MR弥散加权成像在胰腺病变的应用进展

作者：刘泽群，刘爱连，大连医科大学附属第一医院放射科

 

磁共振成像（MRI）具有无辐射、高对比度多序列、多角度成像等优点，已经成为胰腺病变早期检出、诊断的重要的影像学技术。1980年代中期弥散加权成像（DWI）首次被应用于人体，随后飞速发展应用于全身各个系统，近年来以DWI成像方式为基础的多种MRI序列不仅可以对组织中水分子的扩散情况进行定量，而且能显示组织灌注情况及水分子运动各向异性，为胰腺病变的诊断、鉴别诊断、疗效及预后评估提供丰富的信息。本文就DWI及其衍生成像方法在胰腺病变诊断中的应用作一综述。

 

1.原理

 

DWI的理论基础是水分子的布朗运动，并且认为它是服从正态分布的，弥散程度用弥散系数（DC）表示。此时，b值为扩散敏感系数，反映水分子弥散的敏感程度，即序列中施加梯度的强度及持续时间。其公式为b=γ2G2δ2（Δ-δ/3），单位为s/mm²；其中，γ表示旋磁比，G表示扩散敏感梯度场强度，δ表示施加梯度场强持续时间，Δ表示两个梯度的间隔时间。单指数模型作为DWI的量化数学模型，公式为S（b）=S0·exp（-b×ADC），其中，S0代表施加梯度为0时的组织信号强度，S（b）代表施加相应b值的信号强度。当b＜1000s/mm²时，利用2个不同的b值即可计算得到表观弥散系数（ADC），当b值为0时，DWI图像近似于T2WI图像，具有较好的空间分辨率及图像质量，随着b值增加T2穿透效应随之减弱，此时更能代表分子弥散情况。ADC值去除了T2穿透效应，作为DWI图像信号高低的量化标准更为真实地反映了分子弥散速度的快慢，它受组织纤维间隔大小、多少及细胞密集程度的影响。在脑、乳腺、肝脏等器官，恶性肿瘤ADC值明显低于良性疾病，而在胰腺、甲状腺、软组织等研究结果尚不统一，但多数表现为恶性肿瘤ADC值减低更明显。

 

常规DWI使用的是单层激发平面回波技术（ss-EPI），具有对单层图像的成像速度快，采集时间短，对运动敏感度低的优点，其缺点是相位编码线多，读出时间较长，容易导致图像质量差和图像伪影，因此导致SS-EPIDWI序列的空间矩阵大小受限，图像分辨率较低。为改进常规DWI的缺点，提高DWI图像空间分辨率，Kim等于2006年在第14届国际磁共振会议上首次提出用小视野（rFOV）DWI理论。rFOV在常规SS-EPI序列基础上，通过施加一个90°二维空间选择性平面回波射频（2DRF）脉冲，从而减少相位编码方向（PE）方向上FOV，增宽读出带。另在不同层面同时施加180°脉冲，选择性激发选定扫描层中的水信号，克服了图像卷曲及减少化学位移。通过使用多层面两方向的2DRF，能选择性激发层面内小范围信号，有效抑制了视野外信号和脂肪信号，使腹部器官DWI的图像质量得到提高，进而有益于进一步检出腹部微小病灶。

 

LeBihan等学者发现在高度不均质的组织中，b值范围较大（大于1000s/mm²）的情况下，扩散衰减常常呈多指数方式进行的，并且由于磁共振空间分辨率还不够，成像体素往往大于水分子体积，产生DWI信号的就不仅仅是水分子的扩散，事实上，体素内毛细血管内血液的流动也会对最后的信号产生贡献，测得的ADC值大于真实的扩散值，其既包含水分子弥散的ADC值，又包含体内毛细血管血液流动灌注效应的ADC值。因此，LeBihan于1986年提出了体素内不相干运动成像（IVIM）的概念。

 

双指数模型为IVIM最经典的模型。该模型的计算是基于多组b值（通常7~15个b值，也称多b值研究）下的信号变化，可得到感兴趣区D值、D*值及f值。该模型符合以下公式：S（b）/S0=f·（b）[-b（D*+D）]+（1-f）exp（-bD），其中D值（Pure diffusion coefficient）为纯扩散系数，代表感兴趣区内单纯水分子扩散效应，单位为mm2/s；D*值（Pseudo diffusion coefficient）为灌注系数，代表感兴趣区内血流灌注所致扩散效应，反映微循环灌注情况，单位为mm²/s；f值（Perfusion fraction）为灌注分数，反映局部微循环的灌注效应占总体扩散效应的容积比率，值在0~1之间。S0及Sb分别代表没有扩散梯度及施加扩散梯度时的信号强度。

 

实际上，分子扩散运动是一种三维立体运动，在均一的溶液中它由于无障碍其向四面八方的运动距离相等呈各向同性，但在人体器官内如脑白质，肌肉等扩散运动呈各向异性，这会导致单一施加一个方向磁场梯度计算得到的ADC值高于真实情况，由此扩散张量成像（DTI）概念被提出。它是基于DWI技术的一种功能MR成像，能够检测组织中水分子扩散的各向异性，它在DWI基础上，在6~55个方向上施加梯度磁场，获取各方向分子扩散位移信息。Bassert提出扩散各向异性椭球体模型，在此模型中，由表示三个方向扩散程度的λ1、λ2、λ3本征向量分别代表椭球体中的三个主轴方向，并且由λ1、λ2、λ3值可计算出平均弥散率（MD），各向异性程度包括各向异性分数（FA）、相对各向异性（RA）、容积比指数（VR）等。

 

2.胰腺炎性病变应用

 

DWI对急性胰腺炎的应用并不多，原因是CT对急性胰腺炎诊断的敏感度及特异度高，但缺点是反复随诊导致患者辐射剂量大，因此DWI具有一定应用价值，急性重型胰腺炎DWI表现为胰腺肿胀伴周围大量渗出的高信号。Shiny等研究表明，DWI对急性胰腺炎的诊断效能同螺旋CT，且显示病变效果更佳，同时参照MRI常规序列，可作为CT的替代序列用于急性胰腺炎诊断。Fattahi等研究发现，慢性胰腺炎胰腺实质广泛破坏并有腺体纤维化，导致胰腺灌注效应减低同时水分子扩散速度减慢，与正常胰腺组织差异有统计意义。

 

余浩等运用rFOVDWI与常规视野多b值DWI对正常胰腺做对比分析，表明rFOVDWI图像分辨力明显提高，图像细节显示更佳，磁敏感伪影及射频不均匀伪影均明显改善。由于肿块型胰腺炎内的纤维化及炎性细胞的比例与肿瘤细胞纤维结蹄组织含量及细胞密集程度的差异性，使用简单的ADC值来鉴别两者存在一定困难，相比之下，具有多参数的IVIM对正常胰腺组织、胰腺炎症及胰腺肿瘤有较高的诊断效能。Klauss等研究发现，b值取50~300s/mm²之间（50，75，100，150，200，300s/mm²），慢性肿块型胰腺炎及胰腺癌对应的每个ADC值均有显著差异，且f值差异较大，说明其对肿块型胰腺炎及胰腺癌更具鉴别诊断价值。Kang等研究胰腺占位性病变时发现，胰腺癌的D*及f值明显低于正常胰腺组织、慢性胰腺炎及神经内分泌肿瘤，且f值诊断效能更高，表明其对于病变良恶性的鉴别诊断最有价值。

 

3.胰腺肿瘤性病变的应用

 

王悦人等发现胰腺癌伴周围淋巴结转移的短径及ADC值与非转移性淋巴结反应性增生的短径及ADC值均有差异，且ADC值诊断效能更高，可应用于临床；Wang等研究表明ADC值可提示胰腺肿瘤分化程度，低分化的胰腺癌ADC值低于中高分化胰腺癌；Niwa等的研究发现在晚期胰腺癌的化疗效果评估上，ADC值低者恶化速度较ADC值高者更快。Hayano等研究发现胰腺癌ADC值越低者，肿瘤对门静脉系统侵犯程度及胰腺外周神经丛受累情况越重。由此可知，DWI的ADC值可在判断胰腺癌分级，同时对癌周淋巴结的检出有指导意义。Hyungjin等收集102个良性或恶性胰腺肿瘤患者，采用正常组（FOV38×38 cm，b值0和500s/mm²）及对照组（FOV28×8.5 cm，b值0和400s/mm²）表明，rFOV显示胰腺病变细微结构更清晰，且测得胰腺癌ADC明显低于正常胰腺组织，具有诊断意义。

 

李延军等行rFOV-DWI与常规DWI探究胰腺癌的诊断效能发现，胰腺肿块组与正常胰腺组图像质量均较常规DWI更佳，测得的ADC值更准确，反映胰腺癌病理生理特征更佳。李晶行常规DWI及rFOV-DWI（b值等于0、600s/mm²）对比胰腺实性占位与健康志愿者发现，rFOV-DWI图像质量明显高于常规DWI且图像质量提高4倍以上，rFOV-DWI及常规DWI测得的胰腺癌ADC值均低于正常胰腺组织，但rFOV-DWI真的效能更高。在临床应用上，Lemke等在2009年评估ADC值和IVIM参数值鉴别胰腺癌与正常胰腺的效能，结果显示f值是区分胰腺癌与正常胰腺最好的参数，多b值序列提高了参数f的稳定，且具有很高的敏感度和特异度。王英伟得出f值对胰腺癌、慢性胰腺炎与正常胰腺组织三者均有统计学差异，胰腺癌D*值明显低于慢性胰腺炎与正常胰腺，慢性胰腺炎D值明显低于胰腺癌及正常胰腺组织。

 

Klauss和Lemke分别比较了胰腺癌组与慢性肿块型胰腺炎组、胰腺癌组与正常胰腺组的灌注分数（f）、ADC值、扩散系数（D），均发现D值无统计学差异，胰腺癌的f值显著低于正常胰腺，也低于肿块型胰腺炎。由此可知IVIM中f值在鉴别胰腺癌与胰腺炎、正常胰腺组织上最有意义，是公认的较好诊断参数。Nissan等收集28个健康志愿者和9个胰腺癌联合多b值DWI及DTI研究表明：胰腺癌的DTI参数（λ1、λ2、λ3）明显低于健康志愿者胰腺组织，并且发现DTI是一种简易的显示正常胰腺结构及生理特征的方法，与以往Hayano等DWI胰腺癌ADC值减低的结果一致。

 

4.不足与展望

 

除上述序列外，DWI的衍生序列还包括IVIM-拉伸数模型及弥散峰度成像（Diffusion kurtosis imaging，DKI）。拉伸指数模型是由Bennett等提出的，他认为双指数模型在反映组织弥散时过于简单化，而拉伸指数模型能表现不同微观环境内水分子连续分布的扩散的信号衰减，得到反映体素内水分子连续分布的ADC值的参数分布扩散系数（DDC）及代表组织结构复杂程度的拉伸因子α值。拉伸指数对评价体素内的扩散和灌注状态更加准确和全面。但是针对胰腺拉伸指数模型研究国内外文献尚无报道，未来具有研究价值。DKI是Jensen于2005年首次提出的，DWI、IVIM和DTI的理论前提为水分子扩散是布朗运动，位移服从正态分布，然而实际上由于细胞膜、细胞器等微观结构对水分子的限制，弥散位移偏离正态分布，表现为更高峰度和更长尾巴，偏离程度表示为弥散峰，是一种非正态分布。

 

DKI技术将DTI技术进一步延伸，可描述人体内真实的水分子扩散情况，较DTI更准确的反映组织微观结构的变化，它对空间中水分子扩散各异性及不均性反映更佳。但同样DKI在胰腺应用尚未见文献报道，具有深远的探索空间。

 

综上所述，DWI、IVIM、DTI、DKI提供的信息逐步增加，利用更多参数越来越接近真实的反映人体微观情况，将信息准确化、真实化。相对于常规DWI，IVIM能更准确地描述体素内质子的运动，而且得到组织血流灌注情况；rFOV可显著提高图像的空间分辨力，减低图像的伪影，且rFOVDWI测得胰腺ADC值具有较好的均一性，并在发现胰腺微小病灶方面起到重要作用；DTI不仅可以揭示水分子的弥散程度还可以显示水分子在组织间的弥散方向的微观细节，而DKI在胰腺应用尚有很大探索空间。

 

来源：刘泽群,刘爱连. MR弥散加权成像在胰腺病变的应用进展[J]. 中国临床医学影像杂志,2017,(09):669-672.