3.0T MR擴散加權成像對肺實性良惡性病變的鑒別診斷效能及b值優(yōu)化探討

李偉棟 李東 劉海東 周榮超 馮長超 馬艷 于鐵鏈

磁共振擴散加權成像（diffusion-weighted imaging,DWI）是目前唯一能夠在體檢測水分子微觀運動的無創(chuàng)性功能成像技術，在頭頸部[1]及腹部[2]顯示出較高的臨床應用價值。近年來隨著磁共振軟硬件設備和成像技術的快速發(fā)展，尤其是3.0T磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）掃描儀的臨床應用，其信噪比（signal-tonoise ratio, SNR）及分辨率提高，且掃描速度加快，為DWI在胸部的應用提供了良好基礎。DWI在肺部病變，特別是肺癌的檢出、診斷、分期和療效評估等方面越來越多地受到關注[3-6]。本研究旨在探討3.0T MR DWI聯(lián)合相控陣線圈和并行采集陣列空間敏感度編碼技術（array spatial sensitivity encoding technique, ASSET）對肺實性良惡性病變的鑒別診斷效能，并優(yōu)化最佳b值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 病例入組標準：①胸部CT檢查發(fā)現(xiàn)肺內(nèi)實性結節(jié)或腫塊，且直徑＞1.5 cm；②患者一般狀況良好，能配合完成檢查；③無MR檢查禁忌癥。全部病例均經(jīng)患者同意，簽署書面知情同意書。2009年6月-2011年5月在天津醫(yī)科大學總醫(yī)院就診且符合上述標準的116例患者，共計120個病灶納入研究，男性69例，女性47例，年齡36歲-85歲，平均（58.3±9.6）歲。病灶最大徑線1.5 cm-12.2 cm，平均（5.5±2.5）cm。

1.2 MR檢查 采用GE HD-X 3.0T超導型MR掃描儀和Torsopa相控陣表面線圈進行橫斷面掃描：①快速弛豫快速自旋回波脈沖序列（fast relaxation fast spin echo, FRFSE）T2加權成像（T2 weighted imaging）（FRFSE T2WI），呼吸觸發(fā)和心電觸發(fā)（R波觸發(fā)），TR/TE（8,000-8,571）ms/（86-96）ms，層厚/間隔4.0 mm/1.0 mm，NEX 2，ETL 20，F(xiàn)OV 42 cm，矩陣256×160；②雙反轉(zhuǎn)快速自旋回波（dual inversion recovery fast spin echo）T1WI，心電觸發(fā)（R波觸發(fā)），TR/TE（1,120-1,760）ms/（4.1-6.2）ms，NEX 0.5，ETL 24，F(xiàn)OV 42 cm，矩陣256×160；③預飽和脂肪抑制FRFSE T2WI；④DWI：先行ASSET校準掃描，然后采用單次激發(fā)自旋回波-回波平面成像序列（spin echo-echo planar imaging, SE-EPI）行DWI掃描，在自由呼吸狀態(tài)下采集圖像，b值分別取0 s/mm2、200 s/mm2、500 s/mm2、800 s/mm2、1,000 s/mm2，同時在X、Y、Z軸3個方向上施加敏感梯度脈沖。

1.3 圖像后處理及數(shù)據(jù)測量 使用AW4.3工作站的Functool 4.5.5軟件包對圖像進行后處理，獲得肺內(nèi)實性病變的DWI圖、表觀擴散系數(shù)（apparent diffusion coefficient, ADC）圖。參考T2WI或脂肪抑制T2WI、T1WI和DWI圖，選擇病灶信號強度最大且最均勻的層面，通過圓形或橢圓形感興趣區(qū)（region of interest, ROI）測量病變區(qū)的DWI信號強度（S病變）和ADC值。所取ROI包括病灶最大徑線的60%以上，并盡可能包括最大信號強度中心區(qū)域，避開病變邊緣和肉眼可辨的壞死區(qū)。同一病例各b值圖像設置同樣的ROI。應用同樣大小ROI測量病灶同層面胸壁肌肉DWI信號強度值（S肌肉）、圖像背景噪聲（背景信號強度的標準差，SD噪聲）。所有ROI測量均進行3次，取平均值作為最終測量值。信噪比和對比噪聲比（contrast-to-noise ratio, CNR）計算公式分別為：SNR=S病變/SD噪聲，CNR=（S病變-S肌肉）/SD噪聲。

1.4 統(tǒng)計分析方法 使用SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件。采用隨機區(qū)組設計方差分析比較不同b值組病灶的SNR、CNR和良、惡性病變ADC值。采用受試者操作特征曲線（receiver operating characteristic curve, ROC）分析不同b值組ADC值對肺良、惡性病變的鑒別診斷效能。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 良惡性病變組情況 112例病例經(jīng)病理（手術、支氣管鏡活檢或穿刺活檢）證實，4例經(jīng)臨床資料證實（均為良性，3例抗炎后消失，1例結核菌素純蛋白衍生物（purified protein derivative, PPD）試驗強陽性并經(jīng)抗結核治療好轉(zhuǎn)）。惡性病變組共96例，100個病灶，其中肺癌93例（鱗癌31例，腺癌31例，細支氣管肺泡癌5例，小細胞癌19例，腺鱗癌2例，肉瘤樣癌1例，肉瘤1例，低分化癌2例，大細胞癌1例），轉(zhuǎn)移瘤4例，7個瘤灶（結腸癌肺轉(zhuǎn)移2例，5個病灶，小腿惡性神經(jīng)鞘膜瘤單發(fā)肺轉(zhuǎn)移1例，肺癌伴同側肺單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤1例，該例也計入上述肺癌病例）；良性病變組共20例，20個病灶，其中化膿性炎性腫塊4例，結核球4例，結節(jié)病4例，錯構瘤2例，硬化性血管瘤2例，機化性肺炎、炎性假瘤、神經(jīng)鞘瘤、神經(jīng)纖維瘤各1例。

圖 1 不同b值組肺內(nèi)病變DWI圖和T2WI脂肪抑制圖。DWI：磁共振擴散加權成像；T2WI：T2加權成像。A-D：b值分別為200 s/mm2、500 s/mm2、800 s/mm2、1,000 s/mm2時病變DWI圖。隨b值升高，病變SNR逐漸降低；E：T2WI脂肪抑制圖，右下葉不規(guī)則腫塊，呈高信號（病理診斷為低分化鱗癌）。Fig 1 DWI of the pulmonary lesion with different b values and T2WI fat-suppression. DWI: diffusion-weighted imaging； T2WI: T2 weighted imaging.A-D: b values were 200 s/mm2 (A), 500 s/mm2 (B), 800 s/mm2 (C), and 1,000 s/mm2 (D) respectively. As b value increased, the SNR of the lesion descended (arrow)； E: T2WI fat-suppression showed an irregular hyperintense mass in the right inferior lobe (poorly differentiated squamous cell carcinoma histologically confirmed ) (arrow).

圖 2 不同b值組肺內(nèi)病變DWI圖和T2WI脂肪抑制圖。A-D：b值分別為200 s/mm2、500 s/mm2、800 s/mm2、1,000 s/mm2時病變DWI圖。隨b值升高，病變SNR逐漸降低；E：T2WI脂肪抑制圖，右下葉胸膜下不規(guī)則腫塊，呈高信號（病理診斷為機化性肺炎）。Fig 2 DWI of the pulmonary lesion with different b values and T2WI fat-suppression. A-D: b values were 200 s/mm2 (A), 500 s/mm2 (B), 800 s/mm2(C), and 1,000 s/mm2 (D) respectively. As b value increased, the SNR of the lesion descended (arrow)； E: T2WI fat-suppression showed an irregular hyperintense mass in the right inferior lobe (organized pneumonia histologically confirmed ) (arrow).

2.2 不同b值組DWI的SNR和CNR比較 不同b值組DWI的SNR和CNR見表1。隨著b值的增加，SNR逐漸下降（圖1，圖2），CNR則呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，b值為500 s/mm2時CNR最大，不同b值組間SNR、CNR差異均有統(tǒng)計學意義（F=54.457, P＜0.001； F=4.922, P=0.002）。兩兩組間比較顯示b值為800 s/mm2與1,000 s/mm2組間SNR無統(tǒng)計學差異，余兩組之間均有統(tǒng)計學差異；b值為200 s/mm2與500 s/mm2、200 s/mm2與800 s/mm2、800 s/mm2與1,000 s/mm2組間CNR無統(tǒng)計學差異，余兩組之間均有統(tǒng)計學差異。

表 1 不同b值組間SNR、CNRTab 1 SNR and CNR with different b values

表 2 不同b值組間良性和惡性病變ADC值（×10-3 mm2/s）Tab 2 ADC with different b values of benign lesions and malignant tumors (×10-3 mm2/s)

2.3 不同b值組病變ADC值比較 不同b值組良惡性病變ADC值比較見表2。良性和惡性組ADC值均隨b值增加逐漸變小，且差異均有統(tǒng)計學意義（F=9.389, P＜0.001；F=44.384, P＜0.001）。兩兩組間比較分別顯示良性和惡性組b值為500 s/mm2與800 s/mm2、800 s/mm2與1,000 s/mm2間ADC均無統(tǒng)計學差異，余兩組之間均有統(tǒng)計學差異。

經(jīng)ROC分析，4個不同b值組的ROC曲線下面積（area under curve, AUC）分別為0.831、0.876、0.813、0.785，均有診斷意義，AUC＞0.5可作為良惡性病變鑒別診斷的有效指標，且b=500 s/mm2時獲得的ADC值的診斷效能最大（圖3），此時ADC值鑒別良惡性病變的最佳閾值為1.473×10-3mm2/s，其敏感度和特異度分別為80%和84%。

3 討論

近年來，3.0T MR掃描儀的應用，為臨床和科研提供了更高的平臺，其優(yōu)點是：SNR和分辨率高、圖像清晰、且掃描速度更快，能夠應用特殊設計的成像技術完成復雜的檢查[7,8]。ASSET是一種并行采集技術，利用較高的局部梯度磁場，并通過增加K空間采樣位置的距離來減少K空間的采樣密度，從而減少采集時間，且在小視野內(nèi)通過專門重建算法，保證空間分辨力不變。ASSET技術用于EPI序列時，可縮短EPI回波鏈長度，減小磁場非均勻性所致的橫向弛豫和質(zhì)子失相位的影響，能夠在一定程度上提高圖像的SNR，減少磁敏感性偽影和圖像變形，改善圖像質(zhì)量[9]。3.0T的超高場強和并行采集技術能夠明顯縮短掃描時間，減少器官和組織運動所致的偽影，易被受檢者接受并取得其合作，適合胸部DWI檢查。本研究在上述技術的基礎上采用呼吸門控技術，患者在自由均勻呼吸下即可完成掃描，避免了由于屏氣不良造成的偽影。

圖 3 不同b值組表觀擴散系數(shù)值的受試者操作特征曲線分析Fig 3 Receiver operating characteristic curve (ROC) curves of apparent diffusion coefficient (ADC) value with different b values for differential diagnosis of pulmonary lesions

b值即擴散敏感因子，是在DWI檢查中可由操作者選擇的一個掃描參數(shù)。目前，由于MR掃描儀場強、成像序列和參數(shù)不同，胸部DWI檢查尚無最佳b值可參考。b值選擇應滿足以下3點[2]：①能夠清晰顯示和分辨被檢組織；②能夠有效抑制T2透射效應（T2 shine-through effect）對DWI的影響；③應用盡可能高的b值以使被檢組織的ADC值更接近組織真實擴散值。b值越小，DWI圖像的SNR和CNR越高，但T2透射效應、灌注、宏觀運動等因素對ADC值影響越大；反之，b值越大，ADC值越接近組織的真實彌散值，但磁敏感偽影、圖像幾何變形等將明顯降低圖像SNR和CNR[10]。因此，b值的選擇需要權衡ADC值及圖像SNR和CNR兩方面的得失。本研究發(fā)現(xiàn)，在所應用的3.0T設備和參數(shù)條件下，隨b值增大，SNR逐漸下降，圖像質(zhì)量越差，四組b值中，CNR在b=500 s/mm2時最佳。先前的胸部DWI研究多在1.5T MR掃描儀上進行[3-5,11-13]，推薦應用b值較高（b=500 s/mm2-1,000 s/mm2）。本研究應用3.0T MR掃描儀所得的b值亦在此范圍內(nèi)，但處于低限，這可能與設備場強和主磁場均勻性差異有關。本研究結果表明應用3.0T設備，當b=500 s/mm2時可獲得較佳的圖像SNR和CNR，且能較準確反映組織擴散的真實性。

本研究還發(fā)現(xiàn)b=500 s/mm2時，AUC最大，獲得的ADC值的診斷效能最大，以1.473×10-3mm2/s作為診斷肺良惡性病變的界值，其敏感度和特異度分別為80%和84%，較其它三組b值時均高。應用DWI ADC值鑒別肺良惡性病變一直被很多學者所關注，但目前尚無良惡性病變的ADC值閾值標準。本研究結果與劉等[12]和Matoba等[13]應用1.5T MR掃描儀的DWI研究結果相近，他們的結果亦表明b=500 s/mm2時的ADC值診斷效能最大。隨著3.0T及以上超高場強設備軟、硬件技術的進步，胸部DWI中b值的最佳取值范圍和鑒別良惡性病變的ADC值閾值標準，均還需進一步研究證實。

總之，在3.0T MR掃描儀上，采用相控陣線圈和ASSET技術DWI檢查對肺內(nèi)實性良惡性病變的鑒別診斷能夠提供有價值的信息，DWI有望成為肺內(nèi)實性良惡性病變的輔助診斷方法；兼顧圖像質(zhì)量和組織擴散特性的準確程度兩個方面，當b=500 s/mm2時獲得的ADC值診斷效能較高，可作為3.0T MR DWI鑒別肺部良惡性病變的選用b值。