矢状位全视野及小视野体素内不相干运动脊柱骨髓成像的对比研究

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• 临床研究 •

邢栋查云飞刘芳李亮龚威胡磊林苑陆雪松刘昌盛

邢栋,查云飞,刘芳,等.矢状位全视野及小视野体素内不相干运动脊柱骨髓成像的对比研究.磁共振成像, 2017,8(12): 897-901. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2017.12.004.

摘要

[摘要] 目的比较矢状位全视野(full field of vision，fFOV)与小视野(reduced field of vision，rFOV)脊柱骨髓体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion，IVIM)成像质量及参数值的差异。材料与方法 纳入健康志愿者26名，其中男12名，女14名，年龄(41.12±14.96)岁。行腰椎常规MRI扫描及FOV (cm)分别为32×12.8及32×32的矢状位rFOV及fFOV-IVIM扫描，b值为0 s/mm²、15 s/mm²、30 s/mm²、50 s/mm²、70 s/mm²、100 s/mm²、300 s/mm²、500 s/mm²、800 s/mm²，于GE AW4.6工作站的Functool软件进行后处理，每个椎体用一个感兴趣区覆盖，记录rFOV及fFOV-IVIM腰椎椎体骨髓的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)slow、ADCfast及f值。用五分量表法对rFOV及fFOV-IVIM图像质量进行主观评价。然后测量T2WI、rFOV及fFOV-IVIM图像上L3椎体面积、上下径、前后径，并计算其形变率。整个测量及评价过程由两位放射科诊断医师实施，并隐藏临床及序列信息，对两位观察者测值及评分进行一致性分析，然后取均值。根据正态分布与否，选择配对t检验或配对秩和检验对两组IVIM参数值、图像质量评分及形变率进行对比。结果结果显示，两名放射诊断医师测得的腰椎骨髓rFOV及fFOV IVIM参数(ADCfast、ADCslow、f)、形变率及取得的图像质量评分的一致性良好。脊柱骨髓的rFOV及fFOV IVIM间ADCfast (t=-9.92，P<0.01)、ADCslow (Z=-2.20，P<0.05)、f值(t=-17.86，P<0.01)、图像质量评分(Z=-12.76，P<0.01)、面积(Z=-4.27，P<0.01)及前后径形变率(Z=-6.20，P<0.01)差异有统计学意义，而上下径形变率(t=-0.50，P=0.62)差异则无统计学意义。结论与全视野IVIM相比，脊柱骨髓小视野IVIM图像质量更高、形变伪影小，有助于获得相对准确的IVIM脊柱骨髓参数值。

[Abstract] Objective: The purpose of this study is to compare image quality and the intravoxel incoherent motion (IVIM) parameters obtained with full FOV or reduced FOV IVIM imaging.Materials and Methods: Twenty-six healthy volunteers (12 male, 14 female) with age of 41.12±14.96 years (Mean±SD) were enrolled in this retrospective study. The lumbar imaging protocol included routine imaging, rFOV IVIM DWI (FOV 32 cm×12.8 cm, b=0 s/mm², 15 s/mm², 30 s/mm², 50 s/mm², 70 s/mm², 100 s/mm², 300 s/mm², 500 s/mm², 800 s/mm²) and fFOV IVIM DWI (FOV 32 cm×32 cm, b=0 s/mm², 15 s/mm², 30 s/mm², 50 s/mm², 70 s/mm², 100 s/mm², 300 s/mm², 500 s/mm², 800 s/mm²). Raw rFOV and fFOV IVIM DWI data were post-processed by Functool provided in Advantage Workstation (version 4.6, GE), and each vertebral body was selected as a region of interest (ROI). Image quality of rFOV and fFOV IVIM DW images were qualitatively evaluated by using a 5-point likert scale. IVIM DWI distortion was quantitatively evaluated by calculating the distortion rate of L3 vertebral body. The quantitative measurements and qualitative scores of IVIM DW images were performed by two radiologists who were blinded to the clinical and sequences information, and the consistency of the two readers was evaluated, and the mean IVIM parameters, qualitative scores, and distortion ratios of the two readers were calculated. The IVIM parameters (ADCfast, ADCslow, f), qualitative scores, and distortion ratios of the two IVIM DWI were compared with paired t-test or Wilcoxon's test according to the Kolmogorov-Smirnov test.Results: In this study, there was good inter reader agreement in IVIM parameters, qualitative scores and distortion rate of rFOV-IVIM DWI and fFOV IVIM DWI. Statistically significant differences in ADCfast (t=-9.92, P<0.01), ADCslow (Z=-2.20, P<0.05), f (t=-17.86, P<0.01), image quality scores (Z=-12.76, P<0.01), area distortion rate (Z=-4.27, P<0.01), and anteroposterior distances distortion rate (Z=-6.20, P<0.01) between rFOV and fFOV IVIM DWI was observed, while no significant difference in craniocaudal distances distortion rate (t=-0.50, P=0.62) between rFOV and fFOV IVIM DWI was observed.Conclusions: Compared with fFOV IVIM, rFOV IVIM DW images of spine bone marrow show improved image quality, and rFOV IVIM technique of spine may help to obtain relatively accurate IVIM parameters.

[关键词] 全视野；小视野；体素内不相干运动；脊柱骨髓；磁共振成像

[Keywords] Full field of view；Reduced field of view；Intravoxel incoherent motion；Spinal bone marrow；Magnetic resonance imaging

作者信息

邢栋武汉大学人民医院放射科，武汉　430060

查云飞^* 武汉大学人民医院放射科，武汉　430060；医学信息分析及肿瘤诊疗湖北省重点实验室，武汉　430074

刘芳武汉大学人民医院放射科，武汉　430060

李亮武汉大学人民医院放射科，武汉　430060

龚威武汉大学人民医院放射科，武汉　430060

胡磊武汉大学人民医院放射科，武汉　430060

林苑武汉大学人民医院放射科，武汉　430060

陆雪松 医学信息分析及肿瘤诊疗湖北省重点实验室，武汉　430074；中南民族大学生物医学工程学院，武汉　430074

刘昌盛 武汉大学人民医院放射科，武汉　430060

通讯作者：查云飞，E-mail：zhayunfei999@126.com

出版信息

基金项目： 医学信息分析及肿瘤诊疗湖北省重点实验室开放课题基金项目编号：PJS140011511 湖北省卫生计生委科研资助项目编号：JX6B68

收稿日期：2017-06-12

接受日期：2017-09-06

中图分类号：R445.2; R681.5

文献标识码：A

DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2017.12.004

邢栋,查云飞,刘芳,等.矢状位全视野及小视野体素内不相干运动脊柱骨髓成像的对比研究.磁共振成像, 2017,8(12): 897-901. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2017.12.004.

正文

基于体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion，IVIM)成像理论的双指数模型可同时评价组织的扩散系数及组织微血管灌注信息^[¹^]，在临床、科研上的价值也越来越受到大家的关注，其在脊柱骨髓方面的应用也有了一定的探索^[²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^]。IVIM扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)技术由一组不同b值的DWI序列构成，常规IVIM即全视野(full field of vision，fFOV)IVIM的基础序列是单次激发平面回波成像(single-shot spin echo-planar imaging，SS-EPI)序列^[⁷^,⁸^]，容易受到磁敏感伪影、搏动伪影等因素的影响，导致图像质量的降低，甚至引起严重的形变^[⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^]。相较于常规fFOV SS-EPI DWI序列，小视野(reduced field of vision，rFOV) DWI技术在脊椎成像上对图像质量的提升已经获得证实^[⁹^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^]，但rFOV IVIM在脊柱骨髓成像的应用尚未见报道。本文将就全视野及小视野IVIM脊柱骨髓成像的图像质量进行对比，并研究两者间IVIM参数的不同。

1　材料与方法

1.1　研究对象

2016年9月至12月共招募健康志愿者26名，其中男12人，女14人，年龄为24~60岁，平均(41.12±14.96)岁。受检者经临床及影像学检查排除腰椎严重退变、急慢性外伤、畸形、肿瘤、血液病及其他系统性疾病，无糖尿病及雌激素替代治疗病史。本研究经医院伦理委员会批准，所有受检者均在签署知情同意书后进行本项临床研究。

1.2　影像设备及扫描技术

采用3.0 T超导MR机(Discovery 750+，GE Medical Systems)，全脊柱相控阵线圈进行检查。先行腰椎常规MRI检查，包括矢状位FRFSE T2WI (TR=2140 ms，TE=120 ms，ETL=25)、T1-FLAIR序列(TR=2000 ms，TE=8.4/Ef，TI=1080 ms，ETL=8)，层厚4 mm，层间距0.5 mm，FOV=320 mm×320 mm。然后行腰椎矢状位fFOV及rFOV IVIM序列检查。fFOV IVIM参数为：TR 2000 ms，TE mini，层厚4 mm，层间隔0.5 mm，FOV=320 mm×320 mm，矩阵128×128，选用的b值及相应激励次数(NEX)分别为：b=0 s/mm²、15 s/mm²、30 s/mm²、50 s/mm²、70 s/mm²、100 s/mm²、300 s/mm²、500 s/mm²、800 s/mm²，NEX=1、4、4、4、4、1、2、2、6。rFOV IVIM的激励方式选择Focus，FOV调整为320 mm×128 mm，其他参数与fFOV IVIM一致。

1.3　IVIM图像后处理及图像质量评估

IVIM图像后处理及图像质量评估由两位分别有5年及8年MRI诊断经验的放射科诊断医生独立进行，并隐藏受试者临床及扫描序列信息。

1.3.1　rFOV及fFOV IVIM参数测量

扫描获得的腰椎矢状位rFOV及fFOV IVIM图像应用GE AW4.6工作站的Functool软件进行后处理(见图1)。取正中矢状位，每个腰椎体置1个感兴趣区(region of interest，ROI)位于椎体中央，ROI大小平均为(503.49±107.43) mm²，并避开腹腔大血管、脑脊液、腰大肌等椎体周围组织。记录由软件自动生成ROI相应的脊柱骨髓表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)fast、ADCslow及f值，每个椎体重复测量3次，将参数的平均值作为最终的取值。

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图1 腰椎骨髓rFOV及fFOV IVIM成像
图2 不同b值的腰椎骨髓rFOV (A~I)及fFOV (J~R) IVIM DWI原始图像。较rFOV IVIM原始DWI图像，fFOV DWI图像模糊、形变明显，且b值高时更显著
Fig. 1 Full FOV and reduced-FOV IVIM diffusion-weighted imaging of lumbar bone marrow.
Fig. 2 Raw lumbar bone marrow diffusion-weighted imaging of rFOV (A—I) and fFOV (J—R) with different b value. Compared to rFOV DWI, the fFOV DW images are blurring and have image distortion, especially with higher b value.

1.3.2　IVIM图像质量的主观评价

在腰椎正中层面，采用五分量表法对rFOV及fFOV IVIM的9个不同b值的DWI图像评分(见图2)。1分不能用于诊断，2分图像质量差，3分图像质量可接受，4分图像质量好，5分图像质量优秀。

1.3.3　IVIM形变率的计算

取腰椎正中层面，分别在T2WI、rFOV及fFOV IVIM图像上，测量每个受试者L3椎体^[¹⁶^]的面积、上下径及前后径，并利用公式R=|MIVIM-MT2WI|/MT2WI计算rFOV及fFOV IVIM DWI图像的形变率(R)，MIVIM及MT2WI分别代表L3椎体在IVIM及T2WI上的测量值(面积、上下径及前后径)。每次测量重复3次，取平均值。

1.4　统计学分析

统计学分析用SPSS 19.0统计分析软件，测量所有数据以均数±标准差表示。首先，采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)评估2名观察者测量rFOV及fFOV IVIM参数及形变率的一致性，对图像质量主观评分的一致性分析选用Kappa一致性检验。然后对两名观察者测得的对应数据取均值，以做进一步统计分析。最后，rFOV及fFOV IVIM间参数、图像质量主观评分及形变率的比较根据正态分布情况选择配对t检验或Wilcoxon's秩和检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1　一致性分析

两名观察者得到的rFOV-IVIM的A DCslow (ICC=0.63，P<0.01)、ADCfast (ICC=0.77，P<0.01)、f值(ICC=0.75，P<0.01)、面积差率(ICC=0.91，P<0.01)、上下径差率(ICC=0.66，P<0.01)、前后径差率(ICC=0.72，P<0.01)及图像质量评分(κ=0.68，P<0.01)一致性较好。对rFOV-IV IM序列而言，两位观察者同样在ADCslow (ICC=0.66，P<0.01)、ADCfast (ICC=0.61，P<0.01)、f值(ICC=0.79，P<0.01)、面积差率(ICC=0.90，P<0.01)、上下径差率(ICC=0.66，P<0.01)、前后径差率(ICC=0.80，P<0.01)及图像质量评分(κ=0.73，P<0.01)方面获得良好的一致性。

2.2　rFOV及fFOV IVIM参数及图像质量比较

统计结果显示，rFOV及fFOV IVIM间ADCfast、ADCslow及f值差异有统计学意义(其中两组间ADCfast及f值的t值分别为-9.92、-17.86，两组间ADCslow的Z=-2.20，P<0.05)。rFOV IVIM图像质量评分整体较fFOV IVIM高，差异有统计学意义(Z=-12.76，P<0.01)。rFOV-IVIM图像面积、上下径及前后径形变率较fFOV IVIM小，其中两组间面积形变率及前后径形变率差异有统计学意义(Z=-4.27、-6.20，P<0.01)，两组间上下径形变率差异无统计学意义(t=-0.76，P=0.620)，见表1。

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表1 腰椎骨髓rFOV-IVIM及fFOV-IVIM参数及图像质量对比
Tab. 1 Comparison of IVIM parameters and image quality of the lumbar bone marrow between rFOV-IVIM and fFOV-IVIM imaging

3　讨论

本研究显示，脊柱骨髓小视野体素内不相干运动成像是可行的，且较常规全视野IVIM成像而言，图像质量更高，形变较小。

IVIM技术由DWI扩展而来，通过将一组拥有不同b值的DWI图像带入适当的双指数模型进行拟合，可以同时评价感兴趣区的灌注及扩散信息^[¹^]。IVIM已被广泛应用于多种脊柱骨髓异常的评估，如多发性骨髓瘤、转移瘤椎体骨髓浸润、局灶性良恶性骨髓病灶鉴别，以及放疗后脊柱骨髓改变等方面^[³^,⁴^,⁵^,⁶^,¹⁷^]。然而，这些研究多采用常规的全视野IVIM成像技术，即以SS-EPI DWI序列为基础序列，而SS-EPI DWI序列由于读出时间过长引起的T2^*衰减及偏共振效应，容易引起图像质量的降低^[⁹^,¹¹^]。特别是相对于脊柱成像而言，B0及B1的不均匀性、骨-脑脊液界面造成的磁敏感伪影、硬膜外间隙脂肪的化学位移效应、以及呼吸、脑脊液搏动引起的运动伪影都会降低SS-EPI DWI图像的质量，甚至引起严重的形变伪影^[⁹^,¹¹^]。本研究显示，脊柱骨髓全视野IVIM技术在椎体前后方向的平均形变率达15%，平均椎体面积形变率达10%，提示了其图像质量提升的必要性。

小视野IVIM是常规全视野IVIM的一项有效替代技术。小视野DWI技术使用2D空间选择性回波平面视频激励脉冲，再加上180°重聚脉冲，减少了相位编码方向上需要激发的FOV，减少相位编码方向上需要采集的k空间线数量，在固定的扫描时间里提升了图像的分辨率，并能在压脂的同时进行多层面成像，有效减少了回波持续时间，减少了偏共振效应产生的各种伪影^[⁹^,¹⁴^,¹⁶^,¹⁸^]。小视野IVIM技术已被应用于子宫、膝关节半月板及胰腺^[⁸^,¹⁹^,²⁰^]等部位的IVIM成像，但尚未见小视野脊柱骨髓IVIM研究的报道，本研究首次使用小视野技术进行脊柱骨髓IVIM成像，发现小视野IVIM较全视野IVIM腰椎骨髓成像，在图像评分及椎体形变率方面有了明显的提升。

良好的图像质量是IVIM技术进行准确曲线拟合进而得出可信参数值的前提，但常规全视野IVIM序列图像质量对测得参数值准确性的威胁尚未引起广泛关注。本试验中全视野及小视野间腰椎骨髓IVIM参数(ADCfast、ADCslow及f)差异均存在统计学意义，证明了图像质量对脊柱骨髓IVIM参数的影响。同样，余浩等^[²⁰^]在进行周围正常胰腺IVIM成像时发现，与常规全视野IVIM相比，小视野IVIM可以提高胰腺图像分辨率及图像质量，但两者间仅有D^* (即ADCfast)差异存在统计学意义，考虑原因为腰椎周围环境更为复杂，与前后的主动脉及脑脊液关系更为密切，且矢状位成像较横轴位更容易受到周围环境的干扰，导致腰椎常规IVIM形变更高，更容易出现IVIM参数的差异。

快速自旋回波(turbo spin echo，TSE) DWI序列也在IVIM中有了一定的应用，Hilbert等^[¹³^]用TSE DWI序列行冠状位肾脏IVIM研究，有效克服了常规EPI IVIM图像的形变伪影，提高了图像质量，但相应图像采集时间却明显延长，不利于临床推广。本研究所采用的rFOV IVIM较fFOV IVIM图像质量明显提升的同时，图像采集时间保持不变，临床适用性更广。

本研究存在如下不足：(1)需进一步研究脊柱骨髓rFOV IVIM与其他传统MR灌注成像(如动态对比增强)参数间的相关性，进一步证实rFOV IVIM脊柱骨髓灌注参数的可行性；(2)本试验只纳入了健康志愿者，未来需对腰椎病变rFOV IVIM参数变化做进一步探讨，以扩展临床应用价值。

总之，本试验证明，较全视野IVIM成像而言，脊柱骨髓小视野IVIM成像拥有更好的图像质量，获得的参数值可能更为准确。

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