[研究背景]磁共振扩散加权成像(Magnetic Resonance diffusion weighted imaging, DWI)是利用MRI观察活体组织水分子扩散运动最理想的无创性成像方法。目前,DWI在神经系统疾病的诊断和评价方面已十分成熟。随着磁共振成像硬、软件技术的进步,近年来,DWI的临床应用也越来越广泛,除中枢神经系统外,还逐渐应用于全身各个系统,其中在腹部系统的应用也越来越广泛。国内、外不少学者研究认为DW[在肝脏小病灶的检出、肝脏病灶的鉴别诊断、肿瘤疗效评价及组织特征定性等方面有重要价值。因此,肝脏DWI成像质量对肝脏疾病诊治有着非常重要意义。目前为止,肝脏的DWI研究仍处于热点,原因主要是DWI对运动高度敏感,呼吸、心跳、腹部脏器的蠕动等生理活动都会对肝脏DWI成像质量有较大影响,以及常规SE-DWI序列成像时间较长,故DWI在肝脏的临床应用仍然面临挑战。平面回波成像(echo-planar imaging, EPI)及并行成像等超快速成像技术的出现是肝脏DW]一个新的里程碑,它能抑制或降低运动伪影,提高成像质量。单次激发自旋回波平面回波成像(single-shot spin-echo echo-planar imaging, SS-SE-EPI)是肝脏DWI最常用的序列,但心脏搏动仍然是潜在影响因素。尽管近年来快速成像序列不断发展,肝脏DWI质量有所提高,但仍存在运动伪影、信噪比低、ADC值误差大等问题困扰,其最主要的原因是受到生理运动的限制,这其中包括呼吸运动以及心脏运动。目前,呼吸运动的关注及研究较多,主要的呼吸补偿技术有自由呼吸(Free-breath, FB)、呼吸门控(Respiratory-triggerd, RT)、呼气末屏气(Breathhold, BH)、膈肌导航(Navigator-triggered, NT)四种。研究者认为各种方法各有利弊,对解决呼吸导致的图像运动伪影有一定帮助,但每组研究团队的结果并不统一。心脏运动带来的问题较少被关注。肝脏的弥散成像通常需要采集一系列不同b值的数据。如果在不加控制的情况下,这些DWI数据通常会在心动周期的不同时相(phase)下采集,没有一个稳定的触发时间(时相),所得到的DWI图像数据是否会因为心脏运动的影响而不同?DWI中,采集参数b值包含了时间参数与弥散梯度强度,b值越大,代表弥散加权程度越大。单指数模型ADC值的测量则需要使用至少两个不同b值的DWI数据,根据公式ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2)可得到(其中b1,b2为两个不同的b值,Sb2, Sb1为其对应的两个DWI的信号强度)。因此,心动周期不同时相获取的数据,体素位置发生变化,ADC值计算的准确性会受到影响。大多数学者认为心脏运动可能影响肝脏DWI测量数据的准确性,心脏搏动传递到肝脏可能引起体素不一致,甚至信号的丢失,特别肝左叶。因此,获取肝脏DWI测量参数具有可重复性的主要技术难点之一是如何克服心脏运动对其产生的影响,避免其信号丢失。本研究拟在肝脏弥散成像的采集过程中结合多种控制运动采集技术(呼吸门控、自由呼吸、膈肌导航、呼气末屏气、心电门控),探讨控制呼吸运动及心脏搏动对DWI影响降到最低的方案,提高肝脏DWI的成像质量和ADC值测量的准确性和稳定性,为临床评价肝脏疾病的诊断与治疗效果提供更可靠的客观量化数据,也是精准医学重要研究内容之一。1.研究目的探讨DWI多种采集技术,主要包括呼吸补偿技术(自由呼吸、呼吸门控、膈肌导航、呼气末屏气)与心电补偿技术(心电门控)配合使用所得正常肝实质ADC测量值大小及其可重复性研究。探讨心电门控在不同时相触发时间对正常肝实质ADC测量值及可重复性的影响。探讨正常肝实质不同解剖位置(前、中、后；上、中、下)ADC测量值及可重复性的影响。探讨肝脏DWI扫描技术优化方案,提高肝脏DWI的成像质量。2. 材料与方法2.1. 研究对象本研究方案通过广州市番禺区中心医院伦理委员会讨论及批准。选择2013年1月-2014年6月中青年健康志愿者36例,入组前均知情同意。所有研究对象均行肝脏DWI重复扫描检查(2次),扫描过程中分采用自由呼吸、呼吸门控、膈肌导航、屏气呼吸、心电门控等采集方法与技术。所有志愿者检查前均签署知情同意书。病例选择标准(1)没有任何肝脏疾病者(包括轻度脂肪肝)；(2)年龄在20-40岁之间；(3)半年内无药物服用；(4)无肝脏手术史；(5)无酒精滥用史；(6)无行MRI扫描的禁忌症(如金属植入,幽闭恐怖症等)；(7)肝功能正常,病毒性肝炎相关血清学标志物阴性；(8)能耐受屏气至少20秒：(9)没有任何心脏疾病,心电图及心功能正常。病例排除标准：(1)有肝脏疾病；(2)年龄小于20岁或大于40岁：(3)半年内有服用药物：(4)肝脏手术史：(5)有酒精滥用史；(6)有行MRI扫描的禁忌症(安装心电起搏器、幽闭恐惧症等)；(7)扫描过程中不能耐受屏气呼吸；(8)采集的图像质量差而无法评估者；(9)有任何心脏疾病或心电图、心功能之一异常者。2.2 MRI扫描序列所有志愿者均行2次完整肝脏MRI扫描,检查前测量心率、脉搏及呼吸次数。于胸骨左侧第2、5肋间隙及心尖搏动处贴上MRI专用电极片,并在扫描前进行常规规范的呼吸训练。常规仰卧位摆位,安装好心电门控及体部线圈,定位后采用头先进的准备扫描状态。常规序列包括定位相冠状面T2WI、轴位T1WI；15个冠状面DWI序列,分别采用自由呼吸,自由呼吸+心电门控,屏气(呼气末屏气),屏气(呼气末屏气)+心电门控、膈肌导航触发(在右侧膈肌最高点放置100mm矩形激发前脉冲探测右侧膈肌位置),膈肌导航触发+心电门控(共6种方案)进行扫描,其中采用心电门控技术时,触发延迟时间分别选择0ms或25ms、200ms、400ms及600ms。[备注：1、由于MRI机器工程物理设计原因,呼吸门控和心电门控不能同时使用,故没有采用呼吸门控技术+心电门控这一扫描方案,实验设计时对使用了呼吸门控采集图像进行分析,发现肝左叶及肝右叶呼吸门控与膈肌导航所收集的数据之间差异无统计学意义(左肝：P=0.212；右肝：P=0.677)。2、膈肌导航与心电门控同时使用时,最小触发时间为25ms)。DWI扫描序列采取单次激发平面回波成像(single-shot echo plannar imaging, SS-EPI),b值采用0及500sec/mm2。志愿者完成一次上述完整扫描后于48小时内再进行一次相同的参数肝脏MRI扫描,第二次扫描定位尽可能保证志愿者位置与前次一致。扫描结束后,将图像数据传至工作站进行后处理和分析。2.3 图像数据分析使用DWI采集的原始图像数据分析,感兴趣区分别放置于左右肝叶的上、中、下层面,测量ADC值,获取数据进行一致性分析。2.3.1 ADC图像生成与可重复性评估采用单指数线性函数模型获取平均ADC图,根据ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2)(S2、S1,分别为b取500、0s/mm2时的信号强度)得到ADC值,线性回归分析,采用最小二乘法拟合一条其残差平方和最小的最优直线。2.3.2肝脏ADC值测量一名大于5年肝脏DWI诊断经验医生使用两种方法测量ADC值。在使用方法一完成所有数据测量后10天使用第二种方法测量。方法一：用Image J软件(National Institutes of Health, Bethesda, Md)对每个序列中间三个层面进行测量。方法二：首先,使用将每个志愿者DWI序列扫描所得dicom格式的ADC图数据通过MRIcroN的数据转换工具转换成nii格式的数据。然后,使用Matlab8.1通过spm8的配准工具对每个志愿者每次扫描的15个ADC数据进行配准,校正数据间由于定位、运动等造成的数据错层与不匹配。数据配准分为两步,1)使用刚体配准(realign工具),以15个ADC数据计算形成平均数据作为参考图像,对15个ADC数据进行重新配准获得平均数据模板；2)以模板为参考图像,使用仿射变换(Normalize工具)对原始的15个未配准的ADC进行精细配准。最终,获得一个15个序列叠加配准图。接着,使用MRIcroN对配准模板图中间三个层面进行ROI画取,获取要求同方法一。最后,使用Matlab 8.1将所有ROI测量数据导出。同一志愿者的两组数据用于两种方法一致性的评估。2.3.3肝脏感兴趣区(Region of interest,ROI)的放置：每种采集技术所获得的5层ADC图中,选取中间三个层面图像,分为前、中、后三层,冠状面左、右肝分为上、中、下三等份,每一等份放置一个ROI,其面积均保持一致(面积为40mm2)。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。尽量保持两种方法ROI放置位置一致。每位志愿者被扫描两次。左、右2个肝叶,每层每个肝叶有3个ROI,前、中、后3层肝叶,15个序列,共计540个ADC值。2.4 统计分析2.4.1 ADC值表示方式ADC值表达方式为均数±标准差,并使用Levene检验用于方差齐性检验,Kolmogorov-Smirnov检验进行正态性检验。2.4.2两种方法测量值的一致性评估两种方法一致性评价采用相关系数(intra-and interclass correlation coefficients,ICCs)。肝左叶、肝右叶分别计算ICC,通过计算前、中、后三层各自上、中、下3个ROI的ADC平均值,用以计算肝左叶、肝右叶两次方法测量结果的ICC,当其高于0.75时,可认为一致性良好。2.4.3比较不同方法、不同肝脏解剖位置ADC值数据的一致性ADC测量值的一致性采用Bland-Altman方法评价两次扫描所得数据的平均绝对差值和平均差值的95%一致性范围(limits of agreement, LOAs),平均绝对差值和平均差值的95%一致性范围越小,重复性越好。2.4.4ADC值大小比较采用one-way ANOVA,比较肝左叶及肝右叶9个ROI测量所得ADC平均值,P<0.05,结果差异具有显著性统计意义。使用同一延迟触发时间不同呼吸补偿技术检查获得的数据使用two-wayANOVA, P<0.05,结果差异具有显著性统计意义。当结果差异具有显著性统计意义时,使用Bonferroni方法进行两两比较。相同呼吸补偿技术,但不同延迟触发时间检查获得的数据用two-way ANOVA, P<0.05,结果差异具有显著性统计意义。当有结果差异具有显著性统计意义时,使用Bonferroni方法进行两两比较。每肝叶9个ROI测量ADC值使用随机区组下析因分析,P<0.05,结果差异具有显著性统计意义。2.4.5统计软件采用SPSS 13.0统计软件包进行统计分析,P<0.05,结果差异具有显著性统计意义。。3. 结果3.1志愿者一般资料被纳入研究36例研究对象中,其中5例不符合纳入标准被排除,排除原因包括：3例由于在图像采集过程中不能很好地屏气,运动频繁导致图像运动伪影明显(共计2例)；采集时间太长无法耐受全部序列扫描完成(共计3例)。最后共计31例磁共振检查图像质量符合研究标准。31名研究对象,年龄范围21-36岁,平均年龄23.8±2.6岁。男性15名,年龄范围,21-36岁,平均年龄23.9±3.5岁；女性16名,年龄范围21-28岁,平均年龄23.7±1.6岁。第一次检查前,心率范围55-82次/分,平均心率71.5±7.5次/分；呼吸次数范围14-22次/分,平均呼吸17.9±2.4次/分。第2次检查前,心率范围60-80次/分,平均心率70.6±6.4次/分；呼吸次数范围13-22次/分,平均呼吸次数17.8±2.4次/分。3.2两组测量方法间的一致性分析所得两组数据一致性ICC范围：肝左叶为0.776至0.966。最低ICC来源于NT+ECG延迟25ms,为0.776；最高的ICC为来源于NT+ECG延迟400ms,0.966。肝右叶为0.870至0.967。最低ICC来源于BH,为0.870；最高的ICC为来源于FB+ECG延迟200ms,0.967。总体说,肝右叶两次测量数据分析所得一致性ICC范围较肝左叶高.3.3 FB、BH、NT三种技术配合不同心电门控延迟触发时间获得肝左、右叶ADC值的一致性肝左叶ADC测量值可重复性均较肝右叶差。肝左叶非ECG两次扫描ADC值一致性范围结果,FB技术采集结果(-0.36,0.47)×10-3mm2/sec, BH技术采集结果(-0.31,0.46)×10-3mm2/sec,NT结果(-0.44,0.61)×10-3mm2/sec;肝右叶非ECG两次扫描一致性范围,FB结果(-0.26, 0.35)×10-3mm2/sec, BH结果(-0.19,0.23)×10-3mm2/sec, NT结果(-0.29,0.36)×10-3mm2/sec。不加心电门控的数据比较,BH结果[肝左叶(-0.31,0.46)×10-3mm2/sec;肝右叶(-0.19, 0.23)×10-3mm2/sec]的重复性最好。心电门控与呼吸补偿同时使用时,比较12个心电门控与呼吸补偿技术序列,肝左叶NT+ECG 400ms获得数据的差值范围最小(-0.27,0.46)×10-3mm2/sec,肝右叶为NT+ECG 600ms获得数据的差值范围最小为(-0.25,0.32)×10-3mm2/sec。比较左、右两叶4个不同延迟时间获得的数据,总体来说,ECG延迟600ms的数据结果重复性较0ms、200ms、400ms好。ECG延迟600ms时,肝左叶两次扫描一致性范围,FB结果(-0.44,0.54)×10-3mm2/sec,BH结果(-0.34,0.55)×10-3mm2/sec,NT结果(-0.44,0.6)×10-3mm2/sec。肝右叶两次扫描一致性范围,FB结果(-0.29,0.34)×10-3mm2/sec,BH结果(-0.31,0.39)×10-3mm2/sec,NT结果(-0.25,0.32)×10-3mm2/sec。3.4肝脏冠状面不同解剖位置的ADC测量值一致性结果FB. BH, NT三种技术配合不同心电门控延迟触发时间中,左叶及右叶的ADC测量值结果由上到下表现为递减趋势,结果差异均具有非常显著性统计学意义(P<0.001)。从前到后,前中后三层三者之间ADC值测量结果并无规律,虽然三者之间结果差异具有非常显著性统计学意义(P<0.001),但是前中、前后、中后两两比较大部分没有统计学意义(左叶P=0.058-0.943；右叶P=0.055-0.838)。在不同呼吸补偿技术配合不同心电门控延迟触发时间下,肝脏冠状面不同解剖位置的重复性并不统一,变化较大。肝右叶的FB. NT方法采集数据的一致性较好的ROI测量点较为统一,为前层下方点。3.5肝左叶、右叶平均ADC值对比测量肝脏左、右两叶平均ADC值及标准差,结果表明肝左叶的ADC值大于肝右叶,且结果差异具有非常显著性统计学意义(P<0.001)。在较小延迟时间(0ms-200ms)下,无论肝左、右叶NT配合心电门控技术测量值高于BH与FB配合心电门控技术的结果,其差异具有统计学意义。在较长延迟时间(400ms与600ms)下,肝左叶ADC均值三种方法之间差异并无统计学意义。肝右叶在400ms延迟触发时,三种呼吸运动控制技术结果差异有统计学意义,但在600ms延迟触发时,FB与NT扫描结果高于BH扫描结果,结果差异有统计学意义。在肝左叶中,与最小触发时间NT+ECG 25ms(肝左叶：1.812×10-3mm2/s)对比在较长延迟时间NT+ECG400ms获得的ADC值有下降(肝左叶：1.700×10-3mm2/s)。BH采集,随着延迟时间增加,ADC值略有增高；BH+ECG采集时,0ms(肝左叶：1.637×10-3mm2/s); BH+ECG采集时,延时600ms(肝左叶：1.715×10-3mm2/s),结果差别具有显著性统计学意义(P=0.008)。肝右叶区域,BH采集时ADC值同样随着延迟时间增多而增大,结果差异具有非常显著性统计学意义(P<0.001),但FB+ECG与NT+ECG不同延迟时间采集技术获得的ADC值结果,其差异不具有显著性统计学意义P=0.063-0.667；P=0.131)。4.结论1)不使用心电门控技术,BH呼吸补偿方式采集肝左叶及肝右叶获得ADC值具有较好的可重复性。2)对比肝左叶15个冠状面序列发现：在NT配合心电门控延迟400ms时,肝左叶可重复性较好,说明心电门控技术可以克服心脏搏动对肝左叶ADC数据采集的影响。使用心电门控技术,对肝右叶采集数据的一致性影响不明显。综合肝左、右叶的数据,延迟触发600ms采集数据可以获得较好的一致性。