扩散加权成像在腹部器官的应用初探
［关键词］ 腹部器官;磁共振;扩散加权成像
随着磁共振硬件与软件技术的，磁共振功能成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）技术逐渐被人们认识。扩散加权成像（diffusion.weighted im-aging，DWI）是一种能在非常早期明确提供组织病理改变，与常规SE序列T1 WI和T 2 WI完全不同的成像对比，并对组织水的横向扩散运动具有特殊敏感性的磁共振成像方法。DWI通过对超过一个细胞范围水分子移动的研究，更准确可靠而又及时地提供关于组织的空间组成信息和病理生理状态下各组织成分之间水交换的功能状况，是惟一无创反映活体组织扩散的检查方法［1］。DWI对脑缺血超早期的定性与定量诊断价值已经得到公认，由于腹部器官MRI检查时易受呼吸、心跳、大血管搏动、肠管蠕动的影响，故这项技术在腹部的应用受到限制。近年来，快速成像技术迅速发展，单次激发回波平面成像（echo planar imaging，EPI）技术是目前MRI最快的成像技术，其采集时间小于50ms，故影响图像质量的生理活动如呼吸、心跳、血流、脉搏、肠管蠕动等均可被冻结，甚至在没有屏气的情况下图像质量亦较少受影响，使得DWI技术在腹部器官得以应用。作者利用EPI.DWI技术检测正常腹部脏器的表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC），探讨其在腹部器官的应用。
1 资料与方法
1.1 研究对象
正常志愿者12例和行腹部MRI检查者52例。
1.2 MRI设备、扫描方法
采用Marconi Medical System（Eclipse）1.5Tesla超导型磁共振扫描仪。1.5T超导型MRI成像仪及配备的相应软件，体部包绕线圈。扫描前受检者禁食12h。扫描时取仰卧位，双臂上举，头先进（进床前先行屏气训练）。扫描范围从膈顶到右肾下极。
对所有受检者行常规MRI平扫，包括T 1 WI、T 2 WI及DWI成像。
1.3 扫描参数
RF.FAST序列T 1 WI:TR165ms，TE4.5ms，频带宽20.8，视野35～40cm，翻转角80°，矩阵192×256，层厚8mm，层数16。
EXPRESS序列T 2 WI:TR15000ms，TE81ms，频带宽83.3，矩阵232×256，视野35～40cm，层厚8mm，层数16，均屏气采集。
DWI采用自旋平面回波（SE.EPI）序列:TR4000～4500ms，TE55～98ms，层数15，层厚8mm，层距2mm，视野35～38cm，矩阵100×128，1次激励。采用频率选择脂肪抑制技术，并在扫描野上下各添加一预饱和带，选用100、300、600、1100s・mm -2 4个不同的扩散系数（b）各扫描1次，每次启用2个扩散梯度即b=0和b≠0，一次扫描可获多层图像，每层包括5帧图像，即b为0（即无扩散时的图像），读出、相位、层面3个方向及合成。深吸气―呼气末―屏气扫描，屏气时间24s。
1.4 水模的研究
将装有蒸馏水、硫酸铜、氯化钠混合液体的模型放入磁体中，取b为100、300、600、1100s・mm -2 进行扫描，水模内液体的ADC值。磁场周围温度为21℃。分别从b=0、读出、层面、相位方向及合成的DWI图像测量信号值，计算不同方向及合成的ADC值，再与ADC图像上ADC值进行比较。
1.5正常组织ADC值的测量
正常组织的ADC测量包括肝脏、脾脏、胰腺、胆囊及竖脊肌，首先每个器官取1～3个感兴趣区测量信号值，取其平均值，注意避开胆管、血管和伪影。感兴趣区尽量大，每个至少包括100个像素。将同样大小的感兴趣区置于不同b值所得图像的同一层面的同一位置上进行。为避免磁敏感性伪影对测量的影响，正常肝组织信号值的测量均在肝右叶。将测得的信号值代入公式:ADC=1.bln（SI.SI 0 ），计算出各脏器的ADC值，其中SI、SI 0 分别为b≠0和b=0时感兴趣区的信号强度。
1.6 统计分析
采用SPSS11.5统计软件，对各脏器的ADC值进行比较，行方差齐性分析及t检验，P<0.05视为有统计学意义。
2 结果
2.1 水模内混合液体的ADC值 见表1。
从表1可以看出，通过DWI图像上测得的信号值代入公式计算所得的ADC值与ADC图像上直接测得的ADC值相同。在各向同性的物质内，不同b值下的SI 0 信号值基本相同，最大值与最小值相差10.60，对ADC值的影响非常小。随着b值的增大，读出、相位、层面及合成图像上的信号值逐渐衰减，但其ADC值是相同的。说明在各向同性的物质内任何方向上的ADC值是相同的，加入不同的扩散梯度，仅使信号值衰减，而不影响ADC值。
2.2 正常腹部脏器的ADC值测量结果 见表2。
表1 水模ADC值测量结果（略）
注:表中ADC值的单位为mm 2 ・s -1 ，b值单位为s・mm -2 ;SI 0 为b=0时混合液的信号值，read.SI、phase.SI、slice.SI、trace.SI分别为读出、相位、层面及合成图像上混合液的信号值
表2 腹部各脏器不同b值的ADC值测量结果（略）
注:表中ADC值单位为mm 2 ・s -1 ，ADC1、ADC2、ADC3、ADC4分别为b=100、300、600、1100s・mm -2 时所测得的各脏器ADC值
平均ADC值以胆囊最高，其次为肾脏、胰腺、肝脏、竖脊肌、脾脏。不同b值下各脏器的ADC值之间行方差齐性分析后再行t检验。胆囊4个ADC值间无显著性差异（P>0.05），其它脏器都存在明显的组间差异。胆囊的ADC值在不同的b值下较稳定，随b值的增大略有下降，余腹部脏器ADC值随b值的增大 而明显下降。
3 讨论
扩散加权成像与传统MRI成像相比是一个全新的领域，是磁共振的功能成像之一。通过对水分子扩散运动的研究，能更准确、可靠地提供关于组织空间组成和病理生理状态下各组织成分之间水分交换的功能状态。扩散加权成像研究最多的是对脑梗死早期病灶的显示，它可在脑血管闭塞后几分钟即显示异常信号区，给超急性期脑梗死的患者提供一个早期的机会。随着成像技术的完善，扩散加权成像已经逐渐应用到腹部，以往腹部成像受呼吸运动、化学位移等多因素影响，成像质量较差，而近年应用的以回波平面成像序列为代表的快速成像技术能在数十毫秒内完成单幅图像信号采集，可以基本冻结上述多数生理活动，减轻或消除它们对DWI信号的影响，使得DWI技术能够在临床上应用于腹部脏器的检查［2］ 。
3.1 不同b值对ADC值的影响
DWI的扩散敏感度又称扩散敏感因子，用b值表示，b值越大越敏感。b值大小可用下式表示:b=γ 2 G 2 δ 2 （Δ.δ.3）。式中γ为磁旋比，G及δ分别为扩散梯度脉冲的强度和持续时间，Δ为2个梯度脉冲起始点的间隔时间。由于DWI反映的是体素内的水分子运动，当水分子的运动幅度在施加运动敏感梯度场期间超过1个体素的范围，DWI不能反映其超出体素后的那部分运动，而组织内血流灌注的运动速度明显快于水分子的Brown运动，因此当DWI的敏感度较低（即小b值）时，测得的水分子运动主要来自运动较快的血液流动，当DWI敏感度提高（增大b值）到一定程度，水分子Brown运动对DWI的信号影响逐渐加重，而血流灌注的水分子运动已超出1个体素范围，这时DWI所反映的主要是组织内水分子的Brown运动。也就是说，用b值越大的图像测得的ADC值越准确。因而，要想利用DWI及ADC值较准确地反映组织内水分子的热运动水平，应该选用较大的b值。本研究中序列选用100、300、600和1100s・mm -2 4个b值，发现b值为100、300s・mm -2 时，图像质量较佳，但ADC值的稳定性差，其间的差异也较大，也就是在小b值时，扩散所占的比例较小，而血流灌注对DWI的影响较大［3］ 。因此，检测活体组织的ADC值宜选用较高的b值，这样所得到的数值稳定性较好。但大b值意味着需用较长的TE成像，对于肝脏T 2 值较短的器官来说，图像质量明显下降，特别是b值为1100s・mm -2 时，肝脏的信号衰减尤为明显，有时甚至难以观察，而如果减小b值，所得的扩散加权图像及ADC值就不能更真实地反映组织内水分子的布朗运动。并且随着b值的增大，所得图像的伪影会增多，要取得较好的图像质量，并减小血流灌注对ADC值的影响，作者认为选用b值介于300～600s・mm -2 之间较为合适。Ichikawa等［4］ 认为， b>400s・mm -2 时血流灌注对ADC的影响较小。b值为300、600s・mm -2 ，TE值为60～80ms，对T 2 值较短的肝脏较为合适。
3.2 ADC值的测量及影响因素
Kim等［5］ 在水模中装纯水或丙酮进行研究，纯水的ADC值为2.29×10 -3 mm・s -2 ，丙酮ADC值为3.98×10 -3 mm・s -2 。作者用装有蒸馏水、硫酸铜、氯化钠混合液体的水模进行实验研究，以观察在各向同性的物质内不同b值下ADC值及各方向上ADC值是否有差异，并对成像仪敏感梯度及使用的序列进行检测。水模内液体的ADC值为1.86×10 -3 mm・s -2 ，其为混合液而非单纯水的扩散系数。在不同b值及不同方向上其ADC值是相同的，说明加入不同的敏感梯度仅会使信号值改变，而ADC值是不变的。也就是说物质在单纯的环境下，其分子的运动是随机的，任何方向上的ADC值是相同的。
扩散速度不同的组织对扩散敏感梯度场的强度和持续时间的变化具有不同的反应。扩散速度快慢差异在大b值时显示最佳。从表2可以看出，在腹部各脏器中胆囊的ADC值最大，其次为肾脏，亦有报道认为肾脏的ADC值最大［2，6］ 。作者认为胆囊内为胆汁，其内水分子扩散无限制，故而ADC值较大，但本研究实验数据显示其ADC值并不显著高于其他脏器，作者分析后认为，可能系本研究中所有检查者均禁食12h左右，胆囊内的胆汁稠厚，影响水分子的扩散运动，故而其ADC值并不显著增高。肾脏的ADC值位居其次，这是由于肾脏为全身血液的滤过器官，其内液体成分较多，故而其ADC值亦较高，但肾脏内水分子扩散为各向异性，且其血流灌注量大，故而对其ADC值有影响。从不同的b值下所得的ADC值间差异较大，随着b值的增大，其信号值衰减亦趋明显。DWI图像在小b值时其信号值很高，而在大的b值上其信号值明显降低。液体成分含量越大者（如胆囊、肾脏），其信号衰减越明显。肝脏由于T 2 值短，随着b值的增大，TE时间延长，对肝脏来说T 2 过大，故其信号衰减明显，而脾脏在腹部脏器中衰减最小。
3.3 血流灌注对ADC的影响
利用DWI技术检测活体组织的水分子活动时，除水分子的热运动外，体内的一切生理运动如呼吸、心跳、脉搏等都会引起DWI信号的下降，EPI技术可以排除大多数生理运动的影响，但无法控制组织内的血流运动，因而EPI.DWI在体内所测得的ADC值主要包括水分子的热运动和组织的血流灌注。本研究中，当使用小b值进行DWI时，所测得的组织平均ADC值明显高于用大b值成像时所测得的数值。
本研究主要选择不同的b值（100、300、600、1100s・mm -2 ）观察腹部脏器ADC值以及随b值的不同ADC值发生的变化。结果表明，随着b值的增加，ADC值逐渐降低。在生物组织内，扩散加权图像上的信号衰减不但取决于水分子的扩散效应，还取决于毛细血管微循环的灌注作用。ADC值明显受灌注效应的影响，灌注作用的ADC值要比单纯的扩散ADC值约大10倍［5］ 。随着扩散梯度因子的增加，灌注效应引起的信号衰减明显加快，如果不考虑灌注的影响，会过高地估计扩散系数。在正常人脑灰质，毛细血管的灌注分数约为14%，但在腹部器官如没有血供的胆囊内，胆汁无明显灌注作用，其ADC值较稳定。胆囊的ADC值随b值的不断增大亦有轻度下降，但较平缓，其他脏器则随b值的增大明显下降。对各组ADC值进行统计学处理发现，胆囊在不同b值下ADC值间的差异均无显著性意义，而其它脏器的ADC值间有显著性差异。不同脏器ADC值间的明显差异可能由其血流灌注不同所致，Ichikawa等［7，8］ 的临床研究也有类似的结果。以上现象说明不同脏器组织的血流灌注对DWI测量ADC值有一定影响，而且对小b值时的DWI影响更大。但我们知道，脾脏的血流灌注较大而其ADC值较小，其ADC值为所有脏器中最小的，这种现象目前还不能解释，在体内复杂的环境中各组织的ADC值除与水分子扩散运动及血流灌注相关外，可能还与其它一些未知因素有关。
3.4 DWI在腹部器官的应用价值
当物体内部结构发生改变时，水分子的扩散运动也发生了改变，而DWI技术对水分子扩散运动的改变非常敏感，使得这种改变被显示出来，从而可以在非常早期发现病变［9～11］ 。由于病变组织的ADC值也发生了改变，通过DWI及ADC值的分析可早期发现病灶［12］ ，为患者提供早期治疗的机会，这在临床治疗中至关重要。
3.5 目前存在的问题
由于各家选用的成像仪和参数不同，故各家测得的各脏器、病变的ADC值存在较大的差异［13］ 。并且虽然EPI技术能够冻结大部分的生理运动，但其本身存在较多的伪影及腹部多因素的影响，使得DWI的图像质量仍不理想。在机体复杂的内环境下，水分子的扩散运动受到很多因素的影响，各脏器的ADC值间差异较大，目前DWI技术在腹部的应用仍存在较多的问题及许多不能解释的现象，还需进一步探索。
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