体素内非相干运动(IVIM)扩散加权成像对骨骼肌运动血流灌注变化的相关性研究*

陈玉涛 刘文华

(泰山医学院附属新泰医院影像中心，山东新泰271200)

体素内非相干运动(IVIM)扩散加权成像对骨骼肌运动血流灌注变化的相关性研究*

陈玉涛 刘文华

(泰山医学院附属新泰医院影像中心，山东新泰271200)

目的旨在探究以IVIM加权成像无创性评价骨骼肌静息状态及运动后其灌注功能、扩散功能的改变情况。方法15名健康志愿者，在静息状态下对其前臂行IVIM序列扫描，然后于标准化手柄运动后立即行IVIM扫描。将扫描图像传入工作站，于指浅/深屈肌、肱桡肌及桡侧腕长伸肌选取感兴趣区(ROI)，分别重复计算各肌肉运动前后的弥散系数(D)、假扩散系数(D*)及灌注分数(Fp)，并得到各参数的伪彩图。不同肌群组各数据的差异及不同时间点同组肌群各数据的差异使用重复测量方差分析，统计各差异是否有统计学意义。结果静息状态下的各参数值如下:D*为(28.4±11.0)×10-3mm2/s，Fp为0.03±0.01，D为(1.45±0.08)×10-3mm2/s;运动后各IVIM参数发生明显变化，在指浅/深屈肌(FDS/FDP)，D*增加279±225%(P＜0.029)，Fp增加136±55%(P＜0.01)，D增加18±9%(P＜0.01)。肱桡肌的各IVIM参数同样有相应的增高，但程度低于FDS/FDP。20 min后，FDS/FDP各IVIM参数仍处于高值状态，但是肱桡肌各IVIM参数与静息状态下相比无明显差异。结论IVIM扩散加权成像可以同时无创性的提供肌肉静息状态及运动后其灌注及弥散功能的变化情况，为应用于类似周围血管闭塞等与肌肉血流灌注相关的疾病提供可能。

体素内非相干运动;扩散加权成像;骨骼肌

局部血流灌注变化以维持氧需求及新陈代谢的需要是骨骼肌保持功能完整性的重要方式。目前已有多种方法用来量化肌肉的灌注功能。利用传统生理测定方法如热稀释法、血液气体提取法等对肌肉灌注功能的研究表明，运动将会引起500%～1000%幅度的增长，灌注量可高达246 ml/100g/ min［1］，间隙水容量可增加10～30%［2］，组织温度可升高6℃［3］。

在探究一种无创性的可靠方法用以灌注成像及量化描述的研究中，最近学者多集中于体素内非相干运动(IVIM)扩散加权成像。IVIM是一种基于体素内不相干运动理论的成像技术，是由Le Bihan［4］首先提出，相当于多b值的弥散加权成像。在生物组织中，IVIM现象包括单纯的水分子扩散运动和血液的灌注等，IVIM成像可用于分别量化其中的扩散运动成分和血流灌注成分，此成像技术常用的定量参数包括扩散系数(D)、灌注分数Fp、由灌注因素导致的假扩散系数D*。本研究旨在利用多b值IVIM序列检测健康志愿者骨骼肌的扩散及灌注变化情况，从而为日后对基于血流灌注功能改变的肌肉疾病的研究提供基础。

1 资料与方法

1.1 研究对象

收集15例无吸烟史的健康志愿者(8例男性，7例女性;平均年龄为29.5岁，范围为26～34岁)。所有志愿者均签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 MRI扫描所有志愿者前臂均行静息状态下及标准化手柄运动后MRI成像。使用西门子1.5T超导MR扫描仪进行前臂扫描，志愿者取伏卧位、前臂伸出，8通道相控阵头线圈，并用专用垫固定。室内温度保持在21℃。定位线垂直于尺骨长轴。扫描序列及参数:①常规序列:T1WITSE:视野180×180×100 mm，层数25，层厚4 mm，重复时间743 ms，回波时间15 ms，翻转角90°。静息状态下行DWI扫描，采用单次激发回波平面成像(EPI)，视野160×160×69 mm，层厚6 mm，层数10，重复时间794 ms，回波时间59ms，扩散时间30.2 ms，梯度脉冲持续时间15.6 ms，采用脂肪抑制技术，取0，10，20，50，100，200，350，500 s/mm2共8个b值，此序列动态扫描5次。随后志愿者进行的标准化手柄运动即用整个手掌重复按压直径6 cm的泡沫橡胶球，直到志愿者手掌力气完全耗尽。运动结束后立即行DWI扫描，序列同静息状态下所用的序列相同，持续扫描20次(持续时间18.9 min)。

1.2.2 图像后处理及数值测量多b值原始数据导入工作站中的后处理软件。分别于指浅/深屈肌、肱桡肌及桡侧腕长伸肌绘制多边形的感兴趣区，需避开包含动脉血管及靠近骨骼结构的区域，以减少血管搏动影响及磁敏感性伪影。兴趣区于前臂直径最大处b=0图像上绘制，然后复制于其他b值图像及运动后各个扫描期相。对每组图像行双指数模型后处理，得到不同时间点双指数模型下的灌注系数D*、灌注分数Fp、纯扩散系数D及其参数图。处于静息状态时扫描5次，此为各参数的基线水平，与运动后扫描的20次所得数据进行比较，分析各参数的变化情况。

1.3 统计学分析

应用SPSS17.0软件进行数据分析。不同的参数值之间的不同基线和峰值以及不同的肌肉间各参数计算使用重复测量方差分析、Greenhouse-Geisser校正(ε=0.103)及事后Bonferroni测试。对于所有测试，以P＜0.05为差异有统计学意义。静息状态下扫描所得的5组数据的再测信度测量采用组内相关系数(ICC)及克隆巴赫系数。

2 结果

2.1 图像采集及后处理

15位志愿者的平均运动时间为143 s(103～195 s)。图像采集时采用俯卧、前臂前伸位。运动之后的动态连续扫描图像中可发现信号强度的增高。所有后处理均成功完成，各兴趣区面积为: (8.9±2.5)cm2、肱桡肌(4.5±1.3)cm2、桡侧腕长伸肌(6.2±2.1)cm2。

2.2 静息状态下的量值

静息状态下指浅/深屈肌各参数:D*(28.4± 11.0)×10-3mm2/s，Fp(0.03±0.01)，D(1.45± 0.08)×10-3mm2/s(表1)，且各组肌肉静息状态下各参数无统计学差异。静息状态下的5组图像，ICC及克隆巴赫系数分别为0.829(P＜0.001)、0.833，证明其再测信度可靠。此5组图像所得的数据作为运动以后动态扫描所得数据的基线水平。

2.3 动态变化

重复测量方差分析显示时间点不同各IVIM参数之间有明显差异(F=2.655，P=0.033)。行肌肉运动引起灌注相关参数D*、Fp及弥散相关参数D值早期明显增高。从各参数基线水平至峰值水平，指浅/深屈肌D*值增加279±225%(P=0.029)，Fp值增加136±55%(P＜0.01)，D值增加18± 9%(P＜0.01)。桡侧腕长伸肌D*值增加309± 258%(P=0.025)，FP值增加205±96%(P=0.004)，D值增加14±3%(P＜0.001)。肱桡肌的各IVIM参数同样有显著升高，但除了Fp值外，剩余两个参数升高程度明显低于其他肌肉(图1)。

图1 30岁男性志愿者前臂IVIM弥散加权轴位图像(不同b值、不同时间点)。静息状态时各肌肉群组间信号无显著差异。运动结束即刻(0 min)，指浅/深屈肌及桡侧腕长伸肌信号升高，20 min后，这种轻微的变化仍然存在。

图2 与图1同一个志愿者，显示静息状态及运动后各肌肉群组D*、Fp、D参数伪彩图。运动后2～5 min，指浅/深屈肌及桡侧腕长伸肌各参数值明显提高。20 min后，指浅/深屈肌参数值的升高仍然显著。

随着运动结束时间的延长，缓慢且持续的变化依旧存在。运动结束20 min，指浅/深屈肌的各参数值相对于静息状态仍有提高(D*值97.9±61.0，P =0.033;Fp值0.08±0.04，P=0.042;D值1.58 ±0.12，P=0.031)。但在肱桡肌(D*值51.4± 61.2，P=0.19;Fp值0.05±0.05，P=0.25;D值1.47±0.16，P=0.42)及桡侧腕长伸肌(D*值37.8±57.2，P=0.44;Fp值0.04±0.03，P= 0.19;D值1.52±0.08，P=0.25)则无如此明显的变化。

通过后处理得到各IVIM参数的伪彩图。不同肌肉群组运动后各参数的变化情况如图2所示。

3 讨论

此项研究中，肌肉静息及运动后其生理灌注过程由灌注相关参数D*和Fp定量描述。研究表明，IVIM扩散加权成像可反应骨骼肌组织根据生理需求进行调整的血流灌注情况。另外，运动诱发的肌肉组织水肿可同时由扩散相关参数D值测定。

3.1 与以往肌肉IVIM研究结果对比

关于骨骼肌IVIM研究的文章首先由Morvan于1995年发表［5］，结果显示运动后前臂肌肉D*值及D值均升高。Yao和Sinha报道，运动后的腓肠肌群Fp值升高，但未计算并分析D*及D值的变化情况［6］。Qi等则发现肌炎患者静息时D及D*值高于健康志愿者［7］。Sasaki等研究显示磨牙过程中咀嚼肌的D*值及Fp值均有升高［8］，然而，咀嚼肌因其高抗疲劳能力而无法代表绝大多数的骨骼肌。

我们此次研究所得数值与以前的研究结果基本一致，Qi等得出静息状态下肌肉D*(19.4±12.1) ×10-3mm2/s、D(1.44±0.10)×10-3mm2/s，我们所得Fp值与Morvan的研究结果基本相同。同之前的各项研究比较，我们采用相对较低的b值，而最佳b值的选择应取决于根据涌动情况而发生变化的组织血液灌注量。

3.2 运动后各参数的动态变化

运动结束以后，扩散加权图像上不同肌肉的信号均升高。随着T2弛豫时间的改变，b=0图像上即可观察到信号的改变，这说明组织的水成分增多［9］。

运动后增加的血流灌注量以D*Fp的乘积表示，由基线水平至运动后各参数达峰值的变化D* Fp(升高840±661%，3.6±1.5 min后达峰值)、扩散参数D(升高18±9%，3.8±0.7 min后达峰值)，同以前运动后血流量增加500～1000%［6］、细胞及间隙水含量增加10%～30%的结论基本一致［7］。不同个体间运动后血流灌注量的变化情况差别很大，这可归结于运动强度差异及生理差异。各IVIM参数于运动后达峰值的时间不同，可能与潜在发生的生理过程不同有关，例如血管灌注、肌纤维反应。扩散参数D值的升高可能由肌肉运动温度升高引起，虽然有这样的假设，扩散参数的升高并不能完全归因于温度的升高，D值升高还与细胞及间隙水肿有关。Morvan和LeroyWillig等认为运动后ADC值的升高主要反应温度的升高［9］，但是通过IVIM扩撒加权成像的分析我们认为这样的变化主要归因于血流灌注的变化。

在指浅/深屈肌，各IVIM参数于运动后行动态扫描的20 min内仍保持升高状态，与之前关于咀嚼肌的研究结果一致［8］，这可能是与氧缺乏及代谢产物堆积导致pH降低。在肱桡肌同样可发生各IVIM参数的升高，但是在20 min内可回到基线水平，可解释为初始阶段增加的血流量主要来自于相对非选择性供血的肱动脉。对于运动后各IVIM参数无法立即达到峰值水平的解释有多种，对于灌注参数，最常见的解释是组织适应局部要求需要一定的时间，而且，肌肉收缩时会压迫血管，血管恢复充盈状态也需耗费时间。

3.3 IVIM扩散加权成像的发展

目前存在固有的限制影响了IVIM扩散加权成像的发展。首先，IVIM基于双室模型，这种模型无法反应微观组织的真实复杂结构。其次，EPI序列用于IVIM成像容易引起内部磁场不均匀，受软组织和骨质交界面的影响导致所测参数失真，因此我们尽量避免紧邻骨质的肌肉区域。第三，IVIM扩散加权成像在图像采集过程中对运动伪影非常敏感。第四，由于需要至少8个b值，数据采集时间分辨力限制在57s。虽然有以上限制，但D值的可变性明显低于D*和Fp、信噪比(SNR)很高。基于我们的实验结果，加之以后探究IVIM各参数与正常肌肉生理、血流灌注基础肌肉疾病的病理生理关系的研究，我们认为IVIM扩散加权成像是同时无创性测量骨骼肌灌注及扩散功能变化的具有高时间及空间分辨力的检查技术。

综上所述，IVIM扩散加权成像可以同时无创性的提供肌肉静息状态及运动后其灌注及扩散功能的变化情况。目前，仍需更多学者进行IVIM扩散加权成像量化分析肌肉血流灌注的研究，使IVIM扩散加权成像应用于类似周围血管闭塞等与肌肉灌注相关的疾病诊断为可能。

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Correlation between non-coherentmotion w ithin a voxel(IVIM)diffusion-weighted imaging skeletalm usclem ovem ent per fusion changes

CHEN Yu-tao LIUWen-hua
(Xintai City People＇s Hospital，Xintai271200，China)

Objective:The purpose of this work was to evaluate the feasibility of intravoxel incoherentmotion imaging (IVIM)for quantification of perfusion and diffusion effects noninvasivly in skeletalmuscle at rest and following exercise.Methods:Fifteen healthy volunteers underwent diffusion-weighted MRI of the forearm at rest，then，after a standardized handgrip exercise，dynamic images were acquired.Diffusion(D)and pseudodiffusion(D*)coefficients as well as the perfusion fraction(Fp)weremeasured in regionsof interest in differentskeletalmuscle by using theworkstation，with parametricalmaps produced.Differences in D，D*，and FP betweenmuscle groups and between time pointswere calculated using a repeated measures analysis of variance with post hoc Bonferroni tests.Results:Mean values and standard deviations at restwere the following:D*(28.4±11.0)×10-3mm2/s，Fp(0.03±0.01)，D(1.45±0.08)×10-3mm2/s;three parameters changed after exercising:In the FDS/FDP，D*increased by(279±225%)(P＜0.029)，Fp by(136±55%)(P＜0.01)，and D by(18±9%)(P＜0.01).A significant increase of IVIM parameters could also be detected in the brachioradialismuscle，which howeverwas significantly lower than in the FDS/FDP.After 20 min，all parameters were still significantly elevated in the FDS/FDPbutnot in the brachioradialismuscle compared with the resting state.Conclusion:The IVIM approach allows simultaneous quantification ofmuscle perfusion and diffusion effects at rest and following exercise，thus，it is possibile to be used in perfusion-related muscle diseases，such as peripheral arterial occlusive disease.

intravoxel incoherentmotion;diffusion-weighted imaging;skeletalmuscle

R445.2

A< class="emphasis_bold">文章编号:文章编号:

文章编号:1004-7115(2015)09-0978-04

10.3969/j.issn.1004-7115.2015.09.001

2015-03-06)

陈玉涛(1978—)，男，山东泰安人，主治医师，在读硕士，主要从事临床影像诊断工作。