磁共振體素內(nèi)不相干運動擴(kuò)散加權(quán)成像的原理及應(yīng)用進(jìn)展

馬彥云 張輝

030001太原，山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院影像科

磁共振體素內(nèi)不相干運動擴(kuò)散加權(quán)成像的原理及應(yīng)用進(jìn)展

馬彥云 張輝

030001太原，山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院影像科

體素內(nèi)不相干運動擴(kuò)散加權(quán)成像（IVIM-DWI）不僅可以獲得多種參數(shù)（D值、D*值和f值），而且還具備同時提供擴(kuò)散與灌注信息、無需對比劑等諸多優(yōu)勢，能夠更精細(xì)地顯示組織微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，更敏感地體現(xiàn)組織的病理改變，反映疾病的真實性，IVIM-DWI已成為近年來MRI新技術(shù)應(yīng)用研究的熱點。筆者以國內(nèi)外大量文獻(xiàn)作為依據(jù)，對該技術(shù)的基本原理、臨床應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行較為全面而簡要的闡述。

腫瘤；磁共振成像；體素內(nèi)不相干運動；擴(kuò)散加權(quán)成像

Fund programs:Public Relations and Social Development of Science and Technology Project of Shanxi Science and Technology Department（20140313011-14）;Scientific and Technological Project of Shanxi Province Health Department（201301072）;Excellent Innovation Fund for Graduate Students in Shanxi Province（20143060）

體素內(nèi)不相干運動（intravoxel incoherent motion，IVIM）是用于描述體素微觀運動的一種成像方式，其概念由Le Bihan等[1]首先提出，利用多b值擴(kuò)散加權(quán)成像獲得的定量參數(shù)，將水分子彌散和微循環(huán)血流灌注分開，得到純擴(kuò)散系數(shù)（D值）和灌注相關(guān)擴(kuò)散系數(shù)（D*值）及灌注分?jǐn)?shù)（f值），同時反映生物組織內(nèi)水分子的彌散和微循環(huán)的灌注信息。隨著MR成像設(shè)備和成像技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)在疾病的診斷與研究中將會發(fā)揮重要的作用。

1 IVIM成像原理及方法

IVIM理論基于自旋回波信號對分子運動的敏感性，成像采用梯度敏感的MRI技術(shù)。生物體內(nèi)微觀運動包括水分子的擴(kuò)散和血液的微循環(huán)。該技術(shù)的前提是假設(shè)血液的微循環(huán)和灌注是非一致性、無條理的隨機(jī)運動。通過定量參數(shù)分別評價其中的擴(kuò)散運動成分和血流灌注成分，其信號衰減與所用b值間的關(guān)系用雙指數(shù)模型函數(shù)Sb/S0=（1-f）·exp（-bD）+f·exp[-b（D+D*）]來表示，其中Sb、S0分別代表b取某個b值（b≠0及b=0）時體素內(nèi)的信號強(qiáng)度；b值為擴(kuò)散敏感梯度因子（gradient factor），單位為s/mm2，該參數(shù)依賴于掃描序列；f為灌注分?jǐn)?shù)（perfusion fraction），代表體素內(nèi)微循環(huán)所致的灌注效應(yīng)占總體擴(kuò)散效應(yīng)的容積比率，大小介于0～1之間；D值為純擴(kuò)散系數(shù)（pure diffusion coefficient），代表體素內(nèi)單純的水分子擴(kuò)散運動，單位為mm2/s；D*值為假擴(kuò)散系數(shù)（pseudodiffusion coefficient），代表體素內(nèi)微循環(huán)灌注相關(guān)擴(kuò)散運動，單位為mm2/s。

IVIM成像通過不同擴(kuò)散系數(shù)對生物體微觀的兩種運動現(xiàn)象進(jìn)行表達(dá)，經(jīng)后處理得到灌注相關(guān)參數(shù)（f，D*）和擴(kuò)散參數(shù)D，從而量化擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion-weighted imaging，DWI）圖像中的兩種運動成分。由于空間分布和分子運動速度上的不同，D*顯著大于D，高b值（b＞200 s/mm2）時灌注效應(yīng)所產(chǎn)生的信號絕大部分已經(jīng)衰減完畢，此時信號衰減基本與體素內(nèi)單純的水分子擴(kuò)散相關(guān)；而低b值（0～200 s/mm2）DWI對微循環(huán)灌注效應(yīng)更為敏感，所測信號衰減同時反映了組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散和微循環(huán)毛細(xì)血管網(wǎng)內(nèi)水分子的假性擴(kuò)散[2]。

2 IVIM成像優(yōu)勢

2.1 與單指數(shù)模型DWI比較

經(jīng)單指數(shù)模型函數(shù)Sb=S0exp（-bADC）計算的表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）值對組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散情況進(jìn)行定量檢測，確實可解決很多臨床問題，是目前最常用的檢測組織內(nèi)水分子擴(kuò)散情況的方法，但不利于對組織微結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行精確分析。過高b值導(dǎo)致圖像信噪比明顯降低，其測量數(shù)據(jù)的重復(fù)性與準(zhǔn)確性也較低，故限制了b值＞1000 s/mm2的臨床應(yīng)用。

IVIM雙指數(shù)模型分析所得灌注相關(guān)參數(shù)（f值，D*值）和擴(kuò)散參數(shù)D值，同時反映組織水分子擴(kuò)散及微循環(huán)灌注的信息。相較單指數(shù)模型而言，IVIM模型可以更好地描述生物體內(nèi)復(fù)雜的信號衰減方式。Liu等[3]對比研究了單、雙指數(shù)模型不同參數(shù)值對乳腺良惡性腫瘤的鑒別診斷價值，認(rèn)為ADC值、D值、f值在良惡性腫瘤中存在顯著差異，聯(lián)合IVIM模型的D值和f值進(jìn)行診斷，其效能要優(yōu)于ADC值。

2.2 與灌注技術(shù)的比較

測量灌注的檢查方法有很多，但其多依賴于對外源性對比劑或示蹤劑單位時間內(nèi)在感興趣組織內(nèi)濃度變化的測量，如核素灌注成像、灌注加權(quán)成像檢查。而IVIM測量的是分子運動引起的信號改變，雖然二者均能反映血流灌注情況，但考察的物理過程完全不同。Sigmund等[4]利用IVIM模型研究乳腺癌得出，灌注參數(shù)值f與動態(tài)對比增強(qiáng)MRI（dynamic contrast enhancement-MRI，DCE-MRI）的灌注參數(shù)間存在相關(guān)性，提示IVIM模型參數(shù)值可能更準(zhǔn)確地反映乳腺癌新輔助化療療效與組織結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系，同時反映組織內(nèi)部的水分子擴(kuò)散和微循環(huán)灌注，且不需注入對比劑。

3 IVIM技術(shù)在生物體各器官及系統(tǒng)的主要臨床應(yīng)用

3.1 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

IVIM技術(shù)目前主要應(yīng)用于：①良、惡性腦腫瘤的診斷及腦膠質(zhì)瘤的分級等。2013年北美放射學(xué)年會報道指出，IVIM有助于鑒別膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的復(fù)發(fā)和放射性壞死，其直方圖分析可作為鑒別膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和放射性壞死無創(chuàng)的影像生物標(biāo)記。Bisdas等[5]通過對腦膠質(zhì)瘤患者行IVIM成像研究指出，D*、f值在高級別腦膠質(zhì)瘤中顯著高于低級別腦膠質(zhì)瘤，而D值在低級別腦膠質(zhì)瘤中則略高；Hu等[6]通過臨床實驗分析D*、D及f值，得到了與Bisdas類似的結(jié)論。②評價腦損傷、腦血管性病變。Federau等[7]對急性腦卒中患者行IVIM掃描，發(fā)現(xiàn)在梗死灶中f值明顯降低，研究認(rèn)為，IVIM灌注參數(shù)能夠反映高氧合狀態(tài)所致的血管收縮和高碳酸血癥所致的血管擴(kuò)張[8]，這樣IVIM可成為定量分析腦灌注有效且極具前景的成像技術(shù)。③腦功能的研究。Dong等[9]發(fā)現(xiàn)IVIM可揭示認(rèn)知損害過程中的腦血流灌注異常，為輕度認(rèn)知功能障礙的診斷及轉(zhuǎn)歸預(yù)測提供幫助。

3.2 在頭頸部中的應(yīng)用

IVIM技術(shù)目前主要應(yīng)用于鼻咽癌的評估、無創(chuàng)預(yù)測腫瘤治療前分期，對患者常規(guī)MR灌注成像與IVIM成像間行相關(guān)性研究[10]。Lai等[11]對80例診斷為未分化鼻咽癌的患者進(jìn)行IVIM研究，探討鼻咽癌的IVIM特征及其與不同分期腫瘤間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鼻咽癌在不同階段具有特異的擴(kuò)散/灌注特征；不同級別的鼻咽癌有特異的IVIM參數(shù)，其有助于鼻咽癌治療前分期。

3.3 在消化系統(tǒng)中的應(yīng)用

IVIM技術(shù)目前主要應(yīng)用于：①肝臟纖維化、肝硬化、肝癌等方面的研究。研究表示，在肝纖維化進(jìn)程中，D值及D*值均有改變，可無創(chuàng)檢測和評價肝纖維化[12]。Luciani等[2]研究表明，肝硬化患者不僅有純水分子的擴(kuò)散受限，且灌注減低。Woo等[13]對肝細(xì)胞肝癌患者研究發(fā)現(xiàn)，D值與高分化肝細(xì)胞肝癌病理分級間有明顯的負(fù)相關(guān)性（r=-0.604，P<0.01）。IVIM在一定程度上可代替組織學(xué)檢查來評價肝細(xì)胞肝癌，D*值、f值的高低均能反映腫瘤血管豐富程度，客觀反映腫瘤灌注狀態(tài)，從而達(dá)到腫瘤診斷及腫瘤惡性程度分級的目的。②在胰腺等消化腺的多種腫瘤診斷及鑒別中同樣發(fā)揮著重要的作用。Kang等[14]對胰腺占位患者行IVIM掃描發(fā)現(xiàn)，胰腺癌的D值及f值明顯低于正常胰腺組織、神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤及慢性胰腺炎；與良性腫瘤相比，惡性傾向的導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀黏液性腫瘤的D值及f值明顯升高；IVIM的灌注及擴(kuò)散參數(shù)不僅能鑒別胰腺良惡性腫瘤，而且能分辨良性及惡性傾向的導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀黏液性腫瘤。

3.4 在泌尿生殖系統(tǒng)中的應(yīng)用

IVIM技術(shù)目前主要用于：①腎臟腫瘤的診斷與鑒別、病理分型等。研究發(fā)現(xiàn)，D值能較好地分辨腎腫瘤與腎臟正常組織，f值對病理組織的亞組鑒別能提供有價值的信息[15-16]。IVIM相關(guān)參數(shù)有助于評價病理分型，為臨床診斷、治療及評價預(yù)后提供有益信息。②前列腺癌的診斷與病理分級。研究認(rèn)為，IVIM參數(shù)中的D值和f值在腫瘤組織與良性增生組織間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，在腫瘤組織中D值和f值分別明顯降低和升高，表明這兩個參數(shù)可能成為潛在的前列腺癌的生物標(biāo)志物[17]。國內(nèi)學(xué)者應(yīng)用IVIM分析前列腺癌Gleason分級，認(rèn)為通過IVIM直方圖分析前列腺癌的病理分級具有可行性，D值比傳統(tǒng)ADC值能更好地區(qū)分低、高級別腫瘤[18]。另外，IVIM的灌注參數(shù)在無創(chuàng)性評價尿路梗阻及輔助診斷宮頸癌等方面也取得了較好的效果[19]。

3.5 在乳腺中的應(yīng)用

目前，IVIM已經(jīng)初步應(yīng)用于乳腺疾病的診斷研究中。①乳腺組織信號衰減模型的研究。Liu等[3]研究發(fā)現(xiàn)，惡性腫瘤、良性病變和正常腺體組織的DWI信號的衰減是按照雙指數(shù)模型（IVIM模型）擬合的，而單純囊腫DWI信號的衰減是按照單指數(shù)模型擬合的。②乳腺IVIM檢查與傳統(tǒng)DWI、DCE-MRI診斷效能比較研究。Sigmund等[4]研究指出，正常乳腺組織與不同類型乳腺癌間ADC值和D值均存在差異，但D值在各組間的差異較ADC值更大。國內(nèi)學(xué)者研究認(rèn)為，慢ADC值與傳統(tǒng)ADC值對診斷浸潤性導(dǎo)管癌均有較高的診斷價值，慢ADC值診斷的靈敏度、特異度及準(zhǔn)確性均有提高；聯(lián)合D值和f值能夠得到比傳統(tǒng)ADC值、多期動態(tài)增強(qiáng)時間-信號強(qiáng)度曲線更好的診斷效能[20-21]。③乳腺良、惡性腫瘤的診斷與鑒別。Bokacheva等[22]研究發(fā)現(xiàn)，ADC值、D值、f值在良惡性乳腺腫瘤間存在明顯差異，聯(lián)合D值和f值進(jìn)行診斷，診斷效能優(yōu)于ADC值，其曲線下面積分別為0.84和0.72。

3.6 在呼吸系統(tǒng)及其他疾病方面的應(yīng)用

有學(xué)者就周圍型肺癌行IVIM研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)可用于檢查肺部孤立性病變，f值在周圍型肺癌及感染性肉芽腫的鑒別診斷方面具有一定價值[23]；另有對肺癌肺不張的IVIM研究發(fā)現(xiàn)，f值在炎性肺不張與肺癌肺不張中差異顯著，表明該技術(shù)在肺癌肺不張的影像診斷中具有一定應(yīng)用價值[24]。此外，IVIM技術(shù)在孕期正常胎盤血流灌注定量評價、淋巴瘤療效評價及賁門癌等方面，也已逐步開始初步研究。

3.7 IVIM參數(shù)與腫瘤分級及預(yù)后因子的相關(guān)性

研究表明，腫瘤細(xì)胞密度與ADC值呈負(fù)相關(guān)[25]。Kim等[26]研究發(fā)現(xiàn)，乳腺浸潤性導(dǎo)管癌ADC值與Ki-67、P53、孕激素受體、雌激素受體等多種預(yù)后因子均無相關(guān)性。若灌注和彌散參數(shù)與乳腺惡性腫瘤的組織病理學(xué)、分子生物學(xué)之間存在一定的相關(guān)性，則可從影像學(xué)角度實時、無創(chuàng)、在體、間接判斷乳腺癌的生物學(xué)行為。目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)尚未發(fā)現(xiàn)有IVIM各參數(shù)值用于預(yù)測腫瘤預(yù)后生物因子及新輔助化療療效評價和預(yù)測方面的相關(guān)報道，IVIM各參數(shù)的價值有待進(jìn)一步深入探討。

4 IVIM成像目前面臨的主要問題

IVIM成像結(jié)果受多種因素影響，目前其臨床應(yīng)用主要面臨以下問題。

4.1 b值的選擇

目前對選用b值的數(shù)目及大小尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。理論上所用b值數(shù)目越多，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果越準(zhǔn)確，所獲參數(shù)圖像質(zhì)量越好，但數(shù)據(jù)采集時間將延長，過多b值并不適合于臨床應(yīng)用。Koh等[27]建議使用6～8個b值并采用多次信號平均的方法，選用較少的高b值（2～3個）、較多的低b值（4個以上），將數(shù)據(jù)采集重點集中在灌注敏感的范圍內(nèi)。Cohen等[28]研究肝臟時認(rèn)為，應(yīng)至少包括兩個50 s/mm2以下的b值才能保證D*值不被低估。b值大小的具體選擇因不同組織而異，可依據(jù)受檢組織MRI信號隨b值升高而衰減的模式及其ADC值來確定[27]。此外，部分MRI掃描儀只允許在有限而固定的b值中進(jìn)行選擇，不允許任意設(shè)定，也限制了b值數(shù)目和大小的選擇。

4.2 IVIM模型本身的局限性及其他可能影響因素

IVIM描述組織中水分子彌散運動時考慮到了灌注效應(yīng)在低b值時對MRI信號衰減的影響，并給出了較好的解釋。但有時其灌注參數(shù)可能受到其他生理活動如導(dǎo)管內(nèi)液體流動、腺體分泌等影響；這些生理活動在低b值時同樣會引起組織信號衰減，且難同灌注效應(yīng)相區(qū)別，對IVIM的臨床應(yīng)用有一定影響。此外，磁場強(qiáng)度和回波時間對IVIM參數(shù)也有影響。Cui等[29]發(fā)現(xiàn)在3 T和1.5 T MRI上肝的D值顯示良好的可重復(fù)性，而f值存在一定程度的差異，D*值的差異則更大。Bisdas等[30]認(rèn)為，腦部病變因腦脊液、血液和腫瘤組織弛豫率的交互影響，回波時間的選取會影響f值的結(jié)果。

5 小結(jié)與展望

綜上，IVIM技術(shù)對于各系統(tǒng)器官結(jié)構(gòu)和病變組織的復(fù)雜精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的顯示較單指數(shù)模型DWI及灌注加權(quán)成像技術(shù)更具優(yōu)勢。雖然其目前仍存在一定問題：①該技術(shù)對MRI掃描儀有一定的要求；②選用b值的數(shù)目及大小尚無標(biāo)準(zhǔn)；③掃描參數(shù)、圖像分析與處理技術(shù)有待進(jìn)一步探討和斟酌；④灌注參數(shù)由于可能受到其他生理活動的影響，可重復(fù)性較差。但I(xiàn)VIM成像在腫瘤診斷與鑒別、術(shù)前分期與療效評估等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

利益沖突 本研究由署名作者按以下貢獻(xiàn)聲明獨立開展，不涉及任何利益沖突。作者貢獻(xiàn)聲明 馬彥云負(fù)責(zé)查閱文獻(xiàn)、撰寫綜述等工作；張輝負(fù)責(zé)審閱、修改等工作。

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The basic principle and application progress of intravoxel incoherent motion imaging

Ma Yanyun, Zhang Hui
Department of Radiology,the First Hospital of Shanxi Medical University,Taiyuan 030001,China

Zhang Hui,Email：zhanghui_mr@163.com

Intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging（IVIM-DWI）not only determines various parameters（D value,D*value,and f value）but also provides diffusion and perfusion information without the contrast agents．IVIM-DWI can show the complexity of the tissue microstructure in a manner more sophisticated than normal and can reflect with high sensitivity the pathological changes of organization.It can confirm the authenticity of the disease.It has become the focus of research in MRI technology in the recent years.Considering data obtained from a large number of local and international studies,we described comprehensively and briefly the basic principle,status,and progress in clinical applications of IVIM-DWI.

Neoplasms;Magnetic resonance imaging;Intravoxel incoherent motion;Diffusion weighted imaging

張輝，Email：zhanghui_mr@163.com

10.3760/cma.j.issn.1673-4114.2016.06.013

山西省科技公關(guān)社會發(fā)展項目（20140313011-14）；山西省衛(wèi)生廳科研項目（201301072）；山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新基金（20143060）

2016-06-28）