体素内不相干运动扩散加权成像在腹部中的研究进展

刘翠兰，黄小华，刘梦苓，徐红霞，石林

(川北医学院附属医院放射科，四川 南充 637000)

体素内不相干运动扩散加权成像在腹部中的研究进展

刘翠兰，黄小华，刘梦苓，徐红霞，石林

(川北医学院附属医院放射科，四川 南充 637000)

磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)是一种无创性磁共振成像技术，原理是利用水分子随机和微观的运动即布朗运动，对活体组织进行功能代谢成像。DWI目前包括单指数模型、双指数模型和拉伸指数模型，单指数模型不能区分活体组织内扩散和灌注的信息，受活体组织中血管内微循环的影响，因此其扩散准确性降低；双指数模型DWI即体素内不相干运动(introvoxel incoherent motion，IVIM)扩散成像，采用双指数拟合曲线分析，可以分别定量反应组织内水分子扩散和灌注情况,其扩散准确性得到提高。拉伸指数模型能反映体素内扩散速率的不均一性和扩散分布指数，从而提供更多的组织生物学特征方面的信息。体素内不相干运动是采用多个b值磁共振扩散加权成像，该技术已广泛应用在中枢神经系统，目前逐渐应用于腹部，如肝脏、胰腺、肾脏等，本文综述IVIM-DWI原理及其在腹部中的研究进展。

体素不相干运动；扩散加权成像；磁共振成像；腹部

磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)基于是无创检测活体组织内水分子扩散运动状态的优势，在临床上对疾病的诊断和鉴别诊断中有所帮助[1-4]，但是由单指数模型-DWI获得的参数标准ADC值往往偏高，这是由源于ADC值综合了水分子的运动和血流灌注信息。1986年，Le Bihan等[5-6]提出了体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion，IVIM)的概念理论，通过由基于单指数模型演化而来的双指数模型，能够将上述两种成份分离，并分别量化扩散运动和血流灌注信息，对临床疾病的精准诊断提供了重要的参考依据。

IVIM-DWI采用双指数模型精确获取反映组织扩散运动和血流灌注效应的参数。组织内DWI局部信号衰减程度与b间的关系：

Sb/S0=(1-f)×Exp(-bD)+f×Exp[-b(D+D*)],

其中f表示灌注分数，其意义是目标区域内局部微循环的灌注效应与总体的扩散效应的容积比率；D*为假性扩散系数，亦称为灌注相关扩散，其意义在于目标区域内微循环的灌注所致扩散效应；D为真性扩散系数，其意义在于目标区域内纯的水分子扩散效应；S为体素内信号强度。b值称为扩散敏感梯度因子，其单位为s/mm2，通过b值的变化，水分子在扩散运动时的自由度会相应变化。在自旋平面回波弥散加权序列中，B=γ2·G2·δ2·(Δ-δ/3)。表达式中γ为磁旋比；G为梯度场强度；δ为梯度场持续时间；Δ为两个梯度场间隔时间。B值代表扩散敏感系数，是一个磁共振施加梯度场强大小的量度值。B值与G值成正比，即B越大，G(施加的正反两个梯度的强度)就越大，对弥散探测就越敏感，但图像的信号越低，SNR(信噪比)越差。反之，B越小，G越小，对弥散探测就越不敏感，但图像的信号越高，SNR越好。

1 IVIM-DWI在肝脏的研究现状

1999年Yamada等[7]首次将将体素内不相干运动(IVIM-DWI)弥散加权成像应用于腹部脏器,对腹部器官肝脏病变的扩散系数进行研究，该研究发现正常肝脏的ADC值明显高于相应的D值并且病变肝脏的ADC值也明显高于相应的D值，得出腹部实质性器官的ADC值可能受灌注效应影响的结论。之后国内外众多学者相继对肝脏的病变进行了大量的研究。Joo等[8]用IVIM研究兔子的非酒精脂肪肝的成像参数特点时，发现f可能有助于早期脂肪肝的诊断。Franca等[9]采用IVIM研究肝弥漫性病变如肝纤维化和炎症时，由于成像参数的特点、肝脂肪变和铁沉积的影响，导致在肝纤维的分级不同时，ADC和F有变化，而在肝脏炎症的不同分级时，这两个值就没有变化；D值在肝脏脂肪变性和铁沉积时，有明显的不同，而F值只在肝脂肪变性不同级别时受影响；D和D*在肝纤维化和炎症时，却没有统计学意义，因此IVIM不能准确的鉴别肝纤维化和炎症。Chung等[10]采用IVIM的相关参数对肝纤维化分级进行评估，参数中f*、D*与肝纤维化分级呈明显的负相关性，f*与D*是评估肝纤维化程度的最佳参数。Chow等[11]采用C57BL/6N大鼠，饲以重复剂量的CCl4破坏肝组织致其肝纤维化，比较相关参数D、D*、f、磁共振扩散张量成像(DTI)、组织学本征值的差异。在CCl4损坏肝脏后的第2周及第4周，D显著的下降，而D*却显著的增大，这与上述Chung等[10]研究的结果一致。Watanabe等[12]在肝局灶性良性和恶性病变的研究中，发现D、ADC值比D*、f在肝脏的良恶性诊断效能更高。Woo等[13]评估肝细胞癌的组织学分级、团注对比增强程度与IVIM参数的相关性，在鉴别高分化肝细胞癌和低分化肝细胞癌时，发现D值比ADC值更敏感。Kakite等[14]用IVIM扩散参数、增强比率预测肿瘤坏死的诊断效能，发现D值可以预测肿瘤坏死的程度，但诊断效能低于增强血管成像。Koh等[15]研究IVIM评价抗血管生成药物对治疗肿瘤的效果，在注入肿瘤抗血管生成药物CKD-516后4 h，f值显著降低，在治疗后7 d，较小肿瘤的f值进一步降低。结论是IVIM-DWI有助于肝脏病变的检出、肝脏良、恶性肿瘤的鉴别以及对肿瘤治疗后的评估。

2 IVIM-DWI在胆囊的研究现状

原发性胆囊癌发病率高，呈明显上升的趋势，早期临床症状不明显，不易被发现，诊断难度大。晚期胆囊癌，手术切除率和术后5年患者生存率都偏低。多数国内外学者分别采用单b值DWI对胆囊病变影像特点进行了研究，少有学者采用IVIM-DWI对其研究。Ogawa等[16]研究了DWI对胆囊良恶性肿瘤的鉴别，发现ADC值可以鉴别胆囊壁增厚或胆囊息肉样变，ADC值在鉴别急性胆囊炎时可能出现假阳性。Lee等[17]对胆囊良恶性诊断，发现胆囊恶性病变的ADC值比良性病变的ADC值低。Kim等[18]采用DWI对胆囊癌和胆囊壁增厚结节研究发现，前者的ADC值比后者高。Kang等[19]研究黄色肉芽肿性胆囊炎和胆囊壁增厚型胆囊炎时，发现前者的ADC值比后者高。国内的一些学者也采用单b值DWI对胆囊病变进行了研究。王海屹等[20]在DWI鉴别原发性胆囊癌和肝细胞癌中发现，b值取800 s/mm2时，原性肝细胞癌ADC值高于原发性胆囊癌，ADC值对原发性肝细胞癌和胆囊癌的鉴别诊断有一定的帮助，但原发性胆囊癌的ADC值研究结果与Sugita等[21]的研究并不一致。IVIM是多b值、高信噪比的弥散加权成像，比单b值更有价值。随着磁共振成像技术的发展，IVIM-DWI有望成为胆囊癌的鉴别诊断不可缺少的检查手段。

3 IVIM-DWI在胰腺的研究现状

近年来多数学者应用 IVIM-DWI 对胰腺病变进行了研究。Klauss等[22]用IVIM成像研究慢性肿块型胰腺炎与胰腺癌，慢性肿块型胰腺炎的ADC值比胰腺癌的ADC值高(b=0、50、75、100、150、200、300 s/mm2)；而b值(0、25 s/mm2)、(0、400 s/mm2)、(0、600 s/mm2)和(0、800 s/mm2)时，两者ADC值间无统计学意义，ADC50-300在慢性肿块型胰腺炎和胰腺癌中具有鉴别作用，其中血流灌注分数f在鉴别慢性肿块型胰腺炎和胰腺癌为有效的参数。Klau β等[23]比较胰腺癌(pancreatic carcinoma,PC)和自身免疫性胰腺炎(autoinmune pancreatitis,AIP)治疗的效果，AIP患者治疗期间的灌注分数f值比未治疗的低。在AIP随访期间，第一次随访时，f值增至(17.1±7.0)%；第二次随访时，f值增至(21.0±4.1)%。对于PC患者，f值比初始患AIP、第一次和第二次随访期间均低。在受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curves,ROC)分析时，初始AIP患者，第一次和第二次随访期间，曲线下面积(area under curve,AUC)值分别是0.63、0.88和0.98，与PC患者均不相同。研究表明：AIP治疗期间，IVIM-DWI的相关参数可以作为影像标记物评价治疗的效果，是鉴别PC和AIP的有效方法，该方法很好地为临床的治疗和诊断提供有价值的信息。Klau等[24]采用IVIM的相关参数和组织学肿瘤特征参数比较胰腺导管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma,PDAC)和胰腺内分泌肿瘤(pancreatic neuroendocrine tumor,PNET)，发现PDAC的灌注参数f值比PNET低；而D值则高；D*值在PDAC和PNET间具有统计学意义。在微血管密度(microvessel density,MVD)上PDAC值比PNET低。而从肿瘤局部组织容积(histological regional tumor volume,RTV)得到的参数值，灌注分数f、MVD与PDAC、PNET有明显的相关性(r=0.85)。从整体肿瘤(total tumor volume,TTV)得到的参数值，灌注分数f、MVD与PDAC、PNET有中度的相关性(r=0.64)，RTV和TTV得到的灌注分数f与微血管区均呈中度相关(r=0.54/0.47)。研究表明IVIM的灌注分数与组织学肿瘤特征参数MVD有明显的相关性，IVIM-DWI参数有助于鉴别胰腺肿瘤，作为一种非侵入性的肿瘤鉴别标记物。总之，IVIM-DWI有助于鉴别胰腺病变的类型，如慢性肿块型胰腺炎与胰腺癌、胰腺导管腺癌和胰腺内分泌肿瘤等，评价PC和AIP及其治疗效果。

4 IVIM-DWI在脾脏的研究现状

国内外学者对脾脏病变的IVIM-DWI研究相对较少，大多采用单b值DWI研究。国外学者Jang等[25]采用DWI研究脾脏良恶性肿瘤发现，恶性肿瘤的ADC比良性肿瘤的ADC值低。Klasen等[26]研究肝硬化和门脉高压时对脾脏的影响，发现脾脏的ADC值明显高于对照组，差异具有统计学意义。在行肝内门体静脉分流术后，ADC值明显降低。刘广辉等[27]研究门脉高压症状态下脾脏IVIM-DWI 成像的相关参数特点发现：观察组脾脏D*值低于正常对照组，两组间脾脏D*值具有统计学意义，两组其余相关参数值间均无统计学意义。研究表明肝硬化门脉高压症状态，脾脏IVIM-DWI灌注参数D*值能够评价脾脏内微循环的灌注信息，并可作为门脉高压诊断的参考依据。同时Kim等[28]报道脾脏ADC值在慢性肝病患者和正常志愿者间没有差异，与Jang等[25]研究的结果基本一致的。

5 IVIM-DWI在肾脏的研究现状

Gaing等[29]采用IVIM参数的直方图分布研究肾肿瘤及其肿瘤亚型，15个肾脏肿瘤中，IVIM参数的平均值能鉴别出8个亚型，而其直方图分布能鉴别出9个亚型。透明细胞癌和乳头状细胞癌可通过参数平均值鉴别。血管平滑肌脂肪瘤和嗜酸性粒细胞癌、透明细胞癌和嗜酸性粒细胞癌均可通过直方图鉴别。因此，IVIM参数的直方图分布可以帮助区分恶性和良性病变以及各种亚型肾肿瘤。Ichikawa等[30]分析肾功能不全患者肾脏的IVIM参数的扩散和灌注改变，按照肾小球滤过率(eGFR)分为4组，eGFR≥80为1组，eGFR在60～80为2组，eGFR在30～60为3组，eGFR<30为4组，第1组为对照组，结果在肾皮质中，D*在第2、3、4组中均比第1组低；D值仅在第3组显著降低。在肾髓质中，D*和D分别在第2、3组中显著降低。其结论为，随着肾功能不全的进展，肾灌注明显减少，从而影响肾皮质水分子的扩散，扩散的变化易被IVIM参数值更有效的检测。Ebrahimi等[31]用IVIM研究猪肾动脉的狭窄情况，猪分为3组，第1组用高胆固醇食物喂养诱导早期的动脉粥样硬化(atherosclerosis，ARAS)、第2组用正常的饮食规律喂养致使肾动脉狭窄(renal artery stenosis，RAS)，第3组为正常对照组，结果发现ADC、D值均与肾皮质和髓质的纤维化有相关性，IVIM参数可以探测到肾动脉狭窄后肾脏的结构和功能的微弱变化，并能作为评价肾小管损伤的标记物。Rheinheimer等[32]用IVIM参数评价冷缺血时间(cold ischemia time,CIT)对同种异质的移植肾扩散和灌注的影响，发现ADC、D和f值在移植肾中显著低于正常肾，在长CIT移植肾中扩散参数比在短CIT移植肾中低。结论是ADC值取决于移植肾的CIT，它代表移植肾功能的变化。DWI可用于移植肾的随访。因此，IVIM扩散参数有助于指导移植肾患者肾功能恢复期的治疗检测。Schneider等[33]研究IVIM的相关参数评估部分肾切除术的功能，研究表明DWI的量化参数对肾功能的评价有很好的指导作用，肾皮质ADC值在肾部分切除术前后有明显差异。IVIM对肾生理状况能提供更明确的信息，其量化参数可作为一个有用的和非侵入性的生物标志物。因此，IVIM-DWI可以评价肾功能不全程度、鉴别肾脏良、恶性肿瘤分型、肾移植或肾部分切除后肾功能的评价等具有重要价值。

6 IVIM-DWI在胃肠道的研究现状

消化系统肿瘤占恶性肿瘤60%以上，其中较为常见的是胃癌、大肠癌，大肠癌中直肠癌占多数，所以对胃癌及直肠癌的诊断分期尤为重要。DWI对胃肠道肿瘤的分期能够指导其手术方式的选择，多数学者对此进行了研究。Caivano等[34]研究DWI对胃癌的术前分期，得到DWI相对于传统的MRI图像诊断的敏感性和特异性有所提高。Joo等[35]比较研究DWI和MDCT对胃癌的术前分期以及淋巴结的转移，其结论与Caivano等[34]研究基本一致，DWI比MDCT的诊断效能好。国内学者李婷等[36]研究不同程度的胃癌在DWI上的特征，发现胃癌在DWI图像上均呈高信号；ADC值在胃癌与正常胃壁间具有统计学意义。正常胃壁ADC值高于胃癌，不同分化程度的胃腺癌，其ADC的差异具有统计学意义。该研究结论是ADC值可区分正常胃壁及不同分化程度的胃癌、评价胃癌的生物学行为，特别是在胃癌恶性程度的判定中具有重要意义。Song等[37]研究IVIM对胃癌治疗效果的监测，发现在胃癌治疗后的第5、7天，肿瘤的相对体积有所减小，治疗后的第1、3天，肿瘤的体积并没有明显的变化。但在病变治疗后的第3、5、7天，ADC值增大，治疗后的第1、3、5天，D值增大，治疗后的第1、3、5、7天，而f、D*则明显的降低。此外ADC、D与肿瘤坏死、肿瘤细胞的凋亡呈正相关性；f、D*与MVD呈正相关性，与肿瘤细胞凋亡呈负相关性。

另外也有学者对直肠癌的DWI成像进行了研究。Bäuerle等[38]应用扩散加权成像参数与组织学特征参数评估直肠癌，发现术前没有进行新辅助疗法(chemoradio therapy,CRT)的直肠癌患者，其扩散系数D、灌注分数f与血管面积分数具有相关性。对于接受CRT的直肠癌患者，并不具备相关性。其组织学评估显示，组织之间的显著差异表现在微观层面，细胞和血管的环境状态影响灌注和扩散。随着治疗的进行，直肠癌和邻近组织的结构和功能的变化，高度依赖于周围细胞和血管的微环境，而DWI可以监测这种微环境的变化，即灌注和扩散。Ganten等[39]研究IVIM-DWI的灌注相关参数评价直肠癌放化疗的作用时发现，在放化疗后，D、ADC值可以得到显著的增加，以此确定放化疗的有效性，从而表明 IVIM-DWI的参数D值可作为放化疗术对直肠癌治疗效果程度的评估。随后的学者Moon等[40]研究直肠癌ADC值预测肿瘤的复发，发现肿瘤的ADC值和传统的影像特征结合有助于对肿瘤3年局部复发的诊断。目前IVIM在直肠癌的研究相对较少，但部分研究表明IVIM对于直肠癌的诊断和治疗、预测肿瘤复发有重要的价值。

综上所述，IVIM可分别反映单纯水分子扩散和微循环灌注信息，对炎症、肿瘤的精准诊断具有重要的临床意义。肿瘤内水分子扩散受限的表达，须剔除血管内血液微循环灌注的影响后才能较准确地评估其良恶性。IVIM目前已经广泛应用于脑缺血、乳腺肿瘤及腹部脏器病变的诊断，原则上b值取的越多，所获得的信息越丰富，得出的数据越准确，但b值增加，延长了扫描时间，因此对于b值所取数值并没有定数，一般取8～10个。IVIM成像技术作为一种无创的功能成像，通过高场磁共振多b值和高信噪比成像，能够分别量化扩散运动和血流灌注信息，可提高对疾病定性诊断的准确性，相信该技术在未来的临床工作中会得到广泛应用。

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(学术编辑：董国礼)

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邮箱：xuebao@nsmc.edu.cn

Research progress of IVIM-DWI in abdomen

LIU Cui-lan,HUANG Xiao-hua,LIU Meng-ling,XU Hong-xia，SHI Lin

(DepartmentofRadiology,AffiliatedHospitalofNorthSichuanMedicialCollege,Nanchong637000,Sichuan,China)

Diffusion weighted imaging (DWI) is a noninvasive imaging of Brownian motion which make use of randomly and micro movement of the water molecules reflecting the function and metabolism on living tissue.DWI includes mono-xponential model,bi-xponential model of DWI and stretched-xponential model.Mono-xponential model does not integrate the diffusion and perfusion information in living tissue,so the quantitative accuracy is affected by intravascular microcirculation in living tissue，and bi-xponential model of DWI is irrelevant movement within the voxel imaging,adopting bi-xponential fitting analysis,which can be relatively true reflection of waters molecular diffusion and perfusion in the tissue,so the quantitative accuracy is better.Stretched-xponential model can describe the heterogeneity of intravoxel diffusion and distributed diffusion coefficient(DDC),providing more information about biological characteristics of tissue.Introvoxel incoherent motion (IVIM) is based on multiple b values of DWI.Currently,the technology has been widely applied in the central nervous system,which has been applied gradually to the abdomen such as liver,pancreas, kidney and so on.This paper reviews IVIM-DWI principle and its application progress in the abdomen.

Introvoxel incoherent motion (IVIM)；Diffusion weighted imaging (DWI)；Magnetic resonance imaging；Abdomen

10.3969/j.issn.1005-3697.2017.03.042

四川省教育厅基金项目(16ZA0228)

2016-11-18

刘翠兰(1984-)，女，硕士研究生。E-mail：543798805@qq.com

黄小华，E-mail：15082797553@163.com

时间：2017-6-21 18∶11 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1254.R.20170621.1811.084.html

1005-3697(2017)03-0466-05

R445.2

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