正常胰腺扩散加权成像不同方向扩散梯度表观扩散系数直方图分析

付贝 马超 李晶 陈士跃 边云 王敏杰 杨盼盼 陆建平

海军军医大学附属长海医院影像医学科，上海 200433

扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)是一种常用的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)序列，它能测量组织内水分子扩散，以定量参数反映组织结构和功能变化，可提供常规MRI序列(如T1和T2加权成像)无法获得的微观结构信息，已广泛应用于疾病的诊断和治疗评估[1]。DWI有多个应用模型，如单指数模型、扩散张量模型、体素内非相干运动模型(双指数模型)、拉伸指数模型、扩散峰度模型等，这些模型均可获得特有参数用于疾病诊断[2]。其中基于两个扩散梯度因子(b值)的单指数DWI及表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)具有成像时间短、后处理快速及计算结果稳定等优点，临床应用最为广泛[3]。b值的大小可以控制DWI信号强度，其施加方向也影响DWI图像及参数[4]。临床上可利用单扩散梯度方向(如X、Y、Z方向)或采用3个垂直方向施加扩散梯度场采集DWI数据[5]。在DWI定量分析中，勾画感兴趣区(region of interest, ROI)测量ADC均值是最常用的数据分析方法，但该方法丢弃了组织的异质性信息；而基于ROI直方图分析(histogram analysis)方法逐步应用到DWI定量研究中，其能得到ADC的频数分布及比例，如均值、峰度(kurtosis)、偏度(skewness)、百分位数(percentiles)等多种参数，可挖掘出组织内部潜在的更加丰富的影像信息，用于反映组织的均质特征[6]。目前DWI直方图在颅内病变[6]、乳腺癌[7]、前列腺癌[8]和胰腺病变[9-10]等疾病中的应用已有报道。本研究旨在探讨正常胰腺DWI不同方向扩散梯度的ADC直方图参数特征及差异，从而为胰腺DWI直方图的研究及应用提供参考。

资料和方法

一、一般资料

收集2013年1月至2018年1月间上海长海医院影像医学科MRI实验数据库行上腹部3.0-T MRI检查的受试者资料。MRI检查中包含单方向扩散梯度(X、Y、Z方向)及三正交方向扩散梯度DWI资料，其中X方向为患者检查上下方向，Y方向为患者检查左右方向，Z方向为患者检查头脚方向。入组标准：无胰腺疾病、慢性肝脏疾病或糖尿病病史；MRI结果无阳性发现。排除标准： DWI图像有明显伪影或胰腺明显萎缩难以进行ROI勾画、或过度肥胖者(体质指数超过25 kg/m2)。最终纳入21名，其中男性10名，女性11名，年龄20～34岁，平均年龄(28±4)岁。

二、MRI检查

MRI检查在3.0-T超导磁共振仪(Signa HDXt，美国GE Healthcare公司)上完成，使用8通道体部相控阵线圈接收信号。受试者检查前空腹4 h以上，并进行呼气、屏气训练。扫描序列包括冠状位和横断位T2加权成像、横断位T1加权成像及4个横断面DWI检查。DWI为3个单方向(X、Y、Z方向)和三正交方向扩散梯度行单次激发平面回波成像(single-shot echo-planar-imaging, SS-EPI)序列，主要扫描参数：b值为0、500 s/mm2；重复/回波时间(repetition time/echo time，TR/TE) 2 275 ms/58.9 ms；单方向扩散梯度DWI累加次数为1(b值为0时)和6(b值为500 s/mm2时)，三正交方向扩散梯度DWI累加次数为1(b值为0时)和2(b值为500 s/mm2时)；扫描视野380 mm×304 mm；采集矩阵128×96；重建图像矩阵256×256；采集层厚/间隔5.0 mm/1.0 mm；加速因子2；扫描层数14；翻转角90°。4个DWI序列扫描时间都为18 s，被试皆1次屏气完成。

三、数据处理

将4组DWI数据分别导入本研究组开发的DWI分析软件(MR Diffusion V1.0)重建ADC图。由1位临床研究经验丰富的放射科医师对每一层DWI上包含的胰腺组织进行ROI勾画，ROI自动匹配到与该DWI相对应的ADC图上。ROI勾画过程中参考T1和T2加权图像并仔细观察2个b值的DWI图像，确保ROI完全勾画在胰腺组织上，从而尽可能避免部分容积效应带来的测量误差。ROI勾画完毕后以数据表格方式导出直方图测量结果，包括ROI体积、均值、标准差、最小值、最大值、中位数、10%百分位数、90%百分位数、四分位范围、平均绝对偏差、范围、均方根、大小、变异、峰度、偏度16个ADC直方图参数。

四、统计学处理

结 果

21名受试者MRI图像未显示胰腺异常信号，3个单方向和三正交方向扩散梯度DWI图像质量皆较佳，未见明显伪影，胰腺解剖及形态清晰。典型的正常胰腺4个方向扩散梯度DWI及对应的ADC图见图1，ADC直方图参数及统计结果见表1。16个ADC直方图定量参数中，除了4个DWI序列获得的ADC峰度之间差异具有统计学意义(χ2=-9.84，P=0.02)外，其余各参数之间差异均无统计学意义。进一步分析表明X方向扩散梯度获得的正常胰腺ADC峰度小于Y、Z方向(P<0.05，图2)。

图1 同一受试者X(A～C)、Y(D～F)、Z(G～I)方向及三正交(J～L)方向扩散梯度b=0和b=500 s/mm2的DWI及ADC图

参数X方向Y方向Z方向三正交方向P值10%百分位数(×10-3mm2/s)1.64±0.551.60±0.421.46±0.281.46±0.390.4790%百分位数(×10-3mm2/s)2.72±0.942.54±0.642.50±0.762.40±0.680.68四分位范围(×10-3mm2/s)0.57±0.270.51±0.290.51±0.250.50±0.220.72峰度3.16±1.444.72±2.264.47±2.13.69±1.820.02最大值(×10-3mm2/s)3.30±1.173.54±0.833.45±1.333.06±0.880.37均值(×10-3mm2/s)2.15±0.722.04±0.471.94±0.401.89±0.510.52平均绝对偏差(×10-3mm2/s)0.34±0.150.32±0.140.34±0.200.30±0.130.81中位数(×10-3mm2/s)2.10±0.711.99±0.451.88±0.371.85±0.520.46最小值(×10-3mm2/s)1.34±0.521.21±0.561.09±0.451.09±0.470.60范围(×10-3mm2/s)1.96±0.952.33±1.022.36±1.411.97±0.950.46均方根(×10-3mm2/s)2.19±0.732.09±0.472.00±0.441.94±0.520.53ROI大小(mm2)126.48±68.69280.48±564.06141.95±99.06181.95±170.60.61偏度0.49±0.580.83±0.760.73±0.790.51±0.580.35标准差(×10-3mm2/s)0.43±0.190.41±0.160.44±0.270.38±0.160.83变异0.22±0.180.20±0.150.27±0.440.17±0.140.83体积(mm3)1672.1±908.23708.1±7457.31876.7±1309.62405.5±2255.50.61

图2 正常胰腺DWI单方向(X、Y、Z方向)及三正交方向扩散梯度ADC峰度

讨 论

DWI是临床广泛使用的一种MRI方法，无需对比剂即能测量组织内水分子扩散运动，为临床医师提供定性(DWI图像)及定量(ADC)信息，用于病变的早期发现、鉴别诊断及治疗效果评价[1]。DWI最初用于颅内疾病的诊断及研究，已成为中风诊断的“金标准”[11]。随着并行采集、快速梯度等软硬件技术的进步，DWI已广泛应用于全身各个部位的检查，并体现出重要临床价值。多项研究表明胰腺癌ADC较正常胰腺组织降低[2]。临床胰腺DWI扫描有屏气、呼吸触发、自由呼吸3种方式，每种方法有其各自的优缺点，1.5-T DWI扫描推荐使用呼吸触发方式，但3.0-T胰腺DWI选择哪种方法并无定论[12]。从减小呼吸运动、胃肠蠕动等影响来看，屏气方法往往对于提升图像质量和降低采集时间有着很大帮助，因此本研究的DWI采用屏气方式，目的是尽可能减小运动造成的影响，使胰腺ADC与真实值更加接近。本研究中不同方向扩散梯度获得的正常胰腺ADC均值为(1.89～2.15)×10-3mm2/s，在以往研究的报道范围之内[12]。

扩散梯度场强方向影响DWI图像特征及定量参数[4]。对于正常胰腺来说，有研究报道胰腺近似为各向同性的器官，扩散梯度对正常胰腺ADC均值无显著影响[13]。笔者前期研究也发现Z方向扩散梯度与三正交方向获得的正常胰腺ADC均值无明显差异[14-15]，但胰腺内部存在胰管结构，且组织细胞分布不均，ADC均值无法评价胰腺的不均匀性，因此本研究选择基于ROI直方图的方法以研究组织异质性。Ma等[9]报道ADC直方图百分数可用于鉴别胰腺癌和肿块型慢性胰腺炎，Pereira等[10]发现ADC直方图可对胰腺神经内分泌肿瘤进行分级。本研究发现正常胰腺ADC均值与扩散梯度方向无关，与既往报道[13-15]一致，但ADC峰度值受扩散梯度影响显著，X方向扩散梯度获得的ADC峰度明显小于Y、Z方向ADC峰度，说明Y、Z方向扩散梯度获得的正常胰腺ADC值分布中有更多极端值。

关于胰腺癌ADC均值与病理学的相关性，不同研究所得结果并不一致。Wang等[16]发现胰腺癌ADC值和肿瘤分化程度呈正相关；而Rosenkrantz等[17]和Hayano等[18]未发现二者之间存在相关性；笔者前期研究发现胰腺癌分化程度越低(或分期越高)ADC值越小，但差异无统计学意义[19]。胰腺癌的异质性及ROI平均值测量方法可能是造成上述研究结果不一致的主要原因，因此深入了解正常胰腺及胰腺疾病ADC直方图参数特征对评估胰腺癌异质性及预测临床病理特征具有重要意义。本研究发现正常胰腺ADC峰度与扩散梯度方向有关，X方向扩散梯度获得的正常胰腺ADC峰度最小，提示利用直方图分析方法进行胰腺DWI研究时需要考虑扩散梯度方向对ADC峰度的影响。

本研究也存在一些不足。首先，本研究样本量较小，且入组受试者较年轻，能很好地配合屏气DWI扫描，而在临床检查中患者年龄往往较大，一些患者即使进行呼吸训练也不能达到较好的屏气效果；其次，为了确保较短扫描时间获得较好的DWI图像信噪比，本研究选择的扩散梯度因子为中等b值(500 mm2/s)，而更高b值的DWI扫描可能获得更为准确的ADC；最后，DWI扫描方法和磁场强度对本结果可能存在影响。因此，今后仍需开展大样本、多中心研究进一步证实、完善本研究结果。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突