MR擴(kuò)散峰度成像在腹部的研究現(xiàn)狀

黃　麗　李雪華　黃斯韻　林錦江　孫燦輝*　李子平*

MR擴(kuò)散峰度成像在腹部的研究現(xiàn)狀

黃麗李雪華黃斯韻林錦江孫燦輝*李子平*

磁共振擴(kuò)散峰度成像（DKI）是一種反映體內(nèi)水分子非高斯分布擴(kuò)散運(yùn)動狀態(tài)的MR成像新技術(shù)。近年來DKI已廣泛應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)，并取得良好的效果。目前也逐步被應(yīng)用于前列腺、腎臟、肝臟等體部臟器成像，其中在前列腺的應(yīng)用最為廣泛，通過應(yīng)用DKI可提高對前列腺腫瘤診斷與分級的能力。就DKI技術(shù)在腹部的應(yīng)用研究現(xiàn)狀予以綜述。

磁共振成像；擴(kuò)散峰度成像；前列腺；腎臟；肝臟

Int J Med Radiol，2016，39（5）：527-530

MR擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）是在常規(guī)MRI序列基礎(chǔ)上，在不同的擴(kuò)散方向上施加擴(kuò)散敏感梯度，從而獲得反映體內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動情況的MR影像。其理論前提是生物體內(nèi)水分子擴(kuò)散呈正態(tài)分布，通過獲得的一系列b值影像擬合單指數(shù)模型，間接反映活體組織內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)變化及特點(diǎn)[1]。然而人體內(nèi)細(xì)胞微環(huán)境復(fù)雜，體內(nèi)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動并不完全符合高斯分布。擴(kuò)散峰度成像（diffusion kurtosis imaging,DKI）是以非高斯模型為基礎(chǔ)的一種新的MR成像技術(shù)，更能反映人體內(nèi)微環(huán)境變化[2-3]。DKI首先應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)的研究[4-5]，并獲得良好的效果。近年來，DKI也開始應(yīng)用于腹部。本文主要綜述DKI的原理、成像技術(shù)及其在腹部的研究現(xiàn)狀。

1　DKI原理與成像指標(biāo)

DKI是DWI技術(shù)的延伸，2005年由Jensen等[3]首次提出，是一種探查非高斯分布的水分子擴(kuò)散特性的方法，它使用更高的擴(kuò)散敏感因子（b值），一般b＞1 000 s/mm2，擬合更復(fù)雜的非高斯分布模型（即DKI模型），表現(xiàn)為更高的峰度和更長的尾巴（圖1）[3，6-8]，因此DKI能獲得更真實(shí)反映體內(nèi)水分子擴(kuò)散受限情況的影像及定量指標(biāo)。DWI信號擬合公式：ln[S（b）]=ln[S（0）]-b·Dapp+1/6·b2×D2app×Kapp[2-3]，其中S為信號強(qiáng)度，Dapp為給定方向上的表觀擴(kuò)散系數(shù)，b為擴(kuò)散敏感因子，Kapp為給定方向的峰度系數(shù)。當(dāng)Kapp=0時，Dapp依然與信號衰減呈單指數(shù)線性相關(guān)，符合單指數(shù)模型（即常規(guī)DWI模型）。通過這個公式，可以推導(dǎo)出Kapp。Kapp是一個無量綱的值，用來量化真實(shí)水分子擴(kuò)散位移與理想的非受限高斯分布擴(kuò)散位移的偏離大小[9]。Kapp越大，代表興趣區(qū)內(nèi)非高斯擴(kuò)散分布模型下的水分子真實(shí)擴(kuò)散受限情況越顯著，細(xì)胞微環(huán)境越復(fù)雜。

DKI的成像指標(biāo)中最常用的是平均峰度（mean kurtosis,MK），為各個擴(kuò)散方向的峰度系數(shù)的平均值，反映水分子擴(kuò)散受限的程度。其中，徑向擴(kuò)散峰度（radial kurtosis,Kr）是MK的垂直分量，即K⊥，為非零的擴(kuò)散受限，其擴(kuò)散受限垂直于擴(kuò)散張量長軸方向。平行擴(kuò)散峰度（axial kurtosis,Ka）則代表平行于擴(kuò)散張量長軸方向的擴(kuò)散峰度值，即K∥，類似于擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging,DTI）的各向異性（fractional anisotropy,FA），DKI亦有峰度各向異性（kurtosis anisotropy,KA），它能夠在評估水分子擴(kuò)散受限的各向異性情況中提供比FA更確切的信息，起到相輔相成的作用[10]。

圖1　不同模型下信號擬合關(guān)系

2　腹部DKI成像技術(shù)

DKI以常規(guī)DWI序列為基礎(chǔ)，并要求盡可能使用超高b值的敏感梯度場。常規(guī)DWI序列只需要設(shè)置2個b值即可獲得表觀擴(kuò)散系數(shù)圖（apparent diffusion coefficient map，ADC map），而DKI序列至少需要設(shè)置3個有區(qū)別的b值來擬合非高斯模型獲得Kapp等參數(shù)。但是在腹部的應(yīng)用中，也需要避免設(shè)置過多的b值成像[2]。設(shè)置過多的b值，一方面需要耗費(fèi)更多的采集時間，另一方面，腹部呼吸運(yùn)動偽影也會增加。

同時，對于最大b值的設(shè)置，也有著嚴(yán)格的要求。最大b值過小，則不能測出非高斯分布模型下獲取的信號衰減偏離高斯分布的斜率偏差，同時該序列反映水分子非高斯分布擴(kuò)散受限的能力也將顯著減低。但也無需追求過高的b值，因?yàn)檫^高b值的設(shè)置需要更好的硬件設(shè)施、更久的采集時間以及更優(yōu)越的后處理技術(shù)支持。在腦部DKI的研究中，最大b值可以設(shè)置到2 000～3 000 s/mm2[11-12]。但在腹部成像上，隨著b值的增大，影像信號強(qiáng)度以及T2的衰減將會更加迅速。此外，與頭部線圈相比，型號大的腹部線圈接收信號的性能與圖形校正性能均欠佳。因此，為了保證影像質(zhì)量，腹部DKI最大b值的選擇一般要小于頭部的最大b值的設(shè)置。參考近年來腹部DKI的研究[8-13]，最大b值設(shè)置在1 500～2 000 s/mm2范圍內(nèi)能夠獲得符合非高斯分布模型需求的理想結(jié)果。

DKI序列擴(kuò)散敏感梯度場的方向設(shè)置也有一定的特殊性。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究中，擴(kuò)散敏感梯度場往往會施加較多的方向（一般≥15個方向）[3]，以獲得更為精確的KA值。但這樣需要花費(fèi)很長的采集時間，在掃描固定性比較好的顱腦時可保證成像質(zhì)量，但腹部掃描因存在呼吸運(yùn)動的影響則需要盡可能地縮短采集時間。有文獻(xiàn)表明[3]，腹部DKI只需要3個梯度場方向即可，并不需要設(shè)置全方向梯度來探求組織擴(kuò)散各向異性特點(diǎn)。

DKI序列信噪比（SNR）的控制、后處理軟件結(jié)果分析等也關(guān)系到DKI研究效果?？蓹?quán)衡掃描時間，通過增加采集次數(shù)來達(dá)到提高SNR的目的。對影像的后處理要求可通過勾畫興趣區(qū)（ROI）得到b值（s/mm2）Kapp、Dapp等數(shù)據(jù)。表1即為目前腹部研究較多用的前列腺DKI技術(shù)參數(shù)設(shè)置[14]。

表1　前列腺DKI成像序列參數(shù)設(shè)置

3　DKI在腹部的應(yīng)用

與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相比，DKI序列在腹部的應(yīng)用并不多，大多集中在前列腺、腎臟、肝臟等實(shí)質(zhì)性臟器的研究。

3.1前列腺有文獻(xiàn)報道[15]，使用高b值（最大b值達(dá)2 000 s/mm2）DWI序列掃描正常前列腺與前列腺癌（prostate cancer,PCa）組織，并對其使用4種不同的數(shù)學(xué)模型（單指數(shù)模型、峰度模型、廣延指數(shù)模型、雙指數(shù)模型）進(jìn)行后處理，結(jié)果顯示峰度模型（即DKI模型）對正常前列腺與PCa的鑒別效能最好，并有較高的可重復(fù)性。Wang等[14]回顧性分析了110例病理確診為PCa病人的DKI影像資料（b值：0～2 000 s/mm2），以評估DKI對PCa的Gleason分級效能。DKI數(shù)據(jù)分別以單指數(shù)模型與DKI模型進(jìn)行量化擬合處理以獲取ADC、Dapp、Kapp數(shù)據(jù)。每一例PCa病人行病理Gleason分級后分組（低級別PCa：Gleason評分≤6;中高級別PCa：Gleason評分＞6）。ROC曲線分析結(jié)果顯示，高級別PCa具有更低的ADC值、更低的Dapp和更高的Kapp。而且第90百分位數(shù)Kapp與PCa的Gleason分級有相當(dāng)高的相關(guān)性（ρ＞0.6）。該研究認(rèn)為DKI在鑒別診斷高級別與低級別PCa有良好的效能。

也有研究比較了DKI與常規(guī)DWI對于前列腺良、惡性病變或者高、低級別前列腺腫瘤的鑒別效能，但并不認(rèn)為DKI能夠明確提升診斷效能。Roethke等[16]對前列腺外周帶癌的病理評分進(jìn)行研究，顯示DKI與DWI診斷效能并無明顯差別，認(rèn)為常規(guī)DWI依然是臨床診斷前列腺外周帶癌的標(biāo)準(zhǔn)成像序列。

3.2腎臟目前DKI應(yīng)用于腎臟的研究僅有少量的報道，主要為健康人腎臟的前瞻性研究。2014年P(guān)entang等[17]首先應(yīng)用DKI進(jìn)行腎臟成像，評價DKI應(yīng)用于人類腎臟成像的可行性及進(jìn)行序列的優(yōu)化。該研究使用呼吸觸發(fā)EPI序列（3個b值：0、300、600 s/mm2）并選取30個擴(kuò)散敏感梯度方向?qū)?0個健康志愿者的腎臟進(jìn)行冠狀面掃描，在腎皮質(zhì)、髓質(zhì)上勾畫ROI，分別獲取ADC、FA、MK指標(biāo)。結(jié)果顯示，DKI模型比單指數(shù)DWI模型具有更好的擬合度；腎皮質(zhì)與髓質(zhì)的ADC、FA、MK值的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其中腎皮質(zhì)MK值大于腎髓質(zhì)MK值（P＜0.001）。研究認(rèn)為，要獲得可信的峰度指標(biāo)需要b=0 s/mm2的影像上SNR至少達(dá)到8.31。但該研究選擇的最高b值為600 s/mm2，對于腹部DKI而言該b值太小，不足以表現(xiàn)水分子非高斯分布的擴(kuò)散特性；且樣本量較少（10例），多為年輕人，因此存在較大的局限性。

2015年Huang等[18]納入37名健康志愿者做了進(jìn)一步研究，b值設(shè)置為0、500、1 000 s/mm2，在兩側(cè)腎上、中、下極的皮質(zhì)與髓質(zhì)均勾畫ROI獲取FA、MD、徑向擴(kuò)散系數(shù)（D）、平行擴(kuò)散系數(shù)（D∥）、MK、K⊥、K∥數(shù)值。結(jié)果顯示，兩側(cè)腎臟的各項(xiàng)相應(yīng)指標(biāo)均無顯著差異。腎髓質(zhì)的峰值指標(biāo)（MK、K∥、K⊥）均高于腎皮質(zhì)（P＜0.001）。而擴(kuò)散加權(quán)指標(biāo)（FA、MD、D⊥、D∥）中，腎髓質(zhì)的FA高于腎皮質(zhì)，其他指標(biāo)（MD、D⊥、D∥）均低于腎皮質(zhì)。該研究認(rèn)為，DKI模型用于正常人腎臟以顯示水分子非高斯特性擴(kuò)散狀態(tài)是可行的。

對于腎髓質(zhì)與皮質(zhì)MK值的比較，上述兩個研究得出了相反的結(jié)論?？紤]兩個研究樣本量均較少，參數(shù)設(shè)置不同，如能擴(kuò)大樣本量并提高研究的可重復(fù)性，或許能得出更為準(zhǔn)確嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論。文獻(xiàn)中最高b值的設(shè)置都不超過1 000 s/mm2，這對于DKI而言均較小。研究者選取上述較小b值的原因如下：①Jensen等[3]認(rèn)為最大b值的選擇應(yīng)基于所研究組織的擴(kuò)散系數(shù)和峰度值。在健康人腦組織中，ADC≈1×10-3mm2/s，Kapp≈1，此時DKI設(shè)置的最大b值推薦選擇2 000 s/mm2。而人類正常腎臟（包括腎皮質(zhì)和腎髓質(zhì)）的ADC大約為2×10-3mm2/s或更高，約為腦組織的2倍。因此，腎臟組織的最大b值應(yīng)小于腦組織推薦的最大b值。②考慮到隨著最大b值的增大，DKI擬合公式的準(zhǔn)確性隨之降低，相應(yīng)的SNR也隨之下降，因此最大b值不能設(shè)置太大。③在b值位于600～800 s/mm2時，影像已能充分觀察到水分子擴(kuò)散運(yùn)動偏離正態(tài)分布的情況[17]。因此，上述研究設(shè)定健康腎DKI研究的最大b值均不大于1 000 s/mm2。

3.3肝臟目前DKI主要用于肝細(xì)胞癌或肝纖維化的研究。Goshima等[13]應(yīng)用DKI對富血供肝細(xì)胞癌的預(yù)后評估效能進(jìn)行報道。研究納入了62例治療前后的肝癌病人，b值設(shè)定0、100、500、1 000、1 500、2 000 s/mm2，測量了肝實(shí)質(zhì)與肝細(xì)胞癌區(qū)域的MK和ADC，并分析該參數(shù)與肝功能Child-Pugh分級的相關(guān)性。結(jié)果顯示，112個肝細(xì)胞癌結(jié)節(jié)（活性組63個，非活性組49個）中，MK值在這兩個組別中有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，活性組MK值高于非活性組（P＜0.001），而活性組ADC值低于非活性組（P＜0.001）。MK值的診斷敏感度、特異度以及ROC曲線下面積（area under the ROC curve，AUC）均高于ADC值的（P＜0.001）。但MK值在不同肝功能Child-Pugh分級的相關(guān)性差異并無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.45）。該研究認(rèn)為，DKI或許會是評估肝細(xì)胞癌預(yù)后反應(yīng)的一個新選擇。

Rosenkrantz等[19]采用DKI檢測肝細(xì)胞癌的新鮮離體肝標(biāo)本，得到了Kapp與腫瘤的細(xì)胞結(jié)構(gòu)特性有相關(guān)性的結(jié)論。Anderson等[20]通過小鼠肝纖維化模型，在9.4 T高場強(qiáng)MR設(shè)備上對離體小鼠肝纖維化樣本進(jìn)行了擴(kuò)散（b值高達(dá)3 500 s/mm2）序列掃描，并分別用廣延指數(shù)模型和峰度模型進(jìn)行后處理。結(jié)果顯示肝纖維化的組織病理學(xué)評估與這兩個模型所獲取的參數(shù)有明顯的相關(guān)性，認(rèn)為DKI在慢性肝疾病診斷中具有很大的潛力。

這兩項(xiàng)研究均采用體外肝樣本，可避免呼吸運(yùn)動對影像質(zhì)量的影響，同時可以延長掃描時間，設(shè)置更高的b值，增加信噪比。但肝臟在體內(nèi)和體外的組織生物結(jié)構(gòu)是否發(fā)生改變從而影響測量結(jié)果未知，可能導(dǎo)致測量結(jié)果會有所偏差。

綜上所述，DKI作為一種創(chuàng)新的擴(kuò)散成像方式，不僅能夠通過設(shè)置高b值獲得更為準(zhǔn)確的水分子擴(kuò)散信息，還能獲得多種定量指標(biāo)量化評估組織病灶。在腹部的應(yīng)用中，對于正常組織與病變、良性與惡性病變的鑒別以及疾病分組的評估，DKI指標(biāo)具有一定的診斷價值。特別是DKI與傳統(tǒng)的DWI相比，能夠更真實(shí)準(zhǔn)確地反映了水分子的擴(kuò)散運(yùn)動。DKI應(yīng)用于腹部疾病治療后評估，疾病分級相關(guān)性等領(lǐng)域的研究尚不多見，因此有著廣闊的研究前景。但是，在目前DKI腹部應(yīng)用中還存在一些技術(shù)上的不足，在最佳b值的設(shè)置、成像的SNR把握、數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性以及后處理數(shù)學(xué)模型的擬合等方面還需進(jìn)一步完善。相信隨著MRI技術(shù)的成熟與臨床的研究，DKI技術(shù)將會得到更廣泛的應(yīng)用。

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（收稿2015-12-28）

Application and advances of diffusion kurtosis imaging in abdomen

HUANG Li,LI Xuehua,HUANG Siyun,LIN

Jinjiang,SUN Canhui,LI Ziping.Department of Radiology,The First Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510080,China

Diffusion kurtosis imaging(DKI)is a kind of novel MRI technology enabling characterization of non-Gaussian water diffusion behavior.Although DKI has been largely applied in neurological diseases with good effect over the past decade,a small number of studies have recently explored DKI in other than brain,for example,prostate,kidney,liver and so on.The most investigated organ in abdomen is the prostate,and DKI has improved tumor detection and grading.This article aimed to review the application and advances of DKI in abdomen.

Diffusion kurtosis imaging;Magnetic resonance imaging;Prostate;Kidney；Liver

10.19300/j.2016.Z4060

R572；R445.2

A

中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，廣州510080

孫燦輝，E-mail:canhuisun@sina.com

*審校者

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014A020212480）