體素內(nèi)不相干運動擴散加權(quán)成像在腦膠質(zhì)瘤術(shù)前分級診斷中的應(yīng)用研究

張 晶，付 曠，吳 瓊，趙 薈，周 麗

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 磁共振成像診斷科，黑龍江 哈爾濱150086)

體素內(nèi)不相干運動擴散加權(quán)成像在腦膠質(zhì)瘤術(shù)前分級診斷中的應(yīng)用研究

張 晶，付 曠*，吳 瓊，趙 薈，周 麗

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 磁共振成像診斷科，黑龍江 哈爾濱150086)

目的 探討磁共振體素內(nèi)不相干運動擴散加權(quán)成像( Intravoxel Incoherent Motion Diffusion Weighted Imaging，IVIM DWI) 在腦膠質(zhì)瘤術(shù)前分級診斷中的應(yīng)用價值。方法 回顧性分析28例經(jīng)病理證實為膠質(zhì)瘤(低級別11例，高級別17例)并且術(shù)前行磁共振(Magnetic Resonance Imaging，MRI)常規(guī)平掃及IVIM DWI序列掃描患者的圖像。IVIM DWI原始數(shù)據(jù)經(jīng)工作站軟件處理后得到純水分子擴散系數(shù)D、偽擴散系數(shù)D*和灌注分數(shù)f的偽彩圖，選取合適的ROI，分別測量腫瘤實質(zhì)區(qū)及正常腦白質(zhì)區(qū)的各參數(shù)值，采用t檢驗進行統(tǒng)計學(xué)分析。結(jié)果 腫瘤實性區(qū)域的D、D*和f值較正常腦白質(zhì)區(qū)增高，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。高級別膠質(zhì)瘤的D值低于低級別膠質(zhì)瘤，f值高于低級別膠質(zhì)瘤，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。高級別膠質(zhì)瘤的D*值略高于低級別膠質(zhì)瘤，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。結(jié)論 通過IVIM DWI技術(shù)得到的定量參數(shù)值D、D*和f可以將腫瘤擴散和灌注信息分開，對膠質(zhì)瘤患者實現(xiàn)更準(zhǔn)確的術(shù)前分級診斷。

磁共振；多b值；擴散加權(quán)成像；體素內(nèi)不相干運動；膠質(zhì)瘤

(ChinJLabDiagn,2017,21:0009)

腦膠質(zhì)瘤是成人顱內(nèi)原發(fā)性腫瘤中最常見的一種惡性腫瘤，具有明顯的侵襲性及由低級別向高級別進展的趨勢[1]。膠質(zhì)瘤的預(yù)后與腫瘤的級別具有明顯的相關(guān)性，準(zhǔn)確判定膠質(zhì)瘤的級別對指導(dǎo)臨床治療及判斷預(yù)后具有顯著的臨床意義。DWI是目前能夠在活體進行水分子擴散測量和成像的唯一方法，能夠反映腫瘤組織微觀的病理生理變化，因此可被用來對腫瘤的生物學(xué)行為進行評價。近年來，基于體素內(nèi)不相干運動(IVIM)的多b值DWI成像方法逐漸應(yīng)用到臨床研究中，如肝臟、腎臟、前列腺及頭頸部[2-5]等，但有關(guān)腦膠質(zhì)瘤的IVIM研究相對較少。本研究通過分析磁共振多b值IVIM DWI數(shù)據(jù)檢測出膠質(zhì)瘤的擴散及灌注信息，從而探討其在腦膠質(zhì)瘤術(shù)前分級診斷中的應(yīng)用價值。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選擇2013年12月-2015年12月在哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院行手術(shù)切除并經(jīng)病理證實的腦膠質(zhì)瘤患者28例，其中男性12例，女性16例。年齡在10-70歲之間，平均年齡為45歲。根據(jù)2007年WHO分級分類標(biāo)準(zhǔn)，高級別膠質(zhì)瘤17例(WHOⅢ-Ⅳ級)；低級別膠質(zhì)瘤11例(WHOⅠ-Ⅱ級)。所有膠質(zhì)瘤患者行MRI檢查前均未接受手術(shù)及抗腫瘤治療。

1.2 檢查方法

采用Philips Achieva 3.0T雙梯度超導(dǎo)磁共振掃描儀，頭部8通道正交鳥籠式線圈，各掃描序列及參數(shù)如下：①常規(guī)序列：T1WI TSE：TR=250 ms，TE=2.3 ms；T2WI TSE：TR=2 505 ms，TE=80 ms；FLAIR：TR=7 000 ms，TE=107 ms，IR(反轉(zhuǎn)恢復(fù)時間)=2 200 ms。矩陣128×128；視野(FOV)230 mm×182mm×125 mm；反轉(zhuǎn)角度(Flip angle)：75°； 激勵次數(shù)：1；層厚6 mm，層間距1 mm，采用18層覆蓋全腦進行掃描。②IVIM-DWI序列：掃描應(yīng)用單次激發(fā)回波平面成像序列(SS-EPI)，行橫軸位掃描：TR=2 500 ms，TE=59 ms，激勵次數(shù)2次，在互相垂直的X、Y、Z軸3個不同方向上施加彌散敏感梯度場，分別取16個b值(b=0，10，20，30，40，50，70，100，120，150，180，200，300，500，800，1 000 s/mm2)。16個b值一次掃描完成，掃描時間3分27秒。掃描層面定位與橫軸位T1WI、T2WI、FLAIR序列保持一致。③增強掃描：經(jīng)肘正中靜脈注射釓雙胺0.2 mmol/kg(歐乃影)后行常規(guī)T1WI掃描。

1.3 后處理分析

將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入工作站后處理軟件，應(yīng)用IVIM雙指數(shù)模型進行擬合，得到純水分子擴散系數(shù)D、偽擴散系數(shù)D*及灌注分數(shù)f的偽彩圖。由兩位工作經(jīng)驗豐富的放射科醫(yī)師在不知道病理結(jié)果的情況下參照T1WI、T2WI、FLAIR及增強掃描圖像，在各參數(shù)偽彩圖同層圖像的腫瘤實質(zhì)區(qū)及正常腦白質(zhì)區(qū)上手動畫出4個大小約為40個體素的ROI，選擇具有IVIM最大灌注分數(shù)的腫瘤區(qū)域?qū)用?，盡量避開囊變、壞死、出血、鈣化、液化及大血管等不均質(zhì)區(qū)域，取平均值作為腫瘤實質(zhì)區(qū)及正常腦白質(zhì)區(qū)的D、D*和f值，進行統(tǒng)計學(xué)分析。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS20.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)處理，數(shù)據(jù)分別以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差和百分比表示。腫瘤實質(zhì)區(qū)與正常腦白質(zhì)區(qū)比較采用配對t檢驗，高低級別膠質(zhì)瘤之間的各參數(shù)比較采用兩獨立樣本t檢驗。設(shè)定P<0.05為有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

IVIM DWI序列經(jīng)雙指數(shù)模型處理得到的數(shù)據(jù)見表1。由表1可得知17例高級別膠質(zhì)瘤及11例低級別膠質(zhì)瘤患者腫瘤實質(zhì)區(qū)和正常腦白質(zhì)區(qū)的D、D*和f的平均值。高、低級別膠質(zhì)瘤的解剖圖像及D、D*和f參數(shù)偽彩圖分別如圖所示(圖1和圖2)。腫瘤實性區(qū)域的D、D*和f值均較正常腦白質(zhì)區(qū)域增高(t=5.653，P<0.05；t=4.222，P<0.05和t=3.005，P<0.05)，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。高級別膠質(zhì)瘤的D值低于低級別膠質(zhì)瘤，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(t=4.874，P<0.05)；高級別膠質(zhì)瘤的f值高于低級別膠質(zhì)瘤，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(t=4.836，P<0.05)；高級別膠質(zhì)瘤的D*值略高于低級別膠質(zhì)瘤，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

表1 低、高級別膠質(zhì)瘤腫瘤實性區(qū)域及正常腦白質(zhì)區(qū)的IVIM雙指數(shù)模型各參數(shù)值

注：D和D*單位為μm2/ms;f單位為%。

3 討論

DWI通過測量組織內(nèi)水分子的布朗運動而得以探測組織的超微結(jié)構(gòu)，這取決于組織間質(zhì)的局部環(huán)境，并且在腦腫瘤中隨著細胞密度和細胞外基質(zhì)的變化而變化。源自常規(guī)DWI的ADC值是在體素分析的基礎(chǔ)上能夠反映組織內(nèi)水分子擴散的定量指標(biāo)，采用單指數(shù)模型進行計算，公式為：Sb/S0=exp(-bADC)，其中b為擴散權(quán)重系數(shù)，S0表示b值取0時的信號強度，Sb代表某個b值(b≠0)時的信號強度[6]。DWI單指數(shù)模型已廣泛應(yīng)用于臨床診斷中，已有研究證明DWI能夠?qū)嵭浴⒂谢钚缘哪[瘤及囊變、壞死區(qū)域進行鑒別，并顯示出腫瘤水分子運動與腫瘤細胞結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，腫瘤細胞繁殖越旺盛、密度越高，生物膜結(jié)構(gòu)對水分子擴散的限制作用越明顯，DWI信號越高,ADC值越低[7]。

圖1 左顳葉低級別膠質(zhì)瘤(Ⅱ級)。①為軸位T1WI增強序列解剖圖，②-④分別為IVIM DWI序列后處理生成的D、D*和f的參數(shù)偽彩圖。

圖2 左頂葉高級別膠質(zhì)瘤(Ⅳ級)。①為軸位T1WI增強序列解剖圖，②-④分別為IVIM DWI序列后處理生成的D、D*和f的參數(shù)偽彩圖。

然而大量研究結(jié)果表明，生物體內(nèi)組織信號的衰減不僅與水分子擴散有關(guān)，同時還受毛細血管血流微循環(huán)灌注影響，因此傳統(tǒng)的DWI單指數(shù)模型計算得到的ADC值較純水分子擴散偏高，無法真實反映生物組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)狀態(tài)[8]。Le Bihan等研究提出的體素內(nèi)不相干運動(IVIM)模型通過對多b值DWI序列采用雙指數(shù)模型分析分別計算出反映單純水分子擴散和微循環(huán)灌注的參數(shù)，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)同時測量活體組織內(nèi)真正的水分子擴散和灌注信息的無創(chuàng)性檢查技術(shù)[10]。Le Bihan等人證實在低b值條件下毛細血管內(nèi)的微循環(huán)灌注同水分子擴散一樣對組織信號衰減有作用，此時的信號衰減呈現(xiàn)雙指數(shù)形式，因此應(yīng)用雙指數(shù)模型來描述該運動，其公式為：Sb/S0=(1-f)×exp(-bD)+fexp(-bD*)。其中D是純水分子擴散系數(shù)，代表真實的水分子擴散；D*是偽擴散系數(shù)，即與毛細血管微循環(huán)灌注相關(guān)的擴散系數(shù)，取決于毛細血管血流速度和幾何形態(tài)；f為灌注分數(shù)，代表與微循環(huán)灌注相關(guān)的擴散成分在體素內(nèi)總擴散中所占的百分比，主要受到微循環(huán)灌注血容量的影響，D*值與f值均與微循環(huán)灌注相關(guān)。毛細血管血流微循環(huán)灌注成分對信號衰減的影響程度取決于b值大小，b值越小，微循環(huán)灌注的影響越明顯[9]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擴散權(quán)重較小時(b<200s/mm2)即可引起組織信號明顯衰減，此時微循環(huán)灌注效應(yīng)占顯著地位，因此可通過低b值條件下的組織信號衰減規(guī)律來反映灌注信息[11]。本研究中IVIM DWI數(shù)據(jù)通過非線性擬合得到的信號強度衰減曲線與雙指數(shù)模型相近，這與Le Bihan等的研究結(jié)果相符。

本研究采用雙指數(shù)模型研究膠質(zhì)瘤的組織結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)腫瘤實性區(qū)域的D值高于正常腦白質(zhì)區(qū)，這是由于水分子擴散受到組織細胞結(jié)構(gòu)、細胞外間隙大小和擴散介質(zhì)的粘滯性等多種因素影響，當(dāng)腫瘤生長破壞了正常的細胞結(jié)構(gòu)時，細胞外間隙會增大，導(dǎo)致水分子較正常組織中更容易擴散，因此擴散系數(shù)值也相應(yīng)增高[12]。此外，本研究中高級別膠質(zhì)瘤的f值高于低級別膠質(zhì)瘤，且腫瘤區(qū)的f值與正常腦白質(zhì)區(qū)相比也存在差異，這與Bisdas[11]等人的研究結(jié)果一致，表明腫瘤惡性程度越高，其微循環(huán)灌注血容量也越高。本研究得出高級別膠質(zhì)瘤的D*值略高于低級別膠質(zhì)瘤，但兩者之間無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，這與Federau[12]等所得結(jié)果相似，筆者認為可能與圖像信噪比低及患者運動有關(guān)。有學(xué)者在對肝臟病變的研究中發(fā)現(xiàn)D*值測量的可重復(fù)性較差、變異性大[13]，還有研究發(fā)現(xiàn)D*值受心動周期影響較大[14]，但也有研究表明D*值在高、低級別膠質(zhì)瘤鑒別方面有意義[11]，因此D*值的確切診斷價值尚需要進一步擴大樣本量、排除諸多影響因素進行研究。

綜上所述，本實驗通過IVIM DWI技術(shù)對定量參數(shù)D、D*和f值進行研究，可以將腫瘤擴散和微循環(huán)灌注信息分開，不但能夠更準(zhǔn)確地描述膠質(zhì)瘤的擴散信息，同時無需注射對比劑即可獲得腫瘤的灌注信息，對于腦膠質(zhì)瘤的術(shù)前分級診斷具有較好的臨床應(yīng)用價值。

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The application study of intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging in the grading diagnosis of glioma before surgery

ZHANGJing,FUKuang,WUQiong,etal.

(DepartmentofMRI,theSecondAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin150086,China)

Objective To evaluate the application value of intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging(IVIM DWI) for the grading diagnosis of glioma before surgery.Methods Retrospectively analyzing the conventional MRI and IVIM DWI images of 28 patients with histologically proven glioma(11 cases of low-grade and 17 cases of high-grade).Regions of interest were manually set on the tumor as well as the normal brain parenchyma.The primitive IVIM DWI data were processed by the software of workstation to produce the diffusion constant(D) map,the psudodiffusion coefficient(D*) map and the perfusion fraction(f) map.The t tests were used to evaluate the differences of measured values.Results The differences of the D,D* and f values between tumors and the normal brain parenchyma were statistically significant(P<0.05).The differences of the D and f values between the low-grade gliomas and the high-grade gliomas were statistically significant(P<0.05),but there was no statistical significance for the D* value between the low-grade gliomas and the high-grade gliomas(P>0.05).Conclusion Using the IVIM DWI technique to measure the D,D* and f values of gliomas can quantify the perfusion and more accurate diffusion information of gliomas without the contrast injection,which might play an important role in the grading diagnosis of gliomas before surgery.

MRI;Multi-b value;DWI;IVIM;Gliomas

1007-4287(2017)01-0009-04

哈爾濱市科技局創(chuàng)新人才基金項目(2014RFXGJ025)

R739.4

A

2016-04-20)

*通訊作者