正常脑组织磁共振两b值及多b值扩散加权成像技术变异度对比分析

李祥，高朋瑞，张首宁，张宏凯，曲金荣，黎海亮

正常脑组织磁共振两b值及多b值扩散加权成像技术变异度对比分析

李祥，高朋瑞，张首宁，张宏凯，曲金荣，黎海亮*

目的对比评估两b值及多b值扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)技术在正常脑组织中的变异度。材料与方法对29名正常脑组织行3.0 T GE磁共振两b值(0、1000 s/mm2)及8b值(0、50 s/mm2、100 s/mm2、200 s/mm2、400 s/mm2、600 s/mm2、800 s/mm2、1200 s/mm2)DWI序列扫描，获取两b值参数表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值及多b值参数包括慢速ADC (D)、快速ADC (D*)、灌注相关体积分数ADC (f)，应用变异系数评价脑组织各参数。结果脑组织的ADC值、D值、D*值、f值及其变异系数分别为：脑白质：(81.11±7.62)×10-5mm/s，0.094；(78.47±6.72)×10-5mm/s，0.086；(722.7±189.3)×10-5mm/s，0.262；(8.97±3.63)%，0.404；脑皮质：(87.03±9.97)×10-5mm/s，0.115；(81.83±7.51)×10-5mm/s，0.092；(611.9±169.5)×10-5mm/s，0.292；(9.55±3.41)%，0.357；基底节：(76.70±7.17)×10-5mm/s，0.093；(73.72±6.40)×10-5mm/s，0.087；(1221.9±743.4)×10-5mm/s，0.608；(9.72±3.68)%，0.379。正常脑组织的ADC值及D值变异度接近且较低，而D*值及f值的变异度较高。结论多b值DWI技术获得的D值与两b值DWI技术获得的ADC值在正常脑组织具有同样低的变异度，而D*及f变异度较高，进行临床评价时结果需谨慎解读。

磁共振成像；扩散加权成像；变异系数；脑

Key wordsMagnetic resonance imaging; Diffusion weighted imaging; Coefficient of variation; Brain

扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)是唯一活体评价组织内水分子活动自由度的技术，通过其参数表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)可以早期发现组织生理状态改变，其应用逐渐得到临床认可，应用领域也越来越广泛，尤其在脑部[1-6]。该技术利用计算两个不同梯度场强(b值)下组织信号衰减速度实现水分子活动自由度的评估。但是组织内水分为血管内水及血管外水，血管内快速流动的水干扰了组织内水的准确测量。由于血管内水的影响主要在低扩散梯度场，所以Le等[7-8]提出利用多b值DWI技术分别计算组织在高、低不同场强下的信号衰减速度得到两个ADC值的模型，得到的两个ADC值分别为D*(血管内水影响大)和D (血管内水影响小)。

由于减少了血管内血流的影响，D可以更真实地反映组织内水分子活动状态，很多研究结果表明了D的临床诊断价值，甚至在部分研究中D优于ADC[9-10]。D*是受血管内水影响大的ADC值，因此理论上可以用来间接反映组织血管灌注情况。虽然Wirestam等[11]证明了D*与增强MRI计算得到的组织血流量(cerebral blood flow，CBF)及组织血容量(cerebral blood volume，CBV)存在中等相关性，但D*评估组织灌注的可行性尚有争论。正常肝脏的多b值DWI参数的可重复性研究发现D值的可重复性要好于D*[12]，这种D*的不稳定性可能是造成其临床应用争议的重要原因。良好的可重复性保证了影像学指标的稳定获取，而正常人群中变异度则是影响该影像学指标鉴别正常与异常能力的另一个重要因素。低变异度意味着正常与异常间重叠减少，从而增加了鉴别能力。本研究试图通过比较正常脑组织的两b值DWI参数ADC及多b值DWI参数D、D*及f的变异度(coefficient of variation，CV)来分析多b值DWI技术的应用价值。

1 材料与方法

1.1 病例收集及MRI检查

对来我院行头颅MRI检查的患者在行两b值(0、1000 s/mm2) DWI序列检查基础上加做多b值(0、50 s/mm2、100 s/mm2、200 s/mm2、400 s/mm2、600 s/mm2、800 s/mm2、1200 s/mm2) DWI序列检查，具体参数如下：美国GE Healthcare Signa HDXT 3.0 T MR扫描仪，采用头线圈，平面回波(echo planar imaging，EPI)序列，TR=4200.0 ms，TE=81.0 ms，矩阵128×128，FOV：24 cm×24 cm，层厚6.0 mm，层间隔1.2 mm，NEX：8次。筛选出29例[(男11例，女18例，平均年龄(57.0±11.9)岁]影像学表现正常的颅脑数据进行下一步分析。

1.2 图像后处理及分析

两b值及多b值DWI序列数据传至GE Work Station 4.4工作站，采用相应商业软件包进行处理，得到常规两b值DWI参数ADC及多b值DWI参数慢ADC (D)、快ADC (D*)、灌注相关体积分数ADC (f)参数图。由具有7年以上磁共振诊断经验的医师分别以两b值DWI的b=0 DWI图及多b值DWI的b=0 DWI图作为参考图，分别于脑皮层、白质及基底节区放置不小于12像素的感兴趣区(region of interest，ROI)测量相关参数值。选取的ROI自动复制到相关参数图从而得到同一位置的各参数值。在两套b=0 DWI图中放置ROI时要求尽量保持位置一致。

1.3 应用稳定性分析

计算29例脑皮层、白质及基底节区的ADC、D、D*、f值的平均值及标准差，然后计算相应的变异系数(方差除以平均值) CV，利用变异系数的大小评价各参数的应用稳定性。

2 结果

脑组织测量点的选择如图1(多b值DWI参数测量)及图2(两b值DWI参数测量)。

ROI测量读数选取平均值，29例正常脑组织两b值及多b值DWI参数测量结果如表1所示，根据公式：变异系数=标准差/均值，计算得到各部位各DWI参数的变异系数。

CV结果显示脑皮层、脑髓质及脑基底节的两b值DWI参数ADC值的变异度均较小(≤12%)；而多b值DWI参数中，D值同样具有很小的变异度(≤10%)，且各测量部位的变异度均低于ADC(0.092＜0.115；0.086＜0.094；0.087＜0.093)。D*及f值的变异度较大(26.2%～60.8%；35.7%～40.4%)。结果提示多b值DWI参数中D值与两b值DWI参数ADC值具有同样良好的应用稳定性。

图1 多b值DWI参数测量。在b=0 DWI图(A)上选取右侧额叶皮层、右侧额叶白质及右侧丘脑作为测量点，ROI自动复制于D (B)、D*(C)及f (D)伪彩图 图2 两b值DWI参数测量。在b=0 DWI图(A)上选取与多b值DWI一致的测量点，ROI自动复制于ADC伪彩图(B)Fig. 1 Multi-b DWI parameters measurement: ROIs were put manually in cortex of right front lobe, white matter of right front lobe and right thalamus respectively on b=0 DWI map (A), then ROIs were copied automatically to color map of D (B), D*(C) and f (D). Fig.2 Two b DWI parameters measurement: ROIs were put in points similar to multi-b DWI parameters measurement on b=0 DWI map (A) on the same patient, ROIs were copied automatically to color map of ADC (B).

表1 两b值及多b值DWI参数测量结果及变异系数(CV)Tab.1 Parameters and corresponding CV of DWI with two b and multi-b

3 讨论

本研究结果表明多b值DWI的多个参数中D值在正常脑组织中的变异度很低，与两b值DWI参数ADC值具有相似的低于16%的变异度。低的变异度提高了DWI技术发现异常的能力，DWI技术的广泛应用以及众多的临床研究结果也说明了ADC及D的良好的应用价值[9-10，13-15]。

D变异度比ADC略低，这可能由于D减少了血流对ADC的影响。本研究参数中f是反映血管成分占组织体积比例的指标，结果显示正常脑组织中血管只约占脑组织的10%。因此血流的变异对整个脑组织的变异贡献较弱，这解释了虽然D减少了血流对ADC的影响，但与ADC相比变异度降低的并不明显。同时也说明为什么众多的D与ADC的对比研究中，只有少数研究发现D比ADC有更高的诊断价值[9-10]。

多b值DWI的参数中反映组织的血供D*及f值在正常脑组织中的变异度达到30%～50%。较高的变异度可能影响D*和f用于无对比剂评估组织灌注的可行性。

引起D*及f变异高于D及ADC的因素可能是较差的数据采集可重复性，数据采集的不稳定性可以导致数据变异。研究表明D*及f在正常肝脏[12]及肝脏转移瘤[16]中的可重复性差于D。而Grech-Sollars[17]的一项多中心研究评估9个正常志愿者分别在8家不同医院磁共振检查脑组织D和f的差异，各中心结果的变异度显示D为3.1%，而f为87.1%。扫描的系统误差是影响可重复性的主要因素，而系统误差同时作用于D、D*及f，因此D*及f较差的可重复性可能源于两次检查时组织血液供应的变化。

人体组织有较强的血液供应的调节能力以适应不同环境，而这种血流变化是可以通过D*及f反映的。在进食后肝脏血供会增加，肝脏的D*值随之改变[18]而D值较稳定。不同氧浓度条件下脑组织血流改变时D*随氧浓度变化而规律变化[19]，同时D变化不大。这种D稳定而D*及f变化的现象是符合血液供应的不断调节变化以维持体内组织微环境的稳定这一基本生理规律的。由于温度、饥饿程度、室内空气、精神状态、性别及年龄[15，19-20]等多种因素均可影响脑组织血液供应，而本研究未排除这些因素的影响可能是造成D*及f较高变异度的原因。提示临床应用多b值DWI技术评估病变血流时注意控制影响因素。

另外，多b值DWI技术b值的选择也对D*准确反映组织灌注有所影响。Lemke[21]推荐多b值DWI技术应不少于10个b值，但较高的信噪比是保证准确测量的关键，因此本文采用8个b值并在高b值采集时增加激励次数(最高b值采用8次激励)提高信噪比。低b值区信号采集对计算D*及f很重要，因此低b值数较少会导致血流灌注的低估[22]从而影响变异度。本研究小b值区偏大可能也是影响D*及f高变异度的原因，增加低b值是否可以提高可重复性并降低变异度有待进一步研究。

由于未见关于多b值DWI技术在正常人群内变异度的报道，因此本研究试图从变异度角度初步探讨该技术的应用稳定性。本研究局限性在于样本量较少，计算得到的变异度可能不能准确反映真实变异度，但与D相比，D*及f变异度增高的趋势得到了验证。

总之，从正常人群变异度角度分析，多b值DWI技术中D与两b值DWI技术具有同样的临床应用稳定性，多b值DWI技术需进一步改进减少D*及f的变异度，目前应用D*及f进行临床评估时需谨慎。

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Variation analysis of diffusion weighted imaging in normal brain tissue between two b and multi-b value sequence

LI Xiang, GAO Peng-rui, ZHANG Shou-ning, ZHANG Hong-kai, QU Jin-rong, LI Hai-liang*
Department of Radiology, the Affiliated Cancer Hospital of Zhengzhou University,Zhengzhou 450008, China

Objective:To observe the variation of two b and multi-b diffusion weighted imaging (DWI) in normal brain tissue.Materials and Methods:Apply two b and multi-b DWI sequence to 29 normal appearance brain using GE 3.0 T scanner. Two b and multi-b DWI related parameter including apparent diffusion coefficient (ADC), true diffusion (D), perfusion related diffusion (D*), fraction of perfusion (f) was acquired using AW workstation. The coefficient of variation(CV) of these parameters was compared to evaluate the reliability.Results:The values of CV of ADC, D, D*and f of brain were (81.11±7.62)×10-5mm/s,0.094; (78.47±6.72)×10-5mm/s, 0.086; (722.7±189.3)×10-5mm/s, 0.262; (8.97±3.63)%,0.404 in white matter; and (87.03±9.97)×10-5mm/s, 0.115; (81.83±7.51)×10-5mm/s,0.092; (611.9±169.5)×10-5mm/s, 0.292; (9.55±3.41)%, 0.357 in gray matter; and(76.70±7.17)×10-5mm/s, 0.093; (73.72±6.40)×10-5mm/s, 0.087; (1221.9±743.4)×10-5mm/s,0.608; (9.72±3.68%), 0.379 in basal ganglia respectively. The CVs of ADC and D were similar and good and lower than others.Conclusion:D which derived from Multi-b DWI has good reliability as ADC which derived from two b DWI in normal brain. Otherwise, D*and f have higher variation in normal brains, and with which the comparison between individual should be explained with caution.

11 Jan 2017, Accepted 19 Apr 2017

作者单位：
郑州大学附属肿瘤医院放射科，郑州450008

河南省科技计划项目(编号：142102310435)

黎海亮，E-mail：cjr.lihailiang@vip.163.com

2017-01-11

接受日期：2017-04-19

R445.2；R338.2

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.06.010

李祥, 高朋瑞, 张首宁, 等. 正常脑组织磁共振两b值及多b值扩散加权成像技术变异度对比分析. 磁共振成像, 2017,8(6): 452-456.

*Correspondence to: Li HL, E-mail: cjr.lihailiang@vip.163.com

ACKNOWLEDGMENTSThis work was part of Science and Technology Research Project of Henan Province (No. 142102310435).