来源:程景风,郑宁,王光彬.DKI在头颈部病变的研究进展[J].医学影像学杂志,,29(05):-+.
传统的扩散加权成像(diffusion-weightedimaging,DWI)反映了活体组织内水分子微观扩散情况,基于水分子扩散运动符合高斯分布,但是大部分活体组织内水分子扩散运动并不符合高斯分布。因此,JH等年就已经提出了扩散峰度成像(diffusionkurtosisimaging,DKI)模型,以期探究真实体内组织水分子扩散现象。
1.DKI成像原理
传统的DWI基于人体水分子扩散符合正态分布,但由于组织类型、大多数组织的复杂结构(如细胞膜、细胞器)、生化特性等,导致水分子扩散实际上偏离正态分布。且随着b值的增加(尤其b>s/mm2),非高斯扩散现象越明显。相比较传统的DWI,DKI所用的b值要更高。DKI引入峰度(kurtosis)的概念来量化真实水分子扩散位移与理想的高斯分布水分子扩散位移间的偏离,是广泛应用的DTI技术的延伸,需要至少3个b值及15个以上扩散方向。
DKI作为多参数成像模型,目前在临床应用研究中常用的参数值有平均峰度系数(meankurtosis,MK)、平均扩散系数(meandiffusivity,MD)。
2.DKI在头颈部病变中的应用
目前,DKI在颌面部病变临床应用主要体现在良、恶性肿瘤鉴别、辅助放化疗疗效评估,还有功能性研究。
2.1良恶性肿瘤的鉴别诊断
DKI在头颈部肿瘤中的应用报道在国内报道很少,俞顺等发现良性肿瘤(不包括腺淋巴瘤)的MK值明显低于恶性肿瘤,其中腺淋巴瘤的MK值明显高于恶性肿瘤,而良性肿瘤中的混合瘤的MK值明显低于恶性肿瘤。于金芬等提出MK值与肿瘤的恶性程度成正比,这里要除外腺淋巴瘤。同时发现MK值在鉴别腮腺良恶性肿瘤方面较KA值和MD值更加敏感,特异度也更高,研究者还提出腮腺良性和恶性肿瘤MK值、FA值和MD值的诊断临界值分别是1.、0.和0.(×10-3mm2/s),这为腮腺肿瘤良恶性的鉴别提供了参考阈值。
Ma等在鉴别头颈部肿块良恶性时发现,恶性肿块有着更低的ADC、MD值,而MK值却高于良性肿块,这与俞顺、于金芬等在腮腺肿瘤中的研究结果基本保持一致。最后指出联合MD值和MK值相较单独使用ADC值,可提高诊断准确性,受试者工作特性曲线下面积分别为0.、0.。关于鼻窦病变也得出类似的结论。Jiang等还发现由常规DWI产生的ADC值在鉴别鼻窦良恶性病变诊断中存在相当大的重叠。而良性病变中的纤维性骨肿瘤和釉质细胞瘤的MK值高于其他良性病变,MD值低于其他良性肿瘤;恶性病变如骨肉瘤的MK值低于其他恶性病变;恶性纤维组织细胞瘤和骨肉瘤等恶性病变的MD值高于其他恶性病变。
与DWI相比,DKI可以将腺样囊性癌和恶性纤维组织细胞瘤等恶性病变与良性病变区分开,与MD值相比,MK值可以将恶性病变如腺样囊性癌与良性病变区分开。其研究结果显示,MK和MD值对于良恶性鼻窦病变鉴别的敏感性高于ADC,其中,MK值的诊断敏感性最高。有研究发现腺淋巴瘤在腮腺疾病中具有更高的MK值,而混合瘤与其他良性肿瘤的MK值较低。这与俞顺等研究结果保持一致。
DKI比常规DWI在腮腺疾病诊断中有更高的准确性。峰度系数比弥散系数有更好的诊断能力。同时指出,联合多参数可以进一步提高诊断准确性,其敏感性、特异性、准确性以及阳性、阴性预测值分别为71.43%,95.78%,91.77%,76.92%和94.44%。Shi等发现桥本甲状腺炎的ADC值显著低于腺瘤,但这种差异在MD值上没有体现。组织病理学研究还揭示了经DKI矫正过的MD值比ADC值更好的与细胞外结构变化相关联,MK值则与细胞内结构有关,这仍需进一步研究。
Zhong等在对裸鼠行人鼻咽癌异种移植的模型中,发现ADC、MD值与细胞密度、细胞核部分、胞外空间部分和细胞核与胞外空间的比值显著相关,MK值与细胞核部分、细胞质部分和细胞核与细胞质的比例显著相关。
2.2疗效预测与评估
鼻咽癌是我国高发恶性肿瘤之一,发病率居耳鼻咽喉恶性肿瘤之首。准确的临床分期对鼻咽癌治疗方案的制订、疗效评估以及预后的判断非常重要。而且大多数肿瘤早期对放射治疗具有很好的敏感性。鼻咽癌常采用放化疗综合治疗,优化的个体化治疗方案对疗效及预后具有至关重要的影响。
Chen等提出DKI及单指数模型DWI预测晚期鼻咽癌患者的新辅助化疗治疗反应先于形态学改变,在这方面显示着巨大的潜力。尤其是治疗后四天的ADC、MD值,二者在鉴别治疗反应组与非反应组中效用最大,受试者工作特性曲线下面积分别为0.和0.。国内研究者吴刚等发现RK(径向峰度,临界值=0.76)是最好的预测鼻咽癌放疗敏感性的参数,ROC曲线分析该参数显示灵敏度为77.8%,特异度为93.7%。
Zheng等将DCE-MRI和DKI技术应用于鼻咽癌的新辅助化疗,发现联合应用两种技术与单独使用DCE-MRI或DKI技术在新辅助化疗两个周期后鉴别反应组与非反应组中,ROC曲线下面积分别为0.、0.、0.,证实联合应用DCE-MRI和DKI可提高对新辅助化疗评估的诊断准确性。Wang等研究了DKI在鼻咽癌患者放疗后颞叶的相关变化,发现颞叶灰白质的MK值在放疗一个礼拜后明显增高,在放疗半年和一年后都明显降低。然而颞叶灰白质的MD值在放疗一周后明显降低,在放疗半年和一年后恢复到正常。其提出对于鼻咽癌患者,DKI可用于监测颞叶灰、白质受放疗后诱导的改变。
LU等认为DKI可以在鼻咽癌患者出现颞叶坏死前监测到相对微妙的由放疗引起的大脑异常,尤其在放疗一个月后,颞叶的MK值较前明显降低,并可能为颞叶白质微结构异常提供一种灵敏的成像技术,而这种异常在传统MRI模式下是沉默的,但是在放疗后先于颞叶坏死出现。因此,DKI可作为一种活体图像标记。此外,还有部分研究探索DKI在其他头颈部恶性肿瘤的疗效评估。
Wu等发现颈部非霍奇金淋巴瘤化疗反应组的ADC、MD值较化疗前明显升高,而MK值较化疗前下降明显。在治疗期间,MD值的变化幅度与ADC成正相关,而MK值变化幅度与ADC成负相关。Noriyuki等在放化疗法治疗头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)患者术后肉芽组织中残余肿瘤的可检测性中,使用了多种模型来测算弥散相关参数,其结果显示来自统计弥散模型中的Ds(弥散系数)和拉升指数模型中的α(弥散异质性)为存在残余肿瘤的预测因子。Ds值有很好的诊断准确性,要优于单指数模型中的ADC值。α值被认为反映了扩散的异质性,反映了由水扩散的高斯分布所产生的信号衰减的不同程度。
2.3功能性研究
Chen等发现干燥综合征患者组腮腺的MD值和ADC值明显高于健康志愿者。又通过形态学进行分类,发现干燥综合征患者腮腺的MD值和ADC值与分类等级呈负相关。在干燥综合征患者组中,腮腺的MK值与分类等级呈正相关。此外,参数MK可能对反应评估有更大的潜在影响,这需要进一步的确认。在DKI各个参数中,腮腺的MD值在诊断干燥综合征的准确性最高,达75%,高于ADC及MK值。NanZhou利用DKI对32名鼻咽癌患者放疗引起的放射性腮腺损伤进行了研究,发现在放疗期间,腮腺的ADC、MD值发生了上升,而腮腺的体积和MK值下降的很明显,而且在放疗后,还发现腮腺的MD值与平均放射剂量呈正相关。
3.局限性
目前,在对b值的选择上缺乏统一标准,多b值扫描序列使的扫描时间明显延长,在实际工作中增加了负担,并且多b值会使扫描图像质量更容易受到伪影的影响。同时,随着b值的增高,图像信噪比随之降低。对于感兴趣区选择情况及各参数的测量统计方法可能会对结果数据不可避免地产生一定影响。不同的磁共振设备和后处理软件所得到的结果可能也存在差异。故未在文中提及大量前者的研究数据,但是其研究价值不可否认。颌面部是DKI应用相对困难的区域,由于容易受到骨骼、空气、吞咽以及脑脊液或颈动脉相关流动等伪影的影响,有研究者提出缩短采集时间和减少相关搏动、流动效应至关重要,此外,还应用了心脏门控可提高多b值弥散各参数在头颈部的测量可重复性。国内有学者提出,采用较少b值,使用插值及改善b值采样模式等方法能效缩短扫描时间。
综上所述,DKI作为一种分析活体组织水分子非高斯扩散活动的多参数成像技术,通过参数量化实现了从高斯扩散到非高斯扩散的发展,更能真实反映组织微观结构,更好评价病变。虽然目前DKI仍处于研究阶段,需要大量临床数据及更精确的弥散模型来进一步评价其价值,但其已经成为头颈部病变多参数成像的一个重要组成部分,提高成像质量及各参数测量可重复性,使DKI模型更好地服务临床。