李祥，高朋瑞，張首寧，張宏凱，曲金榮，黎海亮

正常腦組織磁共振兩b值及多b值擴(kuò)散加權(quán)成像技術(shù)變異度對比分析

李祥，高朋瑞，張首寧，張宏凱，曲金榮，黎海亮*

目的對比評估兩b值及多b值擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)技術(shù)在正常腦組織中的變異度。材料與方法對29名正常腦組織行3.0 T GE磁共振兩b值(0、1000 s/mm2)及8b值(0、50 s/mm2、100 s/mm2、200 s/mm2、400 s/mm2、600 s/mm2、800 s/mm2、1200 s/mm2)DWI序列掃描，獲取兩b值參數(shù)表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)值及多b值參數(shù)包括慢速ADC (D)、快速ADC (D*)、灌注相關(guān)體積分?jǐn)?shù)ADC (f)，應(yīng)用變異系數(shù)評價(jià)腦組織各參數(shù)。結(jié)果腦組織的ADC值、D值、D*值、f值及其變異系數(shù)分別為：腦白質(zhì)：(81.11±7.62)×10-5mm/s，0.094；(78.47±6.72)×10-5mm/s，0.086；(722.7±189.3)×10-5mm/s，0.262；(8.97±3.63)%，0.404；腦皮質(zhì)：(87.03±9.97)×10-5mm/s，0.115；(81.83±7.51)×10-5mm/s，0.092；(611.9±169.5)×10-5mm/s，0.292；(9.55±3.41)%，0.357；基底節(jié)：(76.70±7.17)×10-5mm/s，0.093；(73.72±6.40)×10-5mm/s，0.087；(1221.9±743.4)×10-5mm/s，0.608；(9.72±3.68)%，0.379。正常腦組織的ADC值及D值變異度接近且較低，而D*值及f值的變異度較高。結(jié)論多b值DWI技術(shù)獲得的D值與兩b值DWI技術(shù)獲得的ADC值在正常腦組織具有同樣低的變異度，而D*及f變異度較高，進(jìn)行臨床評價(jià)時(shí)結(jié)果需謹(jǐn)慎解讀。

磁共振成像；擴(kuò)散加權(quán)成像；變異系數(shù)；腦

Key wordsMagnetic resonance imaging; Diffusion weighted imaging; Coefficient of variation; Brain

擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)是唯一活體評價(jià)組織內(nèi)水分子活動(dòng)自由度的技術(shù)，通過其參數(shù)表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)可以早期發(fā)現(xiàn)組織生理狀態(tài)改變，其應(yīng)用逐漸得到臨床認(rèn)可，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，尤其在腦部[1-6]。該技術(shù)利用計(jì)算兩個(gè)不同梯度場強(qiáng)(b值)下組織信號(hào)衰減速度實(shí)現(xiàn)水分子活動(dòng)自由度的評估。但是組織內(nèi)水分為血管內(nèi)水及血管外水，血管內(nèi)快速流動(dòng)的水干擾了組織內(nèi)水的準(zhǔn)確測量。由于血管內(nèi)水的影響主要在低擴(kuò)散梯度場，所以Le等[7-8]提出利用多b值DWI技術(shù)分別計(jì)算組織在高、低不同場強(qiáng)下的信號(hào)衰減速度得到兩個(gè)ADC值的模型，得到的兩個(gè)ADC值分別為D*(血管內(nèi)水影響大)和D (血管內(nèi)水影響小)。

由于減少了血管內(nèi)血流的影響，D可以更真實(shí)地反映組織內(nèi)水分子活動(dòng)狀態(tài)，很多研究結(jié)果表明了D的臨床診斷價(jià)值，甚至在部分研究中D優(yōu)于ADC[9-10]。D*是受血管內(nèi)水影響大的ADC值，因此理論上可以用來間接反映組織血管灌注情況。雖然Wirestam等[11]證明了D*與增強(qiáng)MRI計(jì)算得到的組織血流量(cerebral blood flow，CBF)及組織血容量(cerebral blood volume，CBV)存在中等相關(guān)性，但D*評估組織灌注的可行性尚有爭論。正常肝臟的多b值DWI參數(shù)的可重復(fù)性研究發(fā)現(xiàn)D值的可重復(fù)性要好于D*[12]，這種D*的不穩(wěn)定性可能是造成其臨床應(yīng)用爭議的重要原因。良好的可重復(fù)性保證了影像學(xué)指標(biāo)的穩(wěn)定獲取，而正常人群中變異度則是影響該影像學(xué)指標(biāo)鑒別正常與異常能力的另一個(gè)重要因素。低變異度意味著正常與異常間重疊減少，從而增加了鑒別能力。本研究試圖通過比較正常腦組織的兩b值DWI參數(shù)ADC及多b值DWI參數(shù)D、D*及f的變異度(coefficient of variation，CV)來分析多b值DWI技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 病例收集及MRI檢查

對來我院行頭顱MRI檢查的患者在行兩b值(0、1000 s/mm2) DWI序列檢查基礎(chǔ)上加做多b值(0、50 s/mm2、100 s/mm2、200 s/mm2、400 s/mm2、600 s/mm2、800 s/mm2、1200 s/mm2) DWI序列檢查，具體參數(shù)如下：美國GE Healthcare Signa HDXT 3.0 T MR掃描儀，采用頭線圈，平面回波(echo planar imaging，EPI)序列，TR=4200.0 ms，TE=81.0 ms，矩陣128×128，F(xiàn)OV：24 cm×24 cm，層厚6.0 mm，層間隔1.2 mm，NEX：8次。篩選出29例[(男11例，女18例，平均年齡(57.0±11.9)歲]影像學(xué)表現(xiàn)正常的顱腦數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析。

1.2 圖像后處理及分析

兩b值及多b值DWI序列數(shù)據(jù)傳至GE Work Station 4.4工作站，采用相應(yīng)商業(yè)軟件包進(jìn)行處理，得到常規(guī)兩b值DWI參數(shù)ADC及多b值DWI參數(shù)慢ADC (D)、快ADC (D*)、灌注相關(guān)體積分?jǐn)?shù)ADC (f)參數(shù)圖。由具有7年以上磁共振診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師分別以兩b值DWI的b=0 DWI圖及多b值DWI的b=0 DWI圖作為參考圖，分別于腦皮層、白質(zhì)及基底節(jié)區(qū)放置不小于12像素的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)測量相關(guān)參數(shù)值。選取的ROI自動(dòng)復(fù)制到相關(guān)參數(shù)圖從而得到同一位置的各參數(shù)值。在兩套b=0 DWI圖中放置ROI時(shí)要求盡量保持位置一致。

1.3 應(yīng)用穩(wěn)定性分析

計(jì)算29例腦皮層、白質(zhì)及基底節(jié)區(qū)的ADC、D、D*、f值的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，然后計(jì)算相應(yīng)的變異系數(shù)(方差除以平均值) CV，利用變異系數(shù)的大小評價(jià)各參數(shù)的應(yīng)用穩(wěn)定性。

2 結(jié)果

腦組織測量點(diǎn)的選擇如圖1(多b值DWI參數(shù)測量)及圖2(兩b值DWI參數(shù)測量)。

ROI測量讀數(shù)選取平均值，29例正常腦組織兩b值及多b值DWI參數(shù)測量結(jié)果如表1所示，根據(jù)公式：變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/均值，計(jì)算得到各部位各DWI參數(shù)的變異系數(shù)。

CV結(jié)果顯示腦皮層、腦髓質(zhì)及腦基底節(jié)的兩b值DWI參數(shù)ADC值的變異度均較小(≤12%)；而多b值DWI參數(shù)中，D值同樣具有很小的變異度(≤10%)，且各測量部位的變異度均低于ADC(0.092＜0.115；0.086＜0.094；0.087＜0.093)。D*及f值的變異度較大(26.2%～60.8%；35.7%～40.4%)。結(jié)果提示多b值DWI參數(shù)中D值與兩b值DWI參數(shù)ADC值具有同樣良好的應(yīng)用穩(wěn)定性。

圖1 多b值DWI參數(shù)測量。在b=0 DWI圖(A)上選取右側(cè)額葉皮層、右側(cè)額葉白質(zhì)及右側(cè)丘腦作為測量點(diǎn)，ROI自動(dòng)復(fù)制于D (B)、D*(C)及f (D)偽彩圖 圖2 兩b值DWI參數(shù)測量。在b=0 DWI圖(A)上選取與多b值DWI一致的測量點(diǎn)，ROI自動(dòng)復(fù)制于ADC偽彩圖(B)Fig. 1 Multi-b DWI parameters measurement: ROIs were put manually in cortex of right front lobe, white matter of right front lobe and right thalamus respectively on b=0 DWI map (A), then ROIs were copied automatically to color map of D (B), D*(C) and f (D). Fig.2 Two b DWI parameters measurement: ROIs were put in points similar to multi-b DWI parameters measurement on b=0 DWI map (A) on the same patient, ROIs were copied automatically to color map of ADC (B).

表1 兩b值及多b值DWI參數(shù)測量結(jié)果及變異系數(shù)(CV)Tab.1 Parameters and corresponding CV of DWI with two b and multi-b

3 討論

本研究結(jié)果表明多b值DWI的多個(gè)參數(shù)中D值在正常腦組織中的變異度很低，與兩b值DWI參數(shù)ADC值具有相似的低于16%的變異度。低的變異度提高了DWI技術(shù)發(fā)現(xiàn)異常的能力，DWI技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及眾多的臨床研究結(jié)果也說明了ADC及D的良好的應(yīng)用價(jià)值[9-10，13-15]。

D變異度比ADC略低，這可能由于D減少了血流對ADC的影響。本研究參數(shù)中f是反映血管成分占組織體積比例的指標(biāo)，結(jié)果顯示正常腦組織中血管只約占腦組織的10%。因此血流的變異對整個(gè)腦組織的變異貢獻(xiàn)較弱，這解釋了雖然D減少了血流對ADC的影響，但與ADC相比變異度降低的并不明顯。同時(shí)也說明為什么眾多的D與ADC的對比研究中，只有少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)D比ADC有更高的診斷價(jià)值[9-10]。

多b值DWI的參數(shù)中反映組織的血供D*及f值在正常腦組織中的變異度達(dá)到30%～50%。較高的變異度可能影響D*和f用于無對比劑評估組織灌注的可行性。

引起D*及f變異高于D及ADC的因素可能是較差的數(shù)據(jù)采集可重復(fù)性，數(shù)據(jù)采集的不穩(wěn)定性可以導(dǎo)致數(shù)據(jù)變異。研究表明D*及f在正常肝臟[12]及肝臟轉(zhuǎn)移瘤[16]中的可重復(fù)性差于D。而Grech-Sollars[17]的一項(xiàng)多中心研究評估9個(gè)正常志愿者分別在8家不同醫(yī)院磁共振檢查腦組織D和f的差異，各中心結(jié)果的變異度顯示D為3.1%，而f為87.1%。掃描的系統(tǒng)誤差是影響可重復(fù)性的主要因素，而系統(tǒng)誤差同時(shí)作用于D、D*及f，因此D*及f較差的可重復(fù)性可能源于兩次檢查時(shí)組織血液供應(yīng)的變化。

人體組織有較強(qiáng)的血液供應(yīng)的調(diào)節(jié)能力以適應(yīng)不同環(huán)境，而這種血流變化是可以通過D*及f反映的。在進(jìn)食后肝臟血供會(huì)增加，肝臟的D*值隨之改變[18]而D值較穩(wěn)定。不同氧濃度條件下腦組織血流改變時(shí)D*隨氧濃度變化而規(guī)律變化[19]，同時(shí)D變化不大。這種D穩(wěn)定而D*及f變化的現(xiàn)象是符合血液供應(yīng)的不斷調(diào)節(jié)變化以維持體內(nèi)組織微環(huán)境的穩(wěn)定這一基本生理規(guī)律的。由于溫度、饑餓程度、室內(nèi)空氣、精神狀態(tài)、性別及年齡[15，19-20]等多種因素均可影響腦組織血液供應(yīng)，而本研究未排除這些因素的影響可能是造成D*及f較高變異度的原因。提示臨床應(yīng)用多b值DWI技術(shù)評估病變血流時(shí)注意控制影響因素。

另外，多b值DWI技術(shù)b值的選擇也對D*準(zhǔn)確反映組織灌注有所影響。Lemke[21]推薦多b值DWI技術(shù)應(yīng)不少于10個(gè)b值，但較高的信噪比是保證準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵，因此本文采用8個(gè)b值并在高b值采集時(shí)增加激勵(lì)次數(shù)(最高b值采用8次激勵(lì))提高信噪比。低b值區(qū)信號(hào)采集對計(jì)算D*及f很重要，因此低b值數(shù)較少會(huì)導(dǎo)致血流灌注的低估[22]從而影響變異度。本研究小b值區(qū)偏大可能也是影響D*及f高變異度的原因，增加低b值是否可以提高可重復(fù)性并降低變異度有待進(jìn)一步研究。

由于未見關(guān)于多b值DWI技術(shù)在正常人群內(nèi)變異度的報(bào)道，因此本研究試圖從變異度角度初步探討該技術(shù)的應(yīng)用穩(wěn)定性。本研究局限性在于樣本量較少，計(jì)算得到的變異度可能不能準(zhǔn)確反映真實(shí)變異度，但與D相比，D*及f變異度增高的趨勢得到了驗(yàn)證。

總之，從正常人群變異度角度分析，多b值DWI技術(shù)中D與兩b值DWI技術(shù)具有同樣的臨床應(yīng)用穩(wěn)定性，多b值DWI技術(shù)需進(jìn)一步改進(jìn)減少D*及f的變異度，目前應(yīng)用D*及f進(jìn)行臨床評估時(shí)需謹(jǐn)慎。

[References]

[1] Li Q, Zhou BJ, He HJ, et al. Application of ADC values in differentiating hemangiopericytomas from meningiomas. Chin Comput Med Imag, 2015, 21(5): 419-425.李橋, 周碧婧, 何慧瑾, 等. ADC值在鑒別血管外皮細(xì)胞瘤與腦膜瘤中的應(yīng)用. 中國醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)成像雜志, 2015, 21(5): 419-425.

[2] Zhang B, Zhu B. Diffusion weighted imaging of high grade glioma and solitary metastases and peritumoral edema. Chin Comput Med Imag, 2006, 12(2): 80-83.張冰, 朱斌. DWI在膠質(zhì)瘤與單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤及其瘤周水腫中的診斷價(jià)值. 中國醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)成像雜志, 2006, 12(2): 80-83.

[3] Li Y, Du Y, Chen ZQ, et al. The correlation between apparent diffusion coefficient and neonatal behavioral neurological assessment in hypoxic ischemic encephalopathy. Chin J Radiol, 2015, 49(2):133-137.李艷, 杜奕, 陳志強(qiáng), 等. 缺氧缺血性腦病患兒表觀擴(kuò)散系數(shù)與行為神經(jīng)測定評分的相關(guān)性研究. 中華放射學(xué)雜志, 2015, 49(2):133-137.

[4] Lin YK, Li JR, Zhang ZQ, et al. Evaluation of IVIM and ASL in the diagnosis of gliomas: A comparative study. J Clin Radiol, 2015,34(1): 8-13.林園凱, 李建瑞, 張志強(qiáng), 等. 體素不相干運(yùn)動(dòng)與三維動(dòng)脈自旋標(biāo)記在膠質(zhì)瘤中的對照研究. 臨床放射學(xué)雜志, 2015, 34(1): 8-13.

[5] Wang WJ, Xu M, Liu FJ, et al. Correslation of DWI features and histopathology after partial resection of normal brain: an experimental study in rats. J Pract Radiol, 2013, 29(3): 462-465.王文娟, 徐敏, 劉鳳杰, 等. 正常大鼠部分腦組織切除術(shù)后術(shù)區(qū)周邊腦組織DWI表現(xiàn)及其病理學(xué)基礎(chǔ). 實(shí)用放射學(xué)雜志, 2013,29(3): 462-465.

[6] Zhao Y, Wei YP, Shen JK, et al. ADC value study in evaluating radiotheraputic response of brain metastases from lung cancer. Chin J Hemorh, 2013, 23(2): 290-292.趙鶯, 魏友平, 沈鈞康, 等. ADC值在肺癌腦轉(zhuǎn)移瘤全腦放療后效果監(jiān)測的研究. 中國血液流變學(xué)雜志, 2013, 23(2): 290-292.

[7] Le BD, Breton E, Lallemand D, et al. MR imaging of intravoxel incoherent motions: application to diffusion and perfusion in neurologic disorders. Radiology, 1986, 161(2): 401-407.

[8] Dixon WT. Separation of diffusion and perfusion in intravoxel incoherent motion MR imaging: a modest proposal with tremendous potential. Radiology, 1988, 163(2): 566-567.

[9] Liu T, Han Y, Tang L, et al. Detection of chronic brain damage by diffusion-weighted imaging with multiple b values in patients with type 2 diabetes. Medicine (Baltimore), 2016, 95(35): e4726.

[10] Jiang DZ, Zhong Y, Zhou DY, et al. Application of brain multi-bvalue diffusion-weighted imaging (DWI) in adolescent orphans from AIDS families. Br J Radiol, 2016, 89(1060): 20150732.

[11] Wirestam R, Borg M, Brockstedt S, et al. Perfusion-related parameters in intravoxel incoherent motion MR imaging compared with CBV and CBF measured by dynamic susceptibility-contrast MR technique. Acta Radiol, 2001, 42(2): 123-128.

[12] Chen SL, Chen X, Zhong LS, et al. Feasibility of magnetic resonance diffusion-weighted intravoxel incoherent motion imaging and its reproducibility in normal liver. J Pract Radiol, 2014, 30(4):623-626.陳世林, 陳鑫, 鐘麗珊, 等. 正常肝臟體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像的可行性及可重復(fù)性研究. 實(shí)用放射學(xué)雜志, 2014,30(4): 623-626.

[13] Suo S, Cao M, Zhu W, et al. Stroke assessment with intravoxel incoherent motion diffusion-weighted MRI. NMR Biomed, 2016,29(3): 320-328.

[14] Li YC, Wang GB, Liu Q, et al. The pilot study of benign meningiomas using intravoxel incoherent motion imaging. J Med Imaging, 2014, 24(3): 461-464, 473.李玉超, 王光彬, 劉強(qiáng), 等. 體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散加權(quán)成像在良性腦膜瘤中的初步研究. 醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志, 2014, 24(3): 461-464, 473.

[15] Leenders KL, Perani D, Lammertsma AA, et al. Cerebral blood flow,blood volume and oxygen utilization. Normal values and effect of age. Brain, 1990, 113(Pt 1): 27-47.

[16] Andreou A, Koh DM, Collins DJ, et al. Measurement reproducibility of perfusion fraction and pseudodiffusion coefficient derived by intravoxel incoherent motion diffusion-weighted MR imaging in normal liver and metastases. Eur Radiol, 2013, 23(2): 428-434.

[17] Grech-Sollars M, Hales PW, Miyazaki K, et al. Multi-centre reproducibility of diffusion MRI parameters for clinical sequences in the brain. NMR Biomed, 2015, 28(4): 468-485.

[18] Regini F, Colagrande S, Mazzoni LN, et al. Assessment of liver perfusion by intraVoxel incoherent motion (IVIM) magnetic resonance diffusion weighted imaging: correlation with phasecontrast portal venous flow measurements. J Comput Assist Tomogr,2015, 39(3): 365-372.

[19] Federau C, Maeder P, O'Brien K, et al. Quantitative measurement of brain perfusion with intravoxel incoherent motion MR imaging.Radiology, 2012, 265(3): 874-881.

[20] Shin W, Horowitz S, Ragin A, et al. Quantitative cerebral perfusion using dynamic susceptibility contrast MRI: evaluation of reproducibility and age- and gender-dependence with fully automatic image postprocessing algorithm. Magn Reson Med, 2007, 58(6):1232-1241.

[21] Lemke A, Stieltjes B, Schad LR, et al. Toward an optimal distribution of b values for intravoxel incoherent motion imaging. Magn Reson Med, 2011, 29(6): 766-776.

[22] Cohen AD, Schieke MC, Hohenwalter MD, et al. The effect of low b-values on the intravoxel incoherent motion derived pseudodiffusion parameter in liver. Magn Reson Med, 2015, 73(1): 306-311.

Variation analysis of diffusion weighted imaging in normal brain tissue between two b and multi-b value sequence

LI Xiang, GAO Peng-rui, ZHANG Shou-ning, ZHANG Hong-kai, QU Jin-rong, LI Hai-liang*
Department of Radiology, the Affiliated Cancer Hospital of Zhengzhou University,Zhengzhou 450008, China

Objective:To observe the variation of two b and multi-b diffusion weighted imaging (DWI) in normal brain tissue.Materials and Methods:Apply two b and multi-b DWI sequence to 29 normal appearance brain using GE 3.0 T scanner. Two b and multi-b DWI related parameter including apparent diffusion coefficient (ADC), true diffusion (D), perfusion related diffusion (D*), fraction of perfusion (f) was acquired using AW workstation. The coefficient of variation(CV) of these parameters was compared to evaluate the reliability.Results:The values of CV of ADC, D, D*and f of brain were (81.11±7.62)×10-5mm/s,0.094; (78.47±6.72)×10-5mm/s, 0.086; (722.7±189.3)×10-5mm/s, 0.262; (8.97±3.63)%,0.404 in white matter; and (87.03±9.97)×10-5mm/s, 0.115; (81.83±7.51)×10-5mm/s,0.092; (611.9±169.5)×10-5mm/s, 0.292; (9.55±3.41)%, 0.357 in gray matter; and(76.70±7.17)×10-5mm/s, 0.093; (73.72±6.40)×10-5mm/s, 0.087; (1221.9±743.4)×10-5mm/s,0.608; (9.72±3.68%), 0.379 in basal ganglia respectively. The CVs of ADC and D were similar and good and lower than others.Conclusion:D which derived from Multi-b DWI has good reliability as ADC which derived from two b DWI in normal brain. Otherwise, D*and f have higher variation in normal brains, and with which the comparison between individual should be explained with caution.

11 Jan 2017, Accepted 19 Apr 2017

作者單位：
鄭州大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射科，鄭州450008

河南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：142102310435)

黎海亮，E-mail：cjr.lihailiang@vip.163.com

2017-01-11

接受日期：2017-04-19

R445.2；R338.2

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.06.010

李祥, 高朋瑞, 張首寧, 等. 正常腦組織磁共振兩b值及多b值擴(kuò)散加權(quán)成像技術(shù)變異度對比分析. 磁共振成像, 2017,8(6): 452-456.

*Correspondence to: Li HL, E-mail: cjr.lihailiang@vip.163.com

ACKNOWLEDGMENTSThis work was part of Science and Technology Research Project of Henan Province (No. 142102310435).