付曉，苗重昌

作者單位：徐州醫(yī)科大學(xué)附屬連云港醫(yī)院影像科，連云港 222000

磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)，是目前唯一能夠在活體組織內(nèi)檢測(cè)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)情況的一項(xiàng)無(wú)創(chuàng)影像學(xué)檢查技術(shù)，已成為臨床磁共振檢查的常規(guī)組成部分。體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion，IVIM)是指在測(cè)量時(shí)間內(nèi)所呈現(xiàn)出的體素在方向和/或振幅上的平移運(yùn)動(dòng)。IVIM已經(jīng)被用來(lái)評(píng)估組織的灌注信息，是用毛細(xì)血管中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬一個(gè)“偽擴(kuò)散”的過(guò)程。體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散加權(quán)成像(intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging，IVIM-DWI)是以磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像為基礎(chǔ)的一種新興的無(wú)創(chuàng)且無(wú)需對(duì)比劑的磁共振成像技術(shù)。筆者對(duì)IVIM的原理及在頭頸部腫瘤中的應(yīng)用作一綜述。

1 體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)成像原理基礎(chǔ)

1.1 IVIM成像基礎(chǔ)

DWI成像是IVIM成像的理論基礎(chǔ)，一直以來(lái)，DWI在臨床的應(yīng)用中一直依賴于最簡(jiǎn)單的單指數(shù)擴(kuò)散模型：Sb/S0=exp (-b ?ADС)；其僅生成一個(gè)單一的擴(kuò)散參數(shù)，即表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)，ADC是組織擴(kuò)散率的一種定量測(cè)量方法。這使得我們能夠通過(guò)ADC值的變化，客觀地評(píng)估腫瘤化療前后的治療反應(yīng)。然而，ADC僅能簡(jiǎn)單地描述組織內(nèi)水分子擴(kuò)散情況，為了更精確地描述組織內(nèi)水分子運(yùn)動(dòng)情況，IVIM的概念被提出。

1.2 IVIM成像理論

IVIM的概念是在1986年與DWI一起被提出的[1]，因?yàn)槿藗円庾R(shí)到所測(cè)得的ADC值對(duì)毛細(xì)血管內(nèi)的血流灌注是十分敏感的，而毛細(xì)血管中的血液流動(dòng)(即灌注)可能會(huì)模擬擴(kuò)散過(guò)程并影響測(cè)量結(jié)果。Le等[1-2]研究表明，在DWI中參與信號(hào)傳遞的水分子的運(yùn)動(dòng)來(lái)自不同的區(qū)域：細(xì)胞外擴(kuò)散、細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散和血管內(nèi)擴(kuò)散(即灌注)。他們嘗試把微循環(huán)中的灌注引起的水分子運(yùn)動(dòng)與血管外擴(kuò)散引起的水分子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分離，將總的信號(hào)衰減(即組織和血液成分的總和)用雙指數(shù)模型來(lái)表示：Sb/S0=fIVIMexp (-b?D*) + (1-fIVIM) exp (-b?D)；式中S0和Sb分別代表b=0 s/mm2的信號(hào)強(qiáng)度和特定b值所對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度，fIVIM為灌注或微血管體積分?jǐn)?shù)，它取決于毛細(xì)血管的幾何形狀和其內(nèi)的血流速度，D為組織中的水?dāng)U散系數(shù)(即真擴(kuò)散)，D*為微循環(huán)內(nèi)的水分子擴(kuò)散系數(shù)(即偽擴(kuò)散)。因?yàn)镈*比D大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在b值較高時(shí)(通常在b=5200 s/mm2以上)，它的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。

雖然擴(kuò)散和血液微循環(huán)灌注是兩種完全不同的物理現(xiàn)象，但是在毛細(xì)血管內(nèi)的微循環(huán)血液的灌注也可以看到明顯的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。這種隨機(jī)性來(lái)自毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)中的血液內(nèi)的水分子的集體運(yùn)動(dòng)，這種集體運(yùn)動(dòng)可被視為偽擴(kuò)散過(guò)程，它取決于血流速度和血管結(jié)構(gòu)。偽擴(kuò)散對(duì)各成像體素的信號(hào)衰減的影響也依賴于b值。擴(kuò)散磁共振成像對(duì)擴(kuò)散和血液微循環(huán)都很敏感，兩者分別導(dǎo)致MRI信號(hào)b值呈單指數(shù)衰減。然而，血液微循環(huán)成分的衰變速度要快10倍，這使得這兩種獨(dú)立的現(xiàn)象得以分離。Fournet等[3]研究發(fā)現(xiàn)，D*值在其他物種中也有類似的表現(xiàn)，這是因?yàn)樾?dòng)物的毛細(xì)血管段較短，但血流速度較高[4]。

從理論上講，DWI與其他檢測(cè)技術(shù)所評(píng)估的組織灌注水平應(yīng)保持有相對(duì)的一致性。然而Henkelman[5]認(rèn)為，DWI測(cè)量的灌注可能不同于使用血管內(nèi)示蹤劑測(cè)量的灌注，因?yàn)檫@種灌注的測(cè)量是基于注射示蹤劑的組織的攝取或清除。然而，Le等[6]推斷，即使使用血管內(nèi)示蹤劑評(píng)估組織灌注，示蹤劑的流動(dòng)仍依賴于血管內(nèi)血液的流動(dòng)，因此通過(guò)DWI所測(cè)量的組織灌注和通過(guò)血管內(nèi)示蹤劑所測(cè)得的組織灌注極有可能在很大程度上有一定的相關(guān)性。此外，已有部分研究表明DWI測(cè)量的灌注和使用血管內(nèi)示蹤劑測(cè)量的灌注在血流動(dòng)力學(xué)上有一定的相關(guān)性[7-8]。

1.3 b值的選擇

有研究表明，IVIM衍生參數(shù)的計(jì)算精準(zhǔn)度受b值的選擇的影響[9-10]。掃描時(shí)所選擇的b值不當(dāng)，可能會(huì)對(duì)獲得的IVIM成像結(jié)果產(chǎn)生不利影響；而低信噪比意味著需要更多的b值才能獲得可靠的結(jié)果。因此，為了對(duì)IVIM衍生參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化評(píng)估，建議選取30個(gè)或更多的b值[11]。但是在絕大多數(shù)情況下，由于掃描時(shí)間的限制，患者無(wú)法耐受長(zhǎng)時(shí)間的檢查，無(wú)法具體在臨床上推廣實(shí)施。如果需要減少b值的數(shù)量，Lemke等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)b值的數(shù)量從4個(gè)到10個(gè)遞增的時(shí)候，單位時(shí)間內(nèi)的擬合質(zhì)量的提高最為顯著，因此他們推薦最少應(yīng)選取10個(gè)b值。然而，Lemke等[11]的仿真研究中并沒(méi)有考慮到器官運(yùn)動(dòng)或部分容積效應(yīng)等帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，而這些因素都有可能影響最優(yōu)參數(shù)的選擇。

在相對(duì)較低的b值(如b＜200 s/mm2)下，信號(hào)衰減速度較快，因?yàn)槊?xì)血管內(nèi)快速水分子運(yùn)動(dòng)除了有擴(kuò)散引起的信號(hào)衰減外，還會(huì)造成大量的信號(hào)丟失。這一效應(yīng)使得低b值區(qū)域?qū)M織血管密度特敏感。隨著b值的增加，毛細(xì)血管內(nèi)的信號(hào)丟失更加徹底，使得信號(hào)衰減成為擴(kuò)散過(guò)程的主要因素。在處于中間的b值范圍內(nèi)(如500～1000 s/mm2)，信號(hào)衰減對(duì)細(xì)胞的空間尺度非常敏感，因此與細(xì)胞數(shù)量有很強(qiáng)的相關(guān)性[12]。當(dāng)b值進(jìn)一步增大時(shí)，信號(hào)衰減進(jìn)入“高b值”狀態(tài)，對(duì)較小空間尺度的敏感性增加，使得擴(kuò)散成像對(duì)探測(cè)組織微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和異質(zhì)性更加敏感。當(dāng)前文獻(xiàn)中尚未就較高b值的閾值達(dá)成共識(shí)。通常，高b值是指應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)中的b＞2100 s/mm2和應(yīng)用于體部的b＞1000 s/mm2。

2 IVIM在頭頸部腫瘤中的應(yīng)用

2.1 在頭頸部腫瘤鑒別診斷中的應(yīng)用

某些不同組織學(xué)類型的頭頸部腫瘤可能發(fā)生在相同的器官或部位，應(yīng)該在特定的臨床背景下加以區(qū)分[13]。例如，鱗狀細(xì)胞癌和淋巴瘤，以及發(fā)生在腮腺的良性和惡性唾液腺腫瘤。咽粘膜腔是許多良性和惡性腫瘤的好發(fā)部位，如鱗狀細(xì)胞癌、淋巴瘤和唾液腺腫瘤。此外，神經(jīng)鞘瘤也可能發(fā)生在腺體附近，表現(xiàn)出與多形性腺瘤相似的常規(guī)磁共振特征。這些頭頸部腫瘤可能表現(xiàn)出傳統(tǒng)CT和常規(guī)磁共振難以區(qū)分的成像特征。因此，有效區(qū)分良性腫瘤和惡性腫瘤以及不同腫瘤類型往往是十分困難的。

Sakamoto等[14]研究發(fā)現(xiàn)，IVIM技術(shù)可作為診斷頭頸部腫塊惡性程度的快速診斷工具。單獨(dú)使用任意IVIM參數(shù)的準(zhǔn)確性有限，但D值和D*值的結(jié)合相較單獨(dú)使用ADC值提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。Sumi等[13]研究表明，結(jié)合使用TIC曲線、灌注參數(shù)和擴(kuò)散參數(shù)可對(duì)頭頸部腫瘤(如鱗狀細(xì)胞癌、淋巴瘤、多形性腺瘤、Warthin's腫瘤和唾液腺腫瘤)的良惡性進(jìn)行高精度的鑒別診斷。同時(shí)，作者還根據(jù)TIC曲線和IVIM衍生參數(shù)對(duì)頭頸部腫瘤進(jìn)行了特征描述，如淋巴瘤的D值和PP (the perfusion-related parameter，即灌注相關(guān)參數(shù))值明顯低于鱗狀細(xì)胞癌。惡性唾液腺腫瘤的D值明顯低于多形性腺瘤，但明顯高于Warthin's腫瘤。這表明，IVIM衍生參數(shù)與TIC曲線的聯(lián)合使用可以有效區(qū)分不同類型的頭頸部腫瘤。Sumi等[13]還認(rèn)為，鱗狀細(xì)胞癌由于生長(zhǎng)速度快，血管分化不足導(dǎo)致壞死形成，因此存在較大的異質(zhì)性。Yu等[15]僅研究了鼻咽癌和淋巴瘤之間的區(qū)別，他們認(rèn)為，鼻咽癌表現(xiàn)出的基于IVIM的影像學(xué)表現(xiàn)與淋巴瘤明顯不同，所有IVIM衍生參數(shù)(D值、D*值和f值)在淋巴瘤中明顯降低。在YU的研究中，血流相關(guān)參數(shù)fD*值(即f與D*的乘積，與腦血流量成正比，可用來(lái)估計(jì)組織內(nèi)的相對(duì)灌注或血流量)在鼻咽癌和淋巴瘤之間有顯著差異，說(shuō)明兩種腫瘤在微循環(huán)解剖和功能上存在明顯差異。然而，由于D*的標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明D*及其相關(guān)參數(shù)的重復(fù)性較差。因此，D值在臨床實(shí)踐中可能更可靠，更實(shí)用。

Marzi等[16]比較了不同部位的鱗狀細(xì)胞癌的IVIM衍生參數(shù)，包括鼻咽部、口咽部和下咽/喉部。研究表明，下咽和(或)喉部鱗狀細(xì)胞癌的D值最高，鼻咽部鱗狀細(xì)胞癌的D值最低；口咽部鱗狀細(xì)胞癌f值最高且變化范圍最大，鼻咽部鱗狀細(xì)胞癌f值是最均勻的一組。因此，根據(jù)鱗狀細(xì)胞癌在不同部位所表現(xiàn)出的IVIM衍生參數(shù)的差異，在未來(lái)的進(jìn)一步研究中應(yīng)僅包括一個(gè)腫瘤部位，或者對(duì)頸部腫瘤根據(jù)不同部位進(jìn)行分組分析。

此外，還有關(guān)于對(duì)甲狀腺良惡性結(jié)節(jié)鑒別診斷的相關(guān)研究，但由于存在呼吸和吞咽運(yùn)動(dòng)的偽影，此類研究較少。Tan等[17]研究表明，ADC及IVIM衍生參數(shù)可作為術(shù)前甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性鑒別的無(wú)創(chuàng)性預(yù)測(cè)因子，其中f值在鑒別良惡性方面表現(xiàn)最佳。

2.2 在頭頸部腫瘤分期中的應(yīng)用

由于腫瘤的TNM分期不同，所選擇的治療方案也有所差異，因此準(zhǔn)確的腫瘤分期對(duì)優(yōu)化患者的個(gè)體治療方案至關(guān)重要。Lai等[18]研究表明，不同TNM分期的IVIM衍生參數(shù)之間存在差異，且D值對(duì)分期的預(yù)測(cè)能力要優(yōu)于D*和f值，D值主要反映組織的細(xì)胞性，疾病分期高，細(xì)胞密度大，D值低。反映灌注的參數(shù)D*和f值，則在T分期的預(yù)測(cè)中更有效，因?yàn)樵谕砥谀[瘤內(nèi)壞死程度高，血管分布減少，導(dǎo)致灌注減低。此外，早期鼻咽癌和鼻咽良性增生的鑒別診斷更具有挑戰(zhàn)性。Ai等[19]的結(jié)果表明，D和D*值能夠成功將兩者區(qū)分開來(lái)，這提示了早期鼻咽癌中腫瘤細(xì)胞增生，細(xì)胞外間隙變小，血管增多。

遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移是頭頸部惡性腫瘤預(yù)后不良的主要原因之一，因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)M分期有助于在隨訪期間為患者提供更為合適的治療方案。有研究者利用體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)-擴(kuò)散峰度成像(intravoxel incoherent motiondiffusion kurtosis imaging，IVIM-DKI)混合模型預(yù)測(cè)頭頸部腫瘤患者遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的可能性[20]，D和K值被認(rèn)為是預(yù)測(cè)未來(lái)遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的有效參數(shù)，由于D值與腫瘤微觀結(jié)構(gòu)信息有關(guān)，因此D值能夠作為M分期的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。然而，細(xì)胞密度不是決定腫瘤分期的唯一組織學(xué)特征。有研究表明，K值具有提取更多微觀結(jié)構(gòu)信息的潛力[21-22]，如細(xì)胞形狀和大小及其他組織結(jié)構(gòu)信息，但是這些信息和M分期之間的關(guān)系尚不明確，K值可能與遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移間接相關(guān)[20]。

2.3 在頭頸部腫瘤預(yù)后方面的應(yīng)用

在一項(xiàng)關(guān)于晚期下咽癌患者對(duì)誘導(dǎo)化療的治療反應(yīng)的預(yù)測(cè)研究中[23]，由于治療后腫瘤細(xì)胞密度和水分子擴(kuò)散受限的減低，患者的ADC值和D值較治療前升高，而D*值降低。此結(jié)果和腫瘤細(xì)胞密度可能與化療敏感性密切相關(guān)這一觀點(diǎn)一致。此外，D*在應(yīng)答者和非應(yīng)答者之間存在顯著差異，這表明該參數(shù)預(yù)測(cè)預(yù)后的可能性最小。然而，目前對(duì)預(yù)測(cè)預(yù)后最有意義的IVIM參數(shù)還未有較為一致的觀點(diǎn)。在其他四項(xiàng)研究中[23-26]，均認(rèn)為D值在預(yù)后方面具有最高的可能性。這可能是由于細(xì)胞密度高的腫瘤對(duì)化療和放療更敏感，相關(guān)預(yù)后較好，因此，在治療過(guò)程中D值的增加是細(xì)胞數(shù)量減少的標(biāo)準(zhǔn)，也是預(yù)后良好的標(biāo)志。然而在其他兩項(xiàng)研究中[27-28]，則認(rèn)為f值是針對(duì)治療結(jié)果的最佳預(yù)測(cè)因子。通常認(rèn)為，f值與微血管密度相關(guān)，并在一定程度上反映血管生成的速度，而多數(shù)惡性腫瘤血管生成十分迅速。因此，高f值可能高度提示患者預(yù)后不良。

通常，多數(shù)轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)與預(yù)后不良有關(guān)。研究表明惡性淋巴結(jié)中的ADC值遠(yuǎn)低于良性淋巴結(jié)[29]。Liang等[30]通過(guò)對(duì)比轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)和非轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)之間的IVIM衍生參數(shù)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)的D值明顯低于非轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)，且D值在鑒別診斷中比ADC值更準(zhǔn)確。此外，Liang等[30]還發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)的D*值明顯增加，這可能是由于惡性淋巴結(jié)中微血管生成從而導(dǎo)致灌注增加的原因。因此，D值和D*值可以提高對(duì)轉(zhuǎn)移性和非轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)鑒別診斷的準(zhǔn)確性。Hauser等[27]通過(guò)評(píng)估淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移來(lái)預(yù)測(cè)IVIM參數(shù)對(duì)頭頸部腫瘤的治療反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)淋巴結(jié)中的高初始灌注分?jǐn)?shù)(f值)可能表明患者對(duì)治療反應(yīng)不佳。然而，Hejduk等[31]則認(rèn)為IVIM衍生參數(shù)不能用于轉(zhuǎn)移性和非轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)之間的鑒別診斷。Hejduk等[31]雖然認(rèn)同新生血管和灌注的增加是惡性腫瘤的特征性表現(xiàn)，但是他們對(duì)這些特征是否可用于轉(zhuǎn)移性和非轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)之間的鑒別仍存在疑問(wèn)。

2.4 IVIM在頭頸部應(yīng)用中的局限性

IVIM成像具有一定的內(nèi)在局限性。IVIM從根本上是一種DWI技術(shù)，臨床常用EPI方式讀出，因?yàn)镋PI序列易積累相位差，圖像常出現(xiàn)偽影和變形[32]。由于頭頸部解剖結(jié)構(gòu)特殊，以及存在金屬、骨頭或空氣交界的區(qū)域(如金屬假牙或甲狀腺峽部等)的磁化率偽影較大，導(dǎo)致圖像失真或信號(hào)丟失，影響疾病的檢測(cè)或IVIM衍生參數(shù)的測(cè)量。此外，一些特定的運(yùn)動(dòng)(如下頜運(yùn)動(dòng)、吞咽、說(shuō)話、咳嗽或呼吸)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)偽影。快速自旋回波(turbo spin-echo，TSE)序列也可用于DWI的采集，其優(yōu)點(diǎn)是變形小，對(duì)磁化率偽影不敏感。目前已有研究表明，對(duì)于鼻咽、口腔及頸部等磁化率敏感區(qū)域，基于TES-DWI的圖像質(zhì)量要優(yōu)于EPI-DWI[33-35]，且TSE-DWI相對(duì)擁有更高的疾病檢出率[34]。然而，相同條件下TSE-DWI掃描時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于EPI-DWI，因而無(wú)法適用于臨床常規(guī)應(yīng)用。

3 小結(jié)

綜上所述，IVIM成像技術(shù)已日趨成熟，它能夠同時(shí)獲得組織灌注和擴(kuò)散參數(shù)，且無(wú)需對(duì)比劑。臨床研究表明，IVIM的衍生參數(shù)對(duì)腫瘤的分級(jí)及良惡性鑒別都有一定的指導(dǎo)意義。然而，我們應(yīng)意識(shí)到，對(duì)IVIM衍生參數(shù)的定量測(cè)量仍具有一定的挑戰(zhàn)性。首先，由于b值的選擇對(duì)測(cè)量結(jié)果造成決定性的影響，b值的個(gè)數(shù)與范圍的選擇都至關(guān)重要，有關(guān)b值的選擇尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。其次，所得參數(shù)的擬合模型的選擇仍是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。此外，腫瘤的異質(zhì)性和不同病理分級(jí)之間的重疊都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有所影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果重疊，以及早期化療期間的腫瘤缺氧也會(huì)混淆測(cè)量結(jié)果。最后，IVIM的內(nèi)在局限性使得該技術(shù)在頭頸部成像的應(yīng)用中仍具有一定挑戰(zhàn)性。因此，在未來(lái)的研究中，應(yīng)著重解決這些問(wèn)題，使得IVIM衍生參數(shù)能夠作為腫瘤研究的定量參數(shù)得以在臨床上推廣應(yīng)用。

利益沖突：無(wú)。