MR扩散峰度成像在腹部的研究现状

黄　丽　李雪华　黄斯韵　林锦江　孙灿辉*　李子平*

MR扩散峰度成像在腹部的研究现状

黄丽李雪华黄斯韵林锦江孙灿辉*李子平*

磁共振扩散峰度成像（DKI）是一种反映体内水分子非高斯分布扩散运动状态的MR成像新技术。近年来DKI已广泛应用于神经系统，并取得良好的效果。目前也逐步被应用于前列腺、肾脏、肝脏等体部脏器成像，其中在前列腺的应用最为广泛，通过应用DKI可提高对前列腺肿瘤诊断与分级的能力。就DKI技术在腹部的应用研究现状予以综述。

磁共振成像；扩散峰度成像；前列腺；肾脏；肝脏

Int J Med Radiol，2016，39（5）：527-530

MR扩散加权成像（DWI）是在常规MRI序列基础上，在不同的扩散方向上施加扩散敏感梯度，从而获得反映体内水分子扩散运动情况的MR影像。其理论前提是生物体内水分子扩散呈正态分布，通过获得的一系列b值影像拟合单指数模型，间接反映活体组织内微观结构变化及特点[1]。然而人体内细胞微环境复杂，体内水分子的扩散运动并不完全符合高斯分布。扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging,DKI）是以非高斯模型为基础的一种新的MR成像技术，更能反映人体内微环境变化[2-3]。DKI首先应用于神经系统的研究[4-5]，并获得良好的效果。近年来，DKI也开始应用于腹部。本文主要综述DKI的原理、成像技术及其在腹部的研究现状。

1　DKI原理与成像指标

DKI是DWI技术的延伸，2005年由Jensen等[3]首次提出，是一种探查非高斯分布的水分子扩散特性的方法，它使用更高的扩散敏感因子（b值），一般b＞1 000 s/mm2，拟合更复杂的非高斯分布模型（即DKI模型），表现为更高的峰度和更长的尾巴（图1）[3，6-8]，因此DKI能获得更真实反映体内水分子扩散受限情况的影像及定量指标。DWI信号拟合公式：ln[S（b）]=ln[S（0）]-b·Dapp+1/6·b2×D2app×Kapp[2-3]，其中S为信号强度，Dapp为给定方向上的表观扩散系数，b为扩散敏感因子，Kapp为给定方向的峰度系数。当Kapp=0时，Dapp依然与信号衰减呈单指数线性相关，符合单指数模型（即常规DWI模型）。通过这个公式，可以推导出Kapp。Kapp是一个无量纲的值，用来量化真实水分子扩散位移与理想的非受限高斯分布扩散位移的偏离大小[9]。Kapp越大，代表兴趣区内非高斯扩散分布模型下的水分子真实扩散受限情况越显著，细胞微环境越复杂。

DKI的成像指标中最常用的是平均峰度（mean kurtosis,MK），为各个扩散方向的峰度系数的平均值，反映水分子扩散受限的程度。其中，径向扩散峰度（radial kurtosis,Kr）是MK的垂直分量，即K⊥，为非零的扩散受限，其扩散受限垂直于扩散张量长轴方向。平行扩散峰度（axial kurtosis,Ka）则代表平行于扩散张量长轴方向的扩散峰度值，即K∥，类似于扩散张量成像（diffusion tensor imaging,DTI）的各向异性（fractional anisotropy,FA），DKI亦有峰度各向异性（kurtosis anisotropy,KA），它能够在评估水分子扩散受限的各向异性情况中提供比FA更确切的信息，起到相辅相成的作用[10]。

图1　不同模型下信号拟合关系

2　腹部DKI成像技术

DKI以常规DWI序列为基础，并要求尽可能使用超高b值的敏感梯度场。常规DWI序列只需要设置2个b值即可获得表观扩散系数图（apparent diffusion coefficient map，ADC map），而DKI序列至少需要设置3个有区别的b值来拟合非高斯模型获得Kapp等参数。但是在腹部的应用中，也需要避免设置过多的b值成像[2]。设置过多的b值，一方面需要耗费更多的采集时间，另一方面，腹部呼吸运动伪影也会增加。

同时，对于最大b值的设置，也有着严格的要求。最大b值过小，则不能测出非高斯分布模型下获取的信号衰减偏离高斯分布的斜率偏差，同时该序列反映水分子非高斯分布扩散受限的能力也将显著减低。但也无需追求过高的b值，因为过高b值的设置需要更好的硬件设施、更久的采集时间以及更优越的后处理技术支持。在脑部DKI的研究中，最大b值可以设置到2 000～3 000 s/mm2[11-12]。但在腹部成像上，随着b值的增大，影像信号强度以及T2的衰减将会更加迅速。此外，与头部线圈相比，型号大的腹部线圈接收信号的性能与图形校正性能均欠佳。因此，为了保证影像质量，腹部DKI最大b值的选择一般要小于头部的最大b值的设置。参考近年来腹部DKI的研究[8-13]，最大b值设置在1 500～2 000 s/mm2范围内能够获得符合非高斯分布模型需求的理想结果。

DKI序列扩散敏感梯度场的方向设置也有一定的特殊性。在中枢神经系统研究中，扩散敏感梯度场往往会施加较多的方向（一般≥15个方向）[3]，以获得更为精确的KA值。但这样需要花费很长的采集时间，在扫描固定性比较好的颅脑时可保证成像质量，但腹部扫描因存在呼吸运动的影响则需要尽可能地缩短采集时间。有文献表明[3]，腹部DKI只需要3个梯度场方向即可，并不需要设置全方向梯度来探求组织扩散各向异性特点。

DKI序列信噪比（SNR）的控制、后处理软件结果分析等也关系到DKI研究效果。可权衡扫描时间，通过增加采集次数来达到提高SNR的目的。对影像的后处理要求可通过勾画兴趣区（ROI）得到b值（s/mm2）Kapp、Dapp等数据。表1即为目前腹部研究较多用的前列腺DKI技术参数设置[14]。

表1　前列腺DKI成像序列参数设置

3　DKI在腹部的应用

与中枢神经系统相比，DKI序列在腹部的应用并不多，大多集中在前列腺、肾脏、肝脏等实质性脏器的研究。

3.1前列腺有文献报道[15]，使用高b值（最大b值达2 000 s/mm2）DWI序列扫描正常前列腺与前列腺癌（prostate cancer,PCa）组织，并对其使用4种不同的数学模型（单指数模型、峰度模型、广延指数模型、双指数模型）进行后处理，结果显示峰度模型（即DKI模型）对正常前列腺与PCa的鉴别效能最好，并有较高的可重复性。Wang等[14]回顾性分析了110例病理确诊为PCa病人的DKI影像资料（b值：0～2 000 s/mm2），以评估DKI对PCa的Gleason分级效能。DKI数据分别以单指数模型与DKI模型进行量化拟合处理以获取ADC、Dapp、Kapp数据。每一例PCa病人行病理Gleason分级后分组（低级别PCa：Gleason评分≤6;中高级别PCa：Gleason评分＞6）。ROC曲线分析结果显示，高级别PCa具有更低的ADC值、更低的Dapp和更高的Kapp。而且第90百分位数Kapp与PCa的Gleason分级有相当高的相关性（ρ＞0.6）。该研究认为DKI在鉴别诊断高级别与低级别PCa有良好的效能。

也有研究比较了DKI与常规DWI对于前列腺良、恶性病变或者高、低级别前列腺肿瘤的鉴别效能，但并不认为DKI能够明确提升诊断效能。Roethke等[16]对前列腺外周带癌的病理评分进行研究，显示DKI与DWI诊断效能并无明显差别，认为常规DWI依然是临床诊断前列腺外周带癌的标准成像序列。

3.2肾脏目前DKI应用于肾脏的研究仅有少量的报道，主要为健康人肾脏的前瞻性研究。2014年Pentang等[17]首先应用DKI进行肾脏成像，评价DKI应用于人类肾脏成像的可行性及进行序列的优化。该研究使用呼吸触发EPI序列（3个b值：0、300、600 s/mm2）并选取30个扩散敏感梯度方向对10个健康志愿者的肾脏进行冠状面扫描，在肾皮质、髓质上勾画ROI，分别获取ADC、FA、MK指标。结果显示，DKI模型比单指数DWI模型具有更好的拟合度；肾皮质与髓质的ADC、FA、MK值的差异有统计学意义，其中肾皮质MK值大于肾髓质MK值（P＜0.001）。研究认为，要获得可信的峰度指标需要b=0 s/mm2的影像上SNR至少达到8.31。但该研究选择的最高b值为600 s/mm2，对于腹部DKI而言该b值太小，不足以表现水分子非高斯分布的扩散特性；且样本量较少（10例），多为年轻人，因此存在较大的局限性。

2015年Huang等[18]纳入37名健康志愿者做了进一步研究，b值设置为0、500、1 000 s/mm2，在两侧肾上、中、下极的皮质与髓质均勾画ROI获取FA、MD、径向扩散系数（D）、平行扩散系数（D∥）、MK、K⊥、K∥数值。结果显示，两侧肾脏的各项相应指标均无显著差异。肾髓质的峰值指标（MK、K∥、K⊥）均高于肾皮质（P＜0.001）。而扩散加权指标（FA、MD、D⊥、D∥）中，肾髓质的FA高于肾皮质，其他指标（MD、D⊥、D∥）均低于肾皮质。该研究认为，DKI模型用于正常人肾脏以显示水分子非高斯特性扩散状态是可行的。

对于肾髓质与皮质MK值的比较，上述两个研究得出了相反的结论。考虑两个研究样本量均较少，参数设置不同，如能扩大样本量并提高研究的可重复性，或许能得出更为准确严谨的结论。文献中最高b值的设置都不超过1 000 s/mm2，这对于DKI而言均较小。研究者选取上述较小b值的原因如下：①Jensen等[3]认为最大b值的选择应基于所研究组织的扩散系数和峰度值。在健康人脑组织中，ADC≈1×10-3mm2/s，Kapp≈1，此时DKI设置的最大b值推荐选择2 000 s/mm2。而人类正常肾脏（包括肾皮质和肾髓质）的ADC大约为2×10-3mm2/s或更高，约为脑组织的2倍。因此，肾脏组织的最大b值应小于脑组织推荐的最大b值。②考虑到随着最大b值的增大，DKI拟合公式的准确性随之降低，相应的SNR也随之下降，因此最大b值不能设置太大。③在b值位于600～800 s/mm2时，影像已能充分观察到水分子扩散运动偏离正态分布的情况[17]。因此，上述研究设定健康肾DKI研究的最大b值均不大于1 000 s/mm2。

3.3肝脏目前DKI主要用于肝细胞癌或肝纤维化的研究。Goshima等[13]应用DKI对富血供肝细胞癌的预后评估效能进行报道。研究纳入了62例治疗前后的肝癌病人，b值设定0、100、500、1 000、1 500、2 000 s/mm2，测量了肝实质与肝细胞癌区域的MK和ADC，并分析该参数与肝功能Child-Pugh分级的相关性。结果显示，112个肝细胞癌结节（活性组63个，非活性组49个）中，MK值在这两个组别中有统计学差异，活性组MK值高于非活性组（P＜0.001），而活性组ADC值低于非活性组（P＜0.001）。MK值的诊断敏感度、特异度以及ROC曲线下面积（area under the ROC curve，AUC）均高于ADC值的（P＜0.001）。但MK值在不同肝功能Child-Pugh分级的相关性差异并无统计学意义（P=0.45）。该研究认为，DKI或许会是评估肝细胞癌预后反应的一个新选择。

Rosenkrantz等[19]采用DKI检测肝细胞癌的新鲜离体肝标本，得到了Kapp与肿瘤的细胞结构特性有相关性的结论。Anderson等[20]通过小鼠肝纤维化模型，在9.4 T高场强MR设备上对离体小鼠肝纤维化样本进行了扩散（b值高达3 500 s/mm2）序列扫描，并分别用广延指数模型和峰度模型进行后处理。结果显示肝纤维化的组织病理学评估与这两个模型所获取的参数有明显的相关性，认为DKI在慢性肝疾病诊断中具有很大的潜力。

这两项研究均采用体外肝样本，可避免呼吸运动对影像质量的影响，同时可以延长扫描时间，设置更高的b值，增加信噪比。但肝脏在体内和体外的组织生物结构是否发生改变从而影响测量结果未知，可能导致测量结果会有所偏差。

综上所述，DKI作为一种创新的扩散成像方式，不仅能够通过设置高b值获得更为准确的水分子扩散信息，还能获得多种定量指标量化评估组织病灶。在腹部的应用中，对于正常组织与病变、良性与恶性病变的鉴别以及疾病分组的评估，DKI指标具有一定的诊断价值。特别是DKI与传统的DWI相比，能够更真实准确地反映了水分子的扩散运动。DKI应用于腹部疾病治疗后评估，疾病分级相关性等领域的研究尚不多见，因此有着广阔的研究前景。但是，在目前DKI腹部应用中还存在一些技术上的不足，在最佳b值的设置、成像的SNR把握、数据测量的准确性以及后处理数学模型的拟合等方面还需进一步完善。相信随着MRI技术的成熟与临床的研究，DKI技术将会得到更广泛的应用。

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（收稿2015-12-28）

Application and advances of diffusion kurtosis imaging in abdomen

HUANG Li,LI Xuehua,HUANG Siyun,LIN

Jinjiang,SUN Canhui,LI Ziping.Department of Radiology,The First Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510080,China

Diffusion kurtosis imaging(DKI)is a kind of novel MRI technology enabling characterization of non-Gaussian water diffusion behavior.Although DKI has been largely applied in neurological diseases with good effect over the past decade,a small number of studies have recently explored DKI in other than brain,for example,prostate,kidney,liver and so on.The most investigated organ in abdomen is the prostate,and DKI has improved tumor detection and grading.This article aimed to review the application and advances of DKI in abdomen.

Diffusion kurtosis imaging;Magnetic resonance imaging;Prostate;Kidney；Liver

10.19300/j.2016.Z4060

R572；R445.2

A

中山大学附属第一医院医学影像科，广州510080

孙灿辉，E-mail:canhuisun@sina.com

*审校者

广东省科技计划项目（2014A020212480）