體素內不相干運動擴散加權成像(IVIM-DWI)定量研究育齡期女性正常子宮月經周期內微循環變化

陳天佑， 強金偉， 李若坤， 蔡宋琪

·腹部影像學·

體素內不相干運動擴散加權成像(IVIM-DWI)定量研究育齡期女性正常子宮月經周期內微循環變化

陳天佑， 強金偉， 李若坤， 蔡宋琪

目的：探討體素內不相干運動擴散加權成像(IVIM-DWI)定量測量正常子宮微循環灌注隨月經周期變化的價值。方法：10例育齡期健康女性志愿者于經期(第3天)、增生早期(第7天)、增生晚期(第12天)、分泌早期(第17天)及經前期(第27天)行盆腔MRI掃描。掃描序列包括T1WI、T2WI和IVIM。測量子宮內膜、結合帶及外肌層的真實擴散系數(D)、假性擴散系數(D*)和灌注分數(f)。比較月經周期各時間點D、D*及f值的差異，統計方法采用隨機區組設計方差分析。結果：不同時間點間兩兩比較，子宮的三層結構中僅內膜的f值在經前期與增生早期以及結合帶的f值在經前期與經期、經前期與增生早期間的差異具有統計學意義(P值分別為0.015、0.037、0.038)，其余各時間點間f、D和D*值的差異無統計學意義(P>0.05)；內膜的f值自增生早期至經前期呈現先上升后下降的變化趨勢，且在增生晚期達峰值。子宮3層結構間兩兩比較，在經期、增生早期、分泌早期和經前期，內膜與結合帶、結合帶與外肌層間D值的差異具有統計學意義(P值分別為0.048、0.024、0.009和0.014；0.029、0.001、0.004和0.000)，且D值的大小為結合帶<內膜<外肌層；除經期外，其它4期時子宮內膜與外肌層、結合帶與外肌層間f值的差異均有統計學意義(P<0.05)；除經期和增生晚期，其它3期時子宮內膜與外肌層、結合帶與外肌層間D*值的差異亦具有統計學意義(P<0.05)。結論：IVIM-DWI是非侵入性評價正常子宮在月經周期中微循環變化情況的有效方法。

子宮； 微循環； 月經周期； 體素內不相干運動； 磁共振成像

磁共振成像在女性生殖系統疾病診斷方面的作用在過去的20年間已經逐步形成[1]，且因其良好的軟組織分辨能力、多平面成像和無電離輻射等獨特優勢，成為迄今為止在體顯示子宮各層結構的最佳影像學方法[2]，尤其是無脂肪抑制矢狀面T2WI。盡管傳統MRI能夠很好地提供子宮形態學方面的信息，但其在評價子宮微循環方面的應用尚未見文獻報道。

DWI技術已應用于女性盆腔良惡性腫瘤的鑒別及子宮內膜癌的分期研究中[3-5]。但由于生物體內組織信號的衰減除受水分子擴散影響外，還受到毛細血管微循環灌注的影響，故采用單指數模型計算的表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient,ADC)并不能真實反映組織內水分子的運動狀況。體素內不相干運動(intravoxel incoherent motion，IVIM)DWI雙指數模型能更好地反映組織信號衰減，它是一種無需使用對比劑即可同時獲得活體組織水分子擴散及微循環灌注信息的無創性檢查技術，能有效地避免對比劑過敏反應及相關腎功能損傷等不良反應的發生。IVIM-DWI的概念由Le Bihan等[6]首次提出，目前已有文獻報道將IVIM技術應用于盆腔腫瘤的診斷[7-8]。而對于正常子宮三層結構隨月經周期變化的IVIM-DWI相關研究國內外均未見報道。有文獻報道，女性生育期子宮三層結構的ADC值在月經周期內會發生改變[9]，但女性月經周期的變化是否會對IVIM-DWI各參數產生影響尚不明確。本研究旨在探討IVIM-DWI定量分析正常子宮血流灌注隨月經周期變化的臨床應用價值。

材料與方法

1.臨床資料

10例育齡期健康女性志愿者，年齡24～27歲，平均25.5歲，中位年齡26.0歲。全部志愿者月經規律，均未婚未育，無流產史；正常體型，身體質量指數(body mass index，BMI)為19～24 kg/m2；無激素使用史、痛經史和婦科疾病史，MRI檢查前的2個月經周期內無避孕藥使用史。每例志愿者于月經周期中的經期(第3天)、增生早期(第7天，經末)、增生晚期(第12天，排卵前)、分泌早期(第17天，排卵后)和經前期(第27天)共5個時間點分別進行盆腔MRI掃描。

2.檢查方法

使用Siemens Magnetom Verio 3.0T MRI掃描儀和十六通道體部線圈，所有病例行常規MRI及IVIM掃描。檢查前均適度飲水使膀胱適度充盈，掃描時采用仰臥位自由呼吸，掃描范圍覆蓋整個盆腔。橫軸面T1WI：TR 455 ms，TE 10 ms，視野32 cm×32 cm，層厚5 mm，層間距1 mm，矩陣320×240；橫軸面FSE T2WI：TR 5500 ms，TE 96 ms，視野32 cm×32 cm，層厚5 mm，層間距1.5 mm，矩陣320×320；矢狀面FSE T2WI：TR 4500 ms，TE 96 ms，視野25 cm×25 cm，層厚4.5 mm，層間距0.9 mm，矩陣320×320。

橫軸面IVIM-DWI：采用單次激發SE-EPI序列，在3個方向上進行擴散信號的采集，選取8個b值(0、50、100、200、400、600、800和1000 s/mm2)；層數25，層厚4.5 mm，間距0.9 mm，TR 4700 ms，TE 71 ms，矩陣120×120，激勵次數1，掃描時間3 min 42 s。

3.圖像后處理

將原始圖像導入IVIM處理軟件(MATLAB；Mathworks，Natick，Mass)，通過雙指數非線性模型生成擴散參數偽彩圖。本次研究中D*上限設為170 mm2/s。參照橫軸面T2WI，每次掃描盡量保持中心層面一致，分別在子宮內膜、結合帶、淺肌層、深肌層和閉孔內肌五個部位各選取2個ROI(圖1)，測量相關參數值并取其平均值，包括真實擴散系數(diffusion coefficient，D)，血液微循環產生的假性擴散系數(pseudodiffusion coefficient，D*)和灌注分數(perfusion fraction，f)。

4.統計學方法

使用SPSS 20.0軟件包進行統計學處理，比較在月經周期不同時期子宮三層結構的D、D*和f值的差異，以及同一生理周期時子宮三層結構間D、D*和f值的差異。采用單變量方差分析法(Univariate Ana-lysis of Variance)，在對各組數據進行多重兩兩比較前，先進行方差齊性檢驗，方差齊時采用采用最小顯著差異法(Least Significant Difference，LSD)，方差不齊時用Tamhane對對各組IVIM定量參數值進行兩兩比較。以P<0.05為差異有統計學意義。

表4 月經周期內不同時期間子宮三層結構各項參數值比較的P值

表5 子宮三層結構中同一生理周期D值的比較

表6 子宮三層結構中同一生理周期D*值的比較

結 果

1.子宮三層結構在不同月經周期IVIM各定量參數比較

10例志愿者均在一個月經周期內完成5次MRI掃描，IVIM圖像清晰，無明顯偽影。子宮三層結構在月經周期不同時間點的IVIM定量參數(D、D*、f)測量結果及兩兩比較結果見表1～4。

表1 正常女性不同月經周期子宮內膜IVIM定量參數值

統計分析結果顯示，僅子宮內膜的f值在經前期與經期、經期與增生早期，以及結合帶的f值在經前期與經期、經前期與增生早期的差異具有統計學意義(P值分別為0.015、0.050、0.037和0.038)，其余各組間兩兩比較差異均無統計學意義(P>0.05)。

表2 正常女性不同月經周期結合帶IVIM定量參數值

表3 正常女性不同月經周期外肌層IVIM定量參數值

2.相同生理周期子宮三層結構之間D、D*、f值的比較

相同生理周期子宮三層結構之間各參數值的比較見表5～7、圖2～4。內膜和結合帶、結合帶和外肌層的D值在經期、增生早期、分泌早期以及經前期兩兩比較，差異均有統計學意義(P值分別為0.048/0.029、0.024/0.001、0.009/0.004、0.014/0.000)，且D值的大小為結合帶<內膜<外肌層。內膜和外肌層、結合帶和外肌層在增生早期、分泌早期和經前期兩兩比較D*值和f值差異均具有統計學意義。內膜f值在增生早期到經前期這段時間內呈現先上升后下降的變化趨勢，且在增生晚期達峰值。內膜和外肌層、結合帶和外肌層f值在增生晚期差異亦具有統計學意義。

表7 子宮三層結構中同一生理周期f值的比較

討 論

1.IVIM-DWI成像原理

IVIM-DWI是一種可以同時測量活體組織水分子擴散運動和毛細血管微循環灌注的無創性檢查方法。研究發現，在活體組織中ADC值很不穩定，組織內水分子運動受到細胞間隔、細胞膜和血流灌注等的影響，尤其是在低b值區域，與微循環灌注相關的擴散系數對信號衰減影響較大，尤其是在高灌注組織。 IVIM-DWI各定量參數中D值又稱真擴散系數，代表排除了灌注影響的相對真實的水分子擴散狀態，又稱慢池擴散，單位是mm2/s。D*即與毛細血管灌注相關的擴散系數，取決于毛細血管的平均血流速度和毛細血管幾何形態，又稱快池擴散，單位也是mm2/s。本研究中D*值約為D值的10倍左右，這也進一步解釋了低b值時D*值對磁共振信號的衰減具有更高的敏感性。f表示灌注因素在擴散信號中所占的比例，與毛細血管血流量有關，反映組織內血管密集程度，其沒有單位，大小介于0到1之間。理論上f值應隨組織微循環灌注的增加而增大。

在IVIM 研究中，通常要求采集多個b值的數據，當b值<200s/mm2時的獲得的灌注參數主要反映的是血流灌注效應，而b值>200s/mm2時則反映了真實的水分子擴散情況。IVIM基于非線性擬合算法得到D、D*和f值可達到無創性反映組織內灌注情況的目的，從而避免了對比劑過敏反應及相關的腎源性系統性纖維化等。

2.IVIM-DWI定量參數評價子宮微循環月經周期變化

子宮是個激素依賴器官，以往的研究大部分注重月經周期改變對子宮形態學影響的相關研究，他們證實內膜厚度及子宮體積隨性激素(同時包括年齡和月經周期)的變化而變化[10-11]。本研究主要觀察育齡期女性月經周期改變導致子宮三層結構的微血管灌注信息的變化趨勢，為今后鑒別早期子宮病變與正常子宮血流灌注之間的差異提供定量依據。

本研究結果顯示，僅子宮內膜在經前期與經期、經期與增生早期以及結合帶在經前期與經期、經前期與增生早期，f值的差異具有統計學意義，其余各組間IVIM定量參數比較差異無統計學意義。內膜f值在增生早期到經前期這段時間內呈現先上升后下降，且在增生晚期達峰值的變化趨勢，此種變化趨勢符合內膜微血管在月經周期的變化規律。增生早期雌孕激素較少，結合帶細胞排列緊密，間質內有較直而壁薄的小動脈向內膜表面生長，小動脈直、口徑小、血液流速快、血流量大；隨著雌激素水平逐漸升高，到排卵前達第一個峰值，結合帶內皮細胞增大，胞漿內含水量逐漸增多，小動脈、螺旋動脈逐漸卷曲、增粗，血流速度逐漸減慢；排卵后雌激素有所下降，隨黃體的發育，雌孕激素再次增高達峰值水平，小動脈、螺旋動脈更加卷曲、增粗，血流速度進一步減慢，螺旋動脈受壓更加迂曲，血管內血流瘀滯。這與Thomassin-Naggara等[12]的研究結果類似，他利用磁共振對比劑灌注成像的方法發現結合帶的微循環灌注在月經周期內不同時期之間差異有統計學意義，且在排卵前(卵泡期)組織血流量和血容量達到峰值，而在排卵后(黃體期)時降至低谷，而外肌層卻沒有這種變化。

內膜和結合帶的D和D*值在月經周期內各個時期間進行兩兩比較，差異均無統計學意義，可能的原因是這兩個定量參數對于內膜以及結合帶在月經不同周期中水分子擴散以及毛細血管血流流速的細微變化不敏感所致。D*值差異無統計學意義也可能是因為其具有較大的標準差，數據的不穩定性和對信噪比水平的依賴性[13]。外肌層的D、D*和f值在子宮生理周期不同時期間的差異均無統計學意義，這表明外肌層微循環灌注相對穩定，不隨月經生理周期而變化。

子宮內膜和結合帶在子宮各個生理周期中的D*和f值的差異均無統計學意義，表明子宮內膜和結合帶之間的微循環灌注在月經不同周期是同步變化的。這與Kido等[9]的研究結果一致，他認為育齡期女性子宮各層結構包括內膜和結合帶的ADC值隨月經周期變化而改變。因為子宮內膜和結合帶一樣起源于副中腎管，結合帶的雌孕激素受體同內膜一樣隨月經周期變化而變化，提示結合帶和內膜組成一個功能單位。本研究中子宮內膜與外肌層、結合帶與外肌層的D*和f值在增生早期、分泌早期、經前期的差異均具有統計學意義，而與增生晚期D*值的差異不具有統計學意義。可能是因為增生晚期內膜的微血管灌注達到頂峰，其與外肌層的微血管灌注差異縮小。這提示我們采用IVIM對子宮病變進行評價時，需考慮子宮三層結構IVIM定量參數值受月經周期變化的影響。最好選擇在增生早期、分泌早期和經前期進行檢查，這樣可以避免經期子宮內膜剝脫出血和增生晚期對測量結果的影響。月經期內膜D*和f值最高，其原因可能是因為月經期內膜剝脫出血，內膜毛細血管血流量增大所致。另外我們還注意到，本研究中外肌層的D*及f值在月經不同周期均較內膜和結合帶要高，根據IVIM理論，D*和f值很大程度上取決于組織微循環灌注的豐富程度，可能的原因是本實驗受試者均為育齡期女性，子宮肌層微血管密度仍較內膜豐富。同時我們注意到同一生理周期中擴散系數D值在內膜與結合帶、結合帶與肌層間兩兩比較時，差異均有統計學意義，且D值的大小為結合帶<內膜<外肌層。原因是結合帶有著緊湊的平滑肌束，使其水分子含量減少、細胞外間隙減少，質核比降低，肌細胞排列更緊密[14]。這些特征導致T2值縮短，擴散受限，這也導致了結合帶ADC值最低，故其D值也最低。對于內膜而言，其含有更多的基質，血管內皮細胞以及豐富的腺體，而且內膜還含有比如說粘附分子、CD44這樣的特殊化學分子和細胞。這些分子和細胞被認為是與纖維連接蛋白以及膠原蛋白橋接有諸多相關性[15]。這些特殊的微環境結構導致細胞密度增加，水分子擴散受限，使得內膜相對于肌層而言ADC值較低，故其D值也相對較低。外肌層由基質平滑肌細胞和纖維連接組織有關，這意味著較大的細胞外間隙和相應最大的ADC值[16]。這一結果與常規單指數模型DWI所得結果一致[17]。因此，我們認為D值可以很好地反映月經周期中子宮三層結構的水分子擴散情況，有望用于監測子宮病變特別是子宮內膜癌的療效和鑒別腫瘤的復發。

3.研究不足之處

本研究也有不足之處。首先，本研究中樣本量較少且IVIM序列中小于200s/mm2的b值較少，故需要進一步加大樣本量及選用更多小b值來驗證IVIM定量參數對內膜疾病的評價效能；其次，分析IVIM數據的后處理軟件尚不能完全統一，且在目前的標準工作站上是沒有配備的，因此限制了它在臨床實際工作中的應用；另外，低b值DWI時組織信號對信噪比的變化較敏感，且不同b值和個數的組合會導致不同結果，故需要進一步深入研究，找出最合適的b值和數量。

綜上所述，基于常規DWI序列的IVIM雙指數模型不僅能提供準確客觀的組織內水分子擴散信息，而且無需使用對比劑即可獲取子宮各層結構微循環灌注的定量信息。認識正常子宮三層結構的微循環灌注信息是我們進一步研究子宮病變的基礎，正常子宮IVIM定量參數值的測量將有助于我們與某些早期子宮病變進行鑒別診斷。

[1] Sala E,Wakely S,Senior E,et al.MRI of malignant neoplasms of the uterine corpus and cervix[J].AJR,2007,188(6):1577-1587.

[2] Kunz G,Beil D.Characterization of the uterine junctional zone prior to IVF/ICSI:an observational study[J].Arch Gynecol Obstet,2010,281(5):945-953.

[3] Rechichi G,Galimberti S,Signorelli M,et al.Endometrial cancer:correlation of apparent diffusion coefficient with tumor grade,depth of myometrial invasion,and presence of lymph node metastases[J].AJR,2011,197(1):256-262.

[4] Beddy P,Moyle P,Kataoka M,et al.Evaluation of depth of myometrial invasion and overall staging in endometrial cancer:comparison of diffusion-weighted and dynamic contrast-enhanced MR imaging[J].Radiology,2012,262(2):530-537.

[5] 儲彩婷，李文華，崔艷芬，等.MR彌散加權成像在子宮內膜良惡性病變中的鑒別價值[J].醫學影像學雜志,2012,22(11):1915-1919.

[6] 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):497-505.

[7] Lee EY,Yu X,Chu MM,et al.Perfusion and diffusion characteristics of cervical cancer based on intraxovel incoherent motion MR imaging-a pilot study[J].Eur Radiol,2014,24(7):1506-1513.

[8] Lee EY,Hui ES,Chan KK,et al.Relationship between intravoxel incoherent motion diffusion-weighted MRI and dynamic contrast-enhanced MRI in tissue perfusion of cervical cancers[J].J Magn Reson Imaging,2015，42(2)：454-459.

[9] Kido A,Kataoka M,Koyama T,et al.Changes in apparent diffusion coefficients in the normal uterus during different phases of the menstrual cycle[J].Br J Radiol,2010,83(990):524-528.

[10] Hoad CL,Raine-Fenning NJ,Fulford J,et al.Uterine tissue development in healthy women during the normal menstrual cycle and investigations with magnetic resonance imaging[J].Am J Obstet Gynecol,2005,192(2):648-654.

[11] Demas BE,Hricak H,Jaffe RB.Uterine MR imaging:effects of hormonal stimulation[J].Radiology,1986,159(1):123-126.

[12] Thomassin-Naggara I,Balvay D,Cuenod CA,et al.Dynamic contrast-enhanced MR imaging to assess physiologic variations of myometrial perfusion[J].Eur Radiol,2010,20(4):984-994.

[13] Marzi S,Piludu F,Vidiri A.Assessment of diffusion parameters by intravoxel incoherent motion MRI in head and neck squamous cell carcinoma[J].NMR Biomed,2013,26(12):1806-1814.

[14] Scoutt LM,Flynn SD,Luthringer DJ,et al.Junctional zone of the uterus:correlation of MR imaging and histologic examination of hysterectomy specimens[J].Radiology,1991,179(2):403-407.

[15] He Q,Lesley J,Hyman R,et al.Molecular isoforms of murine CD44 and evidence that the membrane proximal domain is not critical for hyaluronate recognition[J].J Cell Biol,1992,119(6):1711-1719.

[16] Kuang F,Ren J,Huan Y,et al.Apparent diffusion coefficients of normal uterus in premenopausal women with 3.0T magnetic resonance imaging[J].J Comput Assist Tomogr,2012,36(1):54-59.

[17] Cao K,Gao M,Sun YS,et al.Apparent diffusion coefficient of diffusion weighted MRI in endometrial carcinoma:relationship with local invasiveness[J].Eur J Radiol,2012,81(8):1926-1930.

Quantification of uterine microcirculation changes in women of reproductive age during menstrual cycle using intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging

CHEN Tian-you,QIANG Jin-wei,LI Ruo-kun,et al.

Department of Radiology,Jinshan Hospital Affiliated to Fudan University,Shanghai 201506,China

Objective：To investigate the value of intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging (IVIM-DWI) for quantifying microvasculation changes of normal uterus during menstrual cycle.Methods：Ten healthy female volunteers of reproductive age underwent pelvic MRI examination including T1WI,T2WI,and IVIM-DWI at five periods of menstrual cycle including menstruation,early hyperplasia phase,late hyperplasia phase,early secretion phase,and pre-menstruation phases.Diffusion coefficient (D),pseudodiffusion coefficient (D*),and perfusion fraction (f) of endometrium,junctional zone and myometrium of uterus were measured and compared.Analysis of variance for randomized block design was used for statistical analysis.Results：For each of the three layers of uterine wall,the f,D and D*at different phases were compared using pairwise comparison among groups,significant difference was only found in f value between menstruation and early hyperplasia phase for endometrium,and between pre- menstruation and menstruation,early hyperplasia phase and pre-menstruation for junctional zone (P=0.015,0.037 and 0.038,respectively).From early hyperplasia phase to pre-menstrual phase,the f value of endometrium increased firstly,reached the peak value in the late of hyperplasia phase and then decreased.In each phase of menstrual cycle,the three indexes were compared using pairwise comparison among the three layers of uterus:except late hyperplasia phase,in the other four phases there was significant difference in D value of junctional zone compared with endometrium or myometrium (P=0.048,0.024,0.009 and 0.014;and 0.029,0.001,0.004 and 0.000;respectively),and the mean of D value was junctional zone

Uterus； Microcirculation； Menstrual cycle； Intravoxel incoherent motion； Magnetic resonance imaging

201508 上海，復旦大學附屬金山醫院影像科

陳天佑(1989-)，男，河南永城人，住院醫師、碩士，主要從事體部影像診斷工作。

強金偉，E-mail：dr.jinweiqiang@163.com

國家自然科學基金(81471628)；上海市科委醫學引導項目(124119a3300)；上海市衛生系統先進適宜技術推廣項目(2013SY075)

R445.2； R711.5

A

1000-0313(2016)12-1213-06

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.12.024

2015-12-03

2016-04-01)