正常胰腺擴散加權(quán)成像不同方向擴散梯度表觀擴散系數(shù)直方圖分析

付貝 馬超 李晶 陳士躍 邊云 王敏杰 楊盼盼 陸建平

海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院影像醫(yī)學(xué)科，上海 200433

擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)是一種常用的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)序列，它能測量組織內(nèi)水分子擴散，以定量參數(shù)反映組織結(jié)構(gòu)和功能變化，可提供常規(guī)MRI序列(如T1和T2加權(quán)成像)無法獲得的微觀結(jié)構(gòu)信息，已廣泛應(yīng)用于疾病的診斷和治療評估[1]。DWI有多個應(yīng)用模型，如單指數(shù)模型、擴散張量模型、體素內(nèi)非相干運動模型(雙指數(shù)模型)、拉伸指數(shù)模型、擴散峰度模型等，這些模型均可獲得特有參數(shù)用于疾病診斷[2]。其中基于兩個擴散梯度因子(b值)的單指數(shù)DWI及表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)具有成像時間短、后處理快速及計算結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點，臨床應(yīng)用最為廣泛[3]。b值的大小可以控制DWI信號強度，其施加方向也影響DWI圖像及參數(shù)[4]。臨床上可利用單擴散梯度方向(如X、Y、Z方向)或采用3個垂直方向施加擴散梯度場采集DWI數(shù)據(jù)[5]。在DWI定量分析中，勾畫感興趣區(qū)(region of interest, ROI)測量ADC均值是最常用的數(shù)據(jù)分析方法，但該方法丟棄了組織的異質(zhì)性信息；而基于ROI直方圖分析(histogram analysis)方法逐步應(yīng)用到DWI定量研究中，其能得到ADC的頻數(shù)分布及比例，如均值、峰度(kurtosis)、偏度(skewness)、百分位數(shù)(percentiles)等多種參數(shù)，可挖掘出組織內(nèi)部潛在的更加豐富的影像信息，用于反映組織的均質(zhì)特征[6]。目前DWI直方圖在顱內(nèi)病變[6]、乳腺癌[7]、前列腺癌[8]和胰腺病變[9-10]等疾病中的應(yīng)用已有報道。本研究旨在探討正常胰腺DWI不同方向擴散梯度的ADC直方圖參數(shù)特征及差異，從而為胰腺DWI直方圖的研究及應(yīng)用提供參考。

資料和方法

一、一般資料

收集2013年1月至2018年1月間上海長海醫(yī)院影像醫(yī)學(xué)科MRI實驗數(shù)據(jù)庫行上腹部3.0-T MRI檢查的受試者資料。MRI檢查中包含單方向擴散梯度(X、Y、Z方向)及三正交方向擴散梯度DWI資料，其中X方向為患者檢查上下方向，Y方向為患者檢查左右方向，Z方向為患者檢查頭腳方向。入組標(biāo)準(zhǔn)：無胰腺疾病、慢性肝臟疾病或糖尿病病史；MRI結(jié)果無陽性發(fā)現(xiàn)。排除標(biāo)準(zhǔn)： DWI圖像有明顯偽影或胰腺明顯萎縮難以進行ROI勾畫、或過度肥胖者(體質(zhì)指數(shù)超過25 kg/m2)。最終納入21名，其中男性10名，女性11名，年齡20～34歲，平均年齡(28±4)歲。

二、MRI檢查

MRI檢查在3.0-T超導(dǎo)磁共振儀(Signa HDXt，美國GE Healthcare公司)上完成，使用8通道體部相控陣線圈接收信號。受試者檢查前空腹4 h以上，并進行呼氣、屏氣訓(xùn)練。掃描序列包括冠狀位和橫斷位T2加權(quán)成像、橫斷位T1加權(quán)成像及4個橫斷面DWI檢查。DWI為3個單方向(X、Y、Z方向)和三正交方向擴散梯度行單次激發(fā)平面回波成像(single-shot echo-planar-imaging, SS-EPI)序列，主要掃描參數(shù)：b值為0、500 s/mm2；重復(fù)/回波時間(repetition time/echo time，TR/TE) 2 275 ms/58.9 ms；單方向擴散梯度DWI累加次數(shù)為1(b值為0時)和6(b值為500 s/mm2時)，三正交方向擴散梯度DWI累加次數(shù)為1(b值為0時)和2(b值為500 s/mm2時)；掃描視野380 mm×304 mm；采集矩陣128×96；重建圖像矩陣256×256；采集層厚/間隔5.0 mm/1.0 mm；加速因子2；掃描層數(shù)14；翻轉(zhuǎn)角90°。4個DWI序列掃描時間都為18 s，被試皆1次屏氣完成。

三、數(shù)據(jù)處理

將4組DWI數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入本研究組開發(fā)的DWI分析軟件(MR Diffusion V1.0)重建ADC圖。由1位臨床研究經(jīng)驗豐富的放射科醫(yī)師對每一層DWI上包含的胰腺組織進行ROI勾畫，ROI自動匹配到與該DWI相對應(yīng)的ADC圖上。ROI勾畫過程中參考T1和T2加權(quán)圖像并仔細觀察2個b值的DWI圖像，確保ROI完全勾畫在胰腺組織上，從而盡可能避免部分容積效應(yīng)帶來的測量誤差。ROI勾畫完畢后以數(shù)據(jù)表格方式導(dǎo)出直方圖測量結(jié)果，包括ROI體積、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最小值、最大值、中位數(shù)、10%百分位數(shù)、90%百分位數(shù)、四分位范圍、平均絕對偏差、范圍、均方根、大小、變異、峰度、偏度16個ADC直方圖參數(shù)。

四、統(tǒng)計學(xué)處理

結(jié) 果

21名受試者MRI圖像未顯示胰腺異常信號，3個單方向和三正交方向擴散梯度DWI圖像質(zhì)量皆較佳，未見明顯偽影，胰腺解剖及形態(tài)清晰。典型的正常胰腺4個方向擴散梯度DWI及對應(yīng)的ADC圖見圖1，ADC直方圖參數(shù)及統(tǒng)計結(jié)果見表1。16個ADC直方圖定量參數(shù)中，除了4個DWI序列獲得的ADC峰度之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(χ2=-9.84，P=0.02)外，其余各參數(shù)之間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。進一步分析表明X方向擴散梯度獲得的正常胰腺ADC峰度小于Y、Z方向(P<0.05，圖2)。

圖1 同一受試者X(A～C)、Y(D～F)、Z(G～I)方向及三正交(J～L)方向擴散梯度b=0和b=500 s/mm2的DWI及ADC圖

參數(shù)X方向Y方向Z方向三正交方向P值10%百分位數(shù)(×10-3mm2/s)1.64±0.551.60±0.421.46±0.281.46±0.390.4790%百分位數(shù)(×10-3mm2/s)2.72±0.942.54±0.642.50±0.762.40±0.680.68四分位范圍(×10-3mm2/s)0.57±0.270.51±0.290.51±0.250.50±0.220.72峰度3.16±1.444.72±2.264.47±2.13.69±1.820.02最大值(×10-3mm2/s)3.30±1.173.54±0.833.45±1.333.06±0.880.37均值(×10-3mm2/s)2.15±0.722.04±0.471.94±0.401.89±0.510.52平均絕對偏差(×10-3mm2/s)0.34±0.150.32±0.140.34±0.200.30±0.130.81中位數(shù)(×10-3mm2/s)2.10±0.711.99±0.451.88±0.371.85±0.520.46最小值(×10-3mm2/s)1.34±0.521.21±0.561.09±0.451.09±0.470.60范圍(×10-3mm2/s)1.96±0.952.33±1.022.36±1.411.97±0.950.46均方根(×10-3mm2/s)2.19±0.732.09±0.472.00±0.441.94±0.520.53ROI大小(mm2)126.48±68.69280.48±564.06141.95±99.06181.95±170.60.61偏度0.49±0.580.83±0.760.73±0.790.51±0.580.35標(biāo)準(zhǔn)差(×10-3mm2/s)0.43±0.190.41±0.160.44±0.270.38±0.160.83變異0.22±0.180.20±0.150.27±0.440.17±0.140.83體積(mm3)1672.1±908.23708.1±7457.31876.7±1309.62405.5±2255.50.61

圖2 正常胰腺DWI單方向(X、Y、Z方向)及三正交方向擴散梯度ADC峰度

討 論

DWI是臨床廣泛使用的一種MRI方法，無需對比劑即能測量組織內(nèi)水分子擴散運動，為臨床醫(yī)師提供定性(DWI圖像)及定量(ADC)信息，用于病變的早期發(fā)現(xiàn)、鑒別診斷及治療效果評價[1]。DWI最初用于顱內(nèi)疾病的診斷及研究，已成為中風(fēng)診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”[11]。隨著并行采集、快速梯度等軟硬件技術(shù)的進步，DWI已廣泛應(yīng)用于全身各個部位的檢查，并體現(xiàn)出重要臨床價值。多項研究表明胰腺癌ADC較正常胰腺組織降低[2]。臨床胰腺DWI掃描有屏氣、呼吸觸發(fā)、自由呼吸3種方式，每種方法有其各自的優(yōu)缺點，1.5-T DWI掃描推薦使用呼吸觸發(fā)方式，但3.0-T胰腺DWI選擇哪種方法并無定論[12]。從減小呼吸運動、胃腸蠕動等影響來看，屏氣方法往往對于提升圖像質(zhì)量和降低采集時間有著很大幫助，因此本研究的DWI采用屏氣方式，目的是盡可能減小運動造成的影響，使胰腺ADC與真實值更加接近。本研究中不同方向擴散梯度獲得的正常胰腺ADC均值為(1.89～2.15)×10-3mm2/s，在以往研究的報道范圍之內(nèi)[12]。

擴散梯度場強方向影響DWI圖像特征及定量參數(shù)[4]。對于正常胰腺來說，有研究報道胰腺近似為各向同性的器官，擴散梯度對正常胰腺ADC均值無顯著影響[13]。筆者前期研究也發(fā)現(xiàn)Z方向擴散梯度與三正交方向獲得的正常胰腺ADC均值無明顯差異[14-15]，但胰腺內(nèi)部存在胰管結(jié)構(gòu)，且組織細胞分布不均，ADC均值無法評價胰腺的不均勻性，因此本研究選擇基于ROI直方圖的方法以研究組織異質(zhì)性。Ma等[9]報道ADC直方圖百分?jǐn)?shù)可用于鑒別胰腺癌和腫塊型慢性胰腺炎，Pereira等[10]發(fā)現(xiàn)ADC直方圖可對胰腺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤進行分級。本研究發(fā)現(xiàn)正常胰腺ADC均值與擴散梯度方向無關(guān)，與既往報道[13-15]一致，但ADC峰度值受擴散梯度影響顯著，X方向擴散梯度獲得的ADC峰度明顯小于Y、Z方向ADC峰度，說明Y、Z方向擴散梯度獲得的正常胰腺ADC值分布中有更多極端值。

關(guān)于胰腺癌ADC均值與病理學(xué)的相關(guān)性，不同研究所得結(jié)果并不一致。Wang等[16]發(fā)現(xiàn)胰腺癌ADC值和腫瘤分化程度呈正相關(guān)；而Rosenkrantz等[17]和Hayano等[18]未發(fā)現(xiàn)二者之間存在相關(guān)性；筆者前期研究發(fā)現(xiàn)胰腺癌分化程度越低(或分期越高)ADC值越小，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義[19]。胰腺癌的異質(zhì)性及ROI平均值測量方法可能是造成上述研究結(jié)果不一致的主要原因，因此深入了解正常胰腺及胰腺疾病ADC直方圖參數(shù)特征對評估胰腺癌異質(zhì)性及預(yù)測臨床病理特征具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)正常胰腺ADC峰度與擴散梯度方向有關(guān)，X方向擴散梯度獲得的正常胰腺ADC峰度最小，提示利用直方圖分析方法進行胰腺DWI研究時需要考慮擴散梯度方向?qū)DC峰度的影響。

本研究也存在一些不足。首先，本研究樣本量較小，且入組受試者較年輕，能很好地配合屏氣DWI掃描，而在臨床檢查中患者年齡往往較大，一些患者即使進行呼吸訓(xùn)練也不能達到較好的屏氣效果；其次，為了確保較短掃描時間獲得較好的DWI圖像信噪比，本研究選擇的擴散梯度因子為中等b值(500 mm2/s)，而更高b值的DWI掃描可能獲得更為準(zhǔn)確的ADC；最后，DWI掃描方法和磁場強度對本結(jié)果可能存在影響。因此，今后仍需開展大樣本、多中心研究進一步證實、完善本研究結(jié)果。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突