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综述
体素内不相干运动成像的基本原理及其在干燥综合征中的应用进展
刘奎环 丁长伟

Cite this article as: Liu KH, Ding CW. The basic principle of intravoxel incoherent motion imaging and its application progress in Sjogren's syndrome[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(1): 161-163.本文引用格式:刘奎环, 丁长伟. 体素内不相干运动成像的基本原理及其在干燥综合征中的应用进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(1): 161-163. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.01.038.


[摘要] 干燥综合征(Sjogren's syndrome,SS)是一种系统性自身免疫疾病,涎腺影像学检查对其诊断有重要作用。体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion,IVIM)成像是一种多b值扩散加权成像,可从分子水平反映并可量化分析组织中的单纯水分子扩散和灌注相关扩散情况,由此反映组织的病理及功能状态,具有独特优势。笔者对IVIM成像的基本原理及其在SS中的应用进行综述。
[Abstract] Sjogren's syndrome (SS) is a systemic autoimmune disease, and imaging examinations of the salivary glands play an important role in its diagnosis. Intravoxel incoherent motion (IVIM) imaging is a kind of multi-b diffusion weighted imaging, which can reflect and quantify the diffusion of pure water molecules and perfusion-related diffusion in the tissue at the molecular level, and then reflect the pathological and functional status. The author reviewed the basic principle and current application progress of IVIM technology in SS.
[关键词] 干燥综合征;磁共振成像;体素内不相干运动成像;腮腺
[Keywords] Sjogren's syndrome;magnetic resonance imaging;intravoxel incoherent motion imaging;parotid gland

刘奎环 1, 2   丁长伟 1*  

1 中国医科大学附属盛京医院放射科,沈阳 110004

2 盘锦辽油宝石花医院放射科,盘锦 124010

丁长伟,E-mail:18940254003@163.com

全部作者均声明无利益冲突。


基金项目: 辽宁省自然科学基金 20170541045
收稿日期:2021-07-27
接受日期:2021-12-06
中图分类号:R445.2  R442.8 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.01.038
本文引用格式:刘奎环, 丁长伟. 体素内不相干运动成像的基本原理及其在干燥综合征中的应用进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(1): 161-163. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.01.038

       干燥综合征(Sjogren's syndrome,SS)是一种主要累及外分泌腺的慢性进行性自身免疫性疾病,常累及涎腺和泪腺,导致口干、眼干等症状[1]。SS多见于女性,是一个全球性疾病,患病率较高,约为0.1%~0.7%,国人约为0.3%~0.7%,在老年人群中高达3%~4%[2]。SS病损涎腺的主要病理改变是淋巴细胞浸润,继而发生进行性不可逆的腺泡破坏、萎缩、间质纤维化,伴有腺体内脂肪沉积[3]。SS的诊断需要依据综合多项主、客观指标综合诊断,目前SS的分类(诊断)标准尚未统一、且仍在不断出新。涎腺的影像学检查是SS诊断的重要手段之一,MRI软组织分辨力高,安全无创,成像技术丰富,不但能反映组织形态学特点,还能揭示功能信息,对于SS极具应用前景。体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion,IVIM)成像通过多b值成像的双指数模型将水分子扩散及灌注效应区分开并进行定量的MRI功能成像,本文主要对IVIM技术的基本原理及其在SS腮腺成像方面的应用予以综述。

1 IVIM的基本原理

       人体组织内的水分子因受周围介质的约束,其扩散运动将受到不同程度的限制。MR扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)能通过检测水分子扩散运动受限来反映组织微观结构特点和功能变化[4]。常规DWI采用双b值(0 s/mm2,>200 s/mm2)的单指数模型成像,主要反映组织内的水分子扩散受限情况,并可通过计算表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)值量化评价。

       实际上,人体组织中水分子的运动形式除了扩散运动以外还有组织血流灌注造成的运动,灌注运动会影响ADC的测值[5]。1986年,Le Bihan等[6]提出了基于DWI的双指数模型IVIM概念,通过计算至少4个不同b值(包括b=0 s/mm2)获得的信号能够同时得到活体组织内水分子扩散和毛细血管灌注信息:低b值(<200 s/mm2)主要反映毛细血管灌注,高b值(>200 s/mm2)主要反映水分子扩散运动[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]。其双指数模型公式为:Sb/S0=(1-f)×exp (-b×D)+f×exp [-b×(D*+D)],其中Sb、S0分别代表特定b值(b≠0)和b=0时体素内平均信号强度;D为真扩散系数,代表体素内单纯水分子扩散运动,其不受组织微循环影响,较ADC值更准确地反映组织中水分子扩散受限情况[12,14];D*为伪扩散系数,代表体素内微循环灌注相关的不相干运动;f为灌注分数,代表体素内微循环相关的扩散占总体扩散的百分率,与毛细血管血容量有关。D*值通常标准差较大,信噪比较低,稳定性较差,而且受多种因素影响,结果可信度低[15, 16, 17, 18]。D和f值的稳定性相对较好,更有实际应用价值。Xu等[19]的研究也证明,D和f值对评估正常腮腺的价值显著高于D*值。

2 IVIM腮腺成像在SS中的应用

       SS累及涎腺的主要病理改变主要有两种:一种是腺体内淋巴细胞浸润,导致腺体细胞凋亡、腺泡破坏、腺体萎缩、纤维增生,伴有弥漫性脂肪组织沉积;另一种病变为血管炎,往往由冷球蛋白血症、高球蛋白血症或免疫复合物沉积引起。研究表明,新血管生成在SS受累涎腺腺体内非常明显[20]。在SS患者唇腺内血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)-A及其主要受体VEGFR-2表达增加,而且随炎症程度增加,VEGF-A/VEGFR-2的表达和微血管密度(microvascular density,MVD)也相应增加[21]

       腮腺常规MRI能从形态学上揭示SS特征性的进行性的弥漫性脂肪沉积并可按其严重程度分级进行半定量评价,已经成为SS的重要检查手段之一[22,23]。但是腮腺常规MRI对于尚未出现脂肪沉积的SS早期阶段的诊断价值有限,更不能准确反映腺体的功能状态和评价治疗效果。IVIM技术能通过检测水分子扩散运动受限来反映组织微观结构特点和功能变化,同时还能反映组织内毛细血管灌注情况,一些学者已成功地将其应用于腮腺成像,主要涉及:健康成人年龄、性别和偏侧性对腮腺IVIM的影响[19]、味觉刺激引起的腮腺灌注变化[24]、腮腺早期辐射损伤的评估[25, 26, 27, 28]、腮腺肿瘤[29,30]以及SS的腮腺评估[31, 32, 33, 34]等。Xu等[19]对108名健康成人的腮腺IVIM成像研究结果表明,腮腺D值和f值与年龄呈负相关,推测这可能是因为随着年龄的增长,腮腺实质脂肪成分增多以及部分被纤维成分替代,而D*值与年龄没有相关性;男性D、D*和f值均高于女性;左右两侧没有偏侧性差异。Becker等[24]的研究结果表明,味觉刺激能迅速引起腮腺f值的显著升高,反映了由味觉刺激引起的腮腺灌注增加。受辐射后早期,腮腺的D值和f值均将显著增加[25,28]。D值显著增加的原因可能是由于辐射诱导腺泡细胞广泛坏死而导致细胞密度降低和水分子扩散增加;f 值增加归因于辐射引起的血管水肿而导致血管舒张和血容量增加,并超出了辐射后微血管密度降低对灌注的影响。辐射后腮腺IVIM灌注相关参数与动态增强MRI参数具有相似的变化模式,这表明无创、安全、可重复性好的IVIM技术可以替代动态增强MRI来评估腮腺微血管辐射损伤[25]。腮腺恶性肿瘤的D值显著低于良性肿瘤,这与DWI的ADC值的研究结果[35]类似;多形性腺瘤的D值显著高于恶性肿瘤和Warthin瘤。Warthin瘤的f值显著高于恶性肿瘤和多形性腺瘤,这可能是由于Warthin瘤具有更高的毛细血管密度[29]

       SS累及涎腺的病理改变中,淋巴细胞浸润、纤维化将造成的水分子扩散受限,血管炎将导致微循环灌注改变,这使能同时反映水分子扩散受限情况和微循环灌注情况的IVIM技术在SS腮腺成像的应用具备了充分的理论基础。冯倩倩等[31]分析了一组有口眼干症状患者的腮腺IVIM数据,结果表明:SS患者腮腺的D值显著低于非SS患者,这与DWI的ADC值的研究结果[23]类似,体现了SS患者腮腺内由于淋巴细胞浸润和腺体纤维化造成的水分子扩散受限;SS患者腮腺的f值显著高于非SS患者,这反映了病理上SS受累腮腺非常明显的新血管生成和MVD增加的血管炎改变;D*值在两组间差异无统计学意义;D、f值可用于鉴别SS患者与非SS患者,特别是联合常规MRI的形态学特点,诊断准确率将更高。对于常规MRI表现正常的早期SS患者,有研究[32,33]表明,其腮腺IVIM参数D、f和D*值均显著高于健康志愿者。这可能是早期的SS患者腮腺淋巴细胞浸润、腺体内水肿和毛细血管通透性增加,使得细胞外空间扩大,水分子扩散增加且微循环灌注增加的结果[13,14,33]

       Chu等[33]、冯倩倩等[31]还按照Makula等[36]对SS患者腮腺MRI形态学分级的方法进行分级(即:0级:正常腮腺,腮腺实质信号均匀;1级:腮腺信号不均匀,有细网状或小结节信号,结节直径<2 mm;2级:中等结节,结节直径2~5 mm;3级:粗结节,结节直径>5 mm),比较不同级别的IVIM参数的差异。结果表明,不同级别SS腮腺的D值和f值之间差异具有统计学意义,D值和f值与MRI形态学分级呈负相关[30,34],但是各级别之间存在显著的重叠[30,34]。与上述D值变化规律不同的是,Sumi等[37]的DWI研究结果显示SS早中期阶段腮腺ADC值逐渐增高,晚期阶段ADC值明显减低。而且,上述分级方法又不同于更被广泛采用的基于腮腺内脂肪沉积程度的分级方法[3,22,23]。所以,不同程度SS腮腺损伤的IVIM参数变化规律尚有待于进一步深入研究。

       既往研究[32, 33, 34]均采用靠近腮腺边缘绘制较大感兴趣区的方法进行IVIM参数测算。有学者认为[23],DWI是基于脂肪抑制的成像技术,采用大的感兴趣区进行测算对于无明显脂肪沉积的SS早期病变影响不大,但是对于有明显脂肪沉积的SS进展期,大的感兴趣区势必会包含信号被抑制的脂肪而影响结果,建议采用小的感兴趣区,以尽量避开腺体内沉积的脂肪。

3 小结与展望

       综上所述,IVIM成像通过定量参数分别评价组织内水分子的扩散运动成分和血流灌注成分,能更好地反映组织病理和功能状态,利用IVIM技术评估SS患者的腮腺损伤方兴未艾,目前存在着相关研究较少、样本量较少等缺陷,相信随着研究的深入,IVIM对于SS的早期诊断、病损腮腺的病理生理状态评价、疗效评估乃至治疗后随访都将发挥重要作用。另外,IVIM技术在扫描方式、b值选择、参数算法、参数意义等方面仍未“标准化”,而且灌注参数D*稳定性差,这些都是限制IVIM的广泛应用而需要解决的关键问题[11]。相信随着技术的不断完善和提高,IVIM会有更广阔的应用前景。

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