肝非高斯扩散加权成像的可行性及可重复性研究

【摘要】研究背景磁共振扩散加权成像(Diffusionweightedimaging,DWI)是一种无创的磁共振功能成像技术,属于分子影像范畴,它从分子层面上分析病变组织结构、组织成分的微观变化来反映组织器官的宏观病变,是目前进行活体定性研究、定量分析水分子扩散受限的最佳的成像技术,其在大脑缺血性病变、肿瘤性病变等方面已经得到广泛的运用。近年来,随着磁共振各种快速成像技术的发展,尤其是平面回波技术的开展及应用,其快速成像的优势明显减弱了人体各种生理运动(如呼吸、胃肠蠕动及大血管搏动等等)伪影,促进了扩散加权成像在腹部各脏器的临床应用,尤其是对腹部实质性脏器疾病的诊断、病变治疗后疗效的评价产生了深远的影响。DWI不仅能对病变进行定性诊断,而且通过表观扩散系数(ApparentdiffusioncoefficientADC)的测量对病变进行定量分析—即量化成像分析,这在肝脏肿瘤检测、肿瘤定性和监测治疗效果方面有着极大的临床价值,因为一般而言代谢、功能的变化往往先于形态学改变。尽管临床实践中ADC值的应用正在扩大,但DWI容积量化的可重复性尚未很好确定。ADC值可能被不同序列接收参数、MR系统类型、肿瘤的大小和位置等影响。ADC值随时间呈非线性变化,当它们不是在不同患者间的同一时间点获取,这可致测量值极大不同。在利用ADC进行肝脏疾病评价时,为了使得研究者的前后结果或研究者之间的结果具有可比性,无疑迫切需要ADC值的测量具有较高的可重复性。既往有作者研究了颅脑ADC值测量的可重复性问题。腹部DWI成像与脑部DWI成像不同,容易受到呼吸、心跳及胃肠道蠕动等各种生理因素以及胃肠道内容物的影响,因此腹部脏器特别是肝脏ADC值测量的准确性及可重复性也越来越引起人们的关注。腹部DWI测量误差可能取决于很多因素,包括成像设备,启动程序,数据采集技术和重复测量的间隔时间等等。另外,目前常规扩散加权成像技术是基于水分子的自由运动满足高斯分布的假设,其信号的衰减是由一个简单的单指数函数来描述：S(b)=Soexp(-Db),(1)上式中b为扩散加权因子。该模型中自由参数为So和D,其中So表示无扩散加权梯度时的信号,而D表示扩散系数。单指数扩散也被称为高斯扩散,其原因是,对于自由扩散而言,扩散传播符合高斯函数。但在小b值范围内,即使扩散受限或扩散范围内存在分区,单指数衰减也是一个很好的拟合函数。然而该假设对于复杂的生物组织并不准确,在生物组织中的水分子并不是遵循高斯的正态分布,应该用非高斯分布来描绘水分子的运动,于是有许多学者提出了各种非高斯分布的扩散模型：一、统计模型：公式(1)可以推广至涵括多个扩散系数。Yablonskiy等学者提出,信号可认为是由分布函数P(D)描述的扩散系数的总和,即总信号可用下式表示：S(b)=S0∫0∞dDP(D)exp(-Db)(2)上式也是分布函数的Laplace变换。如果只存在一个δ函数峰值,则信号是可用单指数函数拟合。Yablonskiy等假定的高斯分布模式中信号为：其中中是误差函数。该模型自由参数为S0、ADC(表观扩散系数)以及σ。,其中后二者分别表示高斯分布函数的中心和宽度。当不同D值对应的自旋密度不重叠时,该分布P(D)对应于一组真实的物理扩散率。反之,该模型的参数则需另加解释。二、拉伸指数模型：拉伸指数函数是一种三参数模型,函数公式如下：S(b):S0exp[-(bDDC)α](4)此处3个参数分别为：S0、分布扩散系数(DDC)和异质指数α,其中α范围为0至1。α取上限值1时,上式则相当于单指数扩散函数。就数理而言,拉伸指数函数可以由简单的指数线性衰变叠加而成。异质性指数亦表现出一定的临床相关性,例如,可作为脑肿瘤标记物。三、双指数模型：在双指数模型中,信号是两个指数函数的总和：S(b)=S0[W1exp(-D1b)+W2exp(-D2b)],W1+W2=1.(5)模型中4个自由参数分别是：扩散系数D1、D2,分区1的体积分数W1(由于W1+W2=1,W2不是自由参数)以及S0。在人脑组织中亦观察到有双指数扩散。起初该模型的理论假定是脑组织中扩散分为两个分区,但后来双指数扩散模式似乎可被归因于扩散受限。对于双指数模型,分布函数P(D)是由两个底数分别为w2和w2的δ函数构成的。四、扩散峰度模型：扩散峰度成像是量化组织内非正态分布水分子扩散的一种磁共振成像方法,扩散峰度成像信号的对数衰减要遵循下面的公式：In[S(b)]=In[S(0)]-bD+b2D2K+O(b3)(6)其中,S(b)表示信号强度,D表示扩散系数,K表示扩散峰度。当K=0时,就是高斯分布。在一般情况下,所测量的扩散峰度取决于扩散敏感梯度的方向。在神经系统成像中,由于各向异性的原因,这个方向的依赖性可以用15个独立的张量来描述,在神经系统成像中由于各向异性的原因,因此要确定完整的扩散峰度张量,扩散峰度必须在至少15个不同方向测量。但在肝脏扩散峰度成像,由于各向同性的原因,只需在3个方向上测量。这个度量常用定向依赖峰度的平均值,即平均峰度(MK)来表示。峰度是一个无量纲的统计指标,用来量化任意概率分布的非高斯分布的行为。五、累积展开模型：对于单指数扩散,信号的对数是以b为自变量的线性函数。In(S)可展开表达为以b为幂级数的公式。此时,S(b)可由下式给出：S(b)=Soexp(C1b+C2b2+C3b3+…)(7)上式即“累积展开”。累积展开是独立于任何模型的,仅是纯粹的扩散加权信号的数学表示。它不基于任何物理假设。因此,此方法与前面所讨论的物理模型有概念上的差异。在一般情况下,累积展开不能由扩散系数分布函数P(D)构成。其原因是,方程7中的S。b)在高b值范围内无极限。因此,Laplace变换不存在。从形式上看,单指数模型(对应于自由扩散)可看作C1=D时的一阶累积展开。以上非高斯模型在神经系统中已得到广泛应用。然而非高斯分布的扩散模型在肝脏中的应用,国内外报道较少。非高斯分布的扩散加权成像在肝脏应用的可行性及扩散参数的可重复性如何,国内目前尚未见明确报道。本文通过对肝脏体素内不一致运动(Intravoxelincoherentmotion,IVIM)扩散成像及肝脏扩散峰度成像(Diffusion-kurtosisimaging,DKI)来对非高斯分布模型在肝脏中应用的可行性及扩散参数的可重复性作一初步探讨。第一部分不同磁共振成像仪对肝脏磁共振扩散加权成像的可重复性研究研究目的：研究两种磁共振成像仪对肝脏扩散成像表观扩散系数(Theapparentdiffusioncoefficient,ADC)测量值的影响；评价正常肝脏ADC值测量者两次测量的一致性,正常肝脏ADC值测量的可重复性。材料与方法：该研究方案得到广东省人民医院伦理委员会批准并获得患者的知情同意书。使用两台不同的1.5T磁共振成像仪(西门子ESPREE和Philips),设置相同的序列和参数分别对两组正常自愿者(各为33例,飞利浦组和西门子组的性别组成分别为：男17例,女16例；女22例,男11例；平均年龄分别为23.697±2.721岁；25.606±7.167岁)进行肝前、后两次DWI扫描(b=0和800s/mmm2)。在生成的ADC图像上,分别选取左、右肝中间连续三层ADC图进行ADC值测量。在选取的ADC图像上,分别在左、右肝放置2个大小一致的感兴趣区(Regionofinterest,ROI)的测量其ADC值。将左、右肝的6个ROI的ADC值进行平均后分别代表左、右肝的ADC值。ADC值用均数±标准差来表示,数据的正态性检验用Kolmogorov-Smirnov方法来进行检验,Levene检验用于方差齐性检验。采用组内相关系数(intraclasscorrelationcoefficients,ICCs)评价测试者两次测量的一致性,ICC大于0.75认为是一致性好。ADC测量值的重复性采用Bland-Altman方法来评估。比较两次扫描所得参数的平均绝对差值和平均差值的95%一致性界限(limitsofagreement,LOAs)。采用Bland-Altman方法评价两种机器ADC值测量的可重复性。研究结果：1,西门子磁共振仪测得的左、右肝ADC值(第一次,左肝：1.479±0.163×10-3mm2/s,右肝：1.282±0.071×10-3mm2/s；第二次,左肝：1.527±0.164×10-3mm2/s,右肝：1.295±0.084×10-3mm2/s)均较飞利浦磁共振仪所测得的值(第一次,左肝：1.443±0.154×10-3mm2/s,右肝：1.217±0.104×10-3mm2/s；第2次,左肝：1.439±0.185×10-3mnm2/s,右肝：1.226±0.115×10-3mm2/s)为高(t=2.045-2.713,P<0.05)；2,每种机器所测得左肝的ADC值(第一次,西门子：1.4794±0.163×10-3mm2/s,飞利浦：1.443±0.154×10-3mm2/s；第2次,西门子：1.527±0.164×10-3mm2/s,飞利浦：1.439±0.185×10-3mm2/s)大于右肝的ADC值(第一次,西门子：1.282×0.071×10-3mm2/s,飞利浦：1.2174±0.104×10-3mm2/s；第2次,西门子：1.295±0.084×10-3mm2/s,飞利浦：1.226±0.115×10-3mm2/s)(t=-10.561-7.263,P<0.001)。3,Bland-Altmananalysis分析方法显示,两种机型左、右肝ADC测量值的可重复性类似,且右肝的可重复性均较左肝好,其中西门子机器右肝的一致性值为7.55%,左肝为16.65%；飞利浦机器右肝的一致性值为7.85%,左肝为16.3%。研究结论：磁共振成像仪对ADC值的测量有一定影响,但可重复性相似。在临床工作中,ADC值的比较应该充分考虑机型的影响。第二部分正常肝脏磁共振体素内不相干运动扩散加权成像的可行性及各参数的可重复性研究研究目的：研究正常肝脏体素内不相干运动(Intravoxelincoherentmotion,IVIM)模型的扩散加权成像(Diffusionweightedimaging,DWI)的可行性及各参数测量的可重复性。材料与方法：使用飞利浦1.5T磁共振成像仪及相同的序列和参数对35例年轻志愿者(其中男17例,女18例；平均年龄32.97±10.79岁)进行两次肝脏磁共振IVIM扩散加权成像扫描(b=0,10,20,30,40,50,75,100,150,300,500,800s/mm2)。利用飞利浦公司开发的软件(PRIDEDWITool,version1.5,PhilipsHealthcare)生成IVIM参数图,分别在左、右肝的上、中、下三层的左、中、右3个层面放置3个相同面积大小(50mm2)的圆形感兴趣区(Regionofinterest,ROI),每层图像放置6个(左、右肝脏分别各3个)大小一致的感兴趣区(ROI),分别计算左、右肝的单纯扩散系数(purediffusioncoefficient,D)、假性扩散系数(pseudo-diffusioncoefficient,D*)及灌注分数(perfusionfraction,f)的平均值。D、D*、f值用均数±标准差来表示,其正态性检验用Kolmogorov-Smirnov方法进行检验,Levene检验用于方差齐性检验。测量者自身两次测量的一致性评价采用组内相关系数(intraclasscorrelationcoefficients,ICCs),ICC大于0.75认为是一致性好。采用配对t检验分别比较左右肝9个ROI平均所得D、D*、f值的大小,每叶所得9个ROI所得的D、D*、暄的比较采用three-way方差分析,当比较有差异存在时,采用Bonferroni方法进行两两比较。D、D,*、f测量值的重复性采用Bland-Altman方法来评估。比较两次扫描所得参数的平均绝对差值和平均差值的95%一致性界限(limitsofagreement,LOAs)。为了评估D、D*、f测量值的系统偏差,两次扫描所得左右肝的9个ROI所得平均D、D*、f值分别用配对t检验比较。研究结果：左肝D、D*、f值[D(×10-3mm2/s):1.250±0.210,D*(×10-3mm2/s):101.906±15.063,f(%):22.954±5.268]均较右肝[D(×10-3mm2/s):1.039±0.124,D*(×10-3mm2/s):100.127±20.757,f(%):18.317±3.671](D、f值：t=-9.685–5.838,P<0.001,D*值：t=-I.210–0.523,P=0.232-0.605)高,同时左肝D、D*和f值的可重复性(LOA分别为22.55%,51.05%,39.3%)均较右肝低(LOA分别为20.3%,39.25%,33.9%)；其中左肝和右肝的D值的可重复性最好。研究结论：肝脏磁共振IVIM扩散加权成像可行,左肝的D、D*和f值较右肝高,但可重复性较右肝差；D值的可重复性最好。第三部分正常肝脏磁共振扩散峰度成像的可行性及各参数的可重复性研究研究目的：研究正常肝脏磁共振扩散峰度成像(Diffusion-kurtosisimaging,DKI)的可行性及各参数测量的可重复性。材料与方法：使用飞利浦1.5T磁共振成像仪及相同的序列和参数对35例年轻志愿者(其中男17例,女18例；平均年龄32.97±10.79岁)分别进行两次肝脏磁共振扩散峰度成像的扫描(b=0,10,20,30,40,50,75,100,150,300,500,800s/mm2)。利用飞利浦公司开发的软件(PRIDEDWITool,version1.5,PhilipsHealthcare)生成扩散峰度成像的参数图,选取左、右肝上、中、下三层的左、中、右侧图像进行测量,每层图像放置6个(左、右肝脏分别各3个)大小一致的感兴趣区(ROI),分别计算左、右肝的单纯扩散系数(purediffusioncoefficient,D)和峰度(Kurtosis,K)的平均值。D、K值主要采用均数±标准差,采用Kolmogorov-Smirnov检验进行正态性检验,Levene检验用于方差齐性检验。测量者自身两次测量的一致性评价采用组内相关系数(intraclasscorrelationcoefficients,ICCs),ICC大于0.75认为是一致性好。采用配对t检验分别比较左右肝9个ROI平均所得D、K值的大小,每叶所得9个ROI所得的D、K值的比较采用three-way方差分析,当比较有差异存在时,再采用Bonferroni方法进行两两比较。D、K测量值的重复性采用Bland-Altman方法来评估。比较两次扫描所得参数的平均绝对差值和平均差值的95%一致性界限(limitsofagreement,LOAs)。为了评估D、K测量值的系统偏差,两次扫描所得左右肝的9个ROI所得平均D、K值分别用配对t检验比较。研究结果：左肝D、K值(D:1.958×10-3mm2/s,K:1.548)均较右肝(D:1.722×10-3mm2/s,K:1.285)(D、K值：t=-5.665-8.095,P<0.001)高,同时左肝D、K值的可重复性(D和K值LOA分别为30.2%和29.65%)均较右肝低(D和K值LOA分别为18.9%和17.4%)。研究结论：肝脏磁共扩散加峰度成像可行,左肝的D和K值较右肝高,但可重复性较右肝差。
【作者】陈世林；
【导师】梁长虹；
【作者基本信息】南方医科大学，影像医学与核医学，2014，博士
【关键词】肝；磁共振扩散加权成像；表观扩散系数；体素内不相干运动；扩散峰度成像；可重复性；

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