采用門控技術克服呼吸及心臟運動對肝臟DWI影響的研究進展

梁倩雯，鐘桂棉，艾竹，向之明

肝臟DWI原理及應用

擴散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）作為一種檢測活體組織內水分子運動狀態的無創性成像方法，是從分子水平反映生物體的組織生理病理、代謝等功能狀態的成像技術。DWI最初應用于中樞神經系統，隨著呼吸補償及心電門控技術的發展，逐步用于腹部器官病變診斷，目前在肝臟中的應用成為研究熱點［1－2］。

人體內水分子由于受細胞的構成、密度、微觀結構和微循環等生物、物理特性影響，其擴散會增加或受限。DWI就是在常規MR序列基礎上前后對稱地各施加一個長度、幅度和位置相等的擴散敏感梯度脈沖。水分子的隨機運動速度造成組織信號不同程度地減弱，導致不能完全復相位，并形成組織對比，產生擴散圖像［3］。肝臟DWI容易受呼吸、心跳等生理運動影響，要求采集速度快，目前單次激發自旋平面回波成像（SS－SEEPI）掃描速度快并具有較高圖像信噪比，被廣泛運用于肝臟DWI成像中［1，4－5］。

b值（擴散敏感系數）用以表示擴散梯度和時間參數的關系。在DWI上組織信號衰減包含擴散敏感梯度場方向上各種形式的運動。其組織信號強度變化表示為表面擴散系數（apparent diffusion coefficient，ADC），ADC降低表示限制擴散，反之，則是自由擴散［4］。b值越高，對水分子運動越敏感，但是圖像信噪比降低；低b值則相反［6－7］。既往肝臟DWI研究一般認為在保證圖像質量的前提下，盡量選擇高b值，使肝臟及病灶的對比較好，減少血流灌注影響，ADC值更準確，有利于病變的診斷［8－9］。

肝臟DWI的臨床價值及局限

肝臟DWI目前被廣泛運用于肝臟疾病的診斷及鑒別診斷。國內外不少學者研究認為DWI在肝臟小病灶檢出、病灶鑒別診斷、肝硬化、肝纖維化評估、腫瘤療效評價及組織特征定性等方面有重要價值。Chen等［10］研究發現DWI圖像能提高常規MR圖像對肝硬化結節的診斷符合率，特別是診斷小肝癌和高級別異型增生結節。Elizabeth等［11－13］認為肝臟DWI檢查中，由于惡性增殖細胞的不斷增加，限制細胞水分子的運動，使得DWI圖呈高信號，ADC值最低。肝臟良性病變較惡性病變的ADC值高，其中肝囊腫的ADC值最高，肝血管瘤次之，肝癌較低［14－15］。此外，有學者發現DWI圖像及ADC值不但可以在一定程度上判別腫瘤分化級別［16］，還可以通過治療前后改變來評判惡性腫瘤治療效果，這種改變甚至比生物學指標及臨床癥狀改變出現更早［17］。

雖然DWI對肝臟疾病的診斷有一定作用，但肝臟DWI圖像的質量欠佳，ADC值誤差較大，目前也面臨一些局限和挑戰：①SS－SE－EPI對運動敏感性，使其具識別水分子運動的同時受到周圍器官生理運動影響，從而使圖像質量降低，特別是肝左葉信號容易丟失［17］。②肝臟DWI成像方法、參數目前仍無統一的行業標準，不同研究者之間數據難以進行對比［14］。③準確的ADC值對病灶檢出、定性、療效判定等均有一定價值，但目前研究顯示相同病變ADC值的變化范圍較大，缺乏具體的參考標準［15］。④ADC值的可重復性研究缺乏相應的臨床及實驗數據，需要進一步研究。

呼吸、心臟運動對肝臟DWI的影響及相關門控技術研究進展

國內外學者針對肝臟DWI目前的局限，圍繞如何克服呼吸及心跳對肝臟DWI的影響作了相關的深入研究，大致包括以下三個方面。

1.呼吸運動對肝臟DWI影響的相關研究

肝臟DWI成像呼吸抑制研究一般采用自由呼吸、屏氣、呼吸觸發及導航觸發采集技術。屏氣要求在檢查前對受檢者進行規范呼吸訓練，采用呼氣末屏氣的規范方法，完整肝臟掃描需要多次屏氣［15］，屏氣能在一定程度上減少呼吸運動偽影，獲得滿意的DWI圖像，但往往由于屏氣時間長受檢者難以接受［7］。自由呼吸要求患者盡量均勻呼吸，雖然受檢者易于接受，但由于呼吸運動導致圖像偽影多；呼吸觸發技術是采用外置呼吸探測器接收呼吸運動，在一定呼吸運動幅度閾值上下限之間采集數據，從而達到每次同步采集，把呼吸的影響控制在最低。導航觸發技術是在右側膈肌最高點為中心放置導航條，先連續采集受檢者自由呼吸狀態下的數個呼吸周期來探測膈肌位置，然后采用斷續的導航脈沖，當膈肌位置落入采集窗時采集圖像［4－5］。在肝臟DWI掃描中，呼吸觸發與導航觸發的掃描時間較自由呼吸及屏氣相對要長，而且受受檢者的呼吸頻率影響大，掃描時間也會延長。

如何克服呼吸運動對肝臟DWI影響，各位學者研究意見不盡統一。Taouli［18］通過比較導航觸發技術與屏氣，結果顯示前者能改善DWI圖像質量、提高肝臟病變與正常肝實質的對比度，并能獲得更精確的ADC值，從而易于發現肝臟的微小病變。Li等［19］在研究DWI對腎功能衰竭的評估中亦得到相似的結論，認為導航觸發技術還可作為一種預期修正的方法，相比屏氣技術，能獲得更低的、與腎小球濾過率更相關的ADC值。在肝臟ADC可重復性研究方面，Chen等［20］認為肝臟不同斷面解剖位置和各種呼吸補償技術都影響肝臟ADC值測量和重復性，表明屏氣ADC值重現性較差，自由呼吸、呼吸觸發、導航觸發三種方式并無差異，相應地自由呼吸因其具有良好的重現性和較短的采集時間推薦用于臨床。與Chen等［20］研究類似，Baltzer等和Choi等［21－22］都認為使用自由呼吸技術采集圖像有優勢，前者認為屏氣采集可能錯過大小小于10mm的病灶，在良惡性病灶對比研究中，自由呼吸DWI受試者工作特征曲線（ROC）下面積多于屏氣。

在有關呼吸抑制技術對肝臟病變顯示和病變ADC值的研究中，Kwee等［23］對比健康志愿者肝實質ADC值（b＝0及500s／mm2）發現，呼吸觸發ADC值最高且重復性差，自由呼吸（厚層、薄層）與屏氣之間差異并無統計學意義，建議臨床上測量ADC值采用自由呼吸和屏氣獲得的圖像。部分學者研究認為呼吸觸發ADC值高有兩個原因，一是由于分次掃描時可能出現呼氣末圖像的錯配，二是由于呼吸運動（特別是呼吸末時）的肝臟形變所產生偽各向異性所導致ADC值誤差［13，24］。與此研究結果相反，Kim等［13］與Kandpal等［25］則認為屏氣與呼吸觸發下采集肝臟腫瘤DWI的平均ADC值無差異，但Kandpal等與Holzapfel等［26］認為由于呼吸觸發采集能提供更好信噪比和更高質量的圖像，故呼吸觸發對肝臟局灶性病變診斷敏感性好。Naganawa等［7］與Chen等［27］分析發現，肝臟屏氣DWI能提高良惡性病變的鑒別診斷，其敏感度和特異度分別達到93%和87%，陽性似然比和陰性似然比分別為7.28和0.09。

2.心臟運動對肝臟DWI影響的相關研究

除了呼吸運動外，心臟及大血管搏動亦會影響肝臟DWI成像，特別是對肝左葉［17］。目前多采用心電觸發及脈搏觸發技術，其原理是每一次數據采集與生理運動周期同步，固定時相采集，從而減少或消除心臟大血管的搏動對DWI成像的影響。

Kwee等［28］與Mürtz等［6］均認為由于脈搏觸發能降低心臟及大血管搏動對擴散的影響，肝臟DWI配合心臟周期采集，圖像質量可改進。Mürtz等［6］認為圖像質量與最佳觸發延遲時間及受試者的心率密切相關，一般以500～600ms為佳，大約處于心動周期的舒張期階段，此時圖像所含器官能清楚呈現、信噪比高且ADC值范圍較為可靠。這個結果與Skare等［29］在觀測心電門控對減少腦DTI偽影時發現是一致的。在Kwee等［28］的研究中，還分別從相位編碼、頻率編碼及層面梯度方向上對肝臟進行DWI成像，對比心臟收縮期及舒張期肝臟DWI信號丟失情況，結果顯示心臟運動對肝臟左、右葉信號丟失均有影響，收縮期肝臟左、右葉的DWI信號丟失較舒張期明顯，肝左葉在頻率編碼方向上信號丟失最嚴重，肝右葉在相位編碼方向上信號丟失最嚴重。Liau等［30］實驗表明肝左葉信號偏差較肝右葉大，越靠近心臟的部位信號丟失越明顯，與Kwee等［28］研究結果大致相似。

近年來，有關心臟運動對肝臟多b值的研究亦見報道。Lee等［31］使用多b值采集肝臟DWI圖像，并比較自由呼吸、呼吸觸發和心回波描記觸發（echocardiography triggering，ET）采集圖像的ADC與IVIM定量參數可重復性，其認為ET技術通過降低心臟運動引起的測量誤差使各定量參數重復性最好。Ozaki等［32］則認為四梯度配合快速補償梯度采集DWI圖像可以在高b值條件下保持較好的信噪比，修正心臟運動對肝臟的影響，在此技術上得到的肝臟左、右葉ADC值較常規肝臟DWI要低，且左、右葉ADC值無明顯差異。

3.聯合呼吸及心電門控技術對肝臟DWI影響的相關研究

目前國內外文獻中，同時采用呼吸及心電門控技術克服呼吸及心臟運動的肝臟DWI研究罕見，究其主要原因一是掃描時間長，受檢者難以耐受；二是呼吸及心臟運動對肝臟的影響涉及到物理、電生理、血液動力學等諸多因素挑戰。目前為止僅見個別報道。Wong等［33］同時使用心電與呼吸補償技術DTI研究認為，肝左葉由于部分各向異性，心臟收縮期的ADC值較舒張期高，而肝右葉并不明顯；在屏氣與自由呼吸對比上，自由呼吸平均擴散率等較屏氣要高。Wittsack等［34］同時使用心電門控和呼吸觸發技術進行3.0TMR DWI和增強掃描研究腎血流時發現，心電門控DWI能夠在心動周期的不同時間點測定擴散系數，搏動性腎血流量取決于心動周期，在最小平均流速為45cm／s和最大流速61cm／s相比，假擴散比率為0.29明顯低于在最大流速時的0.40（P＝0.001）。在最小血流量時使用單指數模型計算的ADC［（2.14±0.08）×10－3mm2／s］，也表現出顯著差異（P＜0.001），小于最大血流量時的ADC［（2.37±0.04）×10×10－3mm2／s］。Wang等［35］在研究胸腹部腫瘤放療時，提出聯合使用呼吸與心電門控采集圖像，由于器官運動影響會進一步降低，可減少概率地圖邊緣范圍，此時對放療治療有潛在指導意義，同時認為由于一次呼吸內包含幾次心跳，在放療時同時使用呼吸與心電門控采集時應先考慮呼吸觸發，因為心臟舒張期較容易重復。

綜上所述，肝臟DWI研究日益成為熱點，但臨床應用還面臨諸多挑戰。如何在肝臟DWI采集過程中結合多種控制運動采集技術（呼吸門控、自由呼吸、膈肌導航、呼氣末屏氣、心電門控），探討控制呼吸運動及心臟搏動對DWI影響降到最低的方案，提高肝臟DWI的成像質量和ADC值測量的準確性和穩定性，尚需進一步的系統研究。

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