR 高，視野局限;體部線圈SNR 較低，采集范圍大。由于下肢肌肉DTI 的T2 值較低，導(dǎo)致獲得的圖像SNR 較低，一定程度上限制了下肢DTI 的應(yīng)用。SNR 與采集參數(shù)(重復(fù)時(shí)間、回波時(shí)間、層厚、b 值等)密切相關(guān)。為了提高SNR，可從以下4 個(gè)方面對(duì)EPI-DTI 采集參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化:①采用并行采集技術(shù)減少回波時(shí)間;②應(yīng)用部分傅立葉采集，減少運(yùn)動(dòng)偽影和磁敏感偽影;③選擇相對(duì)低的b 值;④增加梯度編碼方向［6］。有研究認(rèn)為，體素控制在20 ～30 mm3，b 值為400 ～500 s/mm2，同時(shí)盡量使用短回波時(shí)間來最大化SNR，并至少使用10 個(gè)梯度方向可以獲得良好的SNR［7-8］。

2 DTI 在下肢骨骼肌中的應(yīng)用

2.1 DTI 在正常下肢肌肉中的研究 正常下肢骨骼肌具有清晰的組織結(jié)構(gòu)，能很好地區(qū)分下肢各肌肉解剖，但目前正常下肢擴(kuò)散相關(guān)參數(shù)尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。DTI 采集參數(shù)的設(shè)置差異可造成測(cè)得的擴(kuò)散相關(guān)參數(shù)不同［9-11］。而梯度方向的不同可致FA 不同，Rockel 和Noseworthy［12］的研究表明，梯度方向越少，F(xiàn)A 越高。下肢肌肉的研究大多選取某一條肌肉或部分肌肉進(jìn)行DTI，但下肢肌肉間擴(kuò)散相關(guān)參數(shù)存在差異［6，9-10］。有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A 與纖維類型比例顯著相關(guān)，Ⅰ型纖維比例越高，F(xiàn)A 越低［13］。另外，同一條下肢肌肉的不同層面擴(kuò)散相關(guān)參數(shù)值也存在差異，肌腱處的FA 往往高于肌腹處，可能是由于肌腱處的肌纖維呈均勻平行排列、結(jié)締組織較多［10，14］。臨床資料的差異(性別、年齡、體重等)對(duì)擴(kuò)散相關(guān)參數(shù)也有影響，因而在研究中需要設(shè)立對(duì)照組，分析相關(guān)性［15-17］。不同狀態(tài)下的下肢肌肉DTI，擴(kuò)散相關(guān)參數(shù)也不同，可能與下肢肌肉灌注有關(guān)［18-20］。有研究認(rèn)為，下肢肌肉灌注造成的差異可以通過體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散加權(quán)成像進(jìn)行校正［21］。

2.2 DTI 在下肢肌肉病變中的應(yīng)用

2.2.1 在下肢肌肉萎縮中的應(yīng)用 引起下肢肌肉萎縮的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，下肢肌肉萎縮輕者限制患者正?；顒?dòng)，嚴(yán)重者可致癱瘓。及早發(fā)現(xiàn)造成肌肉萎縮的病因、監(jiān)測(cè)肌肉萎縮程度及評(píng)價(jià)預(yù)后顯得尤為重要。蒙秋華等［22-23］制作的兔失神經(jīng)支配骨骼肌退變及再生模型的研究表明，DTI 評(píng)價(jià)失神經(jīng)靶肌肉退變及再生的情況的靈敏度高，本征向量平行值(λ//)、本征向量垂直值(λ⊥)及FA 均能敏感地反映由牽拉損傷繼發(fā)造成的失神經(jīng)靶肌肉的早期微小損傷及修復(fù)情況，且三者變化與病理學(xué)變化一致，即靶肌肉肌纖維間質(zhì)出現(xiàn)水腫時(shí)，λ//、λ⊥及FA 開始下降;隨著靶肌肉內(nèi)血管擴(kuò)張、肌纖維灶性萎縮、肌肉間隙增寬等的出現(xiàn)，水分子擴(kuò)散受限制，各向異性進(jìn)一步減小，λ//、λ⊥及FA 進(jìn)一步下降;當(dāng)病理改變逐漸減輕，三者均逐漸升高直至恢復(fù);由于損傷24 h λ//下降最顯著，故λ//被認(rèn)為是最敏感指標(biāo)。上述研究結(jié)果與Zhang 等［24］的研究有相似之處。另外，DTI 還可用于評(píng)估下肢肌肉功能。Hara 等［25］利用DTI 評(píng)價(jià)大鼠跟腱切除后的小腿三頭肌的功能，發(fā)現(xiàn)λ1 與肌肉力量和肌腹長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度呈顯著正相關(guān)，λ1 的減少代表肌腹長(zhǎng)軸縮短，而肌腹長(zhǎng)軸縮短是導(dǎo)致肌肉功能減退的原因，因此推測(cè)λ1 有助于評(píng)估肌肉力量。近年來，關(guān)于下肢肌肉萎縮的研究不再局限于與病理、生理對(duì)照，越來越多的研究利用DTI 探索組織微結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。在單側(cè)肢體懸吊模型中，Malis 等［26］發(fā)現(xiàn)特征值(λ1、λ2、λ3)均下降，且λ2下降最顯著;這與肌纖維橫截面的變化有關(guān)，肌纖維的橫截面呈不對(duì)稱的橢圓形，懸吊后肌纖維短軸與長(zhǎng)軸比率增加，肌纖維橫截面趨向正圓形，不對(duì)稱性下降，其中λ2 與肌纖維橫截面的長(zhǎng)軸有關(guān)，因此下降最顯著。

2.2.2 在神經(jīng)肌肉疾病中的應(yīng)用 杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良癥(Duchenne muscular dystrophy，DMD)的特征是骨骼肌逐漸破壞，隨后被脂肪和纖維組織替代，肌肉退化，最終可致患者死亡。肌肉活檢是目前監(jiān)測(cè)疾病和干預(yù)的參考標(biāo)準(zhǔn)，但肌肉活檢具有侵入性，并且其準(zhǔn)確性僅限于一小塊肌肉，限制了DMD 患者療效評(píng)估及新藥研發(fā)。Ponrartana 等［27］利用DTI 發(fā)現(xiàn)DMD 患者大腿肌肉的ADC 和FA 與肌肉脂肪含量密切相關(guān)。Li 等［28］進(jìn)一步研究了DMD 患者大腿肌肉的ADC 和FA 與脂肪浸潤(rùn)的相關(guān)性，結(jié)果表明，脂肪浸潤(rùn)的平均分級(jí)評(píng)分越高，對(duì)肌纖維完整性的損害越大，F(xiàn)A 下降越明顯。DMD 的骨骼肌被脂肪和纖維組織取代，病變限制了水的自由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，破壞了肌纖維結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致ADC 增加和FA 降低。DMD 發(fā)展過程中伴隨著脂肪浸潤(rùn)和肌肉細(xì)胞的減少，早期階段肌肉細(xì)胞減少不明顯，而脂肪浸潤(rùn)明顯;而晚期階段，肌肉細(xì)胞顯著減少。因此，DTI不僅可診斷DMD，還能檢測(cè)DMD 的疾病進(jìn)展及評(píng)估藥物療效，有利于新藥研究及預(yù)后判斷。

2.2.3 在關(guān)節(jié)病變中的應(yīng)用 髕股關(guān)節(jié)不穩(wěn)定是青少年膝關(guān)節(jié)疼痛和(或)功能障礙的最常見原因之一。先天性發(fā)育不良、外傷等均可導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)不穩(wěn)定。對(duì)髕股關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的病因探究主要集中在骨因素，然而肌肉因素對(duì)髕股關(guān)節(jié)不穩(wěn)定也有影響。有研究探究了復(fù)發(fā)性髕骨脫位患者的股內(nèi)斜肌的DTI，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ADC、λ2、λ3 顯著低于正常人，F(xiàn)A 顯著高于正常人［29］。股內(nèi)斜肌是髕骨主要的穩(wěn)定裝置，能抵抗股外側(cè)肌的作用力。當(dāng)股內(nèi)斜肌發(fā)生功能障礙時(shí)，會(huì)降低內(nèi)側(cè)髕骨的結(jié)合力，并形成復(fù)發(fā)性髕骨外側(cè)脫位的病理基礎(chǔ)。DTI 相關(guān)參數(shù)和肌肉病變與內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的病理學(xué)變化密切相關(guān)。Scheel 等［30］發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A 與最大肌肉力量呈負(fù)相關(guān)，肌肉力量越弱，F(xiàn)A 越大，股內(nèi)斜肌肌力降低，F(xiàn)A 相應(yīng)增高;生理?xiàng)l件下，肌肉收縮，軸向平面中的肌纖維數(shù)量和MD 增加;隨著肌肉松弛，λ2 和λ3 減小，因此，股內(nèi)斜肌肌力降低使得λ2 和λ3 減少;肌力下降也可引起肌肉萎縮，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜發(fā)生幾何變形、肌纖維直徑減小，因此λ3 下降更顯著;而ADC 下降主要?dú)w因于λ2 和λ3 的下降。此外，Liu 等［29］的研究發(fā)現(xiàn)，股內(nèi)斜肌的橫截面減少，但與正常人比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明肌纖維的微觀結(jié)構(gòu)變化可能先于肌肉的形態(tài)變化，證明DTI 可用于發(fā)現(xiàn)早期微觀結(jié)構(gòu)變化。

2.2.4 在代謝性疾病導(dǎo)致的下肢肌肉病變中的應(yīng)用 糖尿病的微血管病變不僅可發(fā)生在視網(wǎng)膜、腎臟，對(duì)四肢肌肉也能產(chǎn)生重要影響，嚴(yán)重的糖尿病下肢肌肉病變可致癱瘓。因此，對(duì)糖尿病下肢病變的早期診斷、早期治療及監(jiān)測(cè)進(jìn)展也至關(guān)重要。Edalati 等［18］利用DTI 評(píng)估跖屈和靜息狀態(tài)下糖尿病小腿肌肉和正常人小腿擴(kuò)散相關(guān)參數(shù)差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，糖尿病組與健康組的腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、腓腸肌外側(cè)頭、比目魚肌的MD 均有顯著差異，且在跖屈狀態(tài)下糖尿病組的MD 增加更顯著;另外，纖維束成像發(fā)現(xiàn)糖尿病組靜息狀態(tài)至跖屈狀態(tài)，纖維長(zhǎng)度和纖維密度減少較正常組明顯，推測(cè)DTI 能在跖屈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下區(qū)分是否患有糖尿病疾病的小腿;同時(shí)，糖尿病肌肉組織中受損的細(xì)胞外基質(zhì)重塑導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)體積增大，雖然分子擴(kuò)散過程并不完全由細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原含量控制，但與肌肉細(xì)胞的降解和損傷有關(guān)，從而導(dǎo)致擴(kuò)散性增加，這可能是導(dǎo)致糖尿病組MD 增大的基礎(chǔ)。然而DTI 在一些代謝性疾病導(dǎo)致的下肢肌肉病變的診斷中不具有特異性。有研究應(yīng)用骨骼肌DTI 評(píng)價(jià)Ⅴ型糖原貯積病患者大腿肌肉擴(kuò)散參數(shù)，測(cè)量了Ⅴ型糖原貯積病患者和正常對(duì)照組間雙側(cè)股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、股直肌、股二頭肌、半腱肌和半膜肌的FA、MD、λ1、λ2、λ3，并對(duì)3 例Ⅴ型糖原貯積病患者大腿肌肉進(jìn)行活檢，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，活檢的3 例Ⅴ型糖原貯積病患者大腿肌肉細(xì)胞內(nèi)有糖原積累，然而除Ⅴ型糖原貯積病患者左側(cè)半膜肌的FA與對(duì)照組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外，兩組其他指標(biāo)比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義［31］。因此，認(rèn)為DTI 檢測(cè)對(duì)糖原累積引起的細(xì)胞內(nèi)變化不敏感。DTI 在代謝性疾病導(dǎo)致的下肢肌肉病變中的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。

2.2.5 在炎癥性肌病中的應(yīng)用 多發(fā)性肌炎/皮肌炎是兩種特發(fā)性炎癥性肌病，診斷不具有特異性，主要依賴疾病特異性自身抗體、肌電圖以及肌肉活檢發(fā)現(xiàn)肌纖維變性支持診斷。常規(guī)磁共振成像能發(fā)現(xiàn)多發(fā)性肌炎/皮肌炎患者大腿肌肉異常，但僅能通過炎癥、水腫及脂肪浸潤(rùn)的可視化發(fā)現(xiàn)病變，局限于定性評(píng)估。多發(fā)性肌炎/皮肌炎患者肌肉典型的病理變化是肌纖維變性和炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，可以影響肌肉內(nèi)水分子的擴(kuò)散，因而DTI 可能是診斷炎癥性肌病的一種新方法。研究發(fā)現(xiàn)，多發(fā)性肌炎/皮肌炎患者受影響大腿肌肉病變與正常大腿肌肉的ADC 及特征值比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，多發(fā)性肌炎/皮肌炎患者未受影響肌肉與正常大腿肌肉比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因而DTI 能將多發(fā)性肌炎/皮肌炎患者受影響肌肉、未受影響肌肉及正常肌肉區(qū)分開［32］，這對(duì)炎癥性肌病的診斷及治療監(jiān)測(cè)具有潛在價(jià)值。FA 是反映肌纖維內(nèi)各向異性程度的參數(shù)之一，盡管多發(fā)性肌炎/皮肌炎患者的肌纖維不斷發(fā)生變性、壞死和再生，但肌纖維的結(jié)構(gòu)和方向仍未被破壞，因此FA在炎癥性肌病和正常肌肉間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;肌肉炎癥性改變可引起肌肉水腫，ADC 隨之增大;由于肌纖維的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于水分子的擴(kuò)散距離，因此，含水量的增加是導(dǎo)致λ1 增加的主要原因;而λ2 增加與炎癥導(dǎo)致水分子穿過肌內(nèi)膜和肌膜跨膜運(yùn)動(dòng)的增加有關(guān)，炎癥使細(xì)胞腫脹和細(xì)胞外間隙增加，故λ3增加，而λ2 和λ3 的增加可能反映肌肉內(nèi)發(fā)生炎性浸潤(rùn)［32］。多發(fā)性肌炎/皮肌炎患者大腿肌肉與正常大腿肌肉的DTI 特征值的差異可以在分子水平上得到解釋，提供了診斷炎癥性肌病疾病的新視角。對(duì)皮肌炎的DTI 研究大部分是在靜息狀態(tài)下進(jìn)行。Sigmund 等［33］將靜態(tài)DTI 與動(dòng)態(tài)DTI 相結(jié)合評(píng)價(jià)皮肌炎患者和正常大腿肌肉擴(kuò)散參數(shù)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)后動(dòng)態(tài)DTI 獲得的ADC 和λ2、λ3 增加更顯著，運(yùn)動(dòng)將水從脈管系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞內(nèi)(肌纖維)和細(xì)胞外(肌內(nèi)膜)空間，使得λ2、λ3 顯著增加，而動(dòng)態(tài)DTI 對(duì)肌肉微結(jié)構(gòu)的時(shí)間分辨率靈敏度更高，這可能更有助于發(fā)現(xiàn)皮肌炎等炎癥性肌病的特性。

3 小 結(jié)

DTI 是定量檢測(cè)活體組織水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)情況的無(wú)創(chuàng)功能成像方法。DTI 在下肢肌肉的應(yīng)用不僅能清晰顯示下肢肌肉的形態(tài)和走行，還能從微觀水平反映下肢肌肉的病理生理改變，為下肢肌肉的正常解剖和異常形態(tài)、功能的研究提供了評(píng)價(jià)的新視角。目前，由于DTI 技術(shù)的局限，尚未總結(jié)出擴(kuò)散特征值的參考值，一定程度上限制了DTI 的使用，但隨著成像技術(shù)及掃描參數(shù)的不斷優(yōu)化、相關(guān)研究的不斷深入，DTI 在下肢肌肉病變的早期診斷、治療及預(yù)后評(píng)價(jià)等方面將得到廣泛應(yīng)用。