颈动脉狭窄患者扩散加权成像的b值优化

方慧　周勇　孟凡伟　姜洪雁　周慧　曲涛

【摘要】 目的：探讨颈动脉狭窄患者在1.5T MR扩散加权成像合理b值的取值范围。方法：对27例经磁共振血管成像证实为颈动脉中度以上狭窄患者行DWI检查，b值分别采用0、50、100、150、200、400、600、800、1000、1600、2000、2400、3000 s/mm2。测量不同b值下的同侧不同脑区ADC值和图像的SNR、CNR、SIR，采用Pearson相关检验分析不同b值时各参数变化规律，采用配对t检验分析不同脑区ADC值变化规律。结果：b值与感兴趣区的SNR、CNR、SIR、ADC值呈负相关。狭窄侧侧脑室旁前部与同侧额叶白质区、狭窄侧与健侧侧脑室旁前部白质区ADC值比较，差异均有统计学意义（P<0.05）。结论：b值的选择对于SNR、CNR、SIR、ADC值的测量均有显著影响，b值为800～1000 s/mm2时低灌注脑白质的图像质量、ADC值测量稳定性较好，可能提供更加准确的信息。

【关键词】 动脉狭窄； 扩散加权成像； 磁共振成像

Optimization of b-value in Cerebral Diffusion-Weighted 1.5T MR Imaging of Carotid Stenosis/FANG Hui， ZHOU Yong， MENG Fan-wei， et al.//Medical Innovation of China，2016，13（04）：009-013

【Abstract】 Objective： To optimize the b-value of cerebral diffusion-weighted MRI at 1.5T on DWI. Method： 27 patients were examined using EPI-DWI with different b values on a 1.5T MR scanner. The b-value of EPI-DWI was 0， 50， 100， 150， 200， 400， 600， 800， 1000， 1600， 2000， 2400， 3000 s/mm2， respectively. The SNR， CNR， SIR， and ADC value of periventricular anterior and the frontal lobe were measured. The correlation between the b-value and SNR， CNR， SIR， ADC was analyzed by Pearson correlation analysis. The differences were compared among the ADC value of the narrow side and the healthy side， periventricular anterior and the frontal lobe with Paired T test. Result： The SNR， CNR， SIR of DWI and ADC value of periventricular anterior decreased as the b-value increased， showed inverse correlations separately. The differences among the ADC value of the narrow side and the healthy side， periventricular anterior and the frontal lobe were significant. Conclusion： The selections of b values affected SNR， CNR， SIR and ADC values significantly. The optimized b-values of DWI for cerebral hypoperfusion at 1.5T is between 800 s/mm2 and 1000 s/mm2， when measuring stability of SNR， CNR， SIR and ADC value are better than others.

【Key words】 Artery stenosis； Diffusion-weighted imaging； Magnetic resonance imaging

First-authors address： The Fifth Peoples Hospital of Dalian， Dalian 116021， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2016.04.003

磁共振扩散加权成像（diffusion-weighted imaging， DWI）是一种无创性反映活体组织中水分子扩散运动的最佳方法。除水分子本身布朗运动差异外，b值、各向异性、T2透射效应及伪影等对DWI信号均有影响，其中b值为最易受控因素。选择合适的b值是改善DWI图像信噪比（Signal-noise ratio， SNR）、对比噪声比（Contrast-noise ratio， CNR）、信号强度比（Signal intensity ratio， SIR），提高病变显示能力的有效方法之一。因此，b值的优化是DWI在颈动脉狭窄颅脑低灌注应用研究的前提。本研究采用多b值测量，旨在分析正常脑白质、低灌注脑白质表观弥散系数（Apparent diffusion coeffient， ADC）及SNR、CNR、SIR等的变化规律，探讨该类患者行1.5T MRI颅脑DWI检查合理的b值取值范围。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择2013年1-6月于大连市第五人民医院经颈动脉MRA、颅脑常规检查、颅脑MRA及多b值DWI，并证实为颈动脉中度以上狭窄同时排除颅内动脉狭窄的患者27例（14例单侧，13例双侧颈动脉狭窄），其中重度狭窄及闭塞17支，中度狭窄23支，年龄43～86岁，女14例，男13例，平均（63.70±9.79）岁。各项检查间隔不超过两周，其间未发生急性脑血管事件，新发梗死者两周内无明显进展。排除颈动脉存在明确的非动脉粥样硬化病变，颅内动脉狭窄、心源性因素致颅内缺血，急性脑出血，大面积脑梗死，特定原因引起的脑白质脱髓鞘改变，严重精神症状，幽闭恐惧等无法耐受检查者。

1.2 仪器设备与检查方法 使用1.5T超导MR扫描仪（Philips Interia 1.5T，荷兰），8通道头颈联合线圈，仰卧位。TR 2940 ms，TE 83 ms，层厚7 mm，NSA 1，FOV 230 mm×230 mm×143 mm，矩阵192×153，EPI factor 79。b值分别采用0与50、100、150、200、400、600、800、1000、1600、2000、2400、3000 s/mm2。

1.3 图像的后处理及数据测量 （1）分析环境：Extended MR WorkSpace 2.6.3.4。（2）计算公式：SNR组织=S组织/ SD噪声，CNR=（SI目标-SI周围）/SD噪声，

SIR=SI目标/S组织，其中S组织为脑组织的信号强度，SD噪声为相应层面相位编码方向背景噪声信号强度的标准差，SI目标为目标脑白质的信号强度，SI周围为周围白质区的信号强度，计算不同b值下的SNR、CNR及SIR值。ROI面积约为（20±1）mm2。（3）颈动脉狭窄分度：颈动脉狭窄程度的测量依据以下公式，血管狭窄程度%=（1-血管最窄处管腔直径/狭窄远端正常管腔直径）×100%。狭窄分度依据北美症状性颈动脉内膜切除协作组（North American Sympotomatic Carotid Earterecomy Trial， NASCET）测量狭窄程度的标准，即狭窄程度≥30%者入组。

1.4 分析计算 在DWI上将ROI置于正常双侧额叶脑白质区测量S组织，将ROI置于相位编码方向上的背景噪声区测量SD噪声，计算不同b值下的SNR；将ROI置于侧脑室体旁皮层下分水岭区脑白质，每位患者ROI形状及大小尽量保持一致，所有数据测量3次取平均值。

1.5 统计学处理 使用SPSS 19.0软件采用Pearson相关分析法分析图像的SNR、CNR、SIR、ADC值随不同b值的变化规律。采用t检验比较同一b值下额叶脑白质、侧脑室旁白质区的平均ADC值及单侧颈动脉狭窄患者双侧侧脑室旁白质区的平均ADC值。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

不同b值DWI图像的图像质量参数及相应ADC图上狭窄血管同侧侧脑室前部及额叶皮质下白质区ROI的ADC值测量结果见表1及图1～2。图像质量指标（SNR、CNR、SIR）、狭窄血管同侧侧脑室前部及额叶皮质下白质区ROI的ADC值分别与b值变化关系的Pearson相关检验结果见表1及图1～6。狭窄侧侧脑室前部与同侧额叶白质ADC值配对t检验结果为t=5.878，P<0.01，狭窄侧与健侧侧脑室前部脑白质ADC值配对t检验结果为t=4.530，P<0.01。

表1 不同b值时DWI图的图像质量参数、对应ADC值及Pearson

相关检验结果

b值 图像质量指标

ADC 10-3 mm2/s

SNR CNR SIRDWI 侧脑室前部白质 额叶皮质下白质 SIRADC

50 s/mm2 60.98 13.20 1.28 551.1±74.5 521.4±77.7 1.057

100 s/mm2 58.46 11.37 1.25 762.7±71.3 727.1±73.4 1.049

150 s/mm2 53.01 9.79 1.24 1027.1±75.5 997.5±72.4 1.030

200 s/mm2 48.42 8.88 1.23 1205.6±75.0 1136.5±71.0 1.061

400 s/mm2 43.61 8.72 1.25 1150.4±68.3 1063.6±70.4 1.067

600 s/mm2 43.99 7.04 1.20 1043.1±73.0 1008.2±69.0 1.035

800 s/mm2 32.43 3.57 1.13 988.6±66.3 904.6±68.4 1.093

1000 s/mm2 31.26 5.68 1.22 885.2±70.5 822.9±67.4 1.076

1600 s/mm2 22.79 1.12 1.05 795.2±68.7 775.8±70.4 1.025

2000 s/mm2 18.20 1.79 1.12 774.5±70.4 738.3±64.9 1.049

2400 s/mm2 15.51 0.95 1.08 724.1±65.6 716.9±65.7 1.010

3000 s/mm2 10.61 0.76 1.09 641.6±63.2 616.2±70.4 1.041

r值 -0.730 -0.661 -0.557 -0.402 -0.381 -0.012

P值 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 >0.05

3 讨论

在生理状态下，体内存在快、慢速弥散质子池，包括细胞内水分子（快弥散）和细胞外水分子（慢弥散）、血管内水分子（快弥散）和血管外水分子（慢弥散）。处于不同区域的水分子表现出不同的扩散状态。近年来很多学者尝试将单指数模型、双指数模型、拉伸指数模型应用于健康志愿者及颈动脉狭窄患者颅脑扩散加权成像的研究中[1-2]。相对于双指数模型，单指数模型应用更为广泛，b值的选择更为重要。目前颅脑扩散加权成像临床研究应用中广泛采用常规参数b=0，1000 s/mm2进行研究。但多项研究表明对于不同的研究内容，组织分子扩散和微循环灌注特点不同，最适宜的b值也不尽相同[3-4]。

慢性低灌注脑损伤时，轴突损伤、胶质增生[5]，神经元核膜皱缩，异染色质增多，核仁消失或变小，髓鞘脱失[6]，缝隙连接密度低[7]，使细胞内外、跨膜及微循环水分子扩散更加自由，即同时存在局部脑组织灌注增加和扩散自由两个方面，故行多b值单指数模型的临床应用研究，旨在探求适用于低灌注脑损伤单指数模型扩散加权成像研究的最优b值。

图1 狭窄侧侧脑室旁前部白质区SNR随b值变化内插线

图2 狭窄侧侧脑室旁前部白质区CNR随b值变化内插线

图3 狭窄侧侧脑室旁前部白质区SIRDWI随b值变化内插线

图4 狭窄侧侧脑室旁前部白质区SIRADC随b值变化内插线

图5 狭窄侧侧脑室体旁前部白质区ADC值随b值变化内插线

图6 狭窄侧额叶白质区ADC值随b值变化内插线

3.1 DWI的CNS、SNR、SIR值随b值变化趋势 SNR、CNR愈高，图像质量愈好。SIR能够较好地反映两个相邻结构的差别，在特性组织和周围组织间表现出足够的对比度。三者均为评价图像质量的重要参数。本研究发现，随着b值的升高，SNR、CNR、SIR均呈明显的下降趋势（图1、2），与文献[8]报道相符。另外，b值与SNR呈高度负相关，与CNR、SIR呈中度负相关。当b值高于800 s/mm2，SNR、CNR、SIR曲线斜率逐渐变缓，测量数据分布趋于集中，数据结果稳定性较好。b值较低时脑白质的信号异常更为明显；随着b值的升高，组织信号迅速衰减，DWI各向异性更为明显。b值低于1000 s/mm2，DWI的灰白质信号的对比与T2WI相似；b值大于1600 s/ mm2时灰白质信号对比倒置，从而导致病变-背景信号对比相应发生改变随着b值增加，白质信号高于灰质。

3.2 ADC 值随b值变化趋势 研究结果显示，随着b值的升高，侧脑室体旁前部脑白质与额叶白质区ADC值变化趋势类似，ADC值先升后降，于b=200 s/mm2出现拐点；当b值高于1000 s/mm2，ADC值下降逐渐变缓，测量数据分布趋于集中。

b值高于1000 s/mm2时，ADC值随b值升高逐渐下降，这与雷正勇等[8]使用1000、2000、3000 s/mm2对正常人行颅脑扩散加权成像研究中得出的ADC随b值升高下降的研究结论一致。值得注意的是，本研究b值低于1000 s/mm2时，ADC值出现了先升后降的趋势。结合双指数模型的计算公式：S（b）/S0=VFast×exp（-b×ADCFast）+VSlow×exp（-b×ADCSlow），VFast+VSlow=1。其中ADCFast、ADCSlow分别代表快速池和慢速池的ADC值，VFast、VSlow分别代表快速和慢速池的体积分数，VFast+VSlow=1。对于同b值同一感兴趣区，ADC值大小取决于快、慢速池ADC值这两个变量，本研究结果中ADC值-b值曲线中间高两边低的分布形态正是反映出在不同b值条件下快速池与慢速池的权重不同，ADC值不表现出单指数曲线单向变化的特点。

侧脑室旁前部白质与额叶白质的信号强度比与b值相关性不显著，在b=800 s/mm2时，SIRADC最大，病灶与正常白质对比加大，相对于实验其他b值，对疾病的显示更为有利。在b=400、1000 s/mm2时，信号强度比较大，数据分布相对b=800 s/mm2时更为集中，对于病变区的显示较为理想。如果以1000 s/mm2为界，总体上SIRADC值信号强度比低b值要高于高b值。这与郭献忠等[9]的研究一致，即在观察灰质和白质缺血病灶时选择不同：灰质特别是额叶内侧皮质内的缺血病灶在b值较高时较为明显，而白质内的缺血病灶则相反，其在b值较低时更加清楚。

另外，本研究中ADC图拟合曲线斜率接近于FADC图，即随b值增加，侧脑室旁白质ADC值与额叶白质ADC值下降趋势、幅度接近。即相对于缺血引起的ADC值升高，缺血组织毛细血管增生、微循环血流量增加对ROI组织随b值变化扩散运动的影响不十分显著。

3.3 ADC值与颈动脉狭窄相关性研究 Lee等[10]研究发现衰老和高血压大鼠脑ADC值高于正常，对低灌注耐受减低。二者为颈动脉粥样硬化的重要危险因素[11]。Minkner等[12]在应用DSA与MRI对颈动脉狭窄患者进行联合研究发现，分水岭区毛细血管低灌注与颈动脉狭窄程度相关。同时参考Rentsch-Granges等[13]对颈动脉狭窄患者低灌注脑白质损伤的研究，本研究选择对前循环缺血较为敏感的，隶属于脑内分水岭区侧脑室体前部旁白质区作为感兴趣区，选择额叶脑白质区作为对照。

侧脑室旁前部脑白质ADC值平均值高于额叶脑白质区，考虑原因可能有3点：（1）正常成人半卵圆中心ADC值高于额叶[8]；（2）侧脑室旁前部脑白质感兴趣区属脑内分水岭区，更容易发生脑缺血；（3）额叶供血以大脑前动脉为主，前交通支可能对颈动脉狭窄侧额叶供血起代偿作用，而本研究中有3例4支狭窄血管对应颅内血管有前交通支开放。

狭窄侧与健侧ADC值研究结果显示，差异同样有统计学意义。这与Rentsch-Granges[13]结果一致。国内彭雯佳等[14]在对单侧颈内动脉不同狭窄程度的患者进行双指数及单指数模型DWI研究时发现，单指数模型狭窄侧与健侧中央前回及中央后回大脑灰质ADC值比较有显著差异，这与本文对脑内分水岭区白质ADC值的研究结果相似。彭雯佳等[14]的研究测量感兴趣区为大脑皮层的弥散值，皮层血供比神经纤维束组成的白质更为丰富。皮层的毛细血管更丰富，脑血流对皮层影响最大。

本研究尚存在一定不足，选择颈动脉中度以上狭窄的患者为研究对象，未涵盖全部患者。另外选择前循环供血的额叶作为相对正常脑白质区作为参照，难免受到颈内动脉供血减低的影响。再者，样本量有限，有待于进一步扩大样本进行研究。

综上所述，针对于颈动脉狭窄患者，选择b=800-1000 s/mm2对侧脑室旁前部脑白质区进行颅脑扩散加权成像研究，获得DWI及ADC图像质量较好，各项参数相对更加稳定，更有利于颅脑低灌注损伤研究需要。

参考文献

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（收稿日期：2015-10-20） （本文编辑：王宇）