正常腦組織磁共振兩b值及多b值擴散加權成像技術變異度對比分析

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值擴散加權成像技術變異度對比分析

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值擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)技術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值參數表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)值及多b值參數包括慢速ADC (D)、快速ADC (D*)、灌注相關體積分數ADC (f)，應用變異系數評價腦組織各參數。結果腦組織的ADC值、D值、D*值、f值及其變異系數分別為：腦白質：(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：(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：(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。結論多b值DWI技術獲得的D值與兩b值DWI技術獲得的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，進行臨床評價時結果需謹慎解讀。

磁共振成像；擴散加權成像；變異系數；腦

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

擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)是唯一活體評價組織內水分子活動自由度的技術，通過其參數表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)可以早期發現組織生理狀態改變，其應用逐漸得到臨床認可，應用領域也越來越廣泛，尤其在腦部[1-6]。該技術利用計算兩個不同梯度場強(b值)下組織信號衰減速度實現水分子活動自由度的評估。但是組織內水分為血管內水及血管外水，血管內快速流動的水干擾了組織內水的準確測量。由于血管內水的影響主要在低擴散梯度場，所以Le等[7-8]提出利用多b值DWI技術分別計算組織在高、低不同場強下的信號衰減速度得到兩個ADC值的模型，得到的兩個ADC值分別為D*(血管內水影響大)和D (血管內水影響小)。

由于減少了血管內血流的影響，D可以更真實地反映組織內水分子活動狀態，很多研究結果表明了D的臨床診斷價值，甚至在部分研究中D優于ADC[9-10]。D*是受血管內水影響大的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MRI計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參數的可重復性研究發現D值的可重復性要好于D*[12]，這種D*的不穩定性可能是造成其臨床應用爭議的重要原因。良好的可重復性保證了影像學指標的穩定獲取，而正常人群中變異度則是影響該影像學指標鑒別正常與異常能力的另一個重要因素。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ADC及多b值DWI參數D、D*及f的變異度(coefficient of variation，CV)來分析多b值DWI技術的應用價值。

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，FOV：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]影像學表現正常的顱腦數據進行下一步分析。

1.2 圖像后處理及分析

兩b值及多b值DWI序列數據傳至GE Work Station 4.4工作站，采用相應商業軟件包進行處理，得到常規兩b值DWI參數ADC及多b值DWI參數慢ADC (D)、快ADC (D*)、灌注相關體積分數ADC (f)參數圖。由具有7年以上磁共振診斷經驗的醫師分別以兩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、白質及基底節區放置不小于12像素的感興趣區(region of interest，ROI)測量相關參數值。選取的ROI自動復制到相關參數圖從而得到同一位置的各參數值。在兩套b=0 DWI圖中放置ROI時要求盡量保持位置一致。

1.3 應用穩定性分析

計算29例腦皮層、白質及基底節區的ADC、D、D*、f值的平均值及標準差，然后計算相應的變異系數(方差除以平均值) CV，利用變異系數的大小評價各參數的應用穩定性。

2 結果

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

ROI測量讀數選取平均值，29例正常腦組織兩b值及多b值DWI參數測量結果如表1所示，根據公式：變異系數=標準差/均值，計算得到各部位各DWI參數的變異系數。

CV結果顯示腦皮層、腦髓質及腦基底節的兩b值DWI參數ADC值的變異度均較小(≤12%)；而多b值DWI參數中，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%)。結果提示多b值DWI參數中D值與兩b值DWI參數ADC值具有同樣良好的應用穩定性。

圖1 多b值DWI參數測量。在b=0 DWI圖(A)上選取右側額葉皮層、右側額葉白質及右側丘腦作為測量點，ROI自動復制于D (B)、D*(C)及f (D)偽彩圖 圖2 兩b值DWI參數測量。在b=0 DWI圖(A)上選取與多b值DWI一致的測量點，ROI自動復制于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參數測量結果及變異系數(CV)Tab.1 Parameters and corresponding CV of DWI with two b and multi-b

3 討論

本研究結果表明多b值DWI的多個參數中D值在正常腦組織中的變異度很低，與兩b值DWI參數ADC值具有相似的低于16%的變異度。低的變異度提高了DWI技術發現異常的能力，DWI技術的廣泛應用以及眾多的臨床研究結果也說明了ADC及D的良好的應用價值[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。本研究參數中f是反映血管成分占組織體積比例的指標，結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腦組織的變異貢獻較弱，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。同時也說明為什么眾多的D與ADC的對比研究中，只有少數研究發現D比ADC有更高的診斷價值[9-10]。

多b值DWI的參數中反映組織的血供D*及f值在正常腦組織中的變異度達到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據采集可重復性，數據采集的不穩定性可以導致數據變異。研究表明D*及f在正常肝臟[12]及肝臟轉移瘤[16]中的可重復性差于D。而Grech-Sollars[17]的一項多中心研究評估9個正常志愿者分別在8家不同醫院磁共振檢查腦組織D和f的差異，各中心結果的變異度顯示D為3.1%，而f為87.1%。掃描的系統誤差是影響可重復性的主要因素，而系統誤差同時作用于D、D*及f，因此D*及f較差的可重復性可能源于兩次檢查時組織血液供應的變化。

人體組織有較強的血液供應的調節能力以適應不同環境，而這種血流變化是可以通過D*及f反映的。在進食后肝臟血供會增加，肝臟的D*值隨之改變[18]而D值較穩定。不同氧濃度條件下腦組織血流改變時D*隨氧濃度變化而規律變化[19]，同時D變化不大。這種D穩定而D*及f變化的現象是符合血液供應的不斷調節變化以維持體內組織微環境的穩定這一基本生理規律的。由于溫度、饑餓程度、室內空氣、精神狀態、性別及年齡[15，19-20]等多種因素均可影響腦組織血液供應，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。提示臨床應用多b值DWI技術評估病變血流時注意控制影響因素。

另外，多b值DWI技術b值的選擇也對D*準確反映組織灌注有所影響。Lemke[21]推薦多b值DWI技術應不少于10個b值，但較高的信噪比是保證準確測量的關鍵，因此本文采用8個b值并在高b值采集時增加激勵次數(最高b值采用8次激勵)提高信噪比。低b值區信號采集對計算D*及f很重要，因此低b值數較少會導致血流灌注的低估[22]從而影響變異度。本研究小b值區偏大可能也是影響D*及f高變異度的原因，增加低b值是否可以提高可重復性并降低變異度有待進一步研究。

由于未見關于多b值DWI技術在正常人群內變異度的報道，因此本研究試圖從變異度角度初步探討該技術的應用穩定性。本研究局限性在于樣本量較少，計算得到的變異度可能不能準確反映真實變異度，但與D相比，D*及f變異度增高的趨勢得到了驗證。

總之，從正常人群變異度角度分析，多b值DWI技術中D與兩b值DWI技術具有同樣的臨床應用穩定性，多b值DWI技術需進一步改進減少D*及f的變異度，目前應用D*及f進行臨床評估時需謹慎。

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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：
鄭州大學附屬腫瘤醫院放射科，鄭州450008

河南省科技計劃項目(編號：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值擴散加權成像技術變異度對比分析. 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).