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基于体素内不相干运动的扩散加权成像在肿瘤诊断中的研究进展

作者:山西医科大学(武文奇);山西医科大学第二医院影像科(牛金亮)

 

DWI可检测活体组织细胞内外水分子扩散运动的变化,其ADC 已用于人体肿瘤的诊断及鉴别诊断。随着对DWI 理论研究的不断深入,学者们认为传统的DWI 序列ADC值计算模型具有一定局限性。

 

首先,人体组织形态复杂,并非单一均匀,肿瘤组织有明显的细胞和组织异型性,b值与组织信号强度衰减并不呈单指数模型(线性)关系;其次,小b 值DWI 成像,组织信号衰减与组织血流灌注相关。1986年Le Bihan等[3]首次提出了基于体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion,IVIM)的DWI 成像,该技术采用多b值扫描,通过双指数模型计算反映组织扩散和微循环血流灌注的参数,且无需使用外源性对比剂。目前,IVIM在肿瘤疾病中的临床应用已经成为研究的热点,笔者对IVIM在人体肿瘤影像诊断中的应用进展进行综述。

 

一、IVIM的定义及原理

 

IVIM 用于描述体素的微观运动,人体组织DWI 成像中,单一体素内血管内水分子的扩散类似自由水,扩散速度快,向各个方向扩散的概率相同,这种现象称为IVIM。该理论首次描述了血管内质子的运动方式,多b值DWI双指数模型认为活体组织ADC值包含组织微循环血流灌注和组织扩散两种信息。以正常肝组织为例,不同b值组织信号衰减曲线呈“曲棍球杆”状,当b≤100 s/mm2时,组织信号衰减快,b值接近0时衰减斜率最大,低b值信号衰减主要与微循环的血流灌注有关,这种由血流引起的ADC 值快速衰减也称伪扩散,而非组织细胞扩散。

 

在b 值较大时(b>100 s/mm2),信号衰减斜率相对平缓,高b值的组织扩散中,快扩散只占很小的比例,主要反映细胞的真正扩散。基于IVIM的双指数模型计算公式为:SI/SI0=(1-f)·exp(-bD)+f·exp(-bD*),其中SI表示b≠0时的组织信号强度,SI0为b=0时的组织信号强度,D值是真性扩散系数,f是灌注分数,D*是假性扩散系数。

 

以脑组织为例,公式中评估组织血流灌注的参数包括:D*值,反映组织微循环血流的速度,与平均通过时间呈反比;f值,反映组织微循环的血流量,评价组织快扩散成分所占百分比;f值和D*值的乘积主要表示组织血容积。评估组织细胞扩散的参数为D值,与组织细胞所处功能代谢状态(细胞内水分子的数量、运动状况、水分子结合状态及细胞内外水分子转换等)相关。

 

二、IVIM在人体肿瘤诊断中的应用

 

1.肝脏肿瘤:Yamada等1999年首次将IVIM技术应用于肝脏,受限于当时的软、硬件条件,仅对肝脏常见病变的f值及D值进行了初步研究。IVIM用于诊断肝脏局灶性病变的研究结果显示,D值诊断肝脏恶性肿瘤比ADC值更准确,ROC 曲线下面积(area under roc curve,AUC)分别为0.97、0.93;富血供肝脏病变的D*值和f 值分别为(35.74±20.08)×10-3mm2/s和(28.14 ± 11.82)%,显著高于乏血供肝脏病变的(21.87 ± 13.80)×10-3mm2/s和(12.20 ± 5.92)%。

 

Woo等报道,ADC值、D值与肝细胞癌的病理分级呈负相关,HCC病理分级越高,肿瘤组织ADC值、D值越低;与ADC值相比,D 值鉴别高、低级别HCC 更准确,AUC 值分别为0.728、0.838;D*、f值与微血管密度呈显著正相关。肝转移瘤(直肠癌)的D值、ADC值与肿瘤坏死程度呈正相关(r 值分别为0.36、0.40),与存活组织无相关性。

 

2.肾脏肿瘤:D、f值鉴别肾脏富血供及乏血供病灶的准确性高于ADC 值,三者的AUC 值分别为0.946、0.896、0.675,说明D值能反映肾脏病变的细胞结构组成,f值与病灶微循环血流灌注相关,f值可望成为评价肿瘤血管生成的无创性生物学标记物。在肾脏肿瘤的鉴别诊断中,D值比ADC值能更准确地鉴别透明细胞癌和非肾透明细胞癌(移行细胞癌、嗜酸细胞癌及乳头状细胞癌),f和D值联合诊断肾透明细胞癌的准确性高(AUC=0.78),鉴别乳头状细胞癌和囊性肾癌的准确率为100%。

 

IVIM参数的分布直方图能直观分析肿瘤异质性,有助于肾透明细胞癌、嗜酸细胞腺瘤、乏脂性血管平滑肌脂肪瘤等常见肿瘤的鉴别,还可在此基础上进一步判断肿瘤亚型。

 

3.胰腺肿瘤:D*、f值有助于鉴别正常胰腺组织、慢性胰腺炎和胰腺恶性肿瘤,且D*、f值鉴别良恶性胰腺导管内乳头状黏液瘤的诊断效能优于ADC和D值。另外,胰腺癌的f 值([ 8.2±4.0)%]显著低于肿块型胰腺炎f 值([ 16.3±5.3)%],D值、ADC值的差异无统计学意义。

 

4.宫颈肿瘤:宫颈癌组织的D值、f值比正常宫颈组织低,宫颈癌组织的f值([ 14.9± 2.6)%]也低于子宫肌瘤f值([ 17.3±3.6)%],提示宫颈癌微循环血流灌注及组织扩散低于正常宫颈组织及子宫肌瘤。以f=16.38%、D=1.04×10-3mm2/s、ADC=1.13×10-3mm2/s为阈值鉴别宫颈癌与非恶性组织,AUC分别为0.773、0.889、0.908。宫颈癌ADC值和D值与病理分级呈负相关,f值与病理分级呈正相关。

 

5.前列腺肿瘤:IVIM可以鉴别前列腺癌及良性前列腺病变。有学者报道,前列腺癌的D值、f值([ 0.84±0.19)×10-3mm2/s、(14.27±7.10)%]明显低于前列腺良性病变([ 1.21±0.22)×10-3mm2/s、(21.25±8.32)%]。D值比ADC值能更准确评估前列腺癌的分级,高级别前列腺癌患者的D值明显低于低级别患者,不同分级肿瘤D*值及f值的差异无统计学意义。

 

6.颅内肿瘤:高级别胶质瘤D*值、f值显著高于低级别胶质瘤,D*值及f值有望成为鉴别脑胶质瘤分级的生物学指标。将IVIM与动态磁效应对比剂MRI对照研究,结果显示,在评估脑胶质瘤时f值与脑血容量呈正相关(r=0.75)。

 

7.乳腺肿瘤:乳腺恶性肿瘤的D值(0.85×10-3mm2/s)明显低于良性肿瘤(1.35×10-3mm2/s)及正常乳腺组织(1.96×10-3mm2/s),而恶性肿瘤f 值(10.34%)明显高于良性肿瘤(6.83%)及正常组织(5.27%),D值用于鉴别良恶性乳腺肿瘤的AUC 为0.952,D 值、f 值联合诊断的敏感度可高达98.75%。

 

8.其他肿瘤:由于呼吸运动及心脏搏动的影响,DWI在肺部的应用尚不能广泛开展。雷永霞等对45例肺孤立性病灶呼吸触发的IVIM研究结果显示,周围型肺癌的f值小于感染性肉芽肿,f值对周围型肺癌与感染性肉芽肿的鉴别诊断有较高价值(AUC=0.83)。高级别鼻咽癌患者D值、D*值及f值都明显低于低级别患者,D值、D*值在鼻咽部良恶性疾病鉴别诊断中具有重要价值。良性、交界性和恶性骨肿瘤或软组织肿瘤的D值、D*值差异有统计学意义,多发性骨髓瘤富血供病灶的f值明显增高。IVIM还用于淋巴瘤及涎腺肿瘤等全身其他部位肿瘤的诊断及疗效评估]。另外IVIM还用于肿瘤治疗(尤其是抗肿瘤血管治疗)效果的监测。

 

三、IVIM技术存在的问题及对策

 

IVIM技术虽然广泛应用于肿瘤疾病的诊断及鉴别诊断,但尚有如下问题需要学者们共同探讨及研究完善:

 

(1)b值的选择:目前对b值(尤其是低b值)的大小及数量的选择尚未达到共识,b值数量少,获得的组织灌注数据信息量可信度低;b值多于10个,扫描时间长,患者难以承受;低b值时(b<200 s/mm2)DWI图像数据稳定性低,测量误差大,可重复性低,因此需针对不同肿瘤组织制定规范化的扫描方案。

 

(2)IVIM理论仅描述了组织内水分子的特征性运动,双指数模型中低b值的信号衰减不全是组织灌注的结果,其他散流现象(如腺体分泌、液体流动)等也会引起信号衰减。

 

(3)随着研究的深入,有学者认为双指数模型慢扩散部分D值是由细胞膜附近水分子而不是细胞内水分子扩散引起的,进一步提出了高斯、拉伸及微积分等模型,采用高b值(>2 000s/mm2)及超高b值研究真正的细胞扩散。

 

(4)设备及后处理软件:IVIM技术对MR设备要求高,大多数医用MR后处理软件不能很好地完成IVIM复杂的数据分析,尚需完善商业化的软件。

 

四、总结与展望

 

基于IVIM的多b值DWI成像,通过双指数模型计算出反映微循环血流灌注和组织扩散参数,且无需注入对比剂。与ADC值相比,IVIM各参数值能更好地反映肿瘤生物学特点,对肿瘤疾病的诊断及病理学分期有重要的临床应用价值。相信随着IVIM技术的不断完善,IVIM将应用于肿瘤预后评价及疗效监测(尤其是抗肿瘤血管治疗)等更广泛的研究领域。

 

来源:中华放射学杂志2016年7月第50卷第7期

 

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