比较肝MR弥散加权成像四种采集技术的可重复性研究

发布时间：2019-04-10 21:10

【摘要】：[研究背景] 磁共振弥散加权成像(Magnetic Resonance diffusion-weighted imaging, MRDWI)是目前惟一一种通过检测水分子弥散运动反映活体组织功能状态的无创性影像技术,现在已经成熟运用于神经系统疾病的诊断和评价中。近几年来,随着MR硬件及软件技术的发展,尤其是平面回波成像(Echo Planar Imaging, EPI)快速序列的应用,DWI在腹部病变中的应用也越来越多,其在肝脏病变的检出、定性、疗效评估及肝脏弥漫性病变的定性、分级方面均显示出巨大的优势和潜能。DWI可以在不使用对比剂的情况下定性或定量评估组织的弥散信息,这对于一些由于使用钆对比剂而可能导致肾源性系统性纤维化(NSF)的严重肾功能不全患者尤其有利。由DWI图像计算所得的表观弥散系数(Apparent Diffusion Coefficient, ADC)代表组织内水分子的运动,可以早于常规影像变化反映病变的细胞结构完整性与否和内部微坏死情况。许多研究表明ADC测量值有利于鉴别肝脏良恶性病变,也可以作为影像生物标志(Imaging Biomarkers)评估治疗反映。然而,肝脏的DWI研究仍处于初期阶段,其结果的可重复性差是其无法广泛在临床应用的主要原因之一。影响其可重复性的因素主要包括影像平台、扫描序列、扫描参数(如DWI的b值)、扫描视野、矩阵、层厚等。北美放射学会(Radiological Society of North America, RSNA)定量影像生物标志联盟(Quantitative Imaging Biomarkers Alliance, QIBA)建议通过建立标准化流程,可最大程度降低上述影响因素的影响从而减小误差。即便如此,数据采集过程中的呼吸运动、胃肠蠕动和不自主躯体运动的影响也难以消除。研究发现运动相关伪影是影响结果精确性最主要的因素,其中以呼吸运动对肝脏造成的影响最甚。肝DWI呼吸补偿技术包括自由呼吸(Free-breath,FB)、多次屏气(Multi-breathhold,MBH).呼吸门控(Respiratory-triggerd,RT)、呼吸导航(Navi gator-triggered,NT)等技术。自由呼吸DWI允许多次采集信号以提高信噪比；同时,还可以获得薄层图像;由于无屏气时间的限制,可进行多b值图像采集。但其缺点主要为呼吸运动所致图像模糊,以及因为容积效应而使肝占位病变信号不均匀而导致评估不准确。多次屏气DWI虽然能够最大程度减小呼吸运动的影响,但由于采集时间有限,从而造成图像信噪比低、扫描层厚较厚、无法采集多b值图像等缺点,并且有很多患者在屏气后期往往有小幅度的呼吸运动且即便是患者屏气效果好,也无法确保每次呼气末的屏气幅度在同一水平,因此也有部分呼吸运动伪影影响；呼吸门控和呼吸导航DWI技术虽然是在膈肌运动幅度最小时采集图像,可以在一定程度上减少呼吸运动伪影的影响,但是这两种方法的采集时间窗内,肝脏和膈肌仍然有运动。同时,这两种技术因为是在呼吸循环的一段时间采集图像,所以数据采集时间较长。已经有一些研究表明通过上述四种采集方法所得的肝脏ADC值可以鉴别良恶性病变及评估治疗反应,并且具有临床可行性,但不同呼吸补偿技术所得ADC值差异巨大,即便是正常肝实质的ADC值,同时其可重复性也不一致。目前,对于何种技术所得的ADC值重复性好便于在不同平台中应用比较尚未有统一的结论。因此需要进一步探讨四种呼吸补偿技术所得的正常肝实质ADC值大小及其可重复性。另外,除了各种呼吸补偿技术对肝脏ADC值的可重复性影响外,肝脏的解剖位置也会对其产生影响。有研究表明肝SII所得的ADC值较其他解剖部位高,肝右叶所得ADC值的可重复性较肝左叶好。同时也有研究发现心脏的跳动可以引起肝实质ADC值大小的变化,但是如何影响及影响到何种程度尚未有详细的研究报道。因此,本研究将进一步阐明肝脏解剖位置对ADC值大小及其可重复性的影响。研究目的 1.探讨DWI各种呼吸补偿技术(自由呼吸、多次屏气、呼吸门控、呼吸导航)所得正常肝实质ADC测量值大小及其可重复性研究。 2.探讨肝的解剖位置对正常肝实质ADC测量值的大小及可重复性的影响。材料与方法 1.研究对象本研究通过了广东省人民医院(广东省医学科学院)伦理委员会的批准(批准号：GDREC2012020H),每一位志愿者在图像采集前均签署了知情同意书。自2012年8月至2012年11月共纳入39名志愿者行肝脏MRI扫描。纳入标准：a,无药物和酒精滥用史；b,目前无药物治疗；c,超声显示为正常肝实质(没有局灶性和弥漫性病变,包括轻度的脂肪肝)；d,病毒性肝炎阴性(病毒性肝炎相关血清学标志物阴性,肝功能检查正常)；e,无肝脏病变手术史；f,可以在呼气末屏气20s。排除标准：a,有磁共振检查禁忌症(幽闭恐惧症,安装心电起搏器等)；b,不能在呼气末屏气20s以上的志愿者；c,由于数据采集时间长而无法忍耐未能做完检查者；d,采集的图像质量差而无法评估者；e,有药物和酒精滥用史或者目前有药物治疗史；f,超声显示有肝脏病变者；g,病毒性肝炎阳性者；h,有肝脏病变手术史。 2.MR扫描序列所有志愿者均行1.5TMR扫描仪(Magnetom Espree; Siemens Medical Solutions, Erlangen,Germany)及六通道体线圈和十二通道脊柱线圈扫描。DWI序列包括呼气末MBH(共四次屏气)、FB、RT(含有空气的压力传感器通过腹带固定于腹部,监测呼吸运动)、NT(在右侧肝和肺交界面设置一个100mm长的铅笔形激发前脉冲探测右侧膈肌的位置)单次激发平面回波DWI检查,b值取0,100,500sec/mm2。每位志愿者完成第一次扫描后,使其从MR扫描仪中移出,在扫描室外静坐休息15分钟至20分钟,再行第二次扫描。两次扫描采用相同的参数。 3.图像分析 ADC图的生成扫描结束后,将图像传至工作站(Viewforum; iMAC; Cupertino,Calif)进行后处理。ADC图是由3个b值(0、100、500s/mm2)采用单指数线性函数模型计算所得,计算公式如下：ln(S)=-b-ADC+ln(S0), S是b=100和500s/mm2的信号强度,So是b=0s/mm2的信号强度,线形函数是采用最小二乘法拟合一条最优直线,使得其残差平方和最小。这个软件是基于Matlab, version7.7软件改编的。 ADC值的测量 ADC值是由两名放射科医生(分别具有5年[测量者1]和3年[测量者2]]的临床肝脏DWI诊断经验)用Image J软件(National Institutes of Health, Bethesda, Md)测量,测量者1测完第一次数据后,间隔15天进行第二次测量,这两组数据用于测量者自身一致性的评估,测量者2仅测量一次,与测量者1第一次测量的数据评估测量者之间的一致性。感兴趣区(Region of interest, ROI)的放置每种呼吸补偿技术采集所得的ADC图中,左、右肝分别分为三部分,每一部分选择一层测量ADC值。对于肝右叶,中间一层选择为门静脉右支水平所在的层面,上层和下层分别为中间层的上或下的三或四层(MBH：3层,FB, RT,NT为4层)。对于肝左叶,选中间连续的三层测量ADC值。左、右肝每层均分三等份,每一等份放置一个的ROI, ROI的面积均保持一致(面积为80mm2)。放置ROI时尽量避开肉眼可见的血管和胆管,同时至少远离肝边缘5mm。通过识别解剖标志,如门静脉主干及右支,保持第一和第二次ROI放置位置一致。最后每位志愿者总共有144个ADC值,其包括两次扫描,两个肝叶,每个肝叶选三层,每层每个肝叶画3个ROI,四种序列。 4.统计分析样本量的计算采用功效分析,假设每种呼吸补偿技术的两次扫描的差值为0,分配比例为1,检验水准α值是0.05,检验效能取0.9,计算样本量为36例,根据预实验可知约25%的失败率,包括图像质量差或者志愿者不能完成DWI检查等情况,最终我们共纳入46名志愿者。 ADC值的表达 ADC值主要采用均数±标准差,采用Kolmogorov-Smirnov检验进行正态性检验,Levene检验用于方差齐性检验。测量者自身及之间的一致性评估测量者自身和测量者间的一致性评价采用组内和组间相关系数(intra-and interclass correlation coefficients, ICCs)。肝左、右叶9个ROIs所得的平均ADC值用于计算ICC。用第一次测量者的两次测量数据计算测量者自身的ICC,采用第一位测量者的第一次测量结果和第二位测量者的测量结果计算测量者间的ICC。ICC大于0.75认为其一致性好。 ADC测量值的可重复性检验 ADC测量值的重复性采用Bland-Altman方法来评估。比较两次扫描所得参数的平均绝对差值和平均差值的95%可信区间(limits of agreement, LOAs)。采用配对t检验分别比较两次扫描所得左、右肝9个ROI所得平均ADC值以评估ADC测量值的系统偏差。 ADC测量值大小的比较采用配对t检验分别比较左、右肝9个ROI平均所得ADC值的大小。四种技术所得ADC值的差异采用Two-way方差分析比较。最后,每个肝叶所得的9个ROI所得的ADC值的比较均采用three-way方差分析,当比较有统计学意义时,采用Bonferroni方法进行两两比较。统计软件采用SPSS (version19.0, SPSS,Chicago,111) and MedCalc (MedCalc,Mariakerke, Belgium)软件进行统计分析。P0.05有统计学意义。结果 1.志愿者资料共纳入46名志愿者,有7名排除,其中原因包括4名由于在图像采集过程中频繁运动而致图像无法分析和3名由于采集时间过长无法忍受而未完成扫描。最后共分析39名志愿者(男：15,女：24；平均年龄,24岁±3,年龄范围：20-32岁；男性平均年龄：25岁±2,年龄范围,22-29岁；女性平均年龄：23岁±3,范围,20-32岁) 2.测量者自身及测量者间的一致性第一位测量者所得测量者自身一致性的ICC范围为0.853至0.982。最低的ICC是0.853,来自于MBH采集的数据中。最高的ICC是0.982,来自于FB采集的数据中。第一位测量者与第二位测量者所得的测量者之间的ICC均较好,范围约0.829至0.952。测量者自身和测量者之间的一致性评估,FB,RT和NT技术所得的ICC均较MBH高。 3.四种技术肝左、右叶的ADC值的可重复性肝右叶ADC测量值的可重复性均较肝左叶好,FB、RT和NT技术所得ADC测量值可重复性较MBH好。例如,采用MBH技术所得肝右叶的上层右侧位置的两次ADC测量值的LOA为0.640×10-3mm2/sec, FB为0.395×10-3mm2/sec, RT为0.315×10-3mm2/sec, NT为0.375×10-3mm2/sec,而左肝上层右侧位置的两次ADC测量值的LOA最大(MBH,1.090×10-3mm2/sec; FB,0.600×10-3mm2/sec; RT,0.515×10-3mm2/sec; NT,0.590×10-3mm2/sec)。肝右叶中,每种技术肝内九个不同解剖部位的ADC测量值的重复性不一。MBH所得两次ADC测量值的LOA范围为(0.365-0.640)×10-3mm2/sec, FB为(0.325-0.450)×10-3mm2/sec, RT为(0.285-0.435)×10-3mm2/sec, NT为(0.325-0.440)×10-3mm2/sec。四种呼吸补偿技术中,肝右叶中间层的中间位置所得ADC测量值的可重复均较其他部位好,其平均绝对差值±LOA分别为：MBH,(0.03±0.365)×10-3mm2/sec; FB,(0.02±0.325)×10-3mm2/sec; RT,(0.02±0.285)×10-3mm2/sec; NT,(0.04±0.325)×10-3mm2/sec。肝左叶各解剖部位所得ADC测量值LOA均大于肝右叶。MBH、FB、RT及NT所得LOA范围分别为(0.590-1.090)×10-3mm2/sec,(0.425-0.675)×10-3mm2/sec,(0.360-0.810)×10-3mm2/sec,(0.395-0.630)×10-3mm2/sec。据两次扫描所得ADC测量值的平均绝对差值和差值的LOA评估可重复性,结果为左肝的下层右侧位置所得ADC测量值的可重复性最好,他们分别为：MBH,(0.01±0.590)×10-3mm2/sec; FB,(0.01±0.365)×10-3mm2/sec; RT,(0.02±0.360)×10-3mm2/sec; NT (0.07±0.435×10-3mm2/sec。 4.四种技术的肝左、右叶的平均ADC测量值两位测量者的测量结果均为四种技术所得的肝左叶ADC平均测量值大于肝右叶,且有统计学意义。无论是两位测量者还是两次重复扫描的结果均显示MBH呼吸补偿技术所得ADC值(肝右叶,[1.641-1.662]×10-3mm2/sec;肝左叶,[2.034-2.054]×10-3mm2/sec)大于FB(肝右叶,[1.349-1.391]×10-3mm2/sec;肝左叶[1.630-1.700]×10-3mm2/sec)、RT(肝右叶,[1.439-1.455]×10-3mm2/sec;肝左叶,[1.720-1.755]×10-3mm2/sec)、NT(肝右叶,[1.387-1.400]×10-3mm2/sec;肝左叶,[1.661-1.736]×10-3mm2/sec)等三种呼吸补偿技术,且有统计学差异(P0.001)；然而,FB、RT和NT呼吸补偿技术所得的ADC测量值无统计学差异(P=0.130-P0.99) 5.肝脏不同解剖位置的ADC测量值四种技术中,ADC测量值均从左至右递减,且不论是肝左叶还是肝右叶均有统计学差异(右叶,P0.001；左叶,P=0.001—0.016)。另外,肝左叶的ADC测量值从上到下明显减小(P0.001)。然而,肝右叶上层、中层、下层的ADC测量值无统计学差异(P=0.144—0.450)。同时,肝左叶的ADC测量值的标准差较肝右叶大。结论由于FB-DWI所得的ADC可重复性好同时采集时间短,因此,我们建议在临床实际工作中肝DWI图像的采集采用FB-DWI呼吸补偿技术。肝右叶中层中间位置的ADC测量值可重复性最好,当肝脏的ADC测量值在临床应用中作为生物标记时(例如,治疗反应的评估),应该选择肝右叶中间层的中间位置的ADC测量值作为参考标准。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R575;R445.2

【参考文献】