MRI造影剂钆喷酸葡胺对弥散加权成像的影响

钱敏 刘晓航

复旦大学附属肿瘤医院放射诊断科，复旦大学上海医学院肿瘤学系,上海 200032

弥散加权成像（diffusion－weighted imaging，DWI）是近年发展起来的一项MRI新技术，能够无创检测组织的水弥散特性改变，反映分子水平的病理生理过程，目前主要用于脑组织梗死和各器官肿瘤的诊断和鉴别[1-3]。随着DWI在临床肿瘤诊断中的广泛应用，联合应用DWI与增强MRI时，造影剂对DWI信号和表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）值的影响逐渐引起人们的注意。多数研究表明注射造影剂可明显降低ADC值[1,4-5]，个别研究显示正常肝组织信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）明显下降或出现下降趋势[6]。对这一影响的解释主要有两点：一是造影剂对血管的影响。灌注研究证实造影剂可引起血管收缩，血管外间隙减少[7]。由于ADC值可同时反映细胞内外的水弥散状况，因而推测造影剂的缩血管效应使细胞外水弥散受限，引起ADC值降低，这个观点目前已被广泛接受[1,7]。二是造影剂缩短T2效应和磁敏感性伪影对ADC值和信号的影响。由于目前多数研究是体内实验，故未能对此进行独立考察。

本研究旨在通过体外实验确定造影剂缩短T2效应和磁敏感性是否能对水的SNR和ADC值产生显著影响，考察以下序列：化学位移选择饱和脉冲（chemical shift selective saturation pulse，CHESS）、压脂化学位移选择饱和脉冲（chemical shift selective saturation pulse with fat suppression，CHESS-FAT），以及短时间反转恢复(short-time inversion recovery，STIR)序列。前两者参照在临床上局部器官的DWI检查方式[8-9]，结合相控阵线圈及并行成像序列扫描；而STIR主要应用于全身DWI（whole body DWI，WBDWI）[10]，使用常规体线圈，不结合并行成像技术。

1 资料和方法

1.1 MRI设备及水模制作

GE公司Signa HDx 3.0 T磁共振扫描仪，8通道相控阵表面线圈及常规体线圈。以10支含不同浓度钆喷酸葡胺（gadolinium diethylenetriaminepentaacid，Gd-DTPA）溶液的50 mL离心试管作为水模，按Gd-DTPA浓度分为高浓度组（0、0.05、0.075、0.1、0.15、0.2 mmol/L）与低浓度组（0、0.005、0.01、0.025、0.05 mmol/L）。溶液以0.5 mol/L 拜耳先灵药业有限公司的Gd-DTPA造影剂与生理盐水按比例配置。

1.2 检查方法

1.2.1 扫描方法将试管按Gd-DTPA浓度高低排列于水箱内，置于磷谱表面线圈中心位置。用常规序列行三维定位像扫描。先行T2map扫描，然后分别以CHESS-FAT、CHESS、STIR序列进行扫描。扫描参数如下。T2map序列：TR/TE＝4000 ms/13 ms；CHESSFAT：TR/TE＝4000 ms/71.7 ms，加脂肪抑制，b值选取临床上DWI扫描应用最多的1000 s/mm2；CHESS序列：TR/TE＝4000 ms/71.6 ms，b值为0、1000 s/mm2；STIR序列：TR/TE (4500 ms/65.5 ms)。层厚和间隔均为5 mm和1 mm，视野（field of view，FOV）均为26 cm，NEX=2，矩阵为192×256。

1.2.2 图像处理应用GE ADW4.3工作站进行处理。包括：①用T2map测量不同浓度Gd-DTPA的T2值。②观察图像伪影，从水模形态位置变化及周围伪影两方面进行评价。根据试管形状及位置变化，无明显形变或移位为0分，轻度形变移位为1分，明显扭曲为2分。根据水模伪影，无明显伪影为0分，轻度为1分，严重与水模有明显重叠为2分。每次扫描均对所有试管进行计分并累加。③选取各序列图像的同一层面，将相同大小的感兴趣区（region of interest，ROI）置于试管内同一位置，测量3种序列下ADC值、信号（signal，S）和背影噪声的标准差（standard deviation，SD）。根据公式SNR =S/SDnoise，计算各个试管SNR。T2、ADC值由工作站直接计算。所有序列均扫描2次，测量各个参数并取平均值。

1.3 数据统计

应用线性回归方法评价T2值与浓度、ADC值，SNR与T2值、浓度的关系，P＜0.05为差异有统计学意义。应用软件为STATA 10.0。

2 结果

2.1 低浓度组与高浓度组水模T2值

低浓度组与高浓度组水模T2值均随浓度升高依次下降，并与造影剂浓度呈正相关（P＜0.05）（表1）。

表1 不同浓度水模T2及ADC值变化

2.2 不同扫描序列的信号变化

低浓度组(0～0.05 mmol/L)中，各水模图像未见明显形变及移位，CHESS、CHESS-FAT和STIR组评分均为0，STIR组边缘有一定伪影，另外2组仅有轻微伪影（图1），累计评分依次为2、1、5分。 CHESS、CHESSFAT和STIR组在不用浓度下信号无明显变化（图2）。ADC值未见明显变化（表1）。

高浓度组中，CHESS和CHESS-FAT组中水模形变及移位，边缘伪影均较轻，评分为2和3分；SNR随浓度升高依次下降，与浓度呈负相关（R2=0.88和0.93）（P＜0.05），与T2值呈正相关（R2=0.92和0.99）（P＜0.05）。STIR组中部分水模形变及移位较明显，边缘均可见伪影，评分为8分；SNR明显下降，与浓度、T2值无明显相关（P＞0.05）（图1、3）。CHESS和CHESS-FAT组中ADC值未见明显变化，STIR组中伪影最重的水模ADC值下降，余无明显变化（表2）。

图1 不同Gd-DTPA浓度下的水模图像A～C：低Gd-DTPA浓度下，CHESS、CHESS-FAT和STIR DWI上各水模图像伪影轻微，无明显形变 (试管内造影剂浓度：上排从左至右依次为水，0.005、0.01 mmol/L Gd-DTPA；下排从左至右依次为0.025、0.05 mmol/L Gd-DTPA）；D～E：高Gd-DTPA浓度下，CHESS和CHESS-FAT DWI上各水模图像伪影轻微，伴轻度形变(试管内造影剂浓度：上排从左至右依次为水，0.05、0.075 mmol/L Gd-DTPA；下排从左至右依次为 0.1、0.15、0.2 mmol/L Gd-DTPA）；F：高Gd-DTPA浓度下，STIR DWI上各水模图像伪影较明显，尤其中心部分水模形变明显

图2 低浓度组水模SNR与T2、造影剂浓度的回归分析A～C：CHESS、CHESS-FAT和STIR组水模SNR随Gd-DTPA浓度升高无明显信号变化；D～F：3种序列组水模SNR随T2值下降表现出下降趋势，但无相关关系

图3 高浓度组水模SNR与T2、造影剂浓度的回归分析A～C：STIR组图像伪影明显，SNR下降，但SNR与Gd-DTPA浓度无明显相关（P＞0.05）；CHESS和CHESS-FAT组SNR随Gd-DTPA浓度升高均明显下降，且与Gd-DTPA浓度呈负相关（P＜0.05）。D～F：STIR组图像SNR与T2值无明显相关（P＞0.05）；CHESS和CHESS-FAT组SNR随T2值下降均明显下降，且与T2浓度呈正相关（P＜0.05）

表2 不同浓度水模T2及ADC值变化

3 讨论

DWI在临床诊断中广泛应用，其与增强MRI联用时易受造影剂的干扰。除Choi等[6]和Liu等[11]研究表明造影剂可明显降低SNR外，其余报道均未观察到这一现象[1,4-5]。也有学者认为，造影剂除缩短T2效外，还影响ADC值。有学者应用高场强（7T）对荷瘤鼠行增强前后DWI，结果显示DWI信号和ADC值均未受明显影响。他们认为，在高场强下造影剂的T2缩短效应较低场强弱，造影剂对信号及ADC值的影响相对小，反证低场强下ADC值的变化源于T2缩短效应[12]。体内实验由于组织灌注水平和信号变化复杂，对该因素很难进行独立研究。本研究旨在通过体外实验确定这方面影响。

本组实验表明，造影剂可缩短溶液T2值，且T2值与浓度呈负相关；但在低浓度范围内，在CHESS、CHESS-FAT和STIR组中SNR未见明显下降，也未见明显伪影。而在高浓度组，则可观察到SNR明显下降，CHESS和CHESS-FAT组中SNR与浓度呈负相关，与T2值呈正相关，提示在CHESS和CHESS-FAT组中T2可能是SNR下降的主要直接因素。有报道比较了脑部正常组织与肿瘤、梗死等病变在注射造影剂前后进行DWI检查的结果，发现组织SNR和病变SNR无明显变化[1,13]，与本研究中低浓度组的结果大致相同。原因可能是Gd-DTPA临床使用浓度对信号产生的影响太小，无法检测。Zhong等[7]比较了4名健康志愿者在注射Gd-DTPA（0.2 mm/kg）前后脑组织的T2值变化，发现注射后组织T2只缩短约1.3%，推测该信号的变化可能低于检测阈值。但高浓度组的结果表明，当T2变化幅度足够大时，就可影响图像质量。部分肝脏病变的相关研究也支持这一观点。Choi等[6]的研究表明，如果应用比常规钆剂具有更强T2缩短效应的钆塞酸二钠，可显著降低正常肝组织的SNR。因此，虽然目前临床应用的Gd-DTPA浓度不足以造成信号变化，但在某些实验需用较高浓度或强T2缩短效应造影剂时，须考虑这一因素。

STIR组中SNR较对照试管明显下降，但与T2无明显相关。下降最明显的一组位于水槽中央，且伴有明显形变伪影。原因可能是3T MRI磁敏感伪影较严重，CHESS序列结合并行成像技术可有效消除这类伪影，而STIR序列未结合类似技术。SNR变化最大的试管也是伪影最严重的试管，而周围试管变化较轻微，可推测STIR组中信号下降主要源于磁敏感伪影影响。

CHESS、CHESS-FAT和STIR组的ADC值随造影剂浓度增高均未见明显变化，提示造影剂的T2缩短效应和磁敏感伪影不足以对ADC值产生显著影响，也再次确认临床研究中的ADC值变化原因主要源于血管的收缩效应。在高浓度水平下，虽然T2值和信号均有明显变化，但根据ADC值的计算公式：ADC=ln（SI低/SI高）/（b高－b低）。式中SI低表示低b值DWI上组织的信号强度（b值可为零）；SI高表示高b值DWI上组织的信号强度；b高表示高b值；b低表示低b值；ln表示自然对数。如果造影剂对b=0、1000 s/mm2时的DWI图像均能产生影响，这一影响可能互相抵消，对ADC值的影响相对较小。但STIR组部分试管ADC值明显下降，且分布与伪影的严重程度一致，因而考虑ADC值变化实际来源于磁敏感伪影的干扰；同时，由于磁敏感伪影在高b值条件下明显超过低b值，对ADC值的影响明显增大，因此在不结合消除伪影技术的情况下，伪影可造成ADC值下降。

综上所述，GD-DTPA造影剂虽然可显著缩短溶液的T2值，但在低浓度水平下，对CHESS、CHESS-FAT和STIR DWI图像信号及ADC值未见明显影响，提示临床研究中观察到的ADC值和SNR变化与T2值改变及磁敏感伪影无直接联系，更可能来源于组织灌注等原因。高浓度条件下，CHESS、CHESS-FAT DWI上信号受明显影响，且与T2值关系密切，但ADC值未见明显变化；STIR DWI上信号及ADC值均有明显变化，与磁敏感伪影关系密切，提示在某些实验条件下需用高浓度或强T2缩短效应的造影剂，或DWI图像出现明显伪影时，可能会影响DWI图像或ADC值的诊断效果。

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