DWI多指数模态评价急性胰腺炎的诊断价值研究

2017-08-16黄小华刘翠兰

中国医学计算机成像杂志 2017年3期

石林黄小华胡海邓巧刘翠兰潘珂

石林黄小华胡海邓巧刘翠兰潘珂

目的：比较单指数模型和基于体素内不相干运动（IVIM）DWI理论的双指数模型对急性胰腺炎（AP）的诊断价值。方法：按标准纳入52例AP患者（观察组）及31例健康志愿者（对照组），行上腹部常规MRI和0～1500s/mm2多b值DWI成像，分别测量DWI单、双指数模型参数Standard ADC、slow ADC mono、fast ADC mono、Ff ADC mono、slow ADC Bi、fast ADC Bi、Ff ADC Bi值，比较其对AP的诊断效能。结果：独立样本t检验显示standard ADC、Ff ADC mono、Ff ADC Bi值差异有统计学意义，slow ADC mono、fast ADC mono、slow ADC Bi、fast ADC Bi值差异无统计学意义。ROC曲线显示standard ADC、Ff ADC mono、Ff ADC Bi有诊断效能（曲线下面积分别为0.670mm2，0.777mm2， 0.643mm2， P ＜ 0.05)，Ff ADC mono 与 Ff ADC Bi的诊断效能差异有统计学意义，Ff ADC mono、Ff ADC Bi与standard ADC的诊断效能差异无统计学意义。结论：DWI单指数模型参数standard ADC及双指数模型参数Ff ADC mono、Ff ADC Bi对AP有较好的诊断价值，双指数模型参数Ff ADC mono较Ff ADC Bi对AP的诊断效能高。

急性胰腺炎；弥散加权成像；体素内不相干运动

相对于中枢神经系统，MR弥散加权成像(diffusion weighted imaging， DWI)在腹腔脏器的应用研究相对滞后，其原因在于运动伪影致腹腔脏器信噪比的下降。近年来，随着高场强、多通道并行采集、门控及快速回波平面成像技术的引入，多b值DWI已广泛应用于体部的临床及研究[1-3]。ADC值已作为组织水分子扩散运动大小和方向可信任的评估指标。但ADC值多局限单指数模型，忽略了微循环灌注和组织功能代谢对信号衰减的影响[4]。基于精准定量分析，作者采用基于体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）[6]的弥散加权成像对急性胰腺炎进行单指数和双指数模型对比分析，探讨单、双指数模型各参数与急性胰腺炎的相关性及其诊断效能。

方法

1.临床资料

随机收集我院2012年1月—2014年12月临床确诊的AP患者80例，根据《急性胰腺炎诊治指南（2014）》纳入标准，筛选出AP 52例，均行内科保守治疗，40例经治疗后痊愈。其中男27例，女25例，年龄27～76岁，平均年龄53±13岁。

AP纳入标准：①住院48小时内进行MRI检查；②与AP相符合的腹痛；③血清淀粉酶和（或）脂肪酶活性高于正常值3倍以上；④腹部影像学检查符合AP影像学改变；⑤无MRI检查禁忌证；⑥胰腺DWI图像清晰，无明显伪影，可用于诊断。排除标准：①金属异物干扰上腹部成像者；②临床症状较重难以配合检查者、图像质量较差难以进行测量者、临床资料不全者；③合并失代偿期肝硬化或低蛋白血症(＜30 g/L )者；④合并腹腔、腹膜后间隙其他感染性、肿瘤性或出血性疾病者。

随机选取我院同期正常志愿者31例，男13例，女18例，年龄22～79岁，平均年龄47±16岁。

所有患者临床及实验室相关检查均在入院第1～3天内采集。研究经本院伦理委员会同意批准执行，MRI扫描前告知患者，签订MRI检查知情同意书。

2.方法

采用GE Discovery MR 750 3.0T超导磁共振成像，32通道相控阵列线圈，患者检查前均禁食6小时，并训练均匀呼吸。检查时患者取仰卧位双臂上举，足先进，经三平面定位及校准后，行常规T1WI、T2WI、LAVA多期动态增强扫描（对比剂为Gd-DTPA）等，而后进行横断位自由呼吸多b值DWI序列扫描：DWI系列采用平面回波成像EPIDWI成像，呼吸门控触发扫描，ASSET校正，扫描参数：Freq.Fov=34mm，Phase.Fov=0.8mm，层厚6.0mm，频率方向 R/L；TE=Minimum、Nex 1次，Diffusion Direction：3in1，矩阵192×192，9个 b 值：0、50、100、150、200、300、500、800、1000、1500s/mm2。

3.数据处理

将两组原始图像数据分别传输至GE Advantage Windows 4.4 Workstation。选取 Function Tool 2软件包中的 MADC 软件对其进行后处理，用阈值法去除周围脂肪、骨、气体等组织的影像，获得 DWI和MADC图，及标准ADC(standard ADC)图、慢速扩散ADC（slow ADC mono）图、快速扩散ADC（fast ADC mono）图、快速扩散ADC值分数（Ff ADC mono）图、慢速扩散ADC值（slow ADC Bi）图、快速扩散ADC值（fast ADC Bi）图、快速扩散ADC值分数（Ff ADC Bi）图。由两名经验丰富的放射科医师（具有五年以上工作经验）分别对两组胰腺单、双指数各参数图进行参数值测量：在胰腺各部显示最佳的参数图上，设置感兴趣区（region of interest，ROI），三次测量胰腺头、体、尾处各参数值，取其平均值为胰腺单、双指数模型参数值。在测量过程中，参考T2WI及LAVA序列，ROI尽量避开血管、胰管及囊变坏死区，ROI大小(59±1)mm2。

4.统计学分析

所得数据采用SPSS19.0软件进行统计学分析，计量资料均采用均数±标准差表示，AP组与正常对照组单、双指数模型各参数值间采用独立样本t检验；对其中有统计学意义的参数值绘制ROC曲线并分析其诊断效能。

结果

本次收集的52例AP病例中，间质水肿型胰腺炎43例，坏死型胰腺炎9例；胆囊、胆总管、肝内外胆管结石或炎症27例，LC术后5例，糖尿病、高血压或血脂异常23例，特发性7例。

1.弥散参数值

急性胰腺炎组和正常对照组单、双指数模型伪彩图（图1，2）。观察组单指数模型Standard ADC 值为 (1.30±0.24)×10-3mm2/s，双指数模型单边参数 slow ADC mono、fast ADC mono、Ff ADC mono 值分别 (1.32±1.11)×10-3mm2/s、(0.061±0.036)mm2/s、(0.243±0.082)mm2/s，双边参数 slow ADC Bi、fast ADC Bi、Ff ADC Bi值分别为(1.09±0.85)×10-3mm2/s、(0.090±0.049)mm2/s、(0.300±0.094)mm2/s。对照组单指数模型 Standard ADC 值为 (1.44±0.24)×10-3mm2/s，双指数模型单边参数 slow ADC mono、fast ADC mono、Ff ADC mono 值分别 (1.08±0.24)×10-3mm2/s、(0.084±0.069)mm2/s、(0.338±0.089)mm2/s，双边参数 slow ADC Bi、fast ADC Bi、Ff ADC Bi值分别为 (1.14±0.80)×10-3mm2/s、(0.096±0.056)mm2/s、(0.363±0.095)mm2/s（表 1)。独立样本 t检验显示，急性胰腺炎组与正常对照组standard ADC、Ff ADC mono、Ff ADC Bi值差异有统计学意义（P＜ 0.05），slow ADC mono、fast ADC mono、slow ADC Bi、fast ADC Bi值差异无统计学意义（表 2)。

表1 胰腺炎组与非胰腺炎组单指数和双指数模型ADC值

表2 单指数和双指数模型各参数值的独立样本t检验

表3 DWI参数的ROC曲线分析

表4 DWI参数间的配对比较

图1 男，38岁，急性胰腺炎。A.DWI示急性胰腺炎时胰腺弥漫性肿大，正常胰腺花边样切迹消失，信号不均匀增高，可见条片状高信号。B.ADC standard伪彩图。C.ADC slow-mono伪彩图。D.ADC fast-mono伪彩图。E.ADC Ffmono伪彩图。F.ADC slow-bi伪彩图。G.ADC fast-bi伪彩图。 H.ADC Ff-bi伪彩图。

图2 女，51岁，正常志愿者。A.DWI示正常胰腺组织呈均匀稍低信号，与肝脏信号类似，低于脾脏及肾脏信号强度。B.ADC standard伪彩图。C.ADC slow-mono伪彩图。D.ADC fast-mono伪彩图。E.ADC Ff-mono伪彩图。F)ADC slow-bi伪彩图。G.ADC fast-bi伪彩图。H.ADC Ff-bi伪彩图。

图3 参数的ROC曲线。

2.弥散参数对AP诊断效能分析

对其中有统计学差异的单、双指数参数绘制ROC曲线显示：standard ADC、Ff ADC mono、Ff ADC Bi有效能 AUC 分别为 0.669、0.775、0.656，P 分别为 0.012、0.000、0.018，P ＜ 0.05（表3），Ff ADC mono与Ff ADC Bi的诊断效能差异有统计学意义（P＜0.05，P为0.013），Ff ADC mono、Ff ADC Bi与standard ADC的诊断效能差异无统计学意义（P分别为0.163、0.880）（表4）。

讨论

MR弥散加权成像(DWI)[2]可反映人体组织的微观结构及病理生理状态下各组织间水分子交换的功能状态，是迄今为止唯一可检测分子内扩散的方法。生物体内常用表观弥散系数(apparent diffusion coeificient， ADC)来进行弥散测量，其扩散敏感因子(gradient factor)用b值表示。传统DWI多采用单指数模型[2]，研究表明腹部脏器ADC值测量有良好的可重复性[3]。单指数模型的理论前提为高斯分布，而活体生物组织内微观运动包括真性扩散和假性扩散，扩散加权信号并非高斯分布，由此产生的“假扩散”对ADC值有一定的影响。急性胰腺炎状态下胰腺微循环紊乱，胰腺内部高度不均质，毛细血管内的血液微循环灌注无规律方向，单指数模型不能完全体现急性胰腺炎的组织生理学行为，特别是高b值状态的水分子运动。

双指数模型（IVIM）可区分纯水分子的扩散和微循环灌注形成的假性扩散在IVIM中所占的比例，能更好地解释这一衰减方式。IVIM成像信号变化与所用b值间的关系可表示为：Sb/S0=(1－f)•exp(－b•D)＋ f•exp(－ b•D*)。当 b值在 0～ 200s/mm2的范围内变化时，通过双指数模型拟合算法即可得到灌注相关信息。双指数模型IVIM可通过计算得到单边参数slow ADC mono、fast ADC mono、Ff ADC mono，和双边参数slow ADC Bi、fast ADC Bi、Ff ADC Bi；分别对应公式中的D、D*、f值。

Thomas等[4]对27例AP及38例正常胰腺的研究表明急性胰腺炎的ADC值较正常胰腺降低，本研究中急性胰腺炎单指数函数参数standard ADC值低于正常胰腺，与既往研究相符。有学者将单指数和双指数模型进行了比较，指出双指数模型有更高的准确性[5]，然而他们计算单指数模型时只使用了双b值（b=0和其他值），无法较好地反映急性胰腺炎状态下复杂的病理生理变化。临床中b值的高低与成像时间、质量有密切关系，而运用足够多的b值可将扩散和灌注分开并定量测量，在IVIM模型中，一般采用多个b值，例如Graf等[7]对胰腺的研究取得了良好的效果。本研究中利用多b值DWI单指数模型获得的平均值standard ADC值，可消除由于b值不同导致的ADC值差异[6]，从而得到微循环灌注的信息，尽可能真实反映组织的实际扩散系数，为表现急性胰腺炎复杂的病理生理变化提供更加丰富的信息。

IVIM成像在腹部实质脏器中已得到较广泛的应用，实验证实腹部实质脏器的ADC值可受到灌注效应的影响。Lemke等[8]及Klauss等[9]研究结果显示，f值对胰腺疾病的诊断与鉴别方面效果好，但D值和ADC值在两者之间差异无统计学意义。本研究中，单指数模型参数standard ADC与双指数模型参数Ff ADC mono（单边f值）、Ff ADC Bi（双边f值）均对诊断急性胰腺炎有意义（AUC分别为0.669、0.775、0.656；P 值分别为 0.012、0.000、0.018），与既往研究相符，表明f值的大小可以成为胰腺病变诊断和鉴别诊断的有效指标之一。

根据IVIM理论的研究，在活体组织，ADC值受微循环灌注的影响，而所测得值反映纯水分子的扩散运动，排除了微循环灌注的影响，因此理论值应高于实际测得的扩散值。急性胰腺炎状态下，胰腺可水肿、出血甚或坏死，呈高灌注状态，当施加扩散敏感梯度时，毛细血管内血流灌注可引起体素内质子群相位不相干，导致测得的 ADC 值偏高。本研究中急性胰腺炎患者双指数模型IVIM单边参数fast ADC mono、Ff ADC mono值，和双边参数slow ADC Bi、fast ADC Bi、Ff ADC Bi值均低于正常胰腺，单指数函数参数standard ADC值高于双指数函数参数slow ADC Bi、fast ADC mono、Ff ADC mono、fast ADC bi、Ff ADC bi值，与既往研究报道相符[6]，表明双指数函数较单指数函数受到灌注的影响小。本研究中双指数模型参数单边f值Ff ADC mono（AUC=0.77，P=0.000）与双边 f值 Ff ADC Bi（AUC=0.656，P=0.018）的诊断效能差异有统计学意义（P=0.013），表明双指数模型参数单边f值Ff ADC mono对急性胰腺炎的诊断效能高于双边f值Ff ADC Bi。而双指数模型参数Ff ADC mono（单边f值）与Ff ADC Bi（双边f值）与单指数模型参数standard ADC的诊断效能差异无统计学意义。本研究中slow ADC mono稍高于standard ADC并高于slow ADC Bi，可能是由于单边参数未能完全将灌注与扩散分开，导致测量值大于实际值。然而急性胰腺炎起病急、发展迅速且病情凶险，可能有些典型的危重症急性胰腺炎未及时进行MRI检查，导致样本中间质水肿型胰腺炎较急性坏死型胰腺炎所占比例多，样本的局限性所致不能除外。

当用于抑制血管外水信号时，基于量化分析组织内水分子的扩散运动成分和血流灌注成分的IVIM成像能够对组织微循环内血液动力学进行评价，从而更好地反映组织的缺血缺氧情况。IVIM 灌注参数能够反映高氧合状态所致的血管收缩和高碳酸血症所致的血管扩张，直接获取急性胰腺炎的局部血流灌注信息，更详尽地反映急性胰腺炎的生物学特性，这对于急性胰腺炎的早期治疗有着重大意义。

由于使用相对复杂的数学模型，IVIM—DWI参数需要应用多b值的DWI图像进行以体素为单位的拟合计算，b值的设置及数学拟合方法的选择等因素也对参数测量产生一定的影响，参数测量的稳定性与图像信噪比、位置匹配等因素密切相关，故IVIM—DWI相关参数的确定及优化有待进一步研究。本研究亦存在不足之处，病例较少，研究对象有局限性，未来可继续增大病例数量，进行更深入的研究，为IVIM急性胰腺炎的诊断提供更详尽的信息。

综上所述，单指数模型和双指数模型DWI对急性胰腺炎的诊断有意义。与传统的DWI技术相比，IVIM能够更加准确、真实地显示水分子的扩散运动，显示胰腺局部精细微观结构的复杂性，对于胰腺及其周围病变组织的病理生理改变敏感，可为病情监测和改善、预后提供新的窗口。随着IVIM技术的发展，其分析组织的病变结构和机制的理论会更加成熟，将会有更广阔的研究与应用前景，值得临床中进一步推广使用。

[1]何为, 周延, 刘剑羽,等. MR扩散加权成像单指数模型及体素内不相干运动模型参数诊断胰腺癌的价值. 中华放射学杂志, 2016, 50:427-431.

[2]Barral M, Soyer P, Ben Hassen W, et al. Diffusion-weighted MR imaging of the normal pancreas: reproducibility and variations of apparent diffusion coefficient measurement at 1.5- and 3.0-Tesla.Diagn Interv Imaging, 2013;94: 418-427.

[3]夏林峰，闫瑞芳，闫海龙,等. 多b值DWI对肝脏局灶性占位性病变的诊断价值研究. 中国医学计算机成像杂志, 2016,22:138-142.

[4]Thomas S, Kayhan A, Lakadamyali H, et al. Diffusion MRI of acute pancreatitis and comparison with normal individuals using ADC values. Emerg Radiol, 2012, 19:5–9.

[5]Soyer P, Kanematsu M, Taouli B, et al. ADC normalization: a promising research track for diffusion-weighted MR imaging of the abdomen. Diagn Interv Imaging, 2013, 94:571–573.

[6]Dyvorne HA, Galea N, Nevers T, et al. Diffusion-weighted imaging of the liver with multiple b values: effect of diffusion gradient polarity and breathing acquisition on image quality and intravoxel incoherent motion parameters—a pilot study. Radiology, 2013, 266:920–929.

[7]Graf M, Simon D, Lemke A, et al. Toward a non-invasive screening tool for differentiation of pancreatic lesions based on intravoxel incoherent motion derived parameters. Z Med Phys,2013, 23:46-55.

[8]Lemke A, Laun FB, Simon D, et al. An in vivo verification of the intravoxel incoherent motion effect in diffusion-weighted imaging of the abdomen. Magn Reson Med, 2010, 64:1580–1585.

[9]Klauss M,Lemke A,Grunberg K,et al. Intravoxel incoherent motion MRI for the differentiation between mass forming chronic pancreatitis and pancreatic carcinoma. Invest Radiol, 2011, 46:57-63.

Diagnostic Value of Multi-b Value DWI Exponential Model for Acute Pancreatitis

SHI Lin, HUANG Xiao-hua, HU Hai, DENG Qiao, LIU Cui-lan, PAN Ke

Purpose:To compare the diagnostic value of monoexponential and biexponential model of multi-b value DWI based on intravoxel incoherent motion theory for acute pancreatitis.Methods:A total of 52 patients with acute pancreatitis (AP) and 31 healthy volunteers were recruited. All subjects had performed conventional abdominal MRI and multi-b value DWI scans. The b values of 0-1500 s/mm2were selected to acquire the multi-b value DWI. The standard ADC, slow ADC mono, fast ADC mono, Ff ADC mono, slow ADC Bi, fast ADC Bi, Ff ADC Bi derived form monoexponential and biexponential model were measured, and the diagnostic value of them were compared for AP.Results:There were significant differences of monoexponential model parameters standard ADC, and biexponential model parameters Ff ADC mono, Ff ADC Bi between AP group and normal pancreatitis group, but the difference of slow ADC mono, fast ADC mono, slow ADC Bi, fast ADC Bi were with no statistical significant. ROC curves showed that standard ADC, Ff ADC mono, Ff ADC Bi had higher diagnostic value for AP (area under the ROC curve: 0.670mm2,0.777mm2, 0.643mm2, respectively, all P＜0.05) , there were significant differences between Ff ADC mono and Ff ADC Bi, there was no statistical significant differences between Ff ADC mono and standard ADC, as well as Ff ADC Bi and standard ADC.Conclusion:Monoexponential model parameters standard ADC, and biexponential modelparameters Ff ADC mono, Ff ADC Bi demonstrated some diagnostic value for AP. Ff ADC mono was with higher diagnostic value than Ff ADC Bi.

Acute pancreatitis; Diffusion-weighted imaging; Intravoxel incoherent motion

Fund of Sichuan Education Department, No.16ZA0228

R445.2

1006-5741（2017）-03-0222-06

2016.07.07;修回时间：2016.08.24)

中国医学计算机成像杂志，2017，23：222-227

四川省医学影像学重点实验室，川北医学院附属医院放射科

通信地址：四川省南充市文化路63号，南充 637000

黄小华（电子邮箱：15082797553@163.com）

四川省教育厅基金 No.16ZA0228

Chin Comput Med Imag，2017，23：222-227

Key Laboratory of Medical Imaging, Department of Radiology, Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College