3.0T MR扩散加权成像对肺实性良恶性病变的鉴别诊断效能及b值优化探讨

李伟栋 李东 刘海东 周荣超 冯长超 马艳 于铁链

磁共振扩散加权成像（diffusion-weighted imaging,DWI）是目前唯一能够在体检测水分子微观运动的无创性功能成像技术，在头颈部[1]及腹部[2]显示出较高的临床应用价值。近年来随着磁共振软硬件设备和成像技术的快速发展，尤其是3.0T磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）扫描仪的临床应用，其信噪比（signal-tonoise ratio, SNR）及分辨率提高，且扫描速度加快，为DWI在胸部的应用提供了良好基础。DWI在肺部病变，特别是肺癌的检出、诊断、分期和疗效评估等方面越来越多地受到关注[3-6]。本研究旨在探讨3.0T MR DWI联合相控阵线圈和并行采集阵列空间敏感度编码技术（array spatial sensitivity encoding technique, ASSET）对肺实性良恶性病变的鉴别诊断效能，并优化最佳b值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 病例入组标准：①胸部CT检查发现肺内实性结节或肿块，且直径＞1.5 cm；②患者一般状况良好，能配合完成检查；③无MR检查禁忌症。全部病例均经患者同意，签署书面知情同意书。2009年6月-2011年5月在天津医科大学总医院就诊且符合上述标准的116例患者，共计120个病灶纳入研究，男性69例，女性47例，年龄36岁-85岁，平均（58.3±9.6）岁。病灶最大径线1.5 cm-12.2 cm，平均（5.5±2.5）cm。

1.2 MR检查 采用GE HD-X 3.0T超导型MR扫描仪和Torsopa相控阵表面线圈进行横断面扫描：①快速弛豫快速自旋回波脉冲序列（fast relaxation fast spin echo, FRFSE）T2加权成像（T2 weighted imaging）（FRFSE T2WI），呼吸触发和心电触发（R波触发），TR/TE（8,000-8,571）ms/（86-96）ms，层厚/间隔4.0 mm/1.0 mm，NEX 2，ETL 20，FOV 42 cm，矩阵256×160；②双反转快速自旋回波（dual inversion recovery fast spin echo）T1WI，心电触发（R波触发），TR/TE（1,120-1,760）ms/（4.1-6.2）ms，NEX 0.5，ETL 24，FOV 42 cm，矩阵256×160；③预饱和脂肪抑制FRFSE T2WI；④DWI：先行ASSET校准扫描，然后采用单次激发自旋回波-回波平面成像序列（spin echo-echo planar imaging, SE-EPI）行DWI扫描，在自由呼吸状态下采集图像，b值分别取0 s/mm2、200 s/mm2、500 s/mm2、800 s/mm2、1,000 s/mm2，同时在X、Y、Z轴3个方向上施加敏感梯度脉冲。

1.3 图像后处理及数据测量 使用AW4.3工作站的Functool 4.5.5软件包对图像进行后处理，获得肺内实性病变的DWI图、表观扩散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）图。参考T2WI或脂肪抑制T2WI、T1WI和DWI图，选择病灶信号强度最大且最均匀的层面，通过圆形或椭圆形感兴趣区（region of interest, ROI）测量病变区的DWI信号强度（S病变）和ADC值。所取ROI包括病灶最大径线的60%以上，并尽可能包括最大信号强度中心区域，避开病变边缘和肉眼可辨的坏死区。同一病例各b值图像设置同样的ROI。应用同样大小ROI测量病灶同层面胸壁肌肉DWI信号强度值（S肌肉）、图像背景噪声（背景信号强度的标准差，SD噪声）。所有ROI测量均进行3次，取平均值作为最终测量值。信噪比和对比噪声比（contrast-to-noise ratio, CNR）计算公式分别为：SNR=S病变/SD噪声，CNR=（S病变-S肌肉）/SD噪声。

1.4 统计分析方法 使用SPSS 13.0统计分析软件。采用随机区组设计方差分析比较不同b值组病灶的SNR、CNR和良、恶性病变ADC值。采用受试者操作特征曲线（receiver operating characteristic curve, ROC）分析不同b值组ADC值对肺良、恶性病变的鉴别诊断效能。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 良恶性病变组情况 112例病例经病理（手术、支气管镜活检或穿刺活检）证实，4例经临床资料证实（均为良性，3例抗炎后消失，1例结核菌素纯蛋白衍生物（purified protein derivative, PPD）试验强阳性并经抗结核治疗好转）。恶性病变组共96例，100个病灶，其中肺癌93例（鳞癌31例，腺癌31例，细支气管肺泡癌5例，小细胞癌19例，腺鳞癌2例，肉瘤样癌1例，肉瘤1例，低分化癌2例，大细胞癌1例），转移瘤4例，7个瘤灶（结肠癌肺转移2例，5个病灶，小腿恶性神经鞘膜瘤单发肺转移1例，肺癌伴同侧肺单发转移瘤1例，该例也计入上述肺癌病例）；良性病变组共20例，20个病灶，其中化脓性炎性肿块4例，结核球4例，结节病4例，错构瘤2例，硬化性血管瘤2例，机化性肺炎、炎性假瘤、神经鞘瘤、神经纤维瘤各1例。

图 1 不同b值组肺内病变DWI图和T2WI脂肪抑制图。DWI：磁共振扩散加权成像；T2WI：T2加权成像。A-D：b值分别为200 s/mm2、500 s/mm2、800 s/mm2、1,000 s/mm2时病变DWI图。随b值升高，病变SNR逐渐降低；E：T2WI脂肪抑制图，右下叶不规则肿块，呈高信号（病理诊断为低分化鳞癌）。Fig 1 DWI of the pulmonary lesion with different b values and T2WI fat-suppression. DWI: diffusion-weighted imaging； T2WI: T2 weighted imaging.A-D: b values were 200 s/mm2 (A), 500 s/mm2 (B), 800 s/mm2 (C), and 1,000 s/mm2 (D) respectively. As b value increased, the SNR of the lesion descended (arrow)； E: T2WI fat-suppression showed an irregular hyperintense mass in the right inferior lobe (poorly differentiated squamous cell carcinoma histologically confirmed ) (arrow).

图 2 不同b值组肺内病变DWI图和T2WI脂肪抑制图。A-D：b值分别为200 s/mm2、500 s/mm2、800 s/mm2、1,000 s/mm2时病变DWI图。随b值升高，病变SNR逐渐降低；E：T2WI脂肪抑制图，右下叶胸膜下不规则肿块，呈高信号（病理诊断为机化性肺炎）。Fig 2 DWI of the pulmonary lesion with different b values and T2WI fat-suppression. A-D: b values were 200 s/mm2 (A), 500 s/mm2 (B), 800 s/mm2(C), and 1,000 s/mm2 (D) respectively. As b value increased, the SNR of the lesion descended (arrow)； E: T2WI fat-suppression showed an irregular hyperintense mass in the right inferior lobe (organized pneumonia histologically confirmed ) (arrow).

2.2 不同b值组DWI的SNR和CNR比较 不同b值组DWI的SNR和CNR见表1。随着b值的增加，SNR逐渐下降（图1，图2），CNR则呈现出先增大后减小的趋势，b值为500 s/mm2时CNR最大，不同b值组间SNR、CNR差异均有统计学意义（F=54.457, P＜0.001； F=4.922, P=0.002）。两两组间比较显示b值为800 s/mm2与1,000 s/mm2组间SNR无统计学差异，余两组之间均有统计学差异；b值为200 s/mm2与500 s/mm2、200 s/mm2与800 s/mm2、800 s/mm2与1,000 s/mm2组间CNR无统计学差异，余两组之间均有统计学差异。

表 1 不同b值组间SNR、CNRTab 1 SNR and CNR with different b values

表 2 不同b值组间良性和恶性病变ADC值（×10-3 mm2/s）Tab 2 ADC with different b values of benign lesions and malignant tumors (×10-3 mm2/s)

2.3 不同b值组病变ADC值比较 不同b值组良恶性病变ADC值比较见表2。良性和恶性组ADC值均随b值增加逐渐变小，且差异均有统计学意义（F=9.389, P＜0.001；F=44.384, P＜0.001）。两两组间比较分别显示良性和恶性组b值为500 s/mm2与800 s/mm2、800 s/mm2与1,000 s/mm2间ADC均无统计学差异，余两组之间均有统计学差异。

经ROC分析，4个不同b值组的ROC曲线下面积（area under curve, AUC）分别为0.831、0.876、0.813、0.785，均有诊断意义，AUC＞0.5可作为良恶性病变鉴别诊断的有效指标，且b=500 s/mm2时获得的ADC值的诊断效能最大（图3），此时ADC值鉴别良恶性病变的最佳阈值为1.473×10-3mm2/s，其敏感度和特异度分别为80%和84%。

3 讨论

近年来，3.0T MR扫描仪的应用，为临床和科研提供了更高的平台，其优点是：SNR和分辨率高、图像清晰、且扫描速度更快，能够应用特殊设计的成像技术完成复杂的检查[7,8]。ASSET是一种并行采集技术，利用较高的局部梯度磁场，并通过增加K空间采样位置的距离来减少K空间的采样密度，从而减少采集时间，且在小视野内通过专门重建算法，保证空间分辨力不变。ASSET技术用于EPI序列时，可缩短EPI回波链长度，减小磁场非均匀性所致的横向弛豫和质子失相位的影响，能够在一定程度上提高图像的SNR，减少磁敏感性伪影和图像变形，改善图像质量[9]。3.0T的超高场强和并行采集技术能够明显缩短扫描时间，减少器官和组织运动所致的伪影，易被受检者接受并取得其合作，适合胸部DWI检查。本研究在上述技术的基础上采用呼吸门控技术，患者在自由均匀呼吸下即可完成扫描，避免了由于屏气不良造成的伪影。

图 3 不同b值组表观扩散系数值的受试者操作特征曲线分析Fig 3 Receiver operating characteristic curve (ROC) curves of apparent diffusion coefficient (ADC) value with different b values for differential diagnosis of pulmonary lesions

b值即扩散敏感因子，是在DWI检查中可由操作者选择的一个扫描参数。目前，由于MR扫描仪场强、成像序列和参数不同，胸部DWI检查尚无最佳b值可参考。b值选择应满足以下3点[2]：①能够清晰显示和分辨被检组织；②能够有效抑制T2透射效应（T2 shine-through effect）对DWI的影响；③应用尽可能高的b值以使被检组织的ADC值更接近组织真实扩散值。b值越小，DWI图像的SNR和CNR越高，但T2透射效应、灌注、宏观运动等因素对ADC值影响越大；反之，b值越大，ADC值越接近组织的真实弥散值，但磁敏感伪影、图像几何变形等将明显降低图像SNR和CNR[10]。因此，b值的选择需要权衡ADC值及图像SNR和CNR两方面的得失。本研究发现，在所应用的3.0T设备和参数条件下，随b值增大，SNR逐渐下降，图像质量越差，四组b值中，CNR在b=500 s/mm2时最佳。先前的胸部DWI研究多在1.5T MR扫描仪上进行[3-5,11-13]，推荐应用b值较高（b=500 s/mm2-1,000 s/mm2）。本研究应用3.0T MR扫描仪所得的b值亦在此范围内，但处于低限，这可能与设备场强和主磁场均匀性差异有关。本研究结果表明应用3.0T设备，当b=500 s/mm2时可获得较佳的图像SNR和CNR，且能较准确反映组织扩散的真实性。

本研究还发现b=500 s/mm2时，AUC最大，获得的ADC值的诊断效能最大，以1.473×10-3mm2/s作为诊断肺良恶性病变的界值，其敏感度和特异度分别为80%和84%，较其它三组b值时均高。应用DWI ADC值鉴别肺良恶性病变一直被很多学者所关注，但目前尚无良恶性病变的ADC值阈值标准。本研究结果与刘等[12]和Matoba等[13]应用1.5T MR扫描仪的DWI研究结果相近，他们的结果亦表明b=500 s/mm2时的ADC值诊断效能最大。随着3.0T及以上超高场强设备软、硬件技术的进步，胸部DWI中b值的最佳取值范围和鉴别良恶性病变的ADC值阈值标准，均还需进一步研究证实。

总之，在3.0T MR扫描仪上，采用相控阵线圈和ASSET技术DWI检查对肺内实性良恶性病变的鉴别诊断能够提供有价值的信息，DWI有望成为肺内实性良恶性病变的辅助诊断方法；兼顾图像质量和组织扩散特性的准确程度两个方面，当b=500 s/mm2时获得的ADC值诊断效能较高，可作为3.0T MR DWI鉴别肺部良恶性病变的选用b值。