IVIM擴(kuò)散加權(quán)成像在前列腺癌中的應(yīng)用研究

覃濤，邢芬，吳光耀

隨著年齡的增長(zhǎng)，前列腺癌呈明顯高發(fā)趨勢(shì)，高年齡組的發(fā)病率逐漸加重，前列腺癌正在成為嚴(yán)重影響我國(guó)男性健康的泌尿系惡性腫瘤［1］，早期診斷是治療及預(yù)后的關(guān)鍵。MRI是生物標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)和描述腫瘤，管理腫瘤效果的重要工具。多模態(tài)MRI是前列腺癌早期診斷最佳影像學(xué)模式［2－3］，MRI介導(dǎo)下前列腺癌組織活檢精度能顯著提高［4］。目前MRI成像序列包括平掃、動(dòng)態(tài)增強(qiáng)磁共振成像（dynamic contrast enhancement magnetic resonance imaging，DCE－MRI）、前列腺質(zhì)子磁共振波譜成像（1－h(huán)ydrogen magnetic resonance spectroscopy，1HMRS）、擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）、擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、擴(kuò)散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）等。DWI是目前無(wú)創(chuàng)性檢測(cè)活體水分子運(yùn)動(dòng)方法。近年來(lái)，在常規(guī)DWI基礎(chǔ)上開發(fā)多b值體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)（intravoxel incoherent movement，IVIM）擴(kuò)散加權(quán)成像序列不僅能反映組織水分子擴(kuò)散信息，亦能反映組織灌注信息。本文旨在綜述IVIM－DWI原理、特點(diǎn)及在前列腺癌診斷中的應(yīng)用。

IVIM－DWI基本原理

隨著MRI硬件技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展，上世紀(jì)八十年代提出IVIM－DWI概念［5］，其最早應(yīng)用于腦部臨床研究［6］；近年來(lái)隨著MRI技術(shù)不斷發(fā)展，已逐漸應(yīng)用于體部臨床研究，如肝臟［7］、胰腺、腎臟、前列腺及宮頸等疾病。IVIM是假設(shè)組織內(nèi)水分子微觀運(yùn)動(dòng)分為兩種形式：血液灌注和組織內(nèi)水分子熱運(yùn)動(dòng)。根據(jù)IVIM假設(shè)，DWI信號(hào)衰減符合雙指數(shù)模型，即：

S（b）／S（0）＝（1－f）×exp（－bD）（擴(kuò)散因素）＋f×exp［－b（D＋D＊）］（灌注因素）［8］

S（b）是組織內(nèi)水分子信號(hào)強(qiáng)度，S（0）是b值等于0時(shí)水分子信號(hào)強(qiáng)度，D值為水分子擴(kuò)散系數(shù)，D＊值是水分子偽擴(kuò)散系數(shù)（取決于血液平均流速和毛細(xì)血管平均長(zhǎng)度），f是灌注分?jǐn)?shù)（是指體素內(nèi)毛細(xì)血管容積占整個(gè)體素容積比，來(lái)源于血液微循環(huán)灌注，反映微循環(huán)灌注狀態(tài)）。

IVIM－DWI的特點(diǎn)

在IVIM應(yīng)用前，水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相關(guān)功能成像已廣泛應(yīng)用于臨床，主要包括DWI和DTI，如早期腦梗塞診斷等。常規(guī)DWI假設(shè)水分子運(yùn)動(dòng)是單一、不受其他因素干擾熱運(yùn)動(dòng)的單指數(shù)模型，如水分子擴(kuò)散受限，DWI則表現(xiàn)為高信號(hào)。然而，生物體組織是非均質(zhì)性結(jié)構(gòu)，包括細(xì)胞內(nèi)水分子運(yùn)動(dòng)和更多細(xì)胞外水分子運(yùn)動(dòng)，多指數(shù)衰減形式更符合信號(hào)衰減，b值越大越明顯。IVIM－DWI基于雙指數(shù)模型，在施加足夠不同b值進(jìn)行DWI采樣時(shí)，采用最小二乘法求解，試圖分開血液灌注及組織內(nèi)單純水分子運(yùn)動(dòng)影響，獲得微循環(huán)灌注信息。b值較小時(shí)，DWI圖像與T2WI圖像接近，反映組織內(nèi)血液灌注信息；b值較大時(shí)，反映組織內(nèi)單純水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。常規(guī)DWI圖像，通過(guò)表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）反映水分子擴(kuò)散程度。ADC值是雙b值下信號(hào)比值，對(duì)于腦組織因有血腦屏障，可以有效減少血液灌注影響；對(duì)于沒(méi)有屏障組織，ADC值則不能很好反映單純水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；而且ADC值僅適應(yīng)單指數(shù)模型，僅能局限性反映復(fù)合b值的信息；而IVIM適應(yīng)于雙指數(shù)模型，能客觀反映組織內(nèi)水分子復(fù)雜運(yùn)動(dòng)信號(hào)衰減。

DTI是DWI基礎(chǔ)上施加多方向非線性擴(kuò)散敏感梯度而獲得水分子運(yùn)動(dòng)各向異性信息。通過(guò)分析健側(cè)與患側(cè)對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)平均擴(kuò)散系數(shù)（mean diffusion，MD）、各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotrophy，F(xiàn)A）能定量評(píng)估水分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其中FA值是指水分子各向異性成分占整個(gè)擴(kuò)散張量比例，取值0～1。越接近0，表示水分子運(yùn)動(dòng)各向同性越大；越接近于1，表示各向異性越明顯。而IVIM－DWI顯示組織微循環(huán)灌注信息和組織內(nèi)水分子不規(guī)則擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)信息，與DTI側(cè)重點(diǎn)不同。

測(cè)量組織灌注方法較多，但多基于外源性示蹤劑或?qū)Ρ葎┰趩挝粫r(shí)間內(nèi)對(duì)興趣區(qū)示蹤劑濃度變化動(dòng)態(tài)測(cè)量，如灌注加權(quán)成像（perfusion weighted imaging，PWI）、DCE等。PWI能獲得局部組織相對(duì)腦血容量（rCBV）、相對(duì)腦血流量（rCBF）、平均通過(guò)時(shí)間（MTT）等參數(shù)，定量或半定量反映組織灌注狀態(tài)，多應(yīng)用于腦部疾病臨床研究。PWI通過(guò)組織內(nèi)血液灌注參數(shù)間接提示組織生長(zhǎng)狀態(tài)，如PWI能提示腫瘤新生血管等。不過(guò)PWI不能反映組織內(nèi)水分子本身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而IVIM不僅能反映組織灌注狀態(tài)，亦能反映組織內(nèi)水分子擴(kuò)散狀態(tài)。

IVIM在前列腺疾病中的應(yīng)用

常規(guī)DWI中ADC值是基于水分子擴(kuò)散為簡(jiǎn)單隨機(jī)分子熱運(yùn)動(dòng)假設(shè)，水分子擴(kuò)散僅取決于概率分布函數(shù)，而此函數(shù)呈高斯線形分布，其寬度正比于擴(kuò)散系數(shù)，符合單指數(shù)擴(kuò)散模型。Le Bihan等［5，9］報(bào)道毛細(xì)血管中血管微循環(huán)灌注在低b值能改變擴(kuò)散信號(hào)強(qiáng)度，建立了基于熱能驅(qū)動(dòng)水分子擴(kuò)散和基于微循環(huán)灌注擴(kuò)散的IVIM理論。有研究顯示前列腺癌中ADC值低于正常前列腺組織，ADC值與腫瘤侵襲程度呈負(fù)相關(guān)，Gleason評(píng)分系統(tǒng)能評(píng)估前列腺癌侵襲程度。

基于IVIM－DWI雙指數(shù)模型，可以獲得組織f值、D值及D＊值，反映組織內(nèi)水分子微觀運(yùn)動(dòng)，能敏感區(qū)分正常組織與病變組織，鑒別前列腺增生、炎癥及腫瘤性病變等。其相關(guān)研究報(bào)道不盡相同。Liu等［10］研究報(bào)道前列腺癌ADC值、D值及f值明顯低于其他組織；前列腺炎患者外周帶ADC值、D＊值和f值高于其他部位；而前列腺增生ADC值及D＊值以中央帶最高；D＊值有助于鑒別前列腺癌、前列腺炎及前列腺增生，但f值對(duì)前列腺癌鑒別診斷價(jià)值不如ADC值。Shinmoto等［11］對(duì)26例前列腺癌患者多b值DWI回顧性分析發(fā)現(xiàn)前列腺癌外周帶D值和f值明顯高于其他部分，但f值在前列腺癌及前列腺增生中沒(méi)有顯著性差異。Pang等［12－13］研究發(fā)現(xiàn)前列腺癌D值明顯低于正常組織，腫瘤組織中高b值下D值明顯低于低b值下D值；同時(shí)報(bào)道IVIM依賴于b值變化：低b值時(shí)，f值在診斷疾病中具有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而在高b值時(shí)，測(cè)量得到的f值降低或不能分辨正常與病變組織?？赡苁且?yàn)樵诩?xì)胞環(huán)境復(fù)雜，水分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散存在諸多屏障，水分子擴(kuò)散在高b值時(shí)背離經(jīng)典自由擴(kuò)散軌跡，是單指數(shù)擴(kuò)散模型誤差來(lái)源。有文獻(xiàn)報(bào)道［14］f值在前列腺癌低b值IVIM－DWI中對(duì)于其鑒別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義并需排除特殊b值，與腫瘤內(nèi)血管生成理論和DCE觀察結(jié)論相矛盾。在多數(shù)前列腺癌，f與血液灌注保持一致，f與轉(zhuǎn)運(yùn)常數(shù)（Ktrans）和血液中血漿體積分?jǐn)?shù)（Vp）呈正相關(guān)。在不同b值下，相對(duì)于正常組織，腫瘤組織中的D值明顯減少，有助于鑒別高、低級(jí)別前列腺癌，是精確定量分析前列腺癌的重要參數(shù)?；贗VIM模型，尚需進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)參數(shù)（相關(guān)技術(shù)參數(shù)及結(jié)論見(jiàn)表1、2）。

表1 IVIM試驗(yàn)參數(shù)

表2 IVIM試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)的比較及其意義

總之，IVIM－DWI是在DWI基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)雙指數(shù)模型獲得擴(kuò)散系數(shù)D值、偽擴(kuò)散系數(shù)D＊值及灌注因子f值等，能同時(shí)反映組織內(nèi)水分子擴(kuò)散和灌注狀態(tài)，精確評(píng)估組織內(nèi)水分子擴(kuò)散狀況，在不使用示蹤劑和對(duì)比劑的情況下分別得到組織內(nèi)單純擴(kuò)散與微循環(huán)灌注關(guān)系，有助于鑒別前列腺炎、前列腺增生及前列腺腫瘤，為臨床前列腺疾病診斷、定位以及治療方案制定提供重要參考。但在實(shí)際研究中，IVIM－DWI技術(shù)在前列腺疾病的應(yīng)用時(shí)間較短，尚缺乏大樣本數(shù)據(jù)，尚需優(yōu)化b值，包括b值的關(guān)鍵選值。如國(guó)內(nèi)外資料大多為b值＜1000s／mm2，而b值＞1000s／mm2的資料甚少。

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