IVIM扩散加权成像在前列腺癌中的应用研究

覃涛，邢芬，吴光耀

随着年龄的增长，前列腺癌呈明显高发趋势，高年龄组的发病率逐渐加重，前列腺癌正在成为严重影响我国男性健康的泌尿系恶性肿瘤［1］，早期诊断是治疗及预后的关键。MRI是生物标记，发现和描述肿瘤，管理肿瘤效果的重要工具。多模态MRI是前列腺癌早期诊断最佳影像学模式［2－3］，MRI介导下前列腺癌组织活检精度能显著提高［4］。目前MRI成像序列包括平扫、动态增强磁共振成像（dynamic contrast enhancement magnetic resonance imaging，DCE－MRI）、前列腺质子磁共振波谱成像（1－hydrogen magnetic resonance spectroscopy，1HMRS）、扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）、扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）等。DWI是目前无创性检测活体水分子运动方法。近年来，在常规DWI基础上开发多b值体素内不相干运动（intravoxel incoherent movement，IVIM）扩散加权成像序列不仅能反映组织水分子扩散信息，亦能反映组织灌注信息。本文旨在综述IVIM－DWI原理、特点及在前列腺癌诊断中的应用。

IVIM－DWI基本原理

随着MRI硬件技术和计算机软件发展，上世纪八十年代提出IVIM－DWI概念［5］，其最早应用于脑部临床研究［6］；近年来随着MRI技术不断发展，已逐渐应用于体部临床研究，如肝脏［7］、胰腺、肾脏、前列腺及宫颈等疾病。IVIM是假设组织内水分子微观运动分为两种形式：血液灌注和组织内水分子热运动。根据IVIM假设，DWI信号衰减符合双指数模型，即：

S（b）／S（0）＝（1－f）×exp（－bD）（扩散因素）＋f×exp［－b（D＋D＊）］（灌注因素）［8］

S（b）是组织内水分子信号强度，S（0）是b值等于0时水分子信号强度，D值为水分子扩散系数，D＊值是水分子伪扩散系数（取决于血液平均流速和毛细血管平均长度），f是灌注分数（是指体素内毛细血管容积占整个体素容积比，来源于血液微循环灌注，反映微循环灌注状态）。

IVIM－DWI的特点

在IVIM应用前，水分子扩散运动相关功能成像已广泛应用于临床，主要包括DWI和DTI，如早期脑梗塞诊断等。常规DWI假设水分子运动是单一、不受其他因素干扰热运动的单指数模型，如水分子扩散受限，DWI则表现为高信号。然而，生物体组织是非均质性结构，包括细胞内水分子运动和更多细胞外水分子运动，多指数衰减形式更符合信号衰减，b值越大越明显。IVIM－DWI基于双指数模型，在施加足够不同b值进行DWI采样时，采用最小二乘法求解，试图分开血液灌注及组织内单纯水分子运动影响，获得微循环灌注信息。b值较小时，DWI图像与T2WI图像接近，反映组织内血液灌注信息；b值较大时，反映组织内单纯水分子扩散运动。常规DWI图像，通过表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）反映水分子扩散程度。ADC值是双b值下信号比值，对于脑组织因有血脑屏障，可以有效减少血液灌注影响；对于没有屏障组织，ADC值则不能很好反映单纯水分子扩散运动；而且ADC值仅适应单指数模型，仅能局限性反映复合b值的信息；而IVIM适应于双指数模型，能客观反映组织内水分子复杂运动信号衰减。

DTI是DWI基础上施加多方向非线性扩散敏感梯度而获得水分子运动各向异性信息。通过分析健侧与患侧对应区域内平均扩散系数（mean diffusion，MD）、各向异性分数（fractional anisotrophy，FA）能定量评估水分子运动状态。其中FA值是指水分子各向异性成分占整个扩散张量比例，取值0～1。越接近0，表示水分子运动各向同性越大；越接近于1，表示各向异性越明显。而IVIM－DWI显示组织微循环灌注信息和组织内水分子不规则扩散运动信息，与DTI侧重点不同。

测量组织灌注方法较多，但多基于外源性示踪剂或对比剂在单位时间内对兴趣区示踪剂浓度变化动态测量，如灌注加权成像（perfusion weighted imaging，PWI）、DCE等。PWI能获得局部组织相对脑血容量（rCBV）、相对脑血流量（rCBF）、平均通过时间（MTT）等参数，定量或半定量反映组织灌注状态，多应用于脑部疾病临床研究。PWI通过组织内血液灌注参数间接提示组织生长状态，如PWI能提示肿瘤新生血管等。不过PWI不能反映组织内水分子本身运动状态，而IVIM不仅能反映组织灌注状态，亦能反映组织内水分子扩散状态。

IVIM在前列腺疾病中的应用

常规DWI中ADC值是基于水分子扩散为简单随机分子热运动假设，水分子扩散仅取决于概率分布函数，而此函数呈高斯线形分布，其宽度正比于扩散系数，符合单指数扩散模型。Le Bihan等［5，9］报道毛细血管中血管微循环灌注在低b值能改变扩散信号强度，建立了基于热能驱动水分子扩散和基于微循环灌注扩散的IVIM理论。有研究显示前列腺癌中ADC值低于正常前列腺组织，ADC值与肿瘤侵袭程度呈负相关，Gleason评分系统能评估前列腺癌侵袭程度。

基于IVIM－DWI双指数模型，可以获得组织f值、D值及D＊值，反映组织内水分子微观运动，能敏感区分正常组织与病变组织，鉴别前列腺增生、炎症及肿瘤性病变等。其相关研究报道不尽相同。Liu等［10］研究报道前列腺癌ADC值、D值及f值明显低于其他组织；前列腺炎患者外周带ADC值、D＊值和f值高于其他部位；而前列腺增生ADC值及D＊值以中央带最高；D＊值有助于鉴别前列腺癌、前列腺炎及前列腺增生，但f值对前列腺癌鉴别诊断价值不如ADC值。Shinmoto等［11］对26例前列腺癌患者多b值DWI回顾性分析发现前列腺癌外周带D值和f值明显高于其他部分，但f值在前列腺癌及前列腺增生中没有显著性差异。Pang等［12－13］研究发现前列腺癌D值明显低于正常组织，肿瘤组织中高b值下D值明显低于低b值下D值；同时报道IVIM依赖于b值变化：低b值时，f值在诊断疾病中具有明显统计学意义；而在高b值时，测量得到的f值降低或不能分辨正常与病变组织。可能是因为在细胞环境复杂，水分子运动扩散存在诸多屏障，水分子扩散在高b值时背离经典自由扩散轨迹，是单指数扩散模型误差来源。有文献报道［14］f值在前列腺癌低b值IVIM－DWI中对于其鉴别有统计学意义并需排除特殊b值，与肿瘤内血管生成理论和DCE观察结论相矛盾。在多数前列腺癌，f与血液灌注保持一致，f与转运常数（Ktrans）和血液中血浆体积分数（Vp）呈正相关。在不同b值下，相对于正常组织，肿瘤组织中的D值明显减少，有助于鉴别高、低级别前列腺癌，是精确定量分析前列腺癌的重要参数。基于IVIM模型，尚需进一步优化相关参数（相关技术参数及结论见表1、2）。

表1 IVIM试验参数

表2 IVIM试验统计学数据的比较及其意义

总之，IVIM－DWI是在DWI基础上发展起来的，通过双指数模型获得扩散系数D值、伪扩散系数D＊值及灌注因子f值等，能同时反映组织内水分子扩散和灌注状态，精确评估组织内水分子扩散状况，在不使用示踪剂和对比剂的情况下分别得到组织内单纯扩散与微循环灌注关系，有助于鉴别前列腺炎、前列腺增生及前列腺肿瘤，为临床前列腺疾病诊断、定位以及治疗方案制定提供重要参考。但在实际研究中，IVIM－DWI技术在前列腺疾病的应用时间较短，尚缺乏大样本数据，尚需优化b值，包括b值的关键选值。如国内外资料大多为b值＜1000s／mm2，而b值＞1000s／mm2的资料甚少。

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