磁共振擴(kuò)散峰度成像在腹部腫瘤中的應(yīng)用進(jìn)展

李宏偉， 蔣小鳳， 劉竣， 陳松， 雷麗程， 杜勇

擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)技術(shù)是一項(xiàng)基于水分子布朗運(yùn)動(dòng)、反映組織內(nèi)水分子擴(kuò)散能力的MRI技術(shù)。它在不同的擴(kuò)散方向上施加擴(kuò)散敏感梯度從而使不同組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散呈現(xiàn)出差異，然后把這種差異轉(zhuǎn)化為圖像信息，成為ADC值量化分析的一項(xiàng)MRI技術(shù)。擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術(shù)是DWI技術(shù)的延伸，它是一種以組織中水分子擴(kuò)散各向異性為基礎(chǔ)的功能磁共振成像技術(shù)[1]，DWI和DTI均以人體內(nèi)水分子的運(yùn)動(dòng)符合高斯擴(kuò)散為前提。然而，人體內(nèi)水分子的實(shí)際擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)并非呈高斯擴(kuò)散，而是受到人體內(nèi)各種微觀結(jié)構(gòu)的影響。擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是DWI、DTI技術(shù)的延伸，以非高斯分布模型為基礎(chǔ)，因而能夠更加準(zhǔn)確、真實(shí)地反映生物組織微觀結(jié)構(gòu)的微細(xì)變化[2-3]。本文就DKI技術(shù)在腹部腫瘤中的應(yīng)用現(xiàn)狀予以綜述。

DKI的基本原理及主要參數(shù)

1.基本原理

DKI技術(shù)最早由Jenson教授于2005年提出[3]，它是DWI技術(shù)和DTI技術(shù)的延伸，較DTI技術(shù)能夠更加敏感而且準(zhǔn)確地反映組織微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[4]。

人體最重要的生理活動(dòng)之一是擴(kuò)散。在均質(zhì)的液體中，水分子被認(rèn)為是在一個(gè)特定方向均勻一致的擴(kuò)散，其擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)函數(shù)呈高斯分布[5-6]，而這對(duì)于活體生物組織而言卻過(guò)于理想化。人體的內(nèi)環(huán)境十分復(fù)雜，受各種微觀結(jié)構(gòu)(如細(xì)胞膜、細(xì)胞器、離子通道等)的影響，人體內(nèi)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不再是準(zhǔn)確的高斯分布，而變成了非高斯分布。

DKI模型通過(guò)一個(gè)擴(kuò)散峰度值K(kurtosis)來(lái)量化偏離高斯分布的程度，公式為ln[S(b)/S0]=-bDapp+1/6 b2D2app Kapp，S(b)、S0分別代表施加和未施加擴(kuò)散梯度時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，Dapp是表觀擴(kuò)散系數(shù)，用于描述擴(kuò)散加權(quán)成像中不同水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的速度；Kapp是沿著一個(gè)擴(kuò)散確定方向上的峰度，用于描述水分子在生物組織內(nèi)擴(kuò)散受限的程度；b為擴(kuò)散敏感系數(shù)[3,7]。公式中K代表無(wú)單位參數(shù)，用于定量描述水分子擴(kuò)散偏離高斯分布的程度，K=0，代表水分子的擴(kuò)散為高斯分布；K>0，值越大，代表其偏離高斯分布越顯著。DKI技術(shù)可用于定量分析各種生理或病理狀態(tài)下水分子的擴(kuò)散受限程度，進(jìn)而可用于評(píng)估生物組織細(xì)微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[3]。

2.主要參數(shù)

DKI技術(shù)可獲得的主要參數(shù)包括平均峰度(mean kurtosis，MK)、峰度各向異性(kurtosis anisotropy，KA)、徑向峰度(radial kurtosis，RK)、軸向峰度(axial kurtosis，AK)，另外，它還可獲取擴(kuò)散張量成像常用參數(shù)，如各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)，平均擴(kuò)散率(mean diffusion，MD)、軸向擴(kuò)散率(axial diffusion，AD)和徑向擴(kuò)散率(radial diffusion，RD)等[8]。MK是DKI技術(shù)最具代表性的參數(shù)，代表空間各梯度方向的擴(kuò)散峰度平均值[9]。是評(píng)價(jià)生物組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的指標(biāo)。MK取值0～1，MK的大小反映興趣區(qū)內(nèi)組織的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。KA在某些程度上類(lèi)似于部分各向異性(fraction anisotropy，F(xiàn)A)，可由峰度的標(biāo)準(zhǔn)偏差給出，是衡量水分子趨向于各向異性擴(kuò)散程度的指標(biāo)。RK表示沿橢圓徑向方向的K值，是個(gè)相對(duì)重要的參數(shù)。AK值表示橢圓軸向的K值，其大小是量化軸向方向水分子擴(kuò)散受阻程度。

腹部DKI相關(guān)技術(shù)

在腹部臟器的應(yīng)用中，應(yīng)該避免設(shè)置過(guò)多的b值[2]，設(shè)置過(guò)多的b值，采集時(shí)間會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，再加上腹部MRI容易受到呼吸運(yùn)動(dòng)、胃腸道蠕動(dòng)、腸道內(nèi)容物等各種因素的影響，偽影相應(yīng)增加。DKI是超高b值下標(biāo)準(zhǔn)DWI序列，根據(jù)DKI公式[3-4]至少需要三個(gè)不同的b值來(lái)擬合非高斯模型，從而獲得Kapp值等參數(shù)。

對(duì)于設(shè)置最大b值也存在嚴(yán)格的要求。在腹部成像中，信號(hào)強(qiáng)度隨著b值的增大衰減更加迅速，另外，腹部線圈接收信號(hào)的性能較頭部線圈差，為了保證成像質(zhì)量，根據(jù)近年來(lái)DKI技術(shù)在腹部臟器的研究[10]，當(dāng)腹部DKI成像的最大b值選取范圍為1500～2000 s/mm2時(shí)，既能很好模擬非高斯分布運(yùn)動(dòng)曲線，又能具有較好的圖像質(zhì)量。

高SNR圖像對(duì)于DKI后處理是至關(guān)重要的，由于數(shù)據(jù)被圖像噪聲影響，在低SNR圖像上產(chǎn)生Dapp(擴(kuò)散系數(shù))和Kapp(峰度系數(shù))各種參數(shù)不一定準(zhǔn)確[11]。因此只有采集高信噪比(SNR)的高b值圖像，才能獲得準(zhǔn)確的DKI參數(shù)。然而，高b值腹部成像要獲得高SNR圖像是比較困難的，因?yàn)椴粌H腹部信號(hào)強(qiáng)度衰減快速，還需應(yīng)用較快速采集序列來(lái)補(bǔ)償呼吸、胃腸道蠕動(dòng)等其他運(yùn)動(dòng)偽影。目前主要通過(guò)呼吸傳感器減少呼吸運(yùn)動(dòng)偽影，通過(guò)減少TE、高強(qiáng)度磁場(chǎng)提高SNR。目前腹部研究中較多采用的前列腺DKI技術(shù)參數(shù)為：自呼吸自旋回波脂肪抑制平面成像，TR 3000 ms，TE 70 ms，層厚4 mm，b值200,500,1000,1500,2000 s/mm2，擴(kuò)散梯度方向?yàn)?個(gè)方向[10]。

DKI在腹部腫瘤中的應(yīng)用

1.肝臟和膽管腫瘤

肝臟腫瘤是我國(guó)常見(jiàn)病、多發(fā)病，其中肝癌死亡率在惡性腫瘤中居第二位。由于肝臟腫瘤的良惡性性質(zhì)不同，其對(duì)應(yīng)的治療手段及預(yù)后評(píng)價(jià)方式千差萬(wàn)別，所以早期發(fā)現(xiàn)并明確肝臟腫瘤的良惡性性質(zhì)對(duì)疾病的診斷、治療及隨訪具有十分重要的臨床意義。在肝臟病變，尤其是肝臟腫瘤的評(píng)價(jià)中，各種MRI技術(shù)如DWI、DKI等具有十分重要的臨床作用。文獻(xiàn)報(bào)道，MD和MK值在左肝和右肝內(nèi)比較較穩(wěn)定，但左肝的測(cè)量值可能較右肝的相應(yīng)測(cè)量值高[12]，推測(cè)可能與左肝微血管灌注較右肝高[13]和受心臟搏動(dòng)影響較大[14]。上述研究表明，在肝臟疾病DKI研究中，尤其是是對(duì)于肝臟彌漫性疾病，參數(shù)測(cè)量時(shí)興趣區(qū)(region of interest，ROI)宜盡量放置在右肝。

目前DKI技術(shù)在肝臟方面的研究主要是應(yīng)用于肝癌和肝纖維化方面的研究。Goshima等[15]應(yīng)用DKI技術(shù)對(duì)肝功能Child-Pugh分級(jí)、富血供肝細(xì)胞癌的預(yù)后評(píng)估效能進(jìn)行報(bào)道。研究納入了62例治療前后的富血供肝癌病人，測(cè)量了肝細(xì)胞癌與肝實(shí)質(zhì)區(qū)域的MK和ADC，結(jié)果顯示：活性組MK值高于非活性組，而活性組ADC值低于非活性組。雖然MK值在不同肝功能Child-Pugh分級(jí)的差異并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.45)，但MK值的診斷敏感度(85.7%)、特異度(98.0%)以及ROC曲線下面積(0.95)均高于ADC值(79.6%，68.3%和0.77)，該研究表明，DKI優(yōu)于DWI，且是對(duì)于評(píng)價(jià)肝細(xì)胞癌預(yù)后是一個(gè)新的選擇，王瑩瑩等[16]也得出相仿的結(jié)論，認(rèn)為腫瘤細(xì)胞的異形性越大，MK值越大，故MK值是反應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的指標(biāo)。Rosenkrantz等[17]采用DKI對(duì)12例新鮮離體肝內(nèi)的16個(gè)肝細(xì)胞癌進(jìn)行研究，結(jié)果顯示肝細(xì)胞癌 KA 值的變異系數(shù)(CV)比表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)、擴(kuò)散系數(shù)(D)大，故認(rèn)為KA值的變異系數(shù)更能敏感的反映生物組織的微觀復(fù)雜結(jié)構(gòu)。此外，KA值與肝腫瘤細(xì)胞結(jié)構(gòu)特性相關(guān)，認(rèn)為肝外種植人肝癌細(xì)胞時(shí)病灶KA與腫瘤細(xì)胞密度呈正相關(guān)(r=0.48)，治療后病變壞死區(qū)KA值相對(duì)減少。徐蒙萊等[18]對(duì)35例肝外膽管癌患者進(jìn)行研究，結(jié)果表明MK值與癌組織分化程度具有較高的相關(guān)性，且MK值的準(zhǔn)確性優(yōu)于ADC值(0.951和0.860)，認(rèn)為DKI技術(shù)在肝外膽管分級(jí)應(yīng)用方面具有良好的前景。

2.腎臟腫瘤

腎臟腫瘤樣病變以惡性多見(jiàn)，腎細(xì)胞癌占腎惡性腫瘤的80%～90%，而腎癌中又以透明細(xì)胞癌、乳頭狀腎癌多見(jiàn)[19]。據(jù)研究表明[20]乳頭狀腎細(xì)胞癌5年生存率約87.4%，可采取非手術(shù)治療或局部腎切除，腎透明細(xì)胞癌預(yù)后差，多數(shù)病例發(fā)現(xiàn)時(shí)已有轉(zhuǎn)移[21]。因此，術(shù)前提高腎癌亞型的診斷符合率以及對(duì)透明細(xì)胞癌的分級(jí)對(duì)于治療方案的選擇和預(yù)后評(píng)估極為重要。

許多研究表明DKI對(duì)于體內(nèi)組織微細(xì)結(jié)構(gòu)病理變化具有重要價(jià)值，2014年P(guān)entang等[22]首先評(píng)價(jià)DKI技術(shù)在腎臟應(yīng)用的可行性，由于最大b值較小，樣本量少，存在較大的局限性。后來(lái)曲麗潔[23]等證實(shí)了腎臟組織表現(xiàn)出良好的非高斯分布，因髓質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故腎髓質(zhì)水分子運(yùn)動(dòng)偏離高斯分布更明顯，認(rèn)為DKI技術(shù)在腎臟應(yīng)用是可行的，與Huang[24]等報(bào)道的皮髓質(zhì)研究結(jié)果大致相仿。Dai等[25]對(duì)59例已被病理確診的透明細(xì)胞癌患者進(jìn)行研究，得出MD值、MK值很容易區(qū)分正常腎臟組織與癌變組織，且MK值更具有診斷價(jià)值，ROC曲線下面積、敏感度、特異度分別為0.874、68.33%、100%。另外，MD、MK在鑒別1、3、4級(jí)或2、3、4級(jí)透明細(xì)胞癌中，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在1、2級(jí)透明細(xì)胞癌間差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能與早期癌細(xì)胞內(nèi)以及細(xì)胞外水分子擴(kuò)散比較接近有關(guān)。上述研究表明，DKI對(duì)于診斷腎透明細(xì)胞癌及其分級(jí)具有重要意義。楊國(guó)美等[26]對(duì)于腎臟腫瘤亞型的鑒別診斷進(jìn)行了更為全面的研究，研究表明，當(dāng)RK值<0.878時(shí)，診斷透明細(xì)胞癌的特異度近100%，敏感度近100%，當(dāng)RK值>1.19時(shí)，診斷乳頭狀癌的特異度為97.62%，敏感度近100%，而診斷血管平滑肌脂肪瘤的RK值介于兩者之間。劉偉峰等[27]在研究DKI、DTI技術(shù)在診斷透明細(xì)胞癌和乳頭狀腎癌中也得出相似的結(jié)論，研究結(jié)果顯示KA值、MD值在診斷透明細(xì)胞癌和乳頭狀腎癌中差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而FA值差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，該結(jié)果表明DKI在鑒別腫瘤亞型上優(yōu)于DTI。

3.前列腺腫瘤

近年來(lái)，前列腺癌的發(fā)病率和死亡率逐年上升，是男性常見(jiàn)惡性腫瘤之一，嚴(yán)重影響男性健康[28]。前列腺癌常常合并前列腺增生，兩者之間具有相似的臨床表現(xiàn)，常用篩查方法為血清前列腺特異性抗原(prostate specific antigen，PSA)檢查以及直腸指檢是常用方法之一，但早期難以檢出[29]，相比于DWI，DKI能提供更多參數(shù)，反映更豐富組織信息，能夠更好的進(jìn)行早期診斷和鑒別，從而輔助制定治療方案并改善預(yù)后。

結(jié)合國(guó)內(nèi)、外文獻(xiàn)研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)DKI的參數(shù)值在診斷前列腺增生、前列腺癌及高低級(jí)別前列腺癌的鑒別診斷中優(yōu)于DWI。有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[30]，用四種不同模型處理高b值(最大值高達(dá)2000s/mm2)DWI序列掃描前列腺癌及前列腺正常組織，結(jié)果顯示峰度模型較單指數(shù)模型能更好的鑒別良惡性，并且重復(fù)性較高。Rosenkrantz等[31]在3.0T MR運(yùn)用DK模型在前列腺癌研究中顯示，Kapp值與腫瘤惡性程度呈正相關(guān)，ADC值、Dapp值與腫瘤惡性程度呈負(fù)相關(guān)，在前列腺癌的診斷中Kapp值在區(qū)分外周帶前列腺癌與前列腺增生的敏感度(93.3%)和鑒別高低級(jí)別前列腺癌時(shí)的敏感度(68.6%)均顯著高于ADC值與Dapp值，表明DKI在鑒別前列腺增生與前列腺癌、前列腺癌高低級(jí)別中明顯優(yōu)于DWI。Suo等[32]對(duì)19例前列腺癌患者興趣區(qū)Kapp、Dapp、ADC值進(jìn)行分析得出了相似的結(jié)論。Quentin等[33]研究同樣得出Kapp值與Gleason評(píng)分分級(jí)呈輕度正相關(guān)(r=0.19)的結(jié)論。在Tamura等[34]研究中也獲得相似的結(jié)果，雖然前列腺癌Kapp值和ADC值的ROC曲線下面積的差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但是Kapp值診斷前列腺癌的敏感度仍高于ADC值。Roethke等[35]研究卻顯示DKI雖能明顯提高外周帶前列腺癌診斷及高低級(jí)別的鑒別，但與標(biāo)準(zhǔn)DWI單指數(shù)模型ADC值測(cè)量比較，對(duì)前列腺癌檢測(cè)和分級(jí)的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這可能與不同前列腺組織間DKI參數(shù)和ADC值部分重疊有關(guān)。

4.膀胱腫瘤

膀胱癌的術(shù)前分級(jí)對(duì)治療方案的擬定及患者預(yù)后評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)意義。Suo等[36]對(duì)21例膀胱癌患者(高分化組12例，低分化組9例)行DKI掃描，結(jié)果顯示，與正常對(duì)照組相比，DKI在膀胱癌具有更高的Kapp值以及更低的ADC值、Dapp值，高級(jí)別膀胱癌比低級(jí)別膀胱癌具有更高的Kapp值，在高級(jí)別膀胱癌中Kapp值平均值為0.82，在低級(jí)別膀胱癌平均值為0.6，故DKI可以作為一種新的技術(shù)手段來(lái)診斷膀胱癌及鑒別高、低級(jí)別膀胱癌。

5.腹部其他臟器腫瘤

目前DKI技術(shù)應(yīng)用于胰腺、直腸腫瘤的相關(guān)研究比較少，但其應(yīng)用價(jià)值仍具有巨大潛力。Kartalis等[37]研究結(jié)果顯示DK(校正峰度系數(shù))、ADC對(duì)于胰腺癌具有很高的診斷準(zhǔn)確性，DK 診斷胰腺癌的ROC曲線下面積(0.84)均高于ADC、D(純水分子擴(kuò)散系數(shù))、D*(偽擴(kuò)散系數(shù))、f(灌注分?jǐn)?shù))和Kapp(峰度系數(shù))(分別為0.77、0.52、0.53、0.62和0.42)，因此DK能夠提高對(duì)胰腺癌的診斷符合率。Yu等[38]對(duì)直腸癌遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移進(jìn)行研究，研究表明Dapp值的診斷特異度(100.0%)以及ROC曲線下面積(0.856)均高于ADC值(68%和0.77)，故DKI在診斷直腸癌有無(wú)遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移方面比DWI具有更高的價(jià)值。

不足與展望

DKI技術(shù)作為一種特殊擴(kuò)散成像方式，很好地彌補(bǔ)了DWI、DTI 技術(shù)上的不足，能夠更真實(shí)準(zhǔn)確地反映水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，并且采集更多參數(shù)。在腹部臟器的應(yīng)用中，DKI技術(shù)在鑒別診斷病變組織與正常組織、良性病變與惡性病變，惡性病變的分級(jí)以及療效評(píng)估方面具有很大的臨床應(yīng)用潛力。

目前DKI在腹部的應(yīng)用中還面臨著諸多問(wèn)題，比如在肝臟研究中，把肝臟移出體外，組織病理、生化的改變可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，在腎臟研究方面，由于技術(shù)限制，一般需要用呼吸傳感器，但因某種原因呼吸不配合患者(如老年患者或因疾病不能配合者)測(cè)量結(jié)果可能出現(xiàn)偏差；另外在技術(shù)方面也存在諸多問(wèn)題，最大的制約因素是掃描時(shí)間較長(zhǎng)，為了減少掃描時(shí)間，需要減少b值，低b值下水分主要為高斯分布，但DKI是超高b值下標(biāo)準(zhǔn)DWI序列，在腹部高b值成像要獲得高SNR圖像是比較困難的，由于受到呼吸、腸道蠕動(dòng)等其他運(yùn)動(dòng)偽影及腹部隨b值增加信號(hào)強(qiáng)度衰減快的影響，對(duì)高b值數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步研究，此外，擴(kuò)散方向數(shù)目的確定，不同部位最大b值的選擇、如何提高SNR等方面還需要進(jìn)一步完善。迄今為止，DKI很大程度上仍作為研究工具，但現(xiàn)有的研究證明DKI在腹部的應(yīng)用是可行的，相信隨著MRI技術(shù)的進(jìn)一步成熟與發(fā)展，DKI技術(shù)必將廣泛應(yīng)用于臨床。

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