周立綏 杜 勇 楊漢峰

體素內(nèi)相位不相干運(yùn)動成像原理及其在腹部的研究進(jìn)展

周立綏 杜 勇 楊漢峰

擴(kuò)散加權(quán)成像；磁共振成像，彌散；擴(kuò)散系數(shù)；假擴(kuò)散系數(shù)；灌注分?jǐn)?shù)；綜述

擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）屬于功能MRI，主要研究人體內(nèi)水分子的運(yùn)動。DWI在20世紀(jì)90年代進(jìn)入臨床，最早應(yīng)用于急性腦梗死的研究，其臨床價(jià)值迅速得到廣泛認(rèn)可。由于運(yùn)動偽影及磁敏感偽影等的影響，DWI研究在腹部的開展相對晚于中樞神經(jīng)系統(tǒng)。隨著MRI梯度性能的提高及并行采集技術(shù)的成熟，目前臨床使用的掃描儀在各部位已能得到高質(zhì)量、有助于診斷的圖像。對于腹部DWI而言，量化DWI參數(shù)表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）對于良、惡性病變的鑒別診斷及療效評估均有一定的輔助意義。

隨著對DWI研究的不斷深入認(rèn)識，研究者發(fā)現(xiàn)測量得到的ADC值不僅反映擴(kuò)散運(yùn)動，而毛細(xì)血管微循環(huán)的灌注也對ADC值有一定的影響。Le Bihan等[1]最早提出了體素內(nèi)相位不相干運(yùn)動（intravoxel incoherent motion，IVIM）的概念，指出組織中水分子的運(yùn)動不僅是純水分子的擴(kuò)散，同時(shí)還包括毛細(xì)血管灌注。對于單個(gè)體素而言，血流灌注會引起其內(nèi)質(zhì)子群的相位不相干，即失相位，導(dǎo)致測得的ADC值偏高，而IVIM成像將同時(shí)考慮兩種運(yùn)動成分，能更準(zhǔn)確地描述體素內(nèi)的運(yùn)動。本文擬介紹IVIM的基本原理，并綜述其在腹部的應(yīng)用進(jìn)展。

1 IVIM成像的理論基礎(chǔ)

DWI最常用的脈沖序列自旋回波平面回波成像（spin echo-echo planar imaging，SE-EPI），即在SE序列180°射頻脈沖的前后施加2個(gè)方向相同、強(qiáng)度相等的擴(kuò)散敏感梯度場。理想情況下擴(kuò)散的量化基于單指數(shù)模型，即Sb/S0=exp(－b ×ADC)，其中b為衡量擴(kuò)散敏感梯度的參數(shù)，Sb和S0分別為施加擴(kuò)散梯度及不施加梯度同一體素相應(yīng)的信號強(qiáng)度大小；而在IVIM的經(jīng)典理論中，組織信號強(qiáng)度的改變則基于雙指數(shù)模型，即Sb/S0=fexp(—bD*)+(1—f)exp(—bD)，其中D值為擴(kuò)散系數(shù)，代表純的水分子擴(kuò)散運(yùn)動，又稱為緩慢的擴(kuò)散運(yùn)動成分，單位為mm2/s；D*值為假擴(kuò)散系數(shù)，代表體素內(nèi)血流灌注導(dǎo)致的相位不相干運(yùn)動，即灌注相關(guān)的擴(kuò)散運(yùn)動，或稱為快速的擴(kuò)散運(yùn)動成分，單位為mm2/s；f值為灌注分?jǐn)?shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過使用多個(gè)b值擬合計(jì)算，即可以得到D值、D*值及f值。

2 IVIM模型的驗(yàn)證

IVIM理論提出后，很多學(xué)者通過不同方法對其可靠性進(jìn)行了檢驗(yàn)。Le Bihan等[2]構(gòu)建反映擴(kuò)散及灌注的水模，在減少了水流量后，測到的水模內(nèi)ADC值相應(yīng)地減低，結(jié)果表明擴(kuò)散的量化對流動效應(yīng)敏感。Sun等[3]構(gòu)建了大鼠橫紋肌肉瘤模型，對比了動物處死前和處死后ADC值的變化，結(jié)果表明，無論是正常肝臟還是腫瘤實(shí)體組織，在處死前及處死后低b值的ADC值均明顯減低，而腫瘤壞死組織的ADC值無明顯變化，表明在低b值時(shí)灌注因素對ADC值有一定的影響。Federau等[4]通過給受試者吸入不同濃度的CO2以改變大腦血流灌注，以測定其D值、D*值及f值的變化，結(jié)果表明，當(dāng)吸入的CO2濃度越高時(shí)，D*值及f值均會明顯升高；而當(dāng)吸入的O2濃度越高時(shí)，D*值及f值則下降，而無論吸入CO2還是O2，D值均保持不變。Lemke等[5]的研究中設(shè)計(jì)了抑血的脈沖序列，對比胰腺在正常血供時(shí)及血供抑制后相應(yīng)參數(shù)的改變，結(jié)果f值明顯下降，而D值并無明顯改變，信號強(qiáng)度隨b值的改變從雙指數(shù)模型轉(zhuǎn)變?yōu)閱沃笖?shù)模型。以上研究均證實(shí)了IVIM的雙室模型理論的合理性。

3 IVIM成像在腹部病變的研究

3.1 肝臟 肝臟病變是體部IVIM研究中最為活躍的領(lǐng)域[6-13]。Joo等[7]對比了非酒精性脂肪肝（nonalcohlic fatty liver disease，NAFID）、非酒精性脂肪性肝炎（nonalcohlic steatohepatitis，NASH）及正常肝臟的擴(kuò)散及灌注分?jǐn)?shù)，結(jié)果表明NAFID的f值較正常肝臟明顯減低，而且隨著病情的進(jìn)展越來越低，而其他IVIM參數(shù)與病情并無明顯相關(guān)。作者認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)有助于鑒別早期NASH及單純性脂肪肝。Luciani等[9]對比了正常肝臟及肝硬化患者的IVIM參數(shù)，結(jié)果顯示無論是正常肝臟還是硬化肝臟，其ADC值均大于D值。硬化肝臟的ADC值低于正常肝臟，其中D*值明顯減低（正常肝臟79.1±18.1，硬化肝臟59.4±20.0，P＜0.01），推測可能原因?yàn)楦闻K纖維化及硬化會導(dǎo)致門靜脈高壓，因而門靜脈的灌注明顯下降，而動脈灌注的增加并不能完全補(bǔ)償靜脈灌注的減少。而對于D值的改變，一般認(rèn)為在肝臟纖維化過程中結(jié)締組織會大量增生，從而影響水分子的擴(kuò)散過程，D值會相應(yīng)地下降，而Luciani等[9]的研究中正常肝臟及硬化肝臟之間并無明顯差異，這一結(jié)果與既往的理論存在差異。Chow等[10]制作的小鼠肝硬化模型及Patel等[11]的病例回顧研究顯示，肝纖維化或肝硬化的D值、D*值及ADC值均明顯下降。因而對于肝硬化的IVIM研究結(jié)果尚存在爭議。對于肝臟內(nèi)局灶性占位性病變，Yoon等[12]對比了169個(gè)良惡性病灶的D值、D*值及ADC值，發(fā)現(xiàn)惡性病灶的D值及ADC值較良性病灶均明顯減低，而通過ROC曲線分析后得出D值鑒別診斷的可信度（0.971）高于ADC值（0.933）。血供豐富的占位性病變的D值及f值均明顯高于低血供的病變。以上研究均表明IVIM能更精細(xì)地描述擴(kuò)散過程，而其獲得的相關(guān)參數(shù)對于病變的檢出及鑒別均優(yōu)于傳統(tǒng)模型的ADC值。

3.2 胰腺 Kang等[14]將IVIM模型用于研究胰腺占位性病變，結(jié)果表明，對于胰腺腺癌及神經(jīng)內(nèi)分泌癌的鑒別診斷，D*值及f值比ADC值及D值更有價(jià)值，推測其原因在于胰腺癌屬于乏血供腫瘤，而神經(jīng)內(nèi)分泌癌的血供比較豐富，因而兩者在反映灌注的D*值及f值上有明顯差異。對于良、惡性胰腺導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀瘤，Kang等[14]發(fā)現(xiàn)惡性病變的D*值及f值明顯升高，而ADC值及D值均明顯減低，ROC曲線分析后得出f值對于病變良惡性的鑒別診斷最有價(jià)值。對于慢性胰腺炎及胰腺癌的鑒別診斷，Klauss等[15]發(fā)現(xiàn)，b值為50～300 mm2/s時(shí)，兩者的ADC值有明顯差異，而D值并無明顯不同，推測兩者ADC值不同主要由于灌注的差異，而f值可以作為鑒別腫塊型胰腺炎及胰腺癌的最佳參量，這對于無法進(jìn)行對比劑增強(qiáng)來鑒別的患者尤為重要。

3.3 腎臟 Chandarana等[16]對比應(yīng)用雙指數(shù)及單指數(shù)模型研究腎臟病變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于強(qiáng)化和非強(qiáng)化病灶的鑒別診斷，雙指數(shù)模型擬合的準(zhǔn)確性更高；此外，f值與病灶的強(qiáng)化有很好的相關(guān)性，因而可以在不注射對比劑的情況下評價(jià)血供。Chandarana等[17]進(jìn)一步對不同亞型的腎癌進(jìn)行了IVIM成像研究，在腎癌的各種類型中，腎透明細(xì)胞癌（clear cell renal carcinoma，ccRCC）與腎嫌色細(xì)胞癌（chromophobe renal carcinoma，chRCC）、腎乳頭狀癌（papillary renal carcinoma，pRCC）及囊性腎癌（cystic renal carcinoma，cyRCC）相比，惡性程度高且預(yù)后不佳，準(zhǔn)確的分型對臨床選擇治療方式有一定的幫助。該研究分析發(fā)現(xiàn)，ccRCC和chRCC的f值大于0.16，而pRCC及cyRCC的f值則小于0.16，進(jìn)一步分析得出ccRCC和cyRCC的D值大于1.5，而chRCC和pRCC的D值則小于1.5。作者認(rèn)為聯(lián)合f值及D值有助于鑒別不同亞型的腎癌，而單一ADC值則不能做出鑒別診斷。賈慧茹等[18]構(gòu)建了大鼠單側(cè)輸尿管梗阻動物模型，并進(jìn)行了IVIM成像研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)f值能反映尿路梗阻早期微灌注的變化，而與ADC值相比，D值評價(jià)腎髓質(zhì)的擴(kuò)散改變更為敏感，因而認(rèn)為雙指數(shù)模型較單指數(shù)模型能更好地評估梗阻性腎病腎實(shí)質(zhì)的擴(kuò)散改變，可以用于評估尿路梗阻引起的早期腎臟變化。

4 IVIM成像優(yōu)勢及研究進(jìn)展

傳統(tǒng)DWI得到的ADC值在病變檢出及良、惡性病變鑒別等方面的價(jià)值已得到廣泛認(rèn)可，但仍然存在一定的局限性。由于正常與病變組織、良惡性病變的ADC值有很大的重疊，故ADC值往往并不能對病變進(jìn)行精確定性。而在IVIM模型中，一般可以得到D值、D*值及f值這3個(gè)參數(shù)，上述文獻(xiàn)均說明聯(lián)合多個(gè)參數(shù)進(jìn)行鑒別診斷，其診斷特異度和靈敏度均明顯高于單一ADC值。IVIM理論提出已有數(shù)年，但由于軟硬件條件的限制，使臨床一直無法得到研究水平的數(shù)據(jù)。近年MRI技術(shù)不斷飛躍，對于擴(kuò)散研究所要求的硬件參數(shù)如梯度場強(qiáng)及切換率大幅提升，如在川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院使用的GE Discovery MR750 3.0T平臺上，梯度場強(qiáng)和切換率分別達(dá)到50 mT/m及200 T/ms，使用b值數(shù)量及大小的設(shè)置更為靈活，以往限制因素不再是阻礙IVIM研究的開展，因而IVIM成像研究近年得到廣泛關(guān)注，除腹部外，這一理論也應(yīng)用于腦[19]、頸部[20]、乳腺[21-23]、盆腔[24-28]等部位。

然而，目前IVIM研究尚處于起步階段，其中原因之一是b值的選擇及其分布，目前并無完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各研究結(jié)果存在差異。Lemke等[29]根據(jù)不同臟器的灌注特點(diǎn)，提出了腦、肝、腎等部位的b值大小及分布的優(yōu)化選擇方案，對后續(xù)研究有很大的指導(dǎo)意義。此外，由于模型的多樣性，IVIM經(jīng)典理論采用雙指數(shù)模型，但在某些病變的研究中發(fā)現(xiàn)雙指數(shù)模型并不能完全解釋所有現(xiàn)象。因而學(xué)者們提出了使用更多的指數(shù)模型，如肝臟三指數(shù)模型等[30]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，體素內(nèi)質(zhì)子運(yùn)動形式的個(gè)數(shù)很難用確定的數(shù)字衡量，因而有學(xué)者提出了反映組織復(fù)雜程度的拉伸指數(shù)模型[31-32]。總之，目前尚無一個(gè)完美的模型來描述所有的擴(kuò)散形式，但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為最理想、最易解釋的還是雙指數(shù)模型。

綜上所述，相對于常規(guī)DWI，IVIM能更準(zhǔn)確地描述體素內(nèi)質(zhì)子的運(yùn)動，而且得到更多的變量，很多研究已經(jīng)證實(shí)其在良、惡性腫瘤的鑒別診斷、療效評價(jià)等方面比ADC有更準(zhǔn)確的臨床價(jià)值，相信隨著研究的深入及序列設(shè)置的規(guī)范化，IVIM能帶給臨床更大的幫助。

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R445.2

10.3969/j.issn.1005-5185.2015.05.017

2014-10-22

2015-03-09

（本文編輯 張春輝）

川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院放射科 四川南充 637000

杜 勇 E-mail: yongdu2005@163.com