自由呼吸扩散加权成像与屏气扩散加权成像在肾脏病变方面的对比研究

扩散加权成像（diffusion-weighted imaging，DW I）图像已经成为腹部磁共振成像中愈来愈重要的成像序列[1]，在病变检出及定性方面都发挥了重要的作用。传统成像中为了避免腹部脏器的运动而采取屏气扩散加权成像（breath-hold DW I，BH-DW I)以最大限度地避免伪影的产生及图像质量的降低，然而对于屏气困难的患者，屏气扩散加权成像通常难以实现。自由呼吸扩散加权成像（free breathing DW I，FB-DW I)近年来逐渐应用于上腹部脏器成像，既往研究对肝脏及肝脏病变的表观弥散系数在自由呼吸扩散加权成像及屏气加权成像的一致性方面进行了分析[2,3]，然而尚未对肾实质或肾脏疾病在两种扩散加权成像图像之间的异同进行探讨，因此本研究针对两种成像图像之间的图像质量及表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）值之间的异同进行探讨。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择解放军总医院 2010-08～2010-09经手术后病理或随访证实的 45例肾脏疾病患者，其中4例患者的MRI图像质量伪影较重，故而排除，最终纳入41例患者，其中男性28例，女性13例；年龄25～74岁，平均53.1岁。41例患者中28例进行了根治性肾切除术；2例进行了肾、输尿管全长切除术；7例进行了部分肾切除术，MRI检查与手术时间间隔1～71d，平均14.8d；4例随访6个月。

1.2 扫描技术与方法 所有患者均采用美国 GE Signal HD Excite MR扫描仪进行检查，场强为1.5T，使用体部相控阵线圈。扩散加权成像扫描参数如下：屏气扩散加权成像参数为TR 5 000ms, TE 55.2ms,视野（FOV）36cm×36cm～40cm×40cm，矩阵128×128，层厚5～6mm，层间距1mm，反转角15°，激励次数为2；自由呼吸扩散加权成像除激励次数为8以外，其余参数与屏气扩散加权成像参数一致。

1.3 图像分析 采用GE AW 4.3工作站对图像进行分析。由1名专门从事腹部磁共振成像的医师对所有病变的DW I图像进行分析，在DW I图像上测量信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）、对比噪声比（contrast-to-noise ratio，CNR）及相对病变对比度。信噪比、对比噪声比及相对病变对比度根据如下公式计算：

信噪比=肾实质信号/背景噪声标准差

对比噪声比=病灶信号－肾实质信号/背景噪声标准差

相对病变对比度=病灶信号/肾实质信号

在工作站自动生成的ADC图上测量病变的ADC值，测量时ROI选择的方法为对于最大径＞3cm的病变选择3个ROI，然后取平均值，最大径＜3cm的放置一个ROI。放置ROI时尽量使两组ADC图上ROI的位置一致，对于实性病变，避开囊变、坏死及出血区域。同时则将 ROI放置于病变邻近未受累及的肾实质中以测量肾实质ADC值，ROI大小与病变内ROI一致。

1.4 病理及随访 所有经手术取得的病理结果，均由2名病理科医师进行读片，并得出一致结论。未经手术治疗的患者，由1名MRI医师进行随访，随访时间超过6个月。

1.5 统计学分析 数据采用 SPSS 18.0统计软件进行分析，两组DW I图像的信噪比、对比信噪声比及相对病变对比度通过 W ilcoxon检验进行统计学分析，P＜0.05为差异有统计学意义。两组肾实质ADC值及病变ADC值的一致性通过Pearson相关分析及信度分析方法进行分析。

2 结果

2.1 MRI检查、病理及随访结果 41例患者同时进行了屏气扩散加权成像与自由呼吸扩散成像，共检出41个病灶。其中37例经手术治疗，根治性肾切除术28例，部分切除术7例，肾及输尿管切除术2例。病理结果为肾透明细胞癌29例，乳头状肾细胞癌2例，尿路上皮癌2例，血管平滑肌脂肪瘤4例。另外4例影像诊断为肾囊肿，随访时间为181～235d，平均210d，病变未见明显变化。

2.2 DW I图像质量分析 41个病灶均进行了屏气扩散加权成像及自由呼吸扩散加权成像扫描（图 1），自由呼吸扩散加权成像的SNR(49.3)显著高于屏气扩散加权成像的SNR（29.5）（P＜0.001）（图2），同时前者的CNR（27.8）也显著高于后者（15）（P＜0.001）（图3）。然而两种DW I图像的相对病变对比度差异无统计学意义（P=0.459）（图4）。

图1 59岁女性患者，左肾透明细胞癌。b值为800s/mm2时，病变在自由呼吸DW I图像（A）及屏气DW I图像（C）上呈高信号。自由呼吸DWI图像的信噪比及对比噪声比均高于屏气DWI。病变内放置3个感兴趣区（ROI），计算平均ADC值。自由呼吸ADC图（B）得出的平均ADC值（1.920×10−3mm2/s )与屏气ADC图（D）得出的平均ADC值（1.933×10−3 mm2/s)相似

图2 箱线图显示b值为800s/mm2时，自由呼吸扩散加权成像的SNR显著高于屏气扩散加权成像

图3 箱线图显示b值为800s/mm2时，自由呼吸扩散加权成像的CNR显著高于屏气扩散加权成像

图4 箱线图显示b值为800s/mm2时，自由呼吸扩散加权成像与屏气扩散加权成像相对病变对比度无明显差异

2.3 ADC值分析 屏气扩散加权成像与自由呼吸扩散加权成像分别生成的ADC图显示，未受累及的肾实质的平均ADC值分别为（2.15±0.17）×10-3mm2/s、（2.16±0.17）×10-3mm2/s，两种方法测量的ADC值之间Pearson相关系数为0.871（P＜0.001），校正的Cronbach α系数为0.931，组内相关系数为0.931。41例肾脏病变通过自由呼吸扩散加权成像及屏气扩散加权成像获得的ADC图测量出的两组平均ADC值分别为（1.69±0.64）×10-3mm2/s、（1.60±0.69）×10-3mm2/s。两种方法测量的ADC值之间Pearson相关系数为0.888（P＜0.001），校正的Cronbach α系数为0.949，组内相关系数为0.901。每种肾脏疾病的ADC值见图5和表1。

图5 箱线图显示根据两种扩散加权成像方法测得肾脏不同种类病变的ADC值。图示显示两组ADC值分布相似

表1 不同种类肾脏病变的ADC值（±s，×10－3 mm2/s）

表1 不同种类肾脏病变的ADC值（±s，×10－3 mm2/s）

病变种类n FB-DWI ADC值BH-DWI ADC值透明细胞癌 29 1.65±0.49 1.57±0.57 囊肿2.84±0.42血管平滑肌脂肪瘤 4 1.16±0.13 1.07±0.35 43.00±0.13乳头状肾细胞癌0.78±0.05尿路上皮癌 2 1.35±0.45 1.43±0.42 20.90±0.12

3 讨论

目前腹部脏器的扩散加权成像多在患者屏气过程中进行采集，然而这种扫描方式在一些屏气困难或者由于疾病原因而导致患者不能耐受屏气的情况下，采集的图像的质量其稳定性都难以保证，因此，本研究尝试在患者自由呼吸过程中进行扩散加权成像的采集，以期作为屏气扩散加权成像的补充。

自由呼吸扩散加权成像之所以能够实现，是由于虽然呼吸运动是固有的，但是呼吸运动并不会导致扩散加权成像图像质量的显著下降，同时不会对 ADC值造成实质性影响。因此，扩散加权成像图像对呼吸运动不敏感的这种特点使得自由呼吸扩散加权成像成为可能[4]。

本研究结果显示，由于提高了采集激励次数，自由呼吸扩散加权成像的信噪比及对比噪声比明显高于屏气扩散加权成像，这从一定程度上弥补了传统屏气扩散加权成像图像质量较差的不足，目前尚未发现有关这两种扩散加权成像方式在肾脏疾病方面的应用比较。本研究对两种扩散加权成像生成的ADC图进行了对比分析，对于肾脏局灶性疾病以平均ADC值作为参数，两组ADC值并无明显差异，同时两组肾实质ADC值之间亦无明显差异，本研究中肾实质的ADC值为（2.16±0.17）×10-3mm2/s，与本文作者之前的研究[5]以及既往研究的报道均一致[6,7]。ADC值的一致可使肾脏疾病在这两种不同扩散加权成像条件下仍可以采用统一的ADC阈值进行定量分析。

进行扩散加权成像时，选择较高的b值能更真实地反映病变水分子运动受限的情况[5,8]，避免了血流等因素对ADC值的影响，从而有利于病变的检出及鉴别诊断，因此本研究选择的b值为800s/mm2，但随着 b值的增高，扩散加权成像图像质量会有所下降，特别是当选择高b值时，图像的信噪比明显降低，从而导致病变检出及定性诊断的可靠性下降，然而自由呼吸扩散加权成像由于显著提高了采集激励次数，使得图像质量相对于屏气扩散加权成像显著提高，这也为更高b值扩散加权成像的研究提供了可能。

本研究中自由呼吸扩散加权成像图像的信噪比及对比噪声比相对于屏气扩散加权成像显著提高，然而相对病变对比度并未显著提高，其主要原因可能是由于采集激励次数的增加，病变的信号增强，但同时邻近肾实质的信号也相应提高，从而可能导致相对病变对比度的提高程度并不明显。

理论上，自由呼吸扩散加权成像会导致图像模糊[2]。因此，在自由呼吸扩散加权成像中，较小病变 ADC值的测量会受到邻近脏器实质部分容积效应的影响，从而导致自由呼吸扩散加权成像病变ADC值测量准确性及可重复性降低。在模拟缓慢呼吸运动的水模研究中，如果 ROI放置于均匀一致的区域，所测量的ADC值不超过静止水模的10%；然而如果ROI覆盖了水模的边缘，则 ADC值则出现显著差异[9,10]。因此本研究选择的肾脏病变直径均＞1cm。另外，自由呼吸扩散加权成像的扫描时间在本研究中明显长于屏气扩散加权成像，这也可能增加患者的不适感，不过图像质量的改善可以弥补这一不足。

本研究在1.5T场强的磁共振扫描仪上进行，结果并不能推而广之用于3.0T或更高场强的磁共振扫描仪，由于3.0T磁共振机本身的高信噪比[11]，可使得屏气扩散加权成像的信噪比显著提高，因此可能无论是屏气扩散加权成像或是自由呼吸扩散加权成像的图像质量都得到提高，两者之间是否有显著差异尚有待于进一步的研究加以证实。

本研究仍有一些不足之处，首先对于肾脏病变ADC值的测量由1名医师进行，以后的研究中应采用多名医师进行读片分析，会进一步增加本研究的可靠性。其次，本组病例入组的疾病种类相对较少，期望在下一步的研究中积累更多疾病种类进行分析。另外，由于本研究的主要目的是比较两种序列之间的差别，并未对自由呼吸扩散加权成像与其他常规 MRI序列在病变检出和定性方面进行分析。

总之，自由呼吸扩散加权成像可作为常规扩散加权成像的补充，特别对于屏气困难的患者更有价值。

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