作者：吴雅雯，
体素内非相干运动
由于骨骼肌的独特解剖特点，其基础灌注水平在区分健康与病理组织上存在局限，而IVIM 技术对血管内外的水分子扩散都十分敏感，为观察骨骼肌灌注和诊断疾病提供了更多可能性。
1.IVIM 成像原理
IVIM 技术是在扩散加权成像(DWI)的基础上发展的。简单来说，非相干运动是水分子在指定方向及时间后进行移动，在磁场梯度存在时，会导致水分子自旋的相位分布以及MRI 回声信号降低。这种能够实现对水分子扩散的测量所施加的特定梯度脉冲，被称为“扩散敏感梯度”，其强度及应用持续时间由“b 值”表示。
在纯溶液中，水分子做“热运动”，这会导致相位分布及回声信号减低，且b 值越大产生的信号衰减越大。而在人体中，组织微观结构以及活跃的物质交换会影响水分子的非相干运动，尤其是微血管中的血流可以认为是相干运动和非相干运动的混合体，其与单纯热扩散相比，会产生更大的相位分布及信号衰减，故引入了“表观扩散系数(ADC)”来表示组织中水分子扩散的快慢。
由此提出ADC 单指数信号衰减模型公式:S(b) / S0 = e- bADC值得注意的是，在低b 值时ADC 值主要反映局部血液微循环灌注情况，在高b 值时ADC 值主要反映组织水分子扩散情况，仅靠上述公式计算得出的ADC 值无法区分人体组织的灌注及扩散。IVIM 模型的提出能很好地解决上述问题，它建立在能够将血管内外水分子的非相干运动产生的效应区分开这一假设上，也即是认为在体素内由两种信号源组成:微结构(血管外)及毛细血管内。
将血管网络中分子运动视为一个整体，从一段毛细血管流至下一段毛细血管，可观察到明显的运动随机性，而这种运动可被认为是伪扩散过程。由此提出了IVIM 双指数模型，这也可以认为是对ADC 单指数信号衰减模型的扩展，其公式为:S(b) / S0 = fexp[ - b(D∗ + Dblood )] + (1 - f) exp( -bDtissue)其中S0 是没有扩散敏感梯度(b 值为0)的信号强度，S(b)是使用某个扩散敏感梯度(b 值不为0) 的信号强度；Dtissue 为组织中水分子扩散系数；Dblood 为血液中水分子扩散系数；D∗ 为伪扩散系数，代表体素内微循环相关的扩散系数，受血管内水分子对流、脉冲流动及血管网络结构的复杂性影响，毛细血管中水分子的平均位移较前者大得多，故D∗值取决于血管流速及血管结构；f 为灌注分数，代表体素内微循环灌注扩散效应占总体扩散效应的容积率。通过IVIM技术可以同时获得血管内外的水分子扩散参数。
2.骨骼肌解剖
骨骼肌是人体最有活力和具有可塑性的组织之一，其可以根据新陈代谢等多样的功能需求进行持续地重塑，其主要功能是将化学能量转化为机械能，以产生力量和保持姿势，进行生产活动[。健康人的骨骼肌中微血管十分丰富，但当它处于休息状态时接受的循环血量比例很低，当其处于运动初期时血流量增加且较静息状态时上升至少30 倍。
运动的各个阶段骨骼肌血流量受多种物质调节。肌肉内的微血管单位(MVU)和肌肉纤维的功能单位存在空间异质性，这导致骨骼肌内毛细血管分布不均。在病理状态下(肌肉原发疾病、继发疾病、炎症、萎缩等)，骨骼肌微血管单位的分布和密度也会发生改变。
3.IVIM 在骨骼肌中的应用
3.1 骨骼肌运动血流灌注变化相关研究
Morvan 等在1995 年首次将IVIM 应用到肌肉灌注的研究，此后在咀嚼肌、手臂肌肉、肩部肌肉、下肢肌肉、椎旁肌等部位的研究都有涉及。上肢肌肉中的应用：Morvan 等对9 名受试者在静息和运动后分别采集前臂肌肉IVIM 序列数据，结果发现前臂肌肉的ADCL、ADCS 及fL 数值都明显上升。
Filli 等在受试者进行标准手柄运动前后进行MRI 扫描，对指浅屈肌和深屈肌(FDS/ FDP)、肱桡肌、桡腕伸肌长肌和短肌采集D值、D∗值以及f 值，结果表明与静息状态相比，运动后肌肉各项数值都升高，20 min 后FDS/ FDP 数值仍显著增高，但肱桡肌数值下降，这说明IVIM 扩散加权成像能够显示静息状态及运动后肌肉灌注及扩散功能的变化情况。
Nguyen 等对受试者在休息和升降测试后保持30 s、1 min、2 min 分别进行肩部肌肉MRI 扫描，升降测试后肩胛下肌及三角肌后束f D∗ 值及D 值都升高，其中肩胛下肌f D∗ 值上升最为显著且各组间IVIM 数值随着实验时间的延长而增高，这提示微血管的灌注增加与肌肉收缩时间相关。在此基础上，Nguyen 等研究不同种类运动后肩部肌肉的灌注情况，12 名健康右利手男性志愿者在进行升降测试及Joep 测试后进行MRI 扫描，结果与之前的研究结果相同，实验组肩胛下肌及三角肌后束f D∗值都显著上升且在Joep 测试后外侧三角肌数值上升更明显。
下肢肌肉中的应用：下肢肌肉灌注相关的研究较多，Jungmann 等利用IVIM 技术研究步行和跑步时下肢肌肉的局部微灌注及血流的定量变化，揭示下肢肌肉在步行、跑步时特定的肌肉激活模式，实验发现从休息到步行、跑步双下肢的微血管血流(f D∗)是显著增加的且呈逐步上升的趋势，其中小腿及足部的灌注增加最明显，大腿肌肉中腘绳肌的f D∗增幅较股四头肌更明显。研究者认为跑步引发了下肢血液的重新分布，并发现心率与f D∗ 值呈负相关。
Ogura等也通过IVIM 评估运动前后下肢肌肉毛细血管血流量的变化，对11 名受试者在运动前、运动后3 h、6 h 及24 h 进行16b 值的IVIM 序列图像采集，经对比发现运动后IVIM 数值(f、D∗、V 值)显著升高，且在运动后3 h 下降，但在运动24 h 后再次增加，也就是说在运动后下肢毛细血管血容量立即增加，并随着时间推移而减少。研究者认为毛细血管的血容量的增加与肌肉疼痛有关。
Mastropietro 等对小腿在等距间歇运动前、中、后的灌注变化进行研究，静息扫描时比目鱼肌的IVIM 各项参数(f、D、D∗、fD∗ 值)均不同程度较腓肠肌高，这可能是因为两种肌肉的纤维类型、肌纤维与毛细血管比率不同，比目鱼肌较腓肠肌有更多的慢收缩纤维及毛细血管。无独有偶，Ohno 等扫描了小腿运动前后IVIM-DWI、T2 mapping、动脉自旋标记(ASL)等序列，其研究结果与前者一致-运动后胫骨前肌的IVIM 各项数值都升高，实验还证明了运动后IVIM 灌注参数D∗、f D∗ 及扩散参数D 与ASL 参数MBL 及T2 值相关。
Adelnia 等利用IVIM 探究运动诱导性充血的年龄相关差异，4 名年轻女性及4 名老年女性在完成膝盖伸展运动前后进行大腿MRI 检查，结果显示运动后年轻组f D∗、D 值的增加均明显高于老年组，年轻组IVIM 数值恢复到基线水平也更迅速。这表明除了肌肉灌注，运动中充血肌肉的血管外水分子扩散也存在显著的年龄差异。
咀嚼肌及椎旁肌的应用：利用IVIM 评估咀嚼肌与椎旁肌的研究较少，Sasaki 等研究咀嚼肌在咬合过程中的灌注和扩散，发现在咬合侧咬肌的f、D∗值都显著上升，翼内肌的f 值升高而D∗值没有显著的变化，在咀嚼期间及之后各块肌肉的D 值都没有明显变化。研究者认为这可能与咀嚼肌是等距收缩而不产生长度变化有关。
Englund 等在受试者进行3 min 的中、高强度腰椎阻力伸展运动前、后进行IVIM 数据采集，结果与之前的实验相同，运动后两组的指标(f、f D∗、D、D∗ 值)都有所上升且高强度组的D、D∗ 值变化更大，但f、f D∗ 值在两组间并没有统计学差异，这表明D、D∗值对于检测不同运动强度的灌注改变更加敏感。
3.2 运动干预血流灌注变化相关研究
最近，关于不同运动干预方式下的肌肉灌注评估也有相关研究。Riexinger 等在对16 名受试者通过标准化偏心运动进行诱导延迟性肌肉酸痛(delayed-onset muscle sore-ness，DOMS)前后进行IVIM 序列扫描，在进行标准化偏心运动期间及之后6 h 内随机选择一条腿穿着特定压缩服装(21~22 mmHg)，运动后穿着压缩服装腿及另一侧腿的微血管灌注显著增加。但与基线相比，在诱导DOMS 后24 h 组织的灌注没有显著的变化，这个实验结果表明压缩服装不会改变静息状态下肌肉的微血管灌注，在DOMS 恢复期间没有显著的恢复作用。
Shu 等利用泡沫滚轴对跑完半程马拉松后的志愿者进行干预，在跑前和跑后2 ~3 h、干预后立即、干预后30、60 min 分别进行T2 mapping 及IVIM 序列扫描，实验观察到半程马拉松后各项指标(T2 值、f 值)都较基线水平升高，干预后T2 值下降和f 值显著升高，但在干预后60 min，股二头肌长头及半腱肌各项数值都回到跑后水平，这表示泡沫滚轴带来的灌注改变只能持续较短的时间。
3.3 骨骼肌疾病相关研究
IVIM 在诊断和鉴别骨骼肌良恶性肿瘤方面应用较多，近年来IVIM 技术在骨骼肌炎性疾病、
Lim 等对65 例未接受治疗的肌骨系统肿瘤患者进行IVIMDW 序列扫描，与其病理结果对比后发现恶性肿瘤的D 值及ADC 值明显低于良性肿瘤，而f 值则高于良性肿瘤，D∗ 值却无明显差异，这表示D、ADC 值较f、D∗ 值能更准准确、可靠地鉴别骨骼肌系统良、恶性肿瘤。Ki67 在临床中作为肿瘤指标，可用于鉴别低级、中高级
Zhan 等使用IVIM 序列及DCE-MRI 的定量指标预测Ki67 指数的表达情况，研究结果表明ADC 值及D值与Ki67 指数间存在极大的负相关性，这与之前的研究结果一致，Ki67 的高表达表明恶性肿瘤存在较高的增殖能力，高增殖能力导致肿瘤内水分子扩散受限，使得ADC 值及D值降低。
骨骼肌炎性疾病及肌营养不良：皮肌炎(dermatomyositis，DM)及多发性皮肌炎(polymoysitis，PM)是一组累及皮肤和肌肉的多病因引起的自身免疫性疾病，它是以骨骼肌间质性炎性改变和肌纤维变性为特征的疾病。丁宁宁等对DM/ PM 患者及健康志愿者进行双侧大腿MRI 扫描，并对比了IVIM 参数-ADCslow (D 值)、ADCfast (D∗ 值)、Ff 值(f值)，实验发现DM/ PM
这可能的原因是受累肌肉的炎性细胞浸润导致微血管通透性增高以及新生血管的形成。而ADCslow值和ADCfast值能够敏感地反映水分子的扩散以及组织微灌注情况。Sigmund 等通过IVIM、扩散张量成像(DTI)及动态DTI 对比正常志愿者与患有DM 志愿者在3 min 腿部锻炼后采集的MRI 参数，DM 患者的股四头肌D∗值及体积均低于正常对照组，其径向扩散运动反应明显高于对照组，这可能为DM 患者的诊断提供新的方法。
丁宁宁等同样通过IVIM 序列对进行性肌营养不良(PMD)患者进行评估，发现PDM 患者中脂肪浸润肌肉、水肿肌肉和未受累肌肉的ADCslow值、ADCfast值均有统计学差异(P <0.05)。IVIM 技术不仅能定量评估肌肉水分子扩散及微血管灌注情况，ADCslow 值还能反映肌肉脂肪浸润情况。Ran 等验证了IVIM 技术诊断自身免疫性肌炎(DM/ PM)及肌营养不良患者的准确性，实验结果同样表明肌内ADC值、D 值以及f 值在两组间存在统计学差异(P <0.05)，且D值特异性较高，为75.60%。
颞下颌关节紊乱(TMD)：Ngamsom 等对比了42 例TMD 患者的翼外肌上腹部(SLP)、下腹部(ILP)的IVIM 参数-f 值、D 值，在SLP 图像中，与正常关节盘(ND)患者相比，伴有不可复性关节盘移位(ADWOR) 患者的颞下颌关节(TMJ)的f 值显著增加，在可复性关节盘移位(ADWR)患者中TMJ 的f 值相对较小，这表明f 值与关节盘移位严重程度相关。而在ILP 图像中f 值与关节盘位置没有显著的相关性，这可能与肌肉的解剖位置相关；与ADWOR 相似，在有积液的SLP 中f 值也有所上升，这都表明SLP 存在炎症，实验证明IVIM 的数值变化与肌肉的炎症、萎缩变化有相关性。
青少年特发性脊柱侧突(AIS)：AIS 是发生在儿童青春期前后、原因不明的一组疾病，常表现为脊柱结构性、横向旋转弯曲伴有突起处的疼痛。Federau 等利用IVIM MRI 灌注成像研究了AIS 患者在罗马椅上锻炼后椎旁肌的灌注模式，8 例AIS 患者及9 名健康志愿者在进行20 min 的罗马椅练习后进行IVIM 序列扫描，结果表明运动后健康志愿者中脊柱两旁肌肉f D∗ 值、D∗ 值均显著增加，AIS 患者中仅在凸面可见f D∗值、D∗值上升，这可能与凹凸两侧肌肉纤维类型比例不同有关-脊柱凹面肌肉中I 型(慢氧化)纤维的比例明显较低。
下肢动脉硬化闭塞症(LEAOD)：LEAOD 是因下肢动脉狭窄、闭塞，进而使得肢体慢性缺血为特征的疾病。唐辉等对志愿者一侧大腿给予不同程度压力，模拟下肢缺血状态，利用IVIM、ASL、血氧水平依赖(BOLD)序列评估下肢肌肉灌注情况，结果表明不同加压状态下，小腿肌肉的ASL-BF 值、IVIM-f 值和BLOD-T2∗ 值间差异都具有统计学意义(P <0.05)，说明IVIM、ASL、BOLD 序列能够评估下肢肌肉灌注情况，这对于LEAOD 的治疗、预后有重要意义。
4. 总结与展望
最近，IVIM 在科研和临床应用的关注度较高，因其无创性、局部、定量等优势广泛应用于各个系统。其在骨骼肌方向应用兴起，能够检测到运动前后肌肉IVIM 参数的变化。IVIM 不仅能为肌肉灌注相关疾病提供定量评估其病理状态下的指标，而且在运动医学方面有广泛的研究前景，可以为运动损伤提供新的诊断手段。但在使用的过程中算法模型的选择、检查机器型号、b 值的选择、局部磁场不均以及受检者的生理状态都对参数的稳定性产生影响。
近年来，Reiter 等认为血管内水分子较实质细胞内水分子扩散性更大，人体血管网中分支血管与其源血管呈幂律关系，使得广泛分布的毛细血管内速度不尽相同、跨度较大，再以经典的高斯分布运动假设来模拟微血管池的非相干运动可能产生一定的局限，而提出不同的扩散模型—非高斯分布扩散。该模型基于稳定概率分布提出，将拉伸指数信号模型参数与超扩散概率统计量结合起来，能够在静息时观察到超扩散，并在运动后观察到更显著的数值变化。该模型能表现出较低的参数估计误差，以后可能广泛用于骨骼肌及其他部位，以期减少参数算法带来的局限性，也期待未来扫描方式、硬件设施及扫描参数规范统一，能将IVIM 的价值在科研及临床应用中发挥最大化。
来源：吴雅雯，李博怡，黄艺，等.体素内非相干运动磁共振成像（IVIM）在骨骼肌的研究进展[J].临床放射学杂志，2025，44(01):186-189.DOI:10.13437/j.cnki.jcr.2025.01.036.
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