體素內不相干運動擴散加權成像在評價腹膜后腫瘤中的b值優化方案研究

上海市（復旦大學附屬）公共衛生臨床中心 放射科，上海 200083

引言

彌散加權成像（Diffusion Weighted Imaging，DWI）是一種基于組織內水分子的隨機布朗運動的MR檢查技術，通過表觀彌散系數（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）值可以鑒別腫瘤的良惡性及評估其預后[1]。由于血流灌注的影響，軟組織良性和惡性腫瘤的ADC值存在較大的重疊，導致對良性和惡性腫瘤的鑒別價值有限[2]。體素內不相干運動擴散加權成像（Intra-Voxel Incoherent Motion Diffusion-Weighted Imaging，IVIM-DWI）可以定量區分微循環或血液灌注引起的純擴散系數（True Diffusion Coefficient，D）和偽擴散系數（Pseudo-Diffusion Coefficient，D*），彌補了傳統DWI的不足。IVIM-DWI已廣泛應用于全身多器官及相關疾病的診斷、鑒別診斷、療效監測和預后評估[3-4]。其中擴散敏感梯度因子（b）對彌散運動表現的敏感程度，反應彌散加權的程度，對彌散參數有直接影響。IVIM-DWI通過采集多個b值的DWI圖像，包含足夠數目的低b值（＜200 s/mm2）和高b值（＞200 s/mm2），以雙指數模型擬合得出D、D*和灌注分數（Perfusion Fraction，f），來分別反映組織微觀結構特征和微循環灌注信息[5]。在IVIMDWI掃描中，b值的選擇對相關測量參數的穩定性和可重復性及圖像質量有直接影響[6]。但IVIM-DWI的b值組合尚無統一的標準，數量4～15個不等，相關文獻報道不同的臟器、病種所使用b值組合方案也參差不齊。

腹膜后腫瘤（Retroperitoneal Tumor，RT）是一類發生于腹膜后間隙的腫瘤，臨床病理類型復雜，具有較高的腫瘤異質性，發現時通常瘤體巨大，良性腫瘤以神經源性腫瘤最常見，惡性腫瘤以脂肪肉瘤、平滑肌肉瘤好發，腫瘤內常含有多種成分，如脂肪、黏液、出血、鈣化纖維等[7]。常規DWI序列不能準確反應腫瘤內彌散、灌注情況，而以往研究表明雙指數IVIM-DWI模型選擇多個b值選擇可以提高病灶的檢出及性質診斷，已經用于肝臟、胰腺、乳腺及前列腺疾病的診斷和鑒別診斷，但在RT檢查中b值組合方案選擇常根據文獻或經驗，尚無進一步論證b值組合對測量參數的穩定性、可重復性影響，是否是最優的b值組合[8]，針對上述問題本研究主要探討IVIMDWI技術在評估RT中應用不同b值組合對相關定量參數準確性、可重復性以及圖像質量的影響，旨在探索出合適b值組合既能滿足臨床診斷需求，又能減少采集時間。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

回顧性分析本院2018年7月至2019年5月收治的術前行常規MR和IVIM-DWI掃描并經術后病理證實的53例RT的影像病理資料，男29例，女24例，年齡28～76歲，平均（50.8±6.9）歲，高分化脂肪肉瘤10例，去分化脂肪肉瘤15例，黏液型脂肪肉瘤5例，平滑肌肉瘤6例，纖維肉瘤5例，淋巴瘤3例，轉移瘤5例，血管平滑肌脂肪瘤2例，神經節細胞瘤1例，滑膜肉瘤1例，見表1。

1.2 儀器與參數

53例 RT患 者 均 在 3.0T MR（Ingenia，Philips） 掃描儀完成檢查，使用64通道腹部相控陣線圈，行常規MR和IVIM-DWI序 列 掃 描。IVIM-DWI模 型 參數 ：TR 4043 ms，TE 75 ms， 視 野 400mm×300mm，層厚/層間距5/1 mm，層數24，矩陣132×96，體素3 mm×3 mm×5 mm，激勵次數2次。IVIM-DWI的包含b值數量17個，b值組合數量5～10個，根據每一個亞組定量參數值計算整體參數評估誤差（Global Parameter Evaluation Error，GPER），評估同一患者不同b值組合的掃描誤差，篩選GPER低于重復掃描誤差，且b值數量最少的b值組合，確定最佳組合亞組，然后與不同患者b值組合掃描方案比較，以評估IVIM-DWI相關參數穩定性和可重復性，篩選后選擇5組不同的b值組合：Ⅰ組（0、10、20、50、100、150、200、500、800、1000 s/mm2），掃描時間4 min 42 s；Ⅱ組（0、100、200、300、400、500、600、700、800、900 s/mm2），掃描時間4 min 39 s；Ⅲ組（0、50、100、200、400、600、800、1000、1200、1400 s/mm2），掃描時間4 min 53 s；Ⅳ組（0、50、150、500、1000 s/mm2），掃描時間2 min 14 s；Ⅴ組（0、20、100、200、800 s/mm2），掃描時間2 min 11 s。

表1 53例RT的IVIM-DWI模型掃描方案和腫瘤病理類型

1.3 數據處理與分析

將獲得的IVIM-DWI模型原始數據導入第三方后處理軟件（IMAge/enGINE）生成相關的量化參數圖像[9]。IVIM-DWI模型參數包括 ：f，D*（mm2/s×10-3），D（mm2/s×10-3），ADC（mm2/s×10-3）。在上面的參數圖中，所有感興趣的區域被手動放置在腫瘤部位，同一患者不同組的ROI的大小、層面盡量保持一致，避開明顯囊變、壞死、出血區。邀請兩名經驗豐富的放射科醫師采用隨機雙盲法進行測量參數，每組選取3個ROI計算平均值。另外邀請2位高年資放射診斷醫師對圖像質量進行盲態評價，采用李克特（Likert）5分量表法，具體評分細節如表2所示。

表2 李克特（Likert）5分量表法

1.4 統計學分析

采用SPSS 24.0軟件進行統計學分析。IVIM-DWI定量參數的描述性統計均以均數±標準差（x-±s）表示。采用Shapiro-Wilk檢驗來檢驗數據分布的正態性。IVIM-DWI不同b值組合的相關參數比較采用獨立樣本t檢驗，組間兩兩比較應用LSD-t檢驗。不同組間的圖像質量評價采用Fisher確切概率法。以P＞0.05表示差異無統計學意義。

2 結果

2.1 各組間IVIM-DWI相關參數比較

53例RT各組的IVIM-DWI參數（D值，D*值，f值，ADC值）的均值±標準差顯示在表3及圖1所示。各組間LSD-t檢驗結果顯示：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四組間的平均f值（0.23±0.11，0.21±0.12，0.23±0.11，0.26±0.11）均無明顯統計學意義（P＞0.05）,且均顯著的低于第Ⅴ組的平均f值（0.38±0.15，P＜0.05）；Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ組的平均D值（1.49±0.47、1.41±0.49、1.57±0.43、1.71±0.46 mm2/s×10-3）與ADC值（1.45±0.44、1.36±0.49、1.52±0.44、1.61±0.44 mm2/s×10-3）均無統計學差異（P＞0.05），且均高于第Ⅲ組的平均D值（1.15±0.46，P＜0.05）和ADC值（1.61±0.44，P＜0.05）；而Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三組的平均D*值（39.29±23.86、38.51±24.6、39.01±23.3 mm2/s×10-3）均無明顯統計學差異（P＞0.05），且均顯著地高于第Ⅲ組和Ⅴ組的D*值（22.51±15.7、29.0±22.23，P＜0.05）。綜上所述，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三組間各參數均無統計學差異，具有良好的穩定性和可重復性。

表3 53例 RT各組的 IVIM-DWI參數（±s）

表3 53例 RT各組的 IVIM-DWI參數（±s）

IVIM-DWI定量參數 Ⅰ組 Ⅱ組 Ⅲ組 Ⅳ組 Ⅴ組f 0.23±0.11 D*/(mm2/s×10-3)0.21±0.12 0.23±0.11 0.26±0.11 0.38±0.15 29.0±22.23 D/(mm2/s×10-3)39.29±23.86 38.51±24.6 22.51±15.7 39.0 1±23.3 1.71±0.46 ADC/(mm2/s×10-3)1.49±0.47 1.41±0.49 1.15±0.46 1.57±0.43 1.45±0.44 1.36±0.49 1.14±0.47 1.52±0.44 1.61±0.44

圖1 IVIM-DWI各參數值柱狀圖

2.2 各組間IVIM-DWI圖像質量比較

根據Likert 5分量表法評估IVIM-DWI相關參數圖像質量結果顯示：Ⅰ～Ⅴ組平均得分分別為：4.53、4.39、3.06、4.32和3.92分；其中Ⅰ組的4～5分占85.1%，Ⅱ組的4～5分占80.5%，Ⅲ組的4～5分占43.4%，Ⅳ組的4～5分占79.3%，Ⅴ組的4～5分占74.7%，結果表明第Ⅰ組與Ⅱ組圖像整體及病灶部位信噪比和分辨率明顯優于第Ⅲ組（圖2）；第Ⅰ組與Ⅳ組圖像整體及病灶部位信噪比和分辨率優于第Ⅴ組（圖3）；Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三組的圖像質量無明顯統計學差異（圖4），均可用于臨床診斷。

圖2 IVIM-DWI相關參數偽彩圖

圖3 IVIM-DWI相關參數偽彩圖

圖4 Likert 5分量表法評估5組IVIM-DWI模型圖像質量條形散點圖

3 討論

MRI對軟組織所特有的高對比分辨率，奠定了其在RT影像檢查中不可替代的地位。通過病灶的T1、T2加權成像及脂肪抑制、組織灌注成像、水分子擴散加權成像等各類成像技術相結合，可提供RT的解剖結構、毗鄰關系、浸潤范圍、血管及神經受累情況，以及腫瘤的病理生理特征等多種信息，為腫瘤的定位及定性診斷、個體化治療方案的制定、療效評估、方案調整以及隨訪提供了較為全面可靠的信息。

常規DWI-MRI掃描一般采用兩個b值進行成像，得到的是水分子擴散和微血管灌注的綜合信息，測量所得的ADC值是水分子擴散運動和微循環灌注共同作用的結果。而IVIM-DWI測得的是體素內不相干運動，包含了水分子的真性擴散及微循環灌注形成的假性擴散兩部分內容，彌補了DWI的不足。但IVIM-DWI成像技術需要采用多b值。Le等[10]提出的IVIM模型，通常采用高（>200 s/mm2）、低（≤200 s/mm2）2組b值，使用最小二乘法求得組織灌注信息和擴散運動信息。理論上至少應用4個不同加權的b值（包括b=0），才可獲得D、D*和f參數值，且b值需在0～200 s/mm2之間時，才可通過算法擬合出灌注相關信息。但是隨著b值數目的增加，相應IVIM-DWI掃描時間延長。IVIM計算為公式(1)：

Sb為b值函數。S0為b=0時的值。f為灌注分數，代表感興趣區內局部微循環的所致灌注效應占總體的擴散效應的容積比率。D為真性擴散系數，代表純的水分子擴散運動（緩慢的擴散運動成分）。D*為快速擴散系數，代表體素內微循環的不相干運動（灌注相關的擴散運動或快速的擴散運動成分）。

選用低b值（0～200）時，采集的信號包含了水分子的擴散運動以及局部微循環毛細血管內水分子的灌注效應，且對灌注效應更敏感。而使用高b值（200～1000）時，代表慢速擴散成分起著主要作用，更接近水分子的擴散情況，但高b值存在圖像高噪聲、病灶顯示能力差的缺點。在第Ⅲ組的b值設定中，高b值較多，因此圖像質量評分最差，符合此觀點。

既往研究表明，腹部器官相較于其他器官，如大腦等，具有較高的分流灌注和假性擴散值，而高灌注會使信號急劇下降[8-9]，因此隨著假性擴散的增加，低b值的影響也愈發重要，Cohen等[11]建議在腹部IVIM-DWI掃描時至少包括兩個非常低的b值，本研究Ⅰ組的b值分布符合該建議，因此圖像評分最佳。而Ⅳ組選用的b值數量為5個，可達到鑒別診斷的要求，且掃描時間最短（2 min 14 s），較Ⅰ組的圖像采集時間（4 min 42 s）減少了51%，可大幅提高工作效率，提升患者的檢查舒適度，降低儀器的工作損耗。另外，有學者認為IVIM中的灌注參數可用于替代動態對比增強MRI（DCE-MRI）成像的灌注參數，并且能反映其動態變化，這對于一些由于血管條件不佳或者腎功能不全而無法進行造影劑注射的患者來說，可以有效地提高檢出率[12]，建議可作為RT的常規掃描序列在日常工作中開展。

4 不足與展望

本研究存在一定的局限性，首先，樣本量不大，有待提高樣本量做進一步研究。其次，關于D、D*、f值的穩定性，多位學者的觀點也不盡相同[13-15]，郝鳳等[16]認為，這可能是和b值及ROI的選取有關。我們在測量各參數值時，雖盡量選取結節的實性部分，但仍會有一些未能避開囊性、出血等成分的干擾，給測量結果帶來了一定的誤差。另外，理論上盡管3.0T的核磁共振設備相較于1.5 T具有更高的信噪比，但同時3.0T也具有磁化偽影較大及渦流畸變等缺點[17]，有研究表明在1.5T設備上可獲得更好的DWI圖像[18]。Cui等[19]研究表明肝臟DWI在1.5 T～3.0 T平臺間之間D、ADC值具有良好的重復性，而f、D*值具有變異性，在未來的研究中我們可以繼續探索基于上述b值組合的IVM-DWI在評價RT中是否具有以上特點。