体素内不相干运动扩散加权成像在评价腹膜后肿瘤中的b值优化方案研究

体素内不相干运动扩散加权成像在评价腹膜后肿瘤中的b值优化方案研究

张屹俊,张九龙,单飞,施楠楠,齐华丽,宋朋睿,章礽荫

上海市(复旦大学附属)公共卫生临床中心 放射科,上海 200083

[摘 要]目的 探讨基于不同扩散敏感梯度因子(b)值组合的体素内不相干运动扩散加权成像(Intra-Voxel Incoherent Motion Diffusion-Weighted Imaging,IVIM-DWI)模型在腹膜后肿瘤相关参数的稳定性和可重复性研究,优化IVIM-DWI模型最佳b值组合。方法 回顾性分析术前行常规MR和IVIM-DWI检查的53例腹膜后肿瘤患者影像病理资料,设置5组不同的b值组合(I组:0、10、20、50、100、150、200、500、800、1000 s/mm2;Ⅱ组:0、100、200、300、400、500、600、700、800、900 s/mm2;Ⅲ组:0、50、100、200、400、600、800、1000、1200、1400 s/mm2;Ⅳ组:0、50、150、500、1000 s/mm2;Ⅴ组:0、20、100、200、800 s/mm2),其中21例采用Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ组b值组合方案,32例采用Ⅰ+Ⅳ+Ⅴ组b值组合方案。测量各组的IVIM-DWI定量参数(D值、f值、D* 值及ADC值),并根据李克特(Likert)5分量表法对图像质量进行评价。结果Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ组b值组合的IVIM-DWI相关定量参数(D值、f值、D* 值及ADC值)及图像质量评分均无统计学意义(P>0.05);而Ⅲ组的D值、D*值和ADC值均显著低于其他四组(P<0.05),且图像质量评分最低;Ⅴ组的f值和D*值与Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ组的f值和D*值有统计学意义(P<0.05)。此外,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组b值组合的IVIM-DWI序列扫描时间约为Ⅳ和Ⅴ组的2倍。结论Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ组b值组合的IVIM-DWI相关定量参数的稳定性和可重复性最优,其中Ⅰ组的图像质量最佳,而Ⅳ组的IVIM-DWI采集时间最短,临床工作中,可根据患者实际情况选择合适的b值组合。

[关键词]体素内不相干运动扩散加权成像;b值优化;腹膜后肿瘤;磁共振成像

引言

弥散加权成像(Diffusion Weighted Imaging,DWI)是一种基于组织内水分子的随机布朗运动的MR检查技术,通过表观弥散系数(Apparent Diffusion Coefficient,ADC)值可以鉴别肿瘤的良恶性及评估其预后[1]。由于血流灌注的影响,软组织良性和恶性肿瘤的ADC值存在较大的重叠,导致对良性和恶性肿瘤的鉴别价值有限[2]。体素内不相干运动扩散加权成像(Intra-Voxel Incoherent Motion Diffusion-Weighted Imaging,IVIM-DWI)可以定量区分微循环或血液灌注引起的纯扩散系数(True Diffusion Coefficient,D)和伪扩散系数(Pseudo-Diffusion Coefficient,D*),弥补了传统DWI的不足。IVIM-DWI已广泛应用于全身多器官及相关疾病的诊断、鉴别诊断、疗效监测和预后评估[3-4]。其中扩散敏感梯度因子(b)对弥散运动表现的敏感程度,反应弥散加权的程度,对弥散参数有直接影响。IVIM-DWI通过采集多个b值的DWI图像,包含足够数目的低b值(<200 s/mm2)和高b值(>200 s/mm2),以双指数模型拟合得出D、D*和灌注分数(Perfusion Fraction,f),来分别反映组织微观结构特征和微循环灌注信息[5]。在IVIMDWI扫描中,b值的选择对相关测量参数的稳定性和可重复性及图像质量有直接影响[6]。但IVIM-DWI的b值组合尚无统一的标准,数量4~15个不等,相关文献报道不同的脏器、病种所使用b值组合方案也参差不齐。

腹膜后肿瘤(Retroperitoneal Tumor,RT)是一类发生于腹膜后间隙的肿瘤,临床病理类型复杂,具有较高的肿瘤异质性,发现时通常瘤体巨大,良性肿瘤以神经源性肿瘤最常见,恶性肿瘤以脂肪肉瘤、平滑肌肉瘤好发,肿瘤内常含有多种成分,如脂肪、黏液、出血、钙化纤维等[7]。常规DWI序列不能准确反应肿瘤内弥散、灌注情况,而以往研究表明双指数IVIM-DWI模型选择多个b值选择可以提高病灶的检出及性质诊断,已经用于肝脏、胰腺、乳腺及前列腺疾病的诊断和鉴别诊断,但在RT检查中b值组合方案选择常根据文献或经验,尚无进一步论证b值组合对测量参数的稳定性、可重复性影响,是否是最优的b值组合[8],针对上述问题本研究主要探讨IVIMDWI技术在评估RT中应用不同b值组合对相关定量参数准确性、可重复性以及图像质量的影响,旨在探索出合适b值组合既能满足临床诊断需求,又能减少采集时间。

1 资料与方法

1.1 临床资料

回顾性分析本院2018年7月至2019年5月收治的术前行常规MR和IVIM-DWI扫描并经术后病理证实的53例RT的影像病理资料,男29例,女24例,年龄28~76岁,平均(50.8±6.9)岁,高分化脂肪肉瘤10例,去分化脂肪肉瘤15例,黏液型脂肪肉瘤5例,平滑肌肉瘤6例,纤维肉瘤5例,淋巴瘤3例,转移瘤5例,血管平滑肌脂肪瘤2例,神经节细胞瘤1例,滑膜肉瘤1例,见表1。

1.2 仪器与参数

53例 RT患 者 均 在 3.0T MR(Ingenia,Philips) 扫描仪完成检查,使用64通道腹部相控阵线圈,行常规MR和IVIM-DWI序 列 扫 描。IVIM-DWI模 型 参数 :TR 4043 ms,TE 75 ms, 视 野 400mm×300mm,层厚/层间距5/1 mm,层数24,矩阵132×96,体素3 mm×3 mm×5 mm,激励次数2次。IVIM-DWI的包含b值数量17个,b值组合数量5~10个,根据每一个亚组定量参数值计算整体参数评估误差(Global Parameter Evaluation Error,GPER),评估同一患者不同b值组合的扫描误差,筛选GPER低于重复扫描误差,且b值数量最少的b值组合,确定最佳组合亚组,然后与不同患者b值组合扫描方案比较,以评估IVIM-DWI相关参数稳定性和可重复性,筛选后选择5组不同的b值组合:Ⅰ组(0、10、20、50、100、150、200、500、800、1000 s/mm2),扫描时间4 min 42 s;Ⅱ组(0、100、200、300、400、500、600、700、800、900 s/mm2),扫描时间4 min 39 s;Ⅲ组(0、50、100、200、400、600、800、1000、1200、1400 s/mm2),扫描时间4 min 53 s;Ⅳ组(0、50、150、500、1000 s/mm2),扫描时间2 min 14 s;Ⅴ组(0、20、100、200、800 s/mm2),扫描时间2 min 11 s。

表1 53例RT的IVIM-DWI模型扫描方案和肿瘤病理类型

扫描方案 Ⅰ组 Ⅱ组 Ⅲ组 Ⅳ组 Ⅴ组b值组合 0、10、20、50、100、150、200、500、800、1000 0、100、200、300、400、500、600、700、800、900 0、50、100、200、400、600、800、1000、1200、1400 0、50、150、500、1000 0、20、100、200、800采集时间 4 min 42 s 4 min 39 s 4 min 53 s 2 min 14 s 2 min 11 s病理类型/例 53 21 21 32 32脂肪肉瘤/30 30 12 12 18 18平滑肌肉瘤/6 6 2 2 4 4纤维肉瘤/5 5 0 0 5 5淋巴瘤/3 3 3 3 0 0转移瘤/5 5 2 2 3 3其他/4 4 2 2 2 2

1.3 数据处理与分析

将获得的IVIM-DWI模型原始数据导入第三方后处理软件(IMAge/enGINE)生成相关的量化参数图像[9]。IVIM-DWI模型参数包括 :f,D*(mm2/s×10-3),D(mm2/s×10-3),ADC(mm2/s×10-3)。在上面的参数图中,所有感兴趣的区域被手动放置在肿瘤部位,同一患者不同组的ROI的大小、层面尽量保持一致,避开明显囊变、坏死、出血区。邀请两名经验丰富的放射科医师采用随机双盲法进行测量参数,每组选取3个ROI计算平均值。另外邀请2位高年资放射诊断医师对图像质量进行盲态评价,采用李克特(Likert)5分量表法,具体评分细节如表2所示。

表2 李克特(Likert)5分量表法

分值/分 评价 评价要素5 图像质量优秀,可用于诊断,非常满意图像信号均匀度4 图像质量良好,可用于诊断,满意实质脏器、管腔内液体、软组织对比度3 图像质量有瑕疵,不影响诊断,一般 是否有可见伪影2 图像质量较差,影响诊断,较不满意 目标器官显示清晰度1 图像质量差,不能诊断,不满意 图像是否可用于诊断

1.4 统计学分析

采用SPSS 24.0软件进行统计学分析。IVIM-DWI定量参数的描述性统计均以均数±标准差(xs)表示。采用Shapiro-Wilk检验来检验数据分布的正态性。IVIM-DWI不同b值组合的相关参数比较采用独立样本t检验,组间两两比较应用LSD-t检验。不同组间的图像质量评价采用Fisher确切概率法。以P>0.05表示差异无统计学意义。

2 结果

2.1 各组间IVIM-DWI相关参数比较

53例RT各组的IVIM-DWI参数(D值,D*值,f值,ADC值)的均值±标准差显示在表3及图1所示。各组间LSD-t检验结果显示:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四组间的平均f值(0.23±0.11,0.21±0.12,0.23±0.11,0.26±0.11)均无明显统计学意义(P>0.05),且均显著的低于第Ⅴ组的平均f值(0.38±0.15,P<0.05);Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ组的平均D值(1.49±0.47、1.41±0.49、1.57±0.43、1.71±0.46 mm2/s×10-3)与ADC值(1.45±0.44、1.36±0.49、1.52±0.44、1.61±0.44 mm2/s×10-3)均无统计学差异(P>0.05),且均高于第Ⅲ组的平均D值(1.15±0.46,P<0.05)和ADC值(1.61±0.44,P<0.05);而Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三组的平均D*值(39.29±23.86、38.51±24.6、39.01±23.3 mm2/s×10-3)均无明显统计学差异(P>0.05),且均显著地高于第Ⅲ组和Ⅴ组的D*值(22.51±15.7、29.0±22.23,P<0.05)。综上所述,Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三组间各参数均无统计学差异,具有良好的稳定性和可重复性。

表3 53例 RT各组的 IVIM-DWI参数(±s)

IVIM-DWI定量参数 Ⅰ组 Ⅱ组 Ⅲ组 Ⅳ组 Ⅴ组f 0.23±0.11 D*/(mm2/s×10-3)0.21±0.12 0.23±0.11 0.26±0.11 0.38±0.15 29.0±22.23 D/(mm2/s×10-3)39.29±23.86 38.51±24.6 22.51±15.7 39.0 1±23.3 1.71±0.46 ADC/(mm2/s×10-3)1.49±0.47 1.41±0.49 1.15±0.46 1.57±0.43 1.45±0.44 1.36±0.49 1.14±0.47 1.52±0.44 1.61±0.44

图1 IVIM-DWI各参数值柱状图

注:a. f值;b. D*值;c. D值; d. ADC值。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四组间的平均 f值(0.23±0.11,0.21±0.12,0.23±0.11,0.26±0.11)均无明显统计学差异(P>0.05);Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和 Ⅴ 组 的 平 均 D 值(1.49±0.47,1.41±0.49,1.57±0.43,1.71±0.46 mm2/s×10-3)与 ADC 值(1.45±0.44,1.36±0.49,1.52±0.44,1.61±0.44 mm2/s×10-3)均无统计学差异(P>0.05);而Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三组的平均D*值(39.29±23.86,38.51±24.6,39.01±23.3 mm2/s×10-3)均无明显统计学差异(P>0.05)。综上所述:Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三组间各参数均无统计学差异,具有良好的稳定性和可重复性。(ns表示P>0.05,差异无统计学意义,*表示 P<0.05,**表示 P<0.01,***表示 P<0.001)。

2.2 各组间IVIM-DWI图像质量比较

根据Likert 5分量表法评估IVIM-DWI相关参数图像质量结果显示:Ⅰ~Ⅴ组平均得分分别为:4.53、4.39、3.06、4.32和3.92分;其中Ⅰ组的4~5分占85.1%,Ⅱ组的4~5分占80.5%,Ⅲ组的4~5分占43.4%,Ⅳ组的4~5分占79.3%,Ⅴ组的4~5分占74.7%,结果表明第Ⅰ组与Ⅱ组图像整体及病灶部位信噪比和分辨率明显优于第Ⅲ组(图2);第Ⅰ组与Ⅳ组图像整体及病灶部位信噪比和分辨率优于第Ⅴ组(图3);Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三组的图像质量无明显统计学差异(图4),均可用于临床诊断。

图2 IVIM-DWI相关参数伪彩图

注:女,52岁,腹膜后去分化脂肪肉瘤伴局灶多形性脂肪肉瘤。在相同肿瘤层面,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组的IVIM-DWI相关灌注分数(f)图、假性扩散系数(D*)图及真性扩散系数(D)图所示,第Ⅰ组与Ⅱ组图像整体及病灶部位(红色圆形区域)的信噪比和分辨率明显优于第Ⅲ组。

图3 IVIM-DWI相关参数伪彩图

注:女,46岁,腹膜后去分化脂肪肉瘤。Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ三组的IVIM-DWI相关灌注分数(f)图、假性扩散系数(D*)图及真性扩散系数(D)图所示,第Ⅰ组与Ⅳ组图像整体及病灶部位(红色圆形区域)的信噪比和分辨率明显优于第Ⅴ组。

图4 Likert 5分量表法评估5组IVIM-DWI模型图像质量条形散点图

注:ns表示P>0.05,差异无统计学意义,Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三组的图像质量无明显统计学差异。

3 讨论

MRI对软组织所特有的高对比分辨率,奠定了其在RT影像检查中不可替代的地位。通过病灶的T1、T2加权成像及脂肪抑制、组织灌注成像、水分子扩散加权成像等各类成像技术相结合,可提供RT的解剖结构、毗邻关系、浸润范围、血管及神经受累情况,以及肿瘤的病理生理特征等多种信息,为肿瘤的定位及定性诊断、个体化治疗方案的制定、疗效评估、方案调整以及随访提供了较为全面可靠的信息。

常规DWI-MRI扫描一般采用两个b值进行成像,得到的是水分子扩散和微血管灌注的综合信息,测量所得的ADC值是水分子扩散运动和微循环灌注共同作用的结果。而IVIM-DWI测得的是体素内不相干运动,包含了水分子的真性扩散及微循环灌注形成的假性扩散两部分内容,弥补了DWI的不足。但IVIM-DWI成像技术需要采用多b值。Le等[10]提出的IVIM模型,通常采用高(>200 s/mm2)、低(≤200 s/mm2)2组b值,使用最小二乘法求得组织灌注信息和扩散运动信息。理论上至少应用4个不同加权的b值(包括b=0),才可获得D、D*和f参数值,且b值需在0~200 s/mm2之间时,才可通过算法拟合出灌注相关信息。但是随着b值数目的增加,相应IVIM-DWI扫描时间延长。IVIM计算为公式(1):

Sb为b值函数。S0为b=0时的值。f为灌注分数,代表感兴趣区内局部微循环的所致灌注效应占总体的扩散效应的容积比率。D为真性扩散系数,代表纯的水分子扩散运动(缓慢的扩散运动成分)。D*为快速扩散系数,代表体素内微循环的不相干运动(灌注相关的扩散运动或快速的扩散运动成分)。

选用低b值(0~200)时,采集的信号包含了水分子的扩散运动以及局部微循环毛细血管内水分子的灌注效应,且对灌注效应更敏感。而使用高b值(200~1000)时,代表慢速扩散成分起着主要作用,更接近水分子的扩散情况,但高b值存在图像高噪声、病灶显示能力差的缺点。在第Ⅲ组的b值设定中,高b值较多,因此图像质量评分最差,符合此观点。

既往研究表明,腹部器官相较于其他器官,如大脑等,具有较高的分流灌注和假性扩散值,而高灌注会使信号急剧下降[8-9],因此随着假性扩散的增加,低b值的影响也愈发重要,Cohen等[11]建议在腹部IVIM-DWI扫描时至少包括两个非常低的b值,本研究Ⅰ组的b值分布符合该建议,因此图像评分最佳。而Ⅳ组选用的b值数量为5个,可达到鉴别诊断的要求,且扫描时间最短(2 min 14 s),较Ⅰ组的图像采集时间(4 min 42 s)减少了51%,可大幅提高工作效率,提升患者的检查舒适度,降低仪器的工作损耗。另外,有学者认为IVIM中的灌注参数可用于替代动态对比增强MRI(DCE-MRI)成像的灌注参数,并且能反映其动态变化,这对于一些由于血管条件不佳或者肾功能不全而无法进行造影剂注射的患者来说,可以有效地提高检出率[12],建议可作为RT的常规扫描序列在日常工作中开展。

4 不足与展望

本研究存在一定的局限性,首先,样本量不大,有待提高样本量做进一步研究。其次,关于D、D*、f值的稳定性,多位学者的观点也不尽相同[13-15],郝凤等[16]认为,这可能是和b值及ROI的选取有关。我们在测量各参数值时,虽尽量选取结节的实性部分,但仍会有一些未能避开囊性、出血等成分的干扰,给测量结果带来了一定的误差。另外,理论上尽管3.0T的核磁共振设备相较于1.5 T具有更高的信噪比,但同时3.0T也具有磁化伪影较大及涡流畸变等缺点[17],有研究表明在1.5T设备上可获得更好的DWI图像[18]。Cui等[19]研究表明肝脏DWI在1.5 T~3.0 T平台间之间D、ADC值具有良好的重复性,而f、D*值具有变异性,在未来的研究中我们可以继续探索基于上述b值组合的IVM-DWI在评价RT中是否具有以上特点。

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Study on b Value Optimization Scheme of Intra-Voxel Incoherent Motion Diffusion-Weighted Imaging in the Evaluation of Retroperitoneal Tumors

ZHANG YiJun, ZHANG Jiulong, SHAN Fei, SHI Nannan, QI Huali, SONG Pengrui, ZHANG Rengyin
Department of Radiology, Shanghai Public Health Clinical Center, Fudan University, Shanghai 201508, China

Abstract: Objective To investigate the stability and repeatability ofintra-voxel incoherent motion diffusion-weighted imaging(IVIM-DWI) model based on different combinations of diffusion-sensitive gradient factor (b) values in retroperitoneal tumors, and to optimize the optimal combination of bvalues of IVIM-DWI model. Methods The imaging and pathological data of 53 patients with retroperitoneal tumor who underwent routine MRI and IVIM-DWI were analyzed retrospectively. Five groups of different combinations of b values were set (I group: 0, 10, 20, 50, 100, 150, 200, 500, 800, 1000 s/mm2;Ⅱgroup: 0, 100, 200, 300, 400,500, 600, 700, 800, 900 s/mm2;Ⅲ group: 0, 50,100, 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400 s/mm2;Ⅳ group: 0, 50, 150, 500,1000 s/mm2;V group: 0, 20, 100, 200, 800 s/mm2). Among them, 21 cases adopted the combination of bvalues in Ⅰ+Ⅱ+Ⅲgroup, and 32 cases adopted the combination of b-values inⅠ+Ⅳ+Ⅴ group. IVIM-DWI quantitative parameters (D value, f value, D* value and ADC value) of each group were measured, and the image quality was evaluated by Likert 5 subscale method.Results There were no significant differences in IVIM-DWI related quantitative parameters (D value, f value, D* value and ADC value) and image quality score (P>0.05) in Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ group, while the D value, D* value and ADC value of the Ⅲ group were significantly lower than those of the other four groups (P<0.05), and the image quality score was the lowest. The f value and D*value of group Ⅴ were significantly different from those of Ⅰ, Ⅱ and Ⅳ groups (P<0.05). In addition, the IVIM-DWI sequence scanning time of the combination of b values in Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ groups was approximately 2 times as long as that in Ⅳ and Ⅴ groups.Conclusion The stability and repeatability of IVIM-DWI related quantitative parameters of b value combinations in Ⅰ, Ⅱ and Ⅳgroups were optimal, among which the image quality of Ⅰgroup was the best, while the scanning time of sequence of Ⅳ group was the shortest. In clinical work, an appropriate combination of b values canbe selected according to the actual situation of patients.Key words: intra-voxel incoherent motion diffusion-weighted imaging; b-value optimization; retroperitoneal tumor; magnetic resonance imaging

[中图分类号]R445

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2020.10.032

[文章编号]1674-1633(2020)10-0142-05

收稿日期:2020-07-15

作者邮箱:dott147@126.com

本文编辑 韩莹