肝脏多b值扩散心率因素的评价

艾竹， 钟桂棉， 梁健科， 梁倩雯， 向之明

·国家自然科学基金专栏·

肝脏多b值扩散心率因素的评价

艾竹， 钟桂棉， 梁健科， 梁倩雯， 向之明

目的评价心电门控技术心率因素对肝脏体素内不相干运动成像(IVIM)图像质量及参数值的影响。方法选取20名接受心电门控IVIM-DWI序列扫描的志愿者，设定6个b值(范围0，50，100，150，300，600s/mm2)，按受检者心率分为2组，每组10例，实验组受检者心率≤70次/分，对照组受检者心率≥80次/分。由两名从事腹部MR影像诊断5年以上的高年资医师对所得MR图像进行分析，测量并分析图像SNR、ADC、IVIM各参数值，并对IVIM-DWI图像质量进行评价。结果实验组所得图像伪影最少，解剖结构清晰，图像质量较高，不同b值时实验组SNR值均大于对照组，两组间差异有统计学意义(P<0.05)。两组ADC、D、D*、f值中，仅肝左叶的ADC值[实验组(1.432±0.299)×10-3mm2/s；对照组(1.945±0.543)×10-3mm2/s]和D值[实验组(1.372±0.378)×10-3mm2/s；对照组(1.617±0.361)×10-3mm2/s]在两组间的差异有统计学意义(P值分别为0.000、0.013)。结论肝脏IVIM心电门控成像技术具有重要的临床价值，低心率心电门控IVIM-DWI成像可得到较好的图像质量和稳定可靠的参数值。

肝脏； 磁共振成像； 心率

磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging， DWI)是通过MRI观测生物体内水分子扩散运动反映病理及生理信息的唯一无创性成像方法[1]，通过表观弥散系数(apparent diffusion coeficient，ADC)可反映其水分子扩散情况，但由于受到毛细血管网血流灌注效应的影响，因此有一定的局限性。Le Bihan等[1]在1986年第1次提出了体素内不相干运动成像(intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging，IVIM-DWI)的概念，IVIM-DWI不仅可以评估组织中水分子扩散情况，还可以反映组织灌注的情况，即通过特殊的扩散加权成像序列在体素水平分离出“扩散”和“灌注”这两种因素[2-3]。近年来IVIM在肝脏的应用日益受到关注，然而由于肝脏毗邻心脏，受到心脏搏动影响较大，尽管一些快速成像技术的运用减弱了运动伪影，但图像质量仍然不理想，相应成像参数值不稳定。目前有学者研究认为在肝脏扫描过程中采用心电门控技术可以降低心脏运动对肝脏DWI的影响[4-5]，强调在舒张期进行信号采集，可获得较好的图像质量及可重复性好的ADC值，但对于心电门控中心率变化对信号采集影响的量化研究少有报道。本研究通过对志愿者不同的心率变化进行对比研究，评估图像质量并分析信号噪声比(SNR)、表观扩散系数(ADC)及纯扩散系数值(D)、假扩散系数值(D*)、灌注分数(f)等值，探讨心率因素对肝脏心电门控IVIM-DWI图像质量的影响。

材料与方法

1.临床资料

本研究获得广州市番禺区中心医院伦理委员会批准，所有志愿者检查前均已签署知情同意书。选择2016年5-8月共45名志愿者，每位志愿者签署知情同意书后行腹部IVIM-DWI检查。按照实验纳入标准及排除标准，最终20例受检者纳入研究。本研究纳入标准包括：①无任何肝脏疾病病史，实验室各项指标正常；②半年内未服用损害肝脏功能药物病史；③无肝脏手术史。排除标准包括：①体内金属植入、幽闭恐惧症、心脏起搏器植入等核磁共振检查禁忌症者；②近期服用药物者；③扫描过程中情绪紧张，不能耐受长时间检查，不能配合完成检查者；④图像伪影明显，严重影响图像分析者。扫描时对受检者进行心电监控，并按照扫描过程中的平均心率分组，平均心率≤70次/分的志愿者纳入实验组，平均心率≥80次/分的志愿者纳入对照组。实验组男8例，女2例，年龄在19～36岁之间，平均年龄(24.00±4.27)岁；对照组男7例，女3例，年龄在20～29岁之间，平均年龄(23.50±2.33)岁。两组性别、年龄差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。

2.检查方法

应用西门子Avanto超导体1.5T磁共振成像仪(Magnetom Avanto;Siemens Medical Solutions,Erlangen,Germany)，使用十二通道脊柱线圈及六通道体线圈。系统使用Siemens，Syngo B17系统。检查前空腹4～6 h，测量志愿者平静心率，对志愿者进行扫描前的呼吸训练，交代扫描注意事项，嘱其尽量放松，平静呼吸时尽量保持呼吸幅度及频率的一致。所有志愿者在胸骨左侧第3、5肋间隙及心尖搏动处粘贴MRI专用心电门控无磁电极片监测心率。扫描过程中全程观测心电门控监控，待到心率稳定于某一水平时，行以下扫描序列进行全肝扫描，包括：心脏电影成像序列：扫描参TE 1.28 ms，TR 45.9 ms，视野340 mm×276 mm，层厚6 mm，AVERAGE 1，扫描时间15 s。心电门控IVIM-DWI序列：扫描参数为TE 74 ms，TR 330 ms，矩阵128 mm×128 mm，视野400 mm×262 mm，层厚5 mm，层间距1.6 mm，AVERAGE 2，Concatenations 7，选取6个b值(b=0,50,100,150,300,600 s/mm2)，ECG-DELAY时间根据不同志愿者四腔心脏电影成像所得图像选定的心脏相对静止期确定，总的扫描时间为(861±85.8) s。

3.图像分析

扫描结束后，将所有志愿者的图像导入到后处理系统中。图像质量有2名具有5年以上肝脏DWI诊断经验的腹部影像医师共同评分并取得一致意见：满意，图像无明显伪影，组织结构清晰可辨；较满意，图像相对较少伪影，组织结构或病灶有模糊影；差，图像相对较多伪影，病灶显示欠清，无法用于诊断。

使用Image J(National Institutes of Health,Bethesda,Md)软件，分别测量两组序列所得图像中不同b值肝脏及背景信号强度，同层面肝实质与背景噪声分别放置3个100 mm2的圆形ROI取平均，根据公式SNR=SI肝/SD背景计算各b值图像的SNR值。选取肝脏连续3层放置ROI，肝左、右叶各放置3个100 mm2的圆形ROI，需距离肝表1 cm的均匀肝实质范围内，避开肉眼可见的血管或胆管，共各取9个ROI的ADC平均值代表左、右肝的ADC值。使用软件MITK-DI生成IVIM参数图(f、D和D*图)，通过双指数模型，根据公式[6]Sb/S0=(1-f)exp(-bD)+fexp[-b(D+D*)]，S=体素内信号强度，b值为扩散敏感因子，分别拟合f值、D值及D*值。

4.统计学分析

结 果

1.图像质量评价

经过两名具有5年以上肝脏DWI诊断经验的腹部影像医师共同评分并取得一致意见，实验组的图像质量(Z=-2.599，P=0.009)优于对照组，两者间差异有统计学意义(表1，图1、2)。

表1 两组间图像质量的比较

图1 男，24岁，心率92次/分。a～f) 分别对应b值为0,50,100,150,300,600s/mm2时的图像。

2.两组SNR值比较

实验组SNR值明显大于对照组，差异具有统计学意义(P<0.05)。两组间SNR值均随b值的增大呈逐渐下降的趋势，b值越大，SNR值越小，图像质量越差(表2，图3)。

表2 两组SNR值比较

注：P<0.05时，差异有统计学意义。

3.两组ADC值比较

两组间左肝的ADC值均明显大于右肝。实验组左肝的平均ADC值明显小于对照组(t=2.617，P<0.05)，两者差异有统计学意义；实验组右肝的平均ADC值虽小于对照组(t=1.711，P=0.104)，但两者间无统计学意义(表3、图4)。

表3 两组ADC值比较

注：ADC值的单位为×10-3mm2/s。P<0.05时，差异有统计学意义。

4.两组D、D* 、f值比较

实验组肝左叶D值(1.372±0.378)明显小于对照组(1.617±0.361)，差异有统计学意义(P<0.05)。实验组右肝D值小于对照组，但两者间差异不大，无统计学意义(t=0.278，P=0.782)。D*及f值在两组间无明显差异(表4、图5)。

表4 两组IVIM各参数值比较

注：D、D*值的单位为×10-3mm2/s，f值的单位为%。P<0.05时，差异有统计学意义。

讨 论

近年来，随着磁共振成像各种软硬件技术的提高及应用，DWI在肝脏得到广泛应用。肝脏IVIM-DWI在肝脏微小病变的检出、肝脏良恶性病变的鉴别、肿瘤治疗后疗效评价及组织特征定性方面具有较高的临床应用价值[7-10]。但肝脏IVIM成像易受心脏搏动影响，如何克服心脏搏动影响保证IVIM相关参数稳定可靠日益受到关注。研究表明[4]心电门控技术可以降低心脏运动对肝脏DWI成像的影响。肝脏IVIM-DWI要求多b值成像，加之本研究使用心电门控技术，数据采集时间延长，易受生理运动等影响。因此，本次研究共设置了6个b值，范围在0～600 s/mm2之间。本研究结果表明，采用心电门控技术可以减少心脏搏动伪影对图像的影响，肝脏IVIM-DWI采用心电门控技术是可行的，所得图像可以更好地满足临床诊断需求。

本研究中，如何通过观察冠状动脉的形态来确定心脏相对静止期，以此来决定心电门控扫描时的延迟时间，是做好IVIM心电门控成像技术的前提，而其中心率的变化是关键。好的图像质量有利于清晰观察冠状动脉的变化，以此确保心电门控时延迟时间的准确。心脏形态、血管变异与否等因素均会影响冠状动脉成像质量，其中很重要的一个因素是心率，心脏运动过快，舒张期缩短时间相对于收缩期来说更明显，最佳成像时间窗也会缩短。当针对高心率、心律不齐、或者心率失常患者进行检查时，难以保证冠状动脉的成像质量。有文献表明[11-13]，当心率高于80次/分，时相采集已经从心脏舒张期转变为心脏收缩期，且心率基于55.2次/分时每增加1 bpm，相关图像质量评分将有所下降，心率≤70次/分与≥80次/分时，两组间的图像质量有显著差异。因此，我们按心率≤70次/分或≥80次/分将志愿者分为实验组和对照组进行研究。本研究发现当心率在70次/分以下时，所得图像质量好于心率80次/分以上的图像质量(Z=-2.599，P=0.009)，尤其心率在60～70次/分时，所得图像质量最好。当心率≤70次/分时，心脏运动相对缓慢，舒张期时间延长，冠状动脉相对静止期较长，此时成像质量较稳定，有利于扫描者更好的观察冠脉形态变化，保证心电门控延迟扫描时间的准确性，使得MR扫描时每次信号采集最大限度的落在心脏舒张中末期，从而获得较高质量的IVIM-DWI图像。因本次研究主要为健康志愿者，在扫描过程中对心率不采取任何干扰措施，主要通过扫描前培训使受检者心态平和，呼吸平稳，以此来稳定心率。本研究发现，心电门控序列的扫描时间较长，为(861±85.8) s，明显长于自由呼吸序列的扫描时间196 s，两者间差异具有统计学意义(P<0.01)。过长的采样扫描易使受检者情绪焦虑，心情烦躁，造成心率的波动，这可能是导致图像质量欠佳，甚至检查失败的原因之一。因此，心电门控技术在应用于临床时，对于心功能较好，无禁忌症的患者，建议预先服用控制心率的药物以保证检查的顺利进行。我们的经验及结果表明，肝脏IVIM-DWI心电门控成像技术检查前，控制心率是非常必要的。

图2 女，19岁，心率68次/分。a～f) 分别对应b值为0,50,100,150,300,600s/mm2时的图像。

图3 两组在不同b值条件下的SNR值大小变化趋势图。测量结果表明不同b值时实验组的SNR值均大于对照组，且差异具有统计学意义(P<0.05)。 图4 肝左、右叶在不同心率分组下的ADC(×10-3mm2/s)值大小变化趋势图。测量结果表明实验组肝左叶的ADC值小于对照组，且差异具有统计学意义(P<0.05)。

图5 肝左、右叶在不同心率分组下f(%)、D(×10-3mm2/s)、D*(×10-3mm2/s)值大小变化趋势图。测量结果表明肝左叶测量值普遍大于肝右叶，实验组肝左叶D值大于对照组，且差异有统计学意义(P<0.05)，D*及f值在两组间无明显差异(P>0.05)。

本研究结果显示，肝脏IVIM同一条件下测量所得的ADC值高于D值，其中肝右叶的ADC值较肝左叶小，而D值较肝左叶大，差异有统计学意义。实验组肝左叶的ADC值及D值均小于对照组，差异均有统计学意义，而D*、f值间两者差异不明显。笔者认为心率≤70次/分时，图像质量较好，伪影较少，测量所得参数值相对准确，由于心脏运动会影响肝左、右叶，尤其是对肝左叶的影响，虽然扫描时采用了心电门控以减少心脏搏动对肝脏成像的影响，但考虑到肝左叶距离心脏位置很近，尽管心电门控在心脏相对静止期进行信号采集，很难完全消除心脏对肝左叶的影响，肝左叶组织失相位会导致测量值误差。本研究结果与Filipe等[14]、Kwee等[4]的结果一致。IVIM双指数模型能反映水分子扩散和微循环灌注情况，相比于DWI单指数模型所测量的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)，可更好的反映活体组织DWI[15]。假设组织内仅存在水分子的扩散运动，测量所得ADC值应与真性扩散系数D值相同，研究发现在体测量得到的ADC值一般偏高，这是因为ADC值易受到分子的扩散运动和微循环灌注的影响导致。我们的研究结果也证实了这一点，同一条件下测量所得ADC值显著高于D值。本研究中两组间肝左、右叶的D*与f值差异均无统计学意义，分析原因可能是因为本次研究所纳入的多为健康志愿者，样本量较小，且D*、f值一般对肿瘤灌注更敏感，所以在健康者中并无太大可比性。但无论是实验组还是对照组，其肝左叶与肝右叶相比，D、D*和f值间差异均有统计学意义，肝左叶参数值普遍高于肝右叶，说明心脏运动对左叶的影响大于右叶。

当然，我们的研究也存在一定局限性。首先，ROI的测量存在测量者的选择主观性，对本次研究结论可能存在一定的影响；其次，本研究主要以青年健康志愿为主，在对肝脏病变进行研究时，结果可能存在差距，需在临床上进一步验证。

总之，本研究认为，肝脏IVIM-DWI成像时采用心电门控技术具有重要的临床价值，如能将心率控制在70次/分以下，尤其在60～70次/分之间，IVIM成像可获得较好的图像质量及相对稳定可靠的参数值。

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Effectsofheartrateonimagequalityofliverintravoxelincoherentmotiondiffusion-weightedimagingwithECG-gatingtechnology

AI Zu，ZHONG Gui-mian，LIANG Jian-ke，et al.

Department of Radiology，Panyu Center Hospital of Guangzhou，Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine，Guangzhou 511400，China

Objective:To investigate the effects of heart rate on image quality of liver intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging (IVIM-DWI) with ECG-gating technology.Methods20 volunteers underwent ECG-gating IVIM-DWI with 6 different b-values (0～600s/mm2) at a 1.5T MR scanner and were divided into 2 groups according to the heart rate,and each group had 10 volunteers.The heart rate of the study group subjects was 70 beats per minute or less and of the control group subjects was 80 beats per minute or more.The MR images were analyzed by two senior doctors who were engaged in abdominal MR imaging diagnosis for more than 5 years.The parameters of the images SNR,ADC and IVIM were measured and analyzed,and the IVIM-DWI image quality was evaluated.ResultsIn the study group,the image artifacts were the least and the anatomical structure was clear.The image quality of study group was higher than that of the control group,and the SNR of the study group was higher than that of the control group at different b values.The difference between the two groups was statistically significant (P<0.05).In the ADC,D,D*and f values of the two groups,significant inter-group difference was observed only in ADC [study group:(1.432±0.299)×10-3mm2/s;control group:(1.945±0.543)×10-3mm2/s] and D [study group:(1.372±0.378)×10-3mm2/s;the control group:(1.617±0.361)×10-3mm2/s] (P=0.000、0.013,respectively).ConclusionThe better image quality of IVIM-3DWI can be obtained when controlling the heart rate less than 70 beats per minute during liver intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging (IVIM-DWI) with ECG-gating.

Liver; Magentic resonance imaging; Heart rate

R575; R445.2; R331.31

A

1000-0313(2017)10-1008-05

2016-11-03

2017-01-03)

510006 广州，广州中医药大学(艾竹)；511400 广州，广州市番禺区中心医院放射诊断部(艾竹、钟桂棉、梁健科、向之明) ；510510 广州，广东三九脑科医院(梁倩雯)

艾竹(1990-)，女，湖北当阳人，硕士研究生，主要从事CT和MR诊断工作。

向之明，E-mail:xzmgz@126.com

国家自然科学基金(81671853)；广东省自然科学基金(2015A030313753)；广州市科学研究专项(201510010002)；广州市番禺区医疗卫生重点学科项目(2017-Z04-12)、科技计划项目(2014-Z03-24)

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.10.003