喬玉杰，張鳳翔

（1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古鄂爾多斯市中心醫(yī)院影像科，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)MRI在肺部占位性病變中的應(yīng)用研究進(jìn)展

喬玉杰1，張鳳翔2

（1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古鄂爾多斯市中心醫(yī)院影像科，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

肺部占位性病變發(fā)病率很高，尤其是肺癌，發(fā)病率和死亡率均居腫瘤第1位。體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)MRI對(duì)肺部占位性病變的定性診斷及臨床治療均具一定指導(dǎo)意義。本文就體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)MRI對(duì)肺部占位性病變的診斷、鑒別診斷、化療早期療效預(yù)測(cè)及評(píng)估等方面進(jìn)行綜述。

體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)磁共振成像；彌散加權(quán)成像；肺癌

肺部占位性病變是臨床常見(jiàn)病，CT是目前臨床檢出和診斷肺部占位性病變的最主要手段。傳統(tǒng)多以病變的形態(tài)學(xué)特征改變?yōu)橹饕跋駥W(xué)診斷依據(jù)，但存在“同病異影”或“異病同影”現(xiàn)象，給定性診斷帶來(lái)困難。隨著MRI硬件技術(shù)和成像技術(shù)的不斷發(fā)展，功能MRI在疾病診斷與研究中有了革命性的進(jìn)展。體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)磁共振成像（introvoxel inco-herent motion MR imaging，IVIM-MRI）是用于描述體素的微觀運(yùn)動(dòng)的成像方法。IVIM-MRI提出DWI中同時(shí)測(cè)量組織內(nèi)水分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和毛細(xì)血管網(wǎng)中血液流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，從理論上提供了更精準(zhǔn)的方法分別評(píng)價(jià)組織的擴(kuò)散系數(shù)及組織微循環(huán)灌注，為肺部占位性病變的定性診斷提供了新的理論依據(jù)。本文擬介紹IVIM的基本原理，并綜述其在肺部占位性病變中的應(yīng)用進(jìn)展。

1IVIM-MRI成像原理

1986年Le Bihan等［1］提出IVIM-MRI理論，指出組織中水分子的運(yùn)動(dòng)不僅是純水分子的擴(kuò)散，同時(shí)還包括毛細(xì)血管灌注。就體素水平而言，由于毛細(xì)血管網(wǎng)的偽隨機(jī)性器官分布，毛細(xì)血管內(nèi)水分子隨血流運(yùn)動(dòng)可看作無(wú)序的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，即“假性擴(kuò)散”，其與毛細(xì)血管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及血流速度相關(guān)。當(dāng)施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)時(shí)，血流灌注也可引起相位分散而導(dǎo)致信號(hào)衰減。因此，DWI信號(hào)包含了水分子擴(kuò)散和微循環(huán)灌注兩部分，只有當(dāng)水分子擴(kuò)散為體素內(nèi)唯一運(yùn)動(dòng)形式時(shí)，所測(cè)得的ADC值才等于真實(shí)擴(kuò)散系數(shù)［1-2］。

IVIM成像可用于分別量化其中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)成分和血流灌注成分［2］，其信號(hào)強(qiáng)度衰減符合以下方程

b=γ2G2δ2（Δ-δ/3）。其中γ為旋磁比；G為梯度場(chǎng)強(qiáng)度；δ為梯度場(chǎng)持續(xù)時(shí)間；Δ為2個(gè)梯度場(chǎng)的間隔時(shí)間；Sb為相應(yīng)b值（b≠0）的DWI信號(hào)強(qiáng)度；S0為b=0 s/mm2時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度；f為灌注分?jǐn)?shù)，表示體素內(nèi)微循環(huán)灌注相關(guān)擴(kuò)散在DWI信號(hào)衰減中所占的比例，與毛細(xì)血管血容量相關(guān)；D*為假擴(kuò)散系數(shù)，代表體素內(nèi)微循環(huán)灌注相關(guān)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，又稱(chēng)灌注相關(guān)擴(kuò)散或快速的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)成分，單位為mm2/s；D為純擴(kuò)散系數(shù)，代表體素內(nèi)單純的水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)或慢速的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)成分，單位為mm2/s。

微循環(huán)對(duì)DWI信號(hào)衰減的影響取決于b值大小。b值越小，微循環(huán)灌注的比重越大，解剖結(jié)構(gòu)顯示越清楚；相反，b值越大，越能反映水分子擴(kuò)散，但解剖結(jié)構(gòu)顯示越模糊［3］。此時(shí)，公式（1）可簡(jiǎn)化為：Sb/S0=（1-f）exp（-bD），通過(guò)較大范圍的多個(gè)b值DWI成像，并對(duì)不同b值及相應(yīng)DWI數(shù)據(jù)進(jìn)行雙指數(shù)擬合，便可分離單純水分子擴(kuò)散和微循環(huán)灌注效應(yīng)［4］，并得到3個(gè)參數(shù)D*、D和f值。

2 IVIM-MRI掃描技術(shù)研究進(jìn)展

隨著MRI平面回波序列的使用，其使得人體器官的DWI發(fā)展為快速成像成為可能。但呼吸偽影、心臟運(yùn)動(dòng)偽影等一系列降低成像質(zhì)量的相關(guān)因素卻限制了DWI在肺部相關(guān)疾病中的應(yīng)用。因此，為得到更好的圖像質(zhì)量、更快的掃描速度及更精確的數(shù)據(jù)，呼吸方式的選擇、采用合適的掃描序列等技術(shù)問(wèn)題同樣重要。通常認(rèn)為，屏氣掃描可減少呼吸偽影，但延長(zhǎng)采集時(shí)間，圖像的SNR及空間分辨力均會(huì)隨之下降。Liu等［5］研究認(rèn)為，在高b值下單次激勵(lì)平面回波成像序列與自由呼吸相結(jié)合，可提高DWI的圖像質(zhì)量。與屏氣掃描相比，采用自由呼吸掃描可使層厚更薄、掃描范圍更大、噪聲比更高［6］。此外，劉海東等［7］研究認(rèn)為，在1.5 T MRI設(shè)備上使用相控陣線圈和AEEST技術(shù)對(duì)肺惡性腫瘤和良性實(shí)性病變行DWI檢查切實(shí)可行；在自由呼吸狀態(tài)下采用b值為500 s/mm2、NEX為4時(shí)能夠獲得滿意的胸部DWI圖像。還有學(xué)者［8］認(rèn)為，采用3.0 T高場(chǎng)MRI設(shè)備，同時(shí)應(yīng)用并行采集成像技術(shù)，可減少編碼相位的步驟和填充K空間的時(shí)間，從而抑制磁敏感偽影和化學(xué)位移偽影。

3 IVIM-MRI在肺部病變中的臨床應(yīng)用

3.1 IVIM-MRI各參數(shù)對(duì)肺部良惡性病變的鑒別診斷 傳統(tǒng)DWI很早就已用于鑒別肺部良惡性病變的研究中；Liu等［5］通過(guò)分析良惡性病變?cè)贒WI上的信號(hào)強(qiáng)度特征、良惡性病變ADC值的比較認(rèn)為，定量分析的ADC值對(duì)鑒別肺部良惡性病變有重要意義，并通過(guò)ROC曲線的分析，得出鑒別兩者的最佳閾值約為1.400×10-3mm2/s。但Gumustas等［9］認(rèn)為，肺部良惡性病變ADC值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這可能與b值的設(shè)定、場(chǎng)強(qiáng)的大小及數(shù)據(jù)后處理方式不一致有關(guān)。但這些研究所測(cè)得的ADC值，包含了擴(kuò)散及微灌注2種成分，由于IVIM-MRI可分離組織的純擴(kuò)散效應(yīng)和微灌注效應(yīng)，所以有不少學(xué)者利用IVIM模型研究。王曉華等［10］利用IVIM技術(shù)，通過(guò)分析利用IVIM模型評(píng)估組織中D值、D*值和f值，采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)比較惡性組與良性組相關(guān)參數(shù)值的差異及ROC曲線評(píng)價(jià)各參數(shù)的診斷效能，最終得出2組間D*和f值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而肺惡性組D值明顯低于良性組（P=0.001），且D值的ROC曲線下面積最大（AUC=0.839），即IVIM參數(shù)中D值對(duì)于鑒別肺腫塊的良惡性有顯著意義，且診斷效能較好。Yuan等［11］的研究也顯示，鱗癌和腺癌的ADC值、D值均明顯低于良性組（P<0.05），D*值、f值與良性組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。分析原因，可能與灌注參數(shù)與腫瘤的微血管密度（MVD）有關(guān)，MVD增多導(dǎo)致血流量增加，故肺惡性病變D*值較高。由于血管生成增加不僅發(fā)生在惡性腫瘤中，也可發(fā)生于良性腫瘤中，因此良惡性病變的MVD有重疊［12］，所以D*值對(duì)良惡性病變的鑒別診斷意義不大。另一個(gè)原因是，D*值及f值是在低b值（<200 s/mm2）、標(biāo)準(zhǔn)偏差較大的情況下擬合得到。Koh等［13］也認(rèn)為ADC值在高b值（>200 s/mm2）、標(biāo)準(zhǔn)偏差較小的情況下擬合得到，其穩(wěn)定性高于在低b值、標(biāo)準(zhǔn)偏差較大的情況下擬合得到參數(shù)。另有學(xué)者［14］研究發(fā)現(xiàn)，周?chē)头伟〥值、D*值與感染性肉芽腫差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但f值的ROC的AUC最大，在周?chē)头伟┘案腥拘匀庋磕[的鑒別診斷方面具有一定價(jià)值。理論上D*值及f值均與微循環(huán)灌注密切相關(guān)，而研究結(jié)果的不同，可能與病變的血供是否豐富有關(guān)。

3.2 IVIM-MRI對(duì)不同病理類(lèi)型肺癌的鑒別診斷

3.2.1 腺癌與鱗癌 從理論上來(lái)講，腺癌和鱗癌的ADC值應(yīng)有區(qū)分：一方面，腺癌尤其是高分化腺癌，組織學(xué)上特征性表現(xiàn)為腫瘤細(xì)胞沿肺泡壁生長(zhǎng)替代柱狀上皮細(xì)胞，而鱗癌則為團(tuán)塊狀生長(zhǎng)方式，表現(xiàn)為腫瘤細(xì)胞壓縮式增殖和非替代性侵犯［15］，兩者生長(zhǎng)方式的差異決定了鱗癌的腫瘤細(xì)胞密度高于腺癌，而細(xì)胞密度越高，細(xì)胞內(nèi)外水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越受限制，ADC值越低。另一方面，腺癌組織的腺腔及細(xì)胞的胞漿內(nèi)含有黏液成分，其中含有較多自由水，使其ADC值升高。因此，腺癌的平均ADC值多高于鱗癌。陳利華等［3］的研究結(jié)果顯示，腺癌、鱗癌的ADC值分別為（1.10±0.14）×10-3mm2/s、（0.89±0.09）×10-3mm2/s，兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。而有學(xué)者［16］認(rèn)為，ADC值對(duì)于鑒別肺部腺癌、鱗癌及大細(xì)胞癌無(wú)意義。Yuan等［11］通過(guò)IVIM成像方法得到的數(shù)據(jù)分析也顯示，不僅ADC值對(duì)腺癌及鱗癌的鑒別差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，D值對(duì)兩者的鑒別差異亦無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其原因可能是，管狀流和腺體的分泌有助于信號(hào)的衰減，從而導(dǎo)致信號(hào)采集的誤差，另一方面，可能與ROI中血管的異質(zhì)性分布有關(guān)，所以在評(píng)估腫瘤的異質(zhì)性時(shí)，基于直方圖的整個(gè)體積分析更有助于區(qū)分腫瘤的侵襲性及腫瘤類(lèi)型的鑒別。另Shen等［16］認(rèn)為，雖然細(xì)胞的密集性可影響病灶的ADC值，但這一生物學(xué)參數(shù)并不能決定腫瘤的組織學(xué)類(lèi)型，而且，腫瘤的組織學(xué)分型大多通過(guò)腫瘤細(xì)胞的角化程度、細(xì)胞異型性等劃分，僅靠細(xì)胞密度并不能準(zhǔn)確區(qū)分腫瘤亞型。

3.2.2 小細(xì)胞肺癌（SCLC）與非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）Shen等［16］共收集了202例SCLC及736例NSCLC，通過(guò)Meta分析，SCLC的ADC值95%CI為（1.21～1.29）×10-3mm2/s，NSCLC的ADC值95%CI為（1.33～1.37）×10-3mm2/s，兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；Liu等［5］研究發(fā)現(xiàn)，SCLC的ADC值較NSCLC的ADC明顯減低，前者為（1.064±0.196）×10-3mm2/s，后者為（1.321±0.335）×10-3mm2/s，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.007）。理論上講，與NSCLC相比，SCLC的細(xì)胞大且密集，胞核大且胞漿少，這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)均決定SCLC中水的擴(kuò)散受限更明顯［17］，這也解釋了SCLC的ADC值較低的原因。但這些僅是傳統(tǒng)DWI的研究，關(guān)于IVIM成像的各參數(shù)對(duì)SCLC與NSCLC的鑒別診斷是否有幫助還需進(jìn)一步研究探討。

3.3 肺癌與繼發(fā)阻塞性肺實(shí)變的鑒別診斷 中央型肺癌常伴阻塞性肺炎，后者導(dǎo)致肺容積的減少，最終出現(xiàn)阻塞性肺實(shí)變［18］。腫瘤與肺實(shí)變區(qū)域在胸片上及CT掃描中均表現(xiàn)為片狀實(shí)性陰影，難以區(qū)分。但是準(zhǔn)確地確定腫瘤范圍對(duì)肺癌的臨床分期及治療方法的選擇都很重要，所以利用IVIM成像鑒別兩者，對(duì)臨床的診斷及治療會(huì)有很大幫助。Wang等［19］研究發(fā)現(xiàn)，肺癌的ADC、D及f值較繼發(fā)阻塞性肺實(shí)變均較低（P=0.000）；肺癌的D*值較繼發(fā)阻塞性肺實(shí)變差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.335）。此外，ROC曲線顯示ADC優(yōu)于其他灌注及擴(kuò)散參數(shù)，其最佳截?cái)嘀禐?.409×10-3mm2/s（AUC=0.95）。由此看來(lái)，IVIM-DWI在鑒別肺癌與阻塞性肺實(shí)變中具有潛在價(jià)值，ADC、D及f值是可靠的獨(dú)立區(qū)分標(biāo)志物，但D*值變異較大且診斷準(zhǔn)確性較低。傳統(tǒng)的DWI-MRI對(duì)肺癌及阻塞性肺實(shí)變的鑒別也有很大幫助，楊蕊夢(mèng)等［20］研究發(fā)現(xiàn)，瘤體的平均ADC值顯著低于其繼發(fā)阻塞性肺實(shí)變的平均ADC值［（1.83±0.58）mm2/s vs.（2.90±0.26）mm2/s］（P<0.0001）；在DWI信號(hào)強(qiáng)度方面，瘤體均表現(xiàn)為明亮高信號(hào)，肺實(shí)變區(qū)域表現(xiàn)為等或稍低信號(hào)。Baysal等［21］的研究中，瘤體的平均ADC值為（1.83±0.75）×10-3mm2/s，低于阻塞性肺實(shí)變區(qū)域的平均ADC值（2.50±0.76）×10-3mm2/s（P=0.003）。原因可能是腫瘤內(nèi)部細(xì)胞比較密集，細(xì)胞間隙小，水分?jǐn)U散受限；而阻塞性肺實(shí)變雖灌注較高，但是炎性改變所致，細(xì)胞密集程度不如癌組織密集，因此水分?jǐn)U散受限沒(méi)有癌組織明顯。

3.4 肺部病灶化療早期療效的預(yù)測(cè)及評(píng)估 以往研究［22］顯示，灌注可作為許多生理和病理過(guò)程的一個(gè)重要標(biāo)志，所以當(dāng)高灌注的惡性腫瘤經(jīng)過(guò)化療后，供血血管若減少，灌注程度減低，在一定程度上說(shuō)明治療有效，反之，無(wú)效。理論上講，IVIM可將細(xì)胞的灌注和擴(kuò)散分開(kāi)，從而反映化療療效的好壞。近年來(lái)有不少學(xué)者逐漸證實(shí)了這一點(diǎn)，Yan等［23］研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)嚴(yán)密的評(píng)估及化療后，臨床效果較差組的f值（12.6±4.4）低于臨床效果較好組的f值（30.2±8.6）（P<0.001），與Joo等［24］的結(jié)果一致。結(jié)合文獻(xiàn)，筆者認(rèn)為原因主要是腫瘤組織內(nèi)有許多新生血管，高灌注是必然的，而化療可誘導(dǎo)組織的纖維化［25-26］。纖維的供血與惡性腫瘤細(xì)胞相比，供血是較低的，因此化療后，腫瘤整體的供血降低，f值相應(yīng)降低。但Yan等［23］的研究結(jié)果還顯示，治療前后ADC、D及D*值的變化差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。D值的變化差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能與肺部MRI的SNR太低有關(guān)。說(shuō)明組織細(xì)胞的密度對(duì)預(yù)測(cè)治療效果價(jià)值不大。另外，D*和f值分別代表血流灌注的不同特征［27］，D*主要表示平均血流速度，f值主要表示與血液微循環(huán)有關(guān)的微觀平移運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，常規(guī)DWI使用單指數(shù)擬合函數(shù)得到ADC值，雖在病變檢出及良惡性病變鑒別等方面的價(jià)值得到廣泛認(rèn)可，但仍存在一定局限性。由于正常組織與病變組織、良惡性病變的ADC值有很大重疊，故ADC值往往不能對(duì)病變進(jìn)行精確定性［28］。而IVIM通過(guò)多b值的DWI圖像，采用雙指數(shù)模型的后處理方式可得到更本質(zhì)的D值、f值和D*值。多個(gè)參數(shù)聯(lián)合鑒別診斷，其診斷特異度和靈敏度均明顯高于單一ADC值，更有助于病變的定性診斷和鑒別診斷，在預(yù)測(cè)和監(jiān)控放化療療效方面也有一定指導(dǎo)作用。

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2016-08-13）

10.3969/j.issn.1672-0512.2017.02.040

張鳳翔，E-mail：zc890308@sina.com。