张 晶，付 旷，吴 琼，赵 荟，周 丽

(哈尔滨医科大学附属第二医院 磁共振成像诊断科，黑龙江 哈尔滨150086)

体素内不相干运动扩散加权成像在脑胶质瘤术前分级诊断中的应用研究

张 晶，付 旷*，吴 琼，赵 荟，周 丽

(哈尔滨医科大学附属第二医院 磁共振成像诊断科，黑龙江 哈尔滨150086)

目的 探讨磁共振体素内不相干运动扩散加权成像( Intravoxel Incoherent Motion Diffusion Weighted Imaging，IVIM DWI) 在脑胶质瘤术前分级诊断中的应用价值。方法 回顾性分析28例经病理证实为胶质瘤(低级别11例，高级别17例)并且术前行磁共振(Magnetic Resonance Imaging，MRI)常规平扫及IVIM DWI序列扫描患者的图像。IVIM DWI原始数据经工作站软件处理后得到纯水分子扩散系数D、伪扩散系数D*和灌注分数f的伪彩图，选取合适的ROI，分别测量肿瘤实质区及正常脑白质区的各参数值，采用t检验进行统计学分析。结果 肿瘤实性区域的D、D*和f值较正常脑白质区增高，差异具有统计学意义(P<0.05)。高级别胶质瘤的D值低于低级别胶质瘤，f值高于低级别胶质瘤，差异均具有统计学意义(P<0.05)。高级别胶质瘤的D*值略高于低级别胶质瘤，差异无统计学意义(P>0.05)。结论 通过IVIM DWI技术得到的定量参数值D、D*和f可以将肿瘤扩散和灌注信息分开，对胶质瘤患者实现更准确的术前分级诊断。

磁共振；多b值；扩散加权成像；体素内不相干运动；胶质瘤

(ChinJLabDiagn,2017,21:0009)

脑胶质瘤是成人颅内原发性肿瘤中最常见的一种恶性肿瘤，具有明显的侵袭性及由低级别向高级别进展的趋势[1]。胶质瘤的预后与肿瘤的级别具有明显的相关性，准确判定胶质瘤的级别对指导临床治疗及判断预后具有显著的临床意义。DWI是目前能够在活体进行水分子扩散测量和成像的唯一方法，能够反映肿瘤组织微观的病理生理变化，因此可被用来对肿瘤的生物学行为进行评价。近年来，基于体素内不相干运动(IVIM)的多b值DWI成像方法逐渐应用到临床研究中，如肝脏、肾脏、前列腺及头颈部[2-5]等，但有关脑胶质瘤的IVIM研究相对较少。本研究通过分析磁共振多b值IVIM DWI数据检测出胶质瘤的扩散及灌注信息，从而探讨其在脑胶质瘤术前分级诊断中的应用价值。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选择2013年12月-2015年12月在哈尔滨医科大学附属第二医院行手术切除并经病理证实的脑胶质瘤患者28例，其中男性12例，女性16例。年龄在10-70岁之间，平均年龄为45岁。根据2007年WHO分级分类标准，高级别胶质瘤17例(WHOⅢ-Ⅳ级)；低级别胶质瘤11例(WHOⅠ-Ⅱ级)。所有胶质瘤患者行MRI检查前均未接受手术及抗肿瘤治疗。

1.2 检查方法

采用Philips Achieva 3.0T双梯度超导磁共振扫描仪，头部8通道正交鸟笼式线圈，各扫描序列及参数如下：①常规序列：T1WI TSE：TR=250 ms，TE=2.3 ms；T2WI TSE：TR=2 505 ms，TE=80 ms；FLAIR：TR=7 000 ms，TE=107 ms，IR(反转恢复时间)=2 200 ms。矩阵128×128；视野(FOV)230 mm×182mm×125 mm；反转角度(Flip angle)：75°； 激励次数：1；层厚6 mm，层间距1 mm，采用18层覆盖全脑进行扫描。②IVIM-DWI序列：扫描应用单次激发回波平面成像序列(SS-EPI)，行横轴位扫描：TR=2 500 ms，TE=59 ms，激励次数2次，在互相垂直的X、Y、Z轴3个不同方向上施加弥散敏感梯度场，分别取16个b值(b=0，10，20，30，40，50，70，100，120，150，180，200，300，500，800，1 000 s/mm2)。16个b值一次扫描完成，扫描时间3分27秒。扫描层面定位与横轴位T1WI、T2WI、FLAIR序列保持一致。③增强扫描：经肘正中静脉注射钆双胺0.2 mmol/kg(欧乃影)后行常规T1WI扫描。

1.3 后处理分析

将原始数据导入工作站后处理软件，应用IVIM双指数模型进行拟合，得到纯水分子扩散系数D、伪扩散系数D*及灌注分数f的伪彩图。由两位工作经验丰富的放射科医师在不知道病理结果的情况下参照T1WI、T2WI、FLAIR及增强扫描图像，在各参数伪彩图同层图像的肿瘤实质区及正常脑白质区上手动画出4个大小约为40个体素的ROI，选择具有IVIM最大灌注分数的肿瘤区域层面，尽量避开囊变、坏死、出血、钙化、液化及大血管等不均质区域，取平均值作为肿瘤实质区及正常脑白质区的D、D*和f值，进行统计学分析。

1.4 统计学分析

采用SPSS20.0统计软件对数据进行统计学处理，数据分别以均数±标准差和百分比表示。肿瘤实质区与正常脑白质区比较采用配对t检验，高低级别胶质瘤之间的各参数比较采用两独立样本t检验。设定P<0.05为有统计学意义。

2 结果

IVIM DWI序列经双指数模型处理得到的数据见表1。由表1可得知17例高级别胶质瘤及11例低级别胶质瘤患者肿瘤实质区和正常脑白质区的D、D*和f的平均值。高、低级别胶质瘤的解剖图像及D、D*和f参数伪彩图分别如图所示(图1和图2)。肿瘤实性区域的D、D*和f值均较正常脑白质区域增高(t=5.653，P<0.05；t=4.222，P<0.05和t=3.005，P<0.05)，差异具有统计学意义。高级别胶质瘤的D值低于低级别胶质瘤，差异具有统计学意义(t=4.874，P<0.05)；高级别胶质瘤的f值高于低级别胶质瘤，差异具有统计学意义(t=4.836，P<0.05)；高级别胶质瘤的D*值略高于低级别胶质瘤，差异无统计学意义(P>0.05)。

表1 低、高级别胶质瘤肿瘤实性区域及正常脑白质区的IVIM双指数模型各参数值

注：D和D*单位为μm2/ms;f单位为%。

3 讨论

DWI通过测量组织内水分子的布朗运动而得以探测组织的超微结构，这取决于组织间质的局部环境，并且在脑肿瘤中随着细胞密度和细胞外基质的变化而变化。源自常规DWI的ADC值是在体素分析的基础上能够反映组织内水分子扩散的定量指标，采用单指数模型进行计算，公式为：Sb/S0=exp(-bADC)，其中b为扩散权重系数，S0表示b值取0时的信号强度，Sb代表某个b值(b≠0)时的信号强度[6]。DWI单指数模型已广泛应用于临床诊断中，已有研究证明DWI能够对实性、有活性的肿瘤及囊变、坏死区域进行鉴别，并显示出肿瘤水分子运动与肿瘤细胞结构的相互关系，肿瘤细胞繁殖越旺盛、密度越高，生物膜结构对水分子扩散的限制作用越明显，DWI信号越高,ADC值越低[7]。

图1 左颞叶低级别胶质瘤(Ⅱ级)。①为轴位T1WI增强序列解剖图，②-④分别为IVIM DWI序列后处理生成的D、D*和f的参数伪彩图。

图2 左顶叶高级别胶质瘤(Ⅳ级)。①为轴位T1WI增强序列解剖图，②-④分别为IVIM DWI序列后处理生成的D、D*和f的参数伪彩图。

然而大量研究结果表明，生物体内组织信号的衰减不仅与水分子扩散有关，同时还受毛细血管血流微循环灌注影响，因此传统的DWI单指数模型计算得到的ADC值较纯水分子扩散偏高，无法真实反映生物组织的复杂结构状态[8]。Le Bihan等研究提出的体素内不相干运动(IVIM)模型通过对多b值DWI序列采用双指数模型分析分别计算出反映单纯水分子扩散和微循环灌注的参数，是一种能够实现同时测量活体组织内真正的水分子扩散和灌注信息的无创性检查技术[10]。Le Bihan等人证实在低b值条件下毛细血管内的微循环灌注同水分子扩散一样对组织信号衰减有作用，此时的信号衰减呈现双指数形式，因此应用双指数模型来描述该运动，其公式为：Sb/S0=(1-f)×exp(-bD)+fexp(-bD*)。其中D是纯水分子扩散系数，代表真实的水分子扩散；D*是伪扩散系数，即与毛细血管微循环灌注相关的扩散系数，取决于毛细血管血流速度和几何形态；f为灌注分数，代表与微循环灌注相关的扩散成分在体素内总扩散中所占的百分比，主要受到微循环灌注血容量的影响，D*值与f值均与微循环灌注相关。毛细血管血流微循环灌注成分对信号衰减的影响程度取决于b值大小，b值越小，微循环灌注的影响越明显[9]。研究发现，当扩散权重较小时(b<200s/mm2)即可引起组织信号明显衰减，此时微循环灌注效应占显著地位，因此可通过低b值条件下的组织信号衰减规律来反映灌注信息[11]。本研究中IVIM DWI数据通过非线性拟合得到的信号强度衰减曲线与双指数模型相近，这与Le Bihan等的研究结果相符。

本研究采用双指数模型研究胶质瘤的组织结构特征发现肿瘤实性区域的D值高于正常脑白质区，这是由于水分子扩散受到组织细胞结构、细胞外间隙大小和扩散介质的粘滞性等多种因素影响，当肿瘤生长破坏了正常的细胞结构时，细胞外间隙会增大，导致水分子较正常组织中更容易扩散，因此扩散系数值也相应增高[12]。此外，本研究中高级别胶质瘤的f值高于低级别胶质瘤，且肿瘤区的f值与正常脑白质区相比也存在差异，这与Bisdas[11]等人的研究结果一致，表明肿瘤恶性程度越高，其微循环灌注血容量也越高。本研究得出高级别胶质瘤的D*值略高于低级别胶质瘤，但两者之间无明显统计学差异，这与Federau[12]等所得结果相似，笔者认为可能与图像信噪比低及患者运动有关。有学者在对肝脏病变的研究中发现D*值测量的可重复性较差、变异性大[13]，还有研究发现D*值受心动周期影响较大[14]，但也有研究表明D*值在高、低级别胶质瘤鉴别方面有意义[11]，因此D*值的确切诊断价值尚需要进一步扩大样本量、排除诸多影响因素进行研究。

综上所述，本实验通过IVIM DWI技术对定量参数D、D*和f值进行研究，可以将肿瘤扩散和微循环灌注信息分开，不但能够更准确地描述胶质瘤的扩散信息，同时无需注射对比剂即可获得肿瘤的灌注信息，对于脑胶质瘤的术前分级诊断具有较好的临床应用价值。

[1] Ang C,Guiot MC,Ramanakumar AV,et al.Clinical significance of molecular biomarkes in glioblastoma[J].Can J Neurol,2010,37(5):625.

[2]Ichikawa S，Motosugi U，Ichikawa T，et al．Intravoxel incoherent motion imaging of focal hepatic lesions[J]．J Magn Reson Imaging，2013，37:1371．

[3]Eckerbom P，Hansell P，Bjerner T，et al．Intravoxel incoherent motion MR imaging of the kidney:pilot study[J]．Adv Exp Med Biol，2013，765:55．

[4]Pang Y，Turkbey B，Bernardo M，et al．Intravoxel incoherent motion MR imaging for prostate cancer:an evaluation of perfusion fraction and diffusion coefficient derived from different b-value combinations[J]．Magn Reson Med，2013，69:553．

[5]Lu Y，Jansen JF，Stambuk HE，et al．Comparing primary tumors and metastatic nodes in head and neck using intravoxel incoherent motion imaging:a preliminary experience[J].J Comput Assist Tomogr,2013,37:346．

[6]Barajas RF Jr,Rubenstein JL,Chang JS,et al.Diffusion-weighted MR imaging derived apparent diffusion coefficient is predictive of clinical outcome in primary central nervous system lymphoma[J].AJNR,2010,31(1):60.

[7]Server A,Kulle B,Mhlen J,et al.Quantitative apparent diffusion coefficients in the characterization of brain tumors and associated peritumoral edema[J].Acta Radiol,2009,50:682.

[8]徐 容，缪 飞.磁共振成像在常见脑肿瘤边缘研究中的进展[J].医学影像学杂志，2009，19(11)：1482.

[9]Li Bihan D,Breton E,Lallemand D,et al.MR imaging of intravoxel incoherent motions:application to diffusion and perfusion in neurologic disorders[J].Radiology,1986,161(2):401.

[10]Le Bihan D,Breton E,Lallemand D,et al.Separation of diffusion and perfusion in intravoxel incoherent motion MR imaging[J].Radiology,1988,168(2):497.

[11]Bisdas S,San Koh T,Roder C,et al.Intravoxel incoherent motion diffusion-weighted MR imaging of gliomas:feasibility of the method and initial results[J].Neuroradiology,2013,55(10):1189.

[12]Federau C,Meuli R,O’Brien K,et al.Perfusion measurement in brain gliomas with intravoxel incoherent motion MRI[J].ANJR Am J Neuroradiol,2014,35(2):256.

[13]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[J].Eur Radiol,2013,23:428.

[14]Federau C,Hagmann P,Maeder P,et al.Dependence of brain intravoxel incoherent motion perfusion parameters on the cardiac cycle[J].PLoS One，2013，8(8):e72856.

The application study of intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging in the grading diagnosis of glioma before surgery

ZHANGJing,FUKuang,WUQiong,etal.

(DepartmentofMRI,theSecondAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin150086,China)

Objective To evaluate the application value of intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging(IVIM DWI) for the grading diagnosis of glioma before surgery.Methods Retrospectively analyzing the conventional MRI and IVIM DWI images of 28 patients with histologically proven glioma(11 cases of low-grade and 17 cases of high-grade).Regions of interest were manually set on the tumor as well as the normal brain parenchyma.The primitive IVIM DWI data were processed by the software of workstation to produce the diffusion constant(D) map,the psudodiffusion coefficient(D*) map and the perfusion fraction(f) map.The t tests were used to evaluate the differences of measured values.Results The differences of the D,D* and f values between tumors and the normal brain parenchyma were statistically significant(P<0.05).The differences of the D and f values between the low-grade gliomas and the high-grade gliomas were statistically significant(P<0.05),but there was no statistical significance for the D* value between the low-grade gliomas and the high-grade gliomas(P>0.05).Conclusion Using the IVIM DWI technique to measure the D,D* and f values of gliomas can quantify the perfusion and more accurate diffusion information of gliomas without the contrast injection,which might play an important role in the grading diagnosis of gliomas before surgery.

MRI;Multi-b value;DWI;IVIM;Gliomas

1007-4287(2017)01-0009-04

哈尔滨市科技局创新人才基金项目(2014RFXGJ025)

R739.4

A

2016-04-20)

*通讯作者