多b值彌散加權(quán)成像對膠質(zhì)瘤診斷的進展

劉沁茹　李香營　韓向君

(中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬?？卺t(yī)院，海南　?？凇?70208)

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多b值彌散加權(quán)成像對膠質(zhì)瘤診斷的進展

劉沁茹李香營韓向君

(中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬海口醫(yī)院，海南海口570208)

〔關(guān)鍵詞〕膠質(zhì)瘤；彌散敏感因子；彌散加權(quán)

膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的原發(fā)性惡性腫瘤，死亡率高，嚴重危害人類的生命健康。目前膠質(zhì)瘤的診斷方法主要有計算機斷層掃描(CT)、核磁共振成像(MRI)、正電子發(fā)射型計算機斷層顯像(PET)等。CT曾經(jīng)是膠質(zhì)瘤診斷的首選影像學(xué)檢查方法，但是其靈敏度低于MRI，使用這種方法無法對腫瘤邊界及治療相關(guān)變化進行檢測。隨著MRI技術(shù)進步及功能磁共振(fMRI)廣泛應(yīng)用，其已經(jīng)成為腦腫瘤成像的金標準，不僅能夠提供清晰的解剖結(jié)構(gòu)，還可以通過腫瘤的代謝(MRS)、灌注(PWI)及微觀結(jié)構(gòu)(DWI)顯示其治療后變化，可靠的區(qū)分輻射壞死和治療后復(fù)發(fā)。PET對腫瘤治療反應(yīng)的敏感性強于CT與MRI，但是假陽性率高。b值，即彌散敏感因子，主要反映組織內(nèi)水分子彌散敏感程度，是DWI的一個重要參數(shù)。不同組織的生理環(huán)境不同，其病變在b值的取值上也有所不同，而同一個疾病，不同b值DWI所顯示出來的圖像質(zhì)量及應(yīng)用價值也有所不同。本文就不同b值的DWI在診斷膠質(zhì)瘤上的應(yīng)用及對膠質(zhì)瘤分級的價值作一個綜述。

1彌散加權(quán)成像的基本原理及臨床應(yīng)用

MRI技術(shù)是最近幾十年發(fā)展起來的一種新型醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。它對軟組織特征的表達優(yōu)于X線和CT，能夠非侵入性獲得各種腦腫瘤的形態(tài)和生理特征，并已經(jīng)成為評估腫瘤的治療效果的首選影像技術(shù)手段〔1〕。MRI以高分辨率顯示病變的結(jié)構(gòu)，提供多種生物學(xué)及功能信息。然而，常規(guī)MRI定性與定量診斷膠質(zhì)瘤主要是取決于腫瘤的位置、大小、形狀以及MRI信號強度，很容易受到診斷醫(yī)生主觀因素的影響，所以分級仍然不能令人滿意。作為改進的MRI技術(shù)，DWI被認為是對早期病理變化最敏感的技術(shù)之一。

DWI是一種通過一對強擴散梯度來反映微觀水擴散的靈敏的技術(shù)，是一種無創(chuàng)檢查，其成像原理取決于水的微觀流動性，這種流動性被稱布朗運動。與DWI成像相關(guān)的因素有ADC，各向異性，T2穿透效應(yīng)以及b值等。水分子在不同方向上的彌散能力可以用彌散系數(shù)(D)表示，D可以反映DWI的信號強度，兩者呈負相關(guān)。D容易受其他因素影響，比如彌散的影響以及機體生理狀態(tài)的影響，故Le Bihan 提出用表觀彌散系數(shù)(ADC)來反映活體彌散成像中的彌散情況，彌散能力越弱，ADC值則越小，反之則越大。人體內(nèi)水分子的運動有很多種，其中包括細胞內(nèi)和細胞外的運動。而且不同組織的細胞結(jié)構(gòu)、數(shù)目及微循環(huán)灌注量均不同，彌散能力也各有差別，比如細胞數(shù)目多，排列緊密，水分子彌散受到限制，ADC值則小，DWI呈高信號。彌散加權(quán)序列主要是依賴在各側(cè)再聚焦射頻脈沖中平衡彌散編碼磁場梯度的自旋回波信號。通過矩形磁場梯度的振幅G、持續(xù)時間δ和梯度脈沖時間間隔Δ產(chǎn)生了彌散靈敏因子，即b值。

b=(γGδ)2〔Δ-δ/3〕

(1)

γ代表氫離子的磁化率，b值的常用單位為s/mm2。

S(b)=S0×e-b·ADCe-TE/T2

(2)

信號強度為S(b)，TE是脈波回沖時間，T2是組織弛豫時間。從公式(2)可以得知，DWI是某一b值下測得的信號強度的成像，b值越高，彌散加權(quán)越強，對水分子的彌散越敏感。同時b值對ADC值的測量有著顯著的影響，不同部位的腦組織隨著b值的增加，ADC值顯著下降。DWI包括組織ADC不同以及組織T2時間不同所形成的兩種圖像對比。當組織的T2值明顯增高時，在彌散加權(quán)成像上會有明顯的T2圖像對比存在，即T2穿透效應(yīng)，干擾我們對病變進行診斷。b值與T2穿透效應(yīng)關(guān)系也比較密切。b值由梯度脈沖的強度和持續(xù)時間決定，b值增加，則延長的是梯度脈沖的持續(xù)時間，那么TE增加，T2穿透效應(yīng)就小；反之b值較小時，TE時間短，T2穿透效應(yīng)就明顯。

DWI不僅被常規(guī)應(yīng)用于檢查早期腦缺血，而且也用于各種腫瘤的診斷和分級〔2，3〕，檢測或者預(yù)測抗癌治療療效〔4，5〕，同時在診斷及鑒別不同腫瘤的性質(zhì)中也起到重要作用〔6〕。DWI通過檢測組織水分子的運動情況，間接反映生物組織在生理與病理狀態(tài)下的水分子微觀運動的區(qū)別，病理狀態(tài)下，局部組織的細胞水平發(fā)生變化，所以水分子的彌散也發(fā)生變化。在惡性程度高的腦腫瘤中水分子的彌散受到的限制較良性腫瘤高，很大可能是因為腫瘤細胞增多。因為腫瘤組織的細胞密度，細胞核漿比均發(fā)生變化，細胞的密度高，細胞外間隙變窄，水分子在細胞間的彌散受到抑制；細胞核漿比增大，細胞內(nèi)水分子彌散受到限制，所以DWI在一定程度上能夠反映腫瘤的細胞密度，細胞的核漿比及腫瘤周圍組織的浸潤情況，從細胞及分子水平對疾病進行研究，從而對膠質(zhì)瘤進行分級。

2不同b值下彌散加權(quán)成像在膠質(zhì)瘤的應(yīng)用

DWI對膠質(zhì)瘤的診斷早已被應(yīng)用于臨床，目前腦組織DWI大多選擇的b值為1 000 s/mm2。因為當b值較小時，T2穿透效應(yīng)明顯，影響圖像質(zhì)量；另外當b值太小時(比如b=100～150 s/mm2)，血流信號迅速衰減，可能被錯誤地歸咎于擴散，而腦組織血流豐富，所以對膠質(zhì)瘤診斷與分級會產(chǎn)生干擾。b值增加，DWI對水分子彌散更加敏感，那是否b值越大，診斷及分級的準確性越高，在1.5T或者更低場強的核磁掃描，因為b值增加，圖像的信噪比下降，圖像質(zhì)量并不盡如人意，所以在b值的選擇上是受限制的。由于現(xiàn)代影像技術(shù)的迅速發(fā)展，有較強的場強梯度和較快的轉(zhuǎn)換速率的3.0T核磁掃描儀的出現(xiàn)，其圖像分辨率及時間分辨率均高于1.5T，本身較高的信噪比正好彌補由于b值增加所導(dǎo)致的信噪比降低的影響，提供更大的信號噪聲比使高b值DWI成為可能。目前DWI被廣泛應(yīng)用于膠質(zhì)瘤的分級〔2〕，監(jiān)測及預(yù)測膠質(zhì)瘤對放射治療等的療效以及與其他疾病進行鑒別。Chu等〔7〕在研究不同b值DWI對放射治療伴替莫唑胺治療膠質(zhì)瘤的真假進展區(qū)分的比較中，得出標準b值與高b值DWI在真假進展中均有一定的區(qū)分意義，但高b值得出的數(shù)據(jù)更加可靠。Doskaliyev等〔8〕則在研究高b值DWI對淋巴瘤與膠質(zhì)瘤的表觀彌散系數(shù)的區(qū)別中，得出標準b值與高b值DWI均對這兩種腫瘤的區(qū)別起到作用，高b值DWI的敏感性與特異性高于標準b值。

3高b值與低b值對膠質(zhì)瘤的分級價值

膠質(zhì)瘤的分級主要依靠生物組織學(xué)特征，包括細胞結(jié)構(gòu)、核異型性、有絲分裂活動、血管、壞死等。Ⅰ級膠質(zhì)瘤通常為增殖能力低，手術(shù)可能治愈的膠質(zhì)瘤，如毛細胞星形細胞瘤；Ⅱ級膠質(zhì)瘤增殖活性雖低，但常復(fù)發(fā)，為浸潤性腫瘤，并具有進展為更高級別的惡性腫瘤傾向，例如，低級別彌漫性星形細胞瘤漫轉(zhuǎn)變?yōu)殚g變性星形細胞瘤和膠質(zhì)母細胞瘤；Ⅲ級膠質(zhì)瘤，保留惡性腫瘤的組織學(xué)證據(jù)，包括細胞核間變、有絲分裂活躍，如間變星形細胞瘤；Ⅳ級膠質(zhì)瘤，如膠質(zhì)母細胞瘤，具有惡性細胞學(xué)表現(xiàn)，有絲分裂活躍，有壞死的傾向，腫瘤術(shù)前及術(shù)后進展快，并且容易危及生命。不同級別的膠質(zhì)瘤，由于各自的異質(zhì)性，導(dǎo)致它們對相同的治療的效果不一致〔9〕，這種異質(zhì)性不僅表現(xiàn)在形態(tài)學(xué)方面〔10〕，也表現(xiàn)在細胞和分子水平〔11〕，所以在選擇治療方案上面也會有所不同。因此在治療前確定腫瘤的級別對臨床選擇治療方案及判斷預(yù)后非常重要。

DWI主要是通過ADC值對膠質(zhì)瘤的進行分級。有研究通過術(shù)前對腫瘤進行DWI與ADC測值，術(shù)后病理組織檢查及腫瘤細胞密度測定得出，低級別膠質(zhì)瘤(WHO Ⅰ～Ⅱ)的ADC值高于高級別膠質(zhì)瘤(WHOⅢ～Ⅳ)的ADC值，低級別膠質(zhì)瘤的細胞密度明顯低于高級別的〔12〕。ADC值與腫瘤的細胞密度呈負相關(guān)，腫瘤細胞密度與膠質(zhì)瘤級別成正相關(guān)。該研究的b值取值為0 s/mm2、500 s/mm2、1 000 s/mm2，這也充分肯定了標準b值對膠質(zhì)瘤分級的價值。

在探討高b值DWI對正常腦組織DWI的信號強度，圖像質(zhì)量及表觀彌散系數(shù)的影響，Pelano等〔13〕得出大部分感興趣區(qū)的DWI信號強度、ADC值及信噪比隨著b值的增加而下降。當b=0 s/mm2時，跟腦灰質(zhì)比較，在T2WI上白質(zhì)呈明顯低信號；當b值<1 000 s/mm2時，白質(zhì)信號稍低于灰質(zhì)信號；當b值=1 000～2 000 s/mm2時，白質(zhì)與灰質(zhì)信號相等；當b值≥2 000 s/mm2，兩者信號對比倒置，白質(zhì)信號明顯高于灰質(zhì)信號，圖像的信噪比也明顯下降。而且隨著b值的增大，表觀彌散系數(shù)圖像上的灰白質(zhì)對比也更加明顯。所以是否高b值DWI對膠質(zhì)瘤的診斷與分級的準確性高于標準b值DWI？

Kang等〔14〕用ADC值直方圖分析高b值及標準b值DWI與膠質(zhì)瘤分級的關(guān)系，得出高b值收集到的ADC值在高級別膠質(zhì)瘤上出現(xiàn)低值的頻率高于低級別膠質(zhì)瘤。研究顯示最小ADC值(b=1 000 s/mm2)和最小ADC值(b=3 000 s/mm2)均隨著膠質(zhì)瘤級別的增高而降低。b=1 000 s/mm2時的ADC值直方圖的50%和75%的累積百分數(shù)在不同級別的膠質(zhì)瘤中間存在顯著的差異(分別為P=0.015和0.001)，在b=3 000 s/mm2時同樣存在顯著差異(分別為P=0.015和0.014)。其得出的參數(shù)直方圖示高b值DWI對膠質(zhì)瘤的診斷與分級性能均高于標準b值。Seo等〔15〕探討在3.0T上高b值DWI與低b值DWI在視覺與定量評估中b=1 000 s/mm2，DWI在b=3 000 s/mm2表現(xiàn)出在高級別膠質(zhì)瘤更加突出的高信號以及低級別膠質(zhì)瘤更低的低信號，靈敏性和特異性也更好(分別為83.7%，84.6 %和69.4%，76.9 %)；在b=1 000 s/mm2時，高級別及低級別膠質(zhì)瘤的平均ADC值均高于正常腦白質(zhì)，而在b=3 000 s/mm2時，高級別膠質(zhì)瘤的平均ADC值低于正常腦白質(zhì)，低級別膠質(zhì)瘤的平均ADC值則高于正常腦白質(zhì)。所以在區(qū)分高級別及低級別膠質(zhì)瘤上面，b=3 000 s/mm2的DWI比b=1 000 s/mm2的DWI更加準確。同時在測量細胞密度方面，高b值DWI比標準b值DWI更能準確反映細胞的密度〔16〕。

4展望

綜上可知，無論是在特異性還是靈敏性方面，高b值DWI對膠質(zhì)瘤的分級較標準b值更為準確。但是我們不能無限地增大b值，因為b值的增加主要是延長磁場梯度持續(xù)時間δ和梯度脈沖時間間隔Δ，可以導(dǎo)致回波時間增加，但是同時信號也將衰減，而這種信號衰減必須通過增加激勵次數(shù)來彌補，隨之而來的問題是掃描時間的延長，病人不易耐受；而且更高的b值在腦組織中各向異性明顯增強，可能限制其在腦白質(zhì)神經(jīng)束聚集區(qū)域的使用，所以在b值的選擇上還是受到一定的限制。但是影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展非常迅速，在不久的將來會有新技術(shù)能克服這些局限性，使高b值DWI的應(yīng)用常規(guī)化。

5參考文獻

1Preusser M，de Ribaupierre S，Wohrer A，etal.Current concepts and management of glioblastoma〔J〕.Ann Neurol，2011；70(1)：9-21.

2Alvarez-Linera J，Benito-León J，Escribano J，etal.Predicting the histopathological grade of cerebral gliomas using high b value MR DW imaging at 3-tesla〔J〕.J Neuroimaging，2008；18(3)：276-81.

3Cui Y，Zhang XP，Sun YS，etal.Apparent diffusion coefficient：potential imaging biomarker for prediction and early detection of response to chemotherapy in hepatic metastases〔J〕.Radiology，2008；248(3)：894-900.

4Li XR，Cheng LQ，Liu M，etal.DW-MRI ADC values can predict treatment response in patients with locally advanced breast cancer undergoing neoadjuvant chemotherapy〔J〕.Med Oncol，2012；29(2)：425-31.

5Kim AY，Kim CK，Park SY，etal.Diffusion-weighted imaging to evaluate for changes from androgen deprivation therapy in prostate cancer〔J〕.AJR Am J Roentgenol，2014；203(6)：645-50.

6Khalid L，Carone M，Dumrongpisutikul N，etal.Imaging characteristics of oligodendrogliomas that predict grade〔J〕.AJNR Am J Neuroradiol，2012；33(5)：852-7.

7Chu HH，Choi SH，Ryoo I，etal.Differentiation of true progression from pseudoprogression in glioblastoma treated with radiation therapy and concomitant temozolomide：comparison study of standard and high-b-value diffusion-weighted imaging〔J〕.Radiology，2013；269(3)：831-40.

8Doskaliyev A，Yamasaki F，Ohtaki M，etal.Lymphomas and glioblastomas：differences in the apparent diffusion coefficient evaluated with high b-value diffusion-weighted magnetic resonance imaging at 3T〔J〕.Eur J Radiol，2012；81(2)：339-44.

9Bonavia R，Inda MM，Cavenee WK，etal.Heterogeneity maintenance in glioblastoma：A social network〔J〕.Cancer Res，2011；71(12)：4055-60.

10Binda E，Visioli A，Reynolds B，etal.Heterogeneity of cancer-initiating cells within glioblastoma〔J〕.Front Biosci(Scholar Ed)，2012；4：1235-48.

11Sottoriva A，Spiteri I，Piccirillo SG，etal.Intratumor heterogeneity in human glioblastoma reflects cancer evolutionary dynamics〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A，2013；110(10):4009-14.

12Chen SD，Hou PF，Lou L，etal.The correlation between MR diffusion-weighted imaging and pathological grades on glioma〔J〕.Eur Rev Med Pharmacol Sci，2014；18(13)：1904-9.

13DeLano MC，Cooper TG,Siebert JE，etal.High-b-value diffusion-weighted MR imaging of adult brain：image contrast and apparent diffusion coefficient map features〔J〕.AJNR Am J Neuroradiol，2000；21(10)：1830-6.

14Kang Y，Choi SH，Kim YJ，etal.Gliomas：histogram analysis of apparent diffusion coefficient maps with standard-or high-b value diffusion-weighted MR imaging-correlation with tumor grade〔J〕.Radiology，2011；261(3)：882-90.

15Seo HS，Chang KH，Na DG，etal.High b-value diffusion(b=3000 s/mm2)MR imaging in cerebral gliomas at 3T：visual and quantitative comparisons with b=1 000 s/mm2〔J〕.AJNR Am J Neuroradiol，2008；29(3)：458-63.

16Yamasaki F，Kurisu K，Aoki T，etal.Advantages of high b-value diffusion-weighted imaging to diagnose pseudo-responses in patients with recurrent glioma after bevacizumab treatment〔J〕.Eur J Radiol，2012；81(10)：2805-10.

〔2015-07-21修回〕

(編輯李相軍)

〔中圖分類號〕R445.2

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2016)08-2011-03；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.08.108

通訊作者：韓向君(1961-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影像學(xué)診斷研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(No.81360228)；海南省自然科學(xué)基金資助項目(813259)

第一作者：劉沁茹(1989-)，女，在讀碩士，主要從事中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影像學(xué)診斷研究。