體素內(nèi)不相干運動DWI在椎體病變中的應用進展

張晨穎綜述，高思佳審校

(中國醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽 110001)

DWI是一種可用于研究在體水分子擴散的功能MRI技術，通過定量測定水分子的自由擴散，來反映體內(nèi)發(fā)生的微觀變化，進而對疾病進行診斷。隨著對DWI認識的深入及MR技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)DWI定量化參數(shù)ADC值受體素內(nèi)毛細血管微循環(huán)灌注的影響，并不能真實反映體素內(nèi)水分子的擴散[1]，有一定局限性。Le Bihan等[2]最早提出體素內(nèi)不相干運動(intravoxel incoherent motion， IVIM)DWI的概念和成像原理，通過雙指數(shù)模型擬合來獲得體素內(nèi)擴散與灌注的雙重信息，以彌補DWI的不足。近年來IVIM已廣泛應用于肝臟、腎臟、胰腺、頭頸部等多個部位，但在脊柱病變中應用相對較少。本文就IVIM DWI在椎體病變的應用進展進行綜述。

1 IVIM基本成像原理

組織內(nèi)微觀運動包括水分子擴散和微循環(huán)灌注兩部分，ADC值不能準確反映生物體內(nèi)水分子的擴散，根據(jù)Le Bihan[3-4]提出的理論，IVIM使用多個b值掃描將水分子擴散和微循環(huán)灌注這兩部分微觀運動形式分離且量化，雙指數(shù)模型組織信號衰減的公式為：Sb/S0=(1-f)·exp(-bD)+f·exp[-b(D+D*)]， b為擴散敏感系數(shù)，S為b取不同值時信號的強度，D為真性擴散系數(shù)，D*為偽擴散系數(shù)，f為灌注分數(shù)，表示灌注相關效應占總體擴散效應的百分比，與微循環(huán)血容量有關。其中D*比D大1個數(shù)量級，所以低b值時獲得灌注信息，高b值時獲得擴散信息；同時b值的選取對圖像質(zhì)量有一定影響，雖然低b值時灌注效應明顯，但參數(shù)的真實性受影響[5]；高b值時成像時間延長，圖像SNR下降，故合理調(diào)配b值分布對圖像質(zhì)量至關重要。

2 IVIM模型的驗證

IVIM理論被提出后，研究者采用相關實驗及臨床研究對其可靠性進行了驗證。LeBihan等[6]在其構建的擴散與灌注水模實驗中發(fā)現(xiàn)，減少模型中的水流，則ADC值也相應減低，提示DWI對流動效應敏感。Federau等[7]通過給志愿者吸入含有不同濃度CO2和O2的氣體，觀察受試者腦血流量變化，結果發(fā)現(xiàn)，當氣體所含CO2濃度升高時，D*值、f值也隨之升高；當氣體所含O2含量升高時，D*值、f值相應降低，但D值始終保持不變，表明IVIM能夠反映組織的灌注特性。隨后Lee等[8]采用水流模型實驗發(fā)現(xiàn)f值與模型中水流分數(shù)、D*值與水流量之間存在顯著正相關，同樣提示IVIM可對水分子的擴散與灌注進行近似的分割。此外，IVIM灌注相關參數(shù)與通過引入對比劑獲得的反映組織灌注的參數(shù)間具有較好的相關性。Shi等[9]采用肺癌小鼠模型觀察其對抗血管生成藥物的反應，發(fā)現(xiàn)治療后IVIM灌注參數(shù)D*值、fD*(二者乘積)減低，與動態(tài)對比增強MR掃描(dynamic contrast-enhanced MRI， DCE-MRI)參數(shù)之間具有很好的相關性。同樣，Lai等[10]在IVIM預測鼻咽癌患者的預后研究中發(fā)現(xiàn)，預后較好患者的D*值、DCE-MRI灌注參數(shù)均較低，提示IVIM灌注參數(shù)與DCE -MRI灌注參數(shù)具有較好的相關性。

3 IVIM DWI在椎體病變中的應用

3.1IVIM對椎體病變的檢出及良惡性鑒別 椎體的血液供應主要依靠周圍毛細血管及Batson椎靜脈叢，其血供豐富，且含有較多紅骨髓，是轉移瘤、多發(fā)性骨髓瘤、骨髓增生等疾病的好發(fā)部位[11]。椎體病變多首先侵犯骨髓，繼而破壞骨質(zhì)結構，甚至引發(fā)病理性骨折。因此，在脊柱形態(tài)結構尚未破壞之前，早期發(fā)現(xiàn)骨髓異常至關重要。DWI能早期發(fā)現(xiàn)椎體骨髓異常。一般來說，正常骨髓脂肪組織豐富，其ADC值、D值較低，既往研究[12]報道為0.2～0.6×10-3mm2/s和 0.1～0.3×10-3mm2/s。骨髓發(fā)生病變時，骨髓中的脂肪成分被病變組織取代，水含量增多，導致ADC值、D值增高[12-13]。因此，椎體骨髓異常時，通過對ADC值、D值的量化分析可以檢出病變；對于較小病灶，ADC偽彩圖的診斷敏感度更高[14]。IVIM是基于DWI的延伸模型，其D值相對于ADC值診斷效能更高。部分椎體病變的T1WI、T2WI信號相似，增強方式相同，且ADC值重疊較大[15]，故常規(guī)MRI、DWI的鑒別診斷價值有限，難以確定病變性質(zhì)。Baik等[16]采用IVIM成像觀察性質(zhì)未定的局灶性骨髓異常，發(fā)現(xiàn)良性局灶性骨髓增生中脂肪含量較高，ADC值、D值明顯低于惡性病變，提示IVIM對鑒別椎體良惡性病變具有一定價值；但灌注相關參數(shù)f值和D*值在良惡性病變間差異無統(tǒng)計學意義。Park等[13]對椎體結節(jié)性造血性骨髓增生(9個)與椎體惡性病變(其中包括39個轉移瘤和10個骨髓瘤)進行研究，結果顯示良性骨髓增生的ADC值、D值明顯低于椎體惡性病變(P均<0.001)；此外，該研究中良性病變與惡性病變間D值不存在重疊，D值較ADC值具有更高的診斷效能(AUC=1)。同時，研究認為良性骨髓增生的f值較高，這與以往經(jīng)驗不同，雖然惡性病變新生血管豐富，但新生血管不成熟，血管通透性較大，增強發(fā)生早、進展快、持續(xù)時間短，這可能是影響f值的原因。Bourillon等[17]研究椎體多發(fā)性骨髓瘤，發(fā)現(xiàn)無論是彌漫性或局限性椎體病變，治療前DCE-MRI最大增強值均增高，但IVIM灌注參數(shù)f值、D*值并不同步增加；而治療后椎體局限性浸潤病灶的f值與最大增強值的變化趨勢相同。目前對于IVIM灌注參數(shù)f值、D*值與灌注檢查間的相關性仍存在爭議，雖然有學者[18]認為二者變化趨勢相同，但是否可將f值、D*值用于鑒別病變還需要進一步深入研究[19]。有學者[20-21]將IVIM用于鑒別診斷椎體轉移瘤與椎體良性病變(血管瘤、結核病、急性骨挫傷、嗜酸性肉芽腫等)，結果顯示雙指數(shù)模型DWI具有鑒別診斷價值，其中轉移瘤ADC、D值均低于良性病變(P<0.001)。

椎體惡性病變相對于良性病變具有更低的ADC值和D值，此結論適用于大多數(shù)椎體病變，其特異度、敏感度分別為85%～97%、85%～100%[13]，但有些針對骨髓增生性疾病的研究[22]結果與此相反，原因可能為：①腫瘤生長所處不同時期對水分子擴散影響不同，初期骨髓中脂肪組織被取代時，水分子擴散能力增強，ADC值、D值增高；隨著腫瘤細胞不斷密集，細胞外間隙變小，水分子擴散能力降低，ADC值、D值相應降低；②惡性病變晚期生長速度過快，導致病變內(nèi)部微小壞死，使ADC值、D值增高；③不同采集技術和成像參數(shù)對ADC值、D值的影響[13]。當骨髓ADC值>0.77×10-3mm2/s時提示腫瘤性骨髓浸潤，以此界值鑒別診斷的敏感度、特異度分別為85%、90%[14]。綜上所述，IVIM可以在細胞水平上定量評估病變的特征，對鑒別良惡性椎體病變有較高價值。

3.2IVIM在椎體骨折中的應用 骨質(zhì)疏松是引發(fā)椎體骨折最常見的原因。Ohno等[23]觀察11名健康志愿者，發(fā)現(xiàn)骨密度降低時，D*值也相應減小，提示椎體骨髓血流量減少可能與骨密度降低有關。IVIM對骨質(zhì)疏松具有一定診斷價值，或可提供一種新的骨密度測量方法，既能評估骨折發(fā)生的風險，也能避免患者接受過多輻射。采用單指數(shù)模型DWI觀察椎體骨質(zhì)疏松性骨折與惡性病變引起的椎體骨折的鑒別診斷價值的研究[23-25]結果顯示，惡性椎體骨折的ADC值[(0.7～1.3×10-3mm2/s)]低于骨質(zhì)疏松性骨折[(1.2～2.0×10-3mm2/s)]。其可能的病理生理學背景如下：骨質(zhì)疏松時骨密度降低，骨髓水腫，水分子擴散不受限，ADC值高；而惡性病變導致椎體骨折時，大量腫瘤細胞取代正常組織，細胞排列緊密，細胞外間隙變小，限制了水分子自由擴散，使ADC值低[26]。但是，由于ADC值受微循環(huán)灌注的影響，不能精確反映組織擴散的情況，診斷價值有限，對于IVIM對椎體骨折的診斷價值有待更深入的研究加以評判。

3.3IVIM在評估椎體病變療效中的應用 IVIM還可對椎體病變的療效及患者預后進行評估。腫瘤病變治療后會出現(xiàn)腫瘤細胞崩解、數(shù)量減少，胞膜完整性破壞，細胞外間隙擴大及病灶中血流減少的現(xiàn)象。Gaeta等[27]對乳腺癌溶骨性轉移放療后的研究表明，病灶的ADC值、D值治療后明顯上升，而D*值明顯下降，提示IVIM可作為一種不需引入對比劑的非侵入性方法用于評估治療療效。然而現(xiàn)有的研究結果不盡相同，治療后病變對治療應答的不同時間點可能是影響IVIM參數(shù)的主要因素。Niu等[28]對椎體骨髓浸潤的急性白血病患者的預后研究發(fā)現(xiàn)，誘導化療前D值高及f值低的患者在治療后可獲得完全緩解；相反，D值低及f值高的患者在治療后未緩解，在控制了其他混雜因素的前提下，D值、f值或可作為預測急性白血病患者預后的潛在的獨立指標。Filli等[29]探討全身IVIM DWI的可行性，對8名志愿者進行掃描，均獲得了圖像質(zhì)量較好的參數(shù)圖，且IVIM相關參數(shù)重復性均較好，較常規(guī)全身DWI穩(wěn)定性更高，提示其有望成為評價全身轉移性骨腫瘤療效的補充方法；但掃描時間較長、SNR相對較低限制了其臨床應用，相信隨著MR技術的發(fā)展，全身IVIM的應用將成為可能。

4 IVIM技術的優(yōu)勢與不足

近年來，IVIM以其獨特優(yōu)勢逐漸受到臨床關注，可在檢出病變、鑒別良惡性、病理分級、療效評估等方面提供更準確的信息，較傳統(tǒng)DWI更有價值。然而IVIM技術也存在一些不足：①掃描方式和參數(shù)計算方法對圖像質(zhì)量及參數(shù)穩(wěn)定性的影響仍未獲確切評估，現(xiàn)有研究尚未形成統(tǒng)一標準；②b值的選擇及分布一直以來是困擾該技術的難題，為了提取灌注相關的信息，需要低b值，但若低b值個數(shù)過多，會影響參數(shù)的真實性；若高b值較多，則圖像SNR下降，影響圖像質(zhì)量。一般認為應最少選擇4個b值[30]，但所得結果的重復性仍有待進一步深入評估；③IVIM參數(shù)的可重復性、準確性受到多方面因素的影響，當病變中囊變壞死較多或血供較少時，ROI內(nèi)難免會包括這些部位，使參數(shù)的準確性降低[31]。同時還需注意，f值除受灌注效應的影響外，還與腺體等的分泌活動有關，導致f值與D*值的不匹配，所以有學者[32]提出f與D*乘積的概念，認為其準確性更高。

相信隨著MR技術的不斷發(fā)展以及硬件設備的進一步優(yōu)化，IVIM可以在椎體病變的檢出、鑒別診斷及疾病療效評估中發(fā)揮更大作用。