磁共振彌散成像分?jǐn)?shù)微積分模型在兒童腦腫瘤中的臨床應(yīng)用.pdf

1、背景:
　　 磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像(Diffusion-weightedImaging，DWI)是近年來研究非常廣泛并不斷深入的磁共振功能成像技術(shù)之一。DWI可通過細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境水分子擴(kuò)散運動狀態(tài)的改變，間接檢測腫瘤組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而反映細(xì)胞的密度和細(xì)胞排列。惡性腫瘤細(xì)胞的密度一般高于正常組織，且癌性間質(zhì)成分增多，導(dǎo)致水分子自由擴(kuò)散運動空間減小、運動速度降低而在DWI上表現(xiàn)為相對高信號；通過單指數(shù)模型計算得到的表觀彌散系數(shù)

2、(ADC)值則減小。ADC作為經(jīng)典的DWI功能定量參數(shù)已被廣泛接受并應(yīng)用于臨床。但是，上述傳統(tǒng)的單指數(shù)模型建立在假設(shè)人體組織是單一均勻物質(zhì)的基礎(chǔ)上。實際情況下，由于人體組織成分結(jié)構(gòu)混雜的特性，單指數(shù)模型無法提供更多反映組織成分和結(jié)構(gòu)變化的信息。另外，ADC值是在單一低b值條件下獲得的參數(shù)，不能反映水分子擴(kuò)散速度這一間接因素，無法進(jìn)一步反映引起速度改變的物質(zhì)基礎(chǔ)(如細(xì)胞密度和均勻度、擴(kuò)散空間距離等)，而后者才是評價惡性腫瘤生物學(xué)行為更為直

3、接的指標(biāo)。隨著近年來多b值技術(shù)成像研究發(fā)現(xiàn)，隨b值增大，。DWI圖像上組織信號的變化并不遵循單指數(shù)遞減的規(guī)律，從另一個方面證明了ADC值的局限性。因此，近年來，隨著DWI成像機(jī)制研究地不斷深入，相繼提出了多個新的擴(kuò)散模型；包括雙指數(shù)模型(Bi-exponentialmodel)、統(tǒng)計分布模型(Statisticalmodel)、拉伸指數(shù)模型(Stretched-exponentialmodel)[1]和IFROC模型(分?jǐn)?shù)微積分模型，F(xiàn)

4、ractionalOrderCalculusmodel)等；同時隨之出現(xiàn)了很多新的參數(shù)，如fast/slow-ADC值(雙指數(shù)模型)，ADC、σ值(統(tǒng)計分布模型)，DDC、α(拉伸指數(shù)模型)和D、β、μ值(FROC模型)等。這些新的模型中的參數(shù)從不同角度深入研究了水分子在人體組織內(nèi)的實際運動情況，同時也為疾病診斷提供了新的評價指標(biāo)。
　　 腦腫瘤是兒童最常見的實性腫瘤，也是繼白血病之后第二常見的兒童惡性腫瘤，并且在所有惡性實性腫

5、瘤中死亡率最高，故腦腫瘤嚴(yán)重危及兒童生命。盡管臨床上利用多種影像學(xué)方法診斷兒童腦腫瘤，但是傳統(tǒng)磁共振檢查在某些方面并不能很好的反映各種兒童腦腫瘤病理特征，仍然存在腫瘤誤診或者分級不當(dāng)?shù)那闆r。如何準(zhǔn)確診斷兒童腦腫瘤是臨床工作的一個重點及難點。
　　 研究目的:
　　 本研究首次采用FROC模型研究兒童腦腫瘤，旨在探討FROC模型的臨床應(yīng)用價值和前景。同時對模型中各參數(shù)進(jìn)行定量分析及比較，研究各參數(shù)之間的關(guān)系及其與腦腫瘤組織

6、結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，并且利用不同的參數(shù)對不同級別腦腫瘤進(jìn)行鑒別，以尋求更好的影像鑒別方法。另外，通過對目前較流行的多個磁共振彌散新技術(shù)模型之間的比較，探討不同模型在同一種腦腫瘤中的臨床應(yīng)用價值及其優(yōu)缺點，為磁共振彌散新技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床工作提供研究依據(jù)。
　　 研究方法:
　　 本研究運用3.0T磁共振掃描儀(GE，HDxt)，并輔以12個b值，范圍為0-4000s/mm2；以FROC模型為基礎(chǔ)，首先應(yīng)用于健康志愿者，研究正常腦

7、組織的彌散成像特點及所含三個參數(shù)的臨床意義。其次應(yīng)用于32例兒童腦腫瘤患者，按照2007年最新WHO中樞神經(jīng)系統(tǒng)分類方法將腦腫瘤分為高低級別兩組，利用FROC模型技術(shù)原理及三個參數(shù)對兩個級別腫瘤進(jìn)行分析及比較，并繪出不同參數(shù)的彩色圖譜。通過統(tǒng)計學(xué)方法研究高低級別腦腫瘤在FROC模型各參數(shù)間的差異。同時對同一種腦腫瘤(毛細(xì)胞星形細(xì)胞瘤及髓母細(xì)胞瘤)進(jìn)行多個彌散新模型(拉伸指數(shù)模型、統(tǒng)計分布模型及單指數(shù)模型)的比較及各模型不同參數(shù)的分析，比

8、較不同模型與參數(shù)間的聯(lián)系，探討多個磁共振彌散模型優(yōu)缺點。另外分析腦腫瘤組織與正常組織之間的組織學(xué)特點和異同。
　　 結(jié)果:
　　 本研究中3名健康志愿者，F(xiàn)ROC模型在高b值條件下應(yīng)用于正常組織評估，其中參數(shù)D為彌散系數(shù)，β與組織均勻程度相關(guān)，μ與水分子彌散間距相關(guān)。
　　 本研究的兒童腦腫瘤患者共有32例，其中有2例毛細(xì)胞星形細(xì)胞瘤患者和1例髓母細(xì)胞瘤由于患者運動偽影較大被剔除。余29例患者中男性18例，女性1

9、1例，年齡分布4月至7歲，平均年齡為3.3歲。29例病理證實的腫瘤類型按照WHO中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類，將Ⅰ、Ⅱ級的腫瘤歸為低級別腦腫瘤，共有14例；將Ⅲ、Ⅳ級的腫瘤歸為高級別腦腫瘤，共有15例。腫瘤的多b值圖像顯示，低級別腦腫瘤隨著b值增加，磁共振信號逐漸減弱，到b>2000s/mm2時，磁共振信號基本消失。而高級別腦腫瘤恰好相反，b值越高，腫瘤信號強(qiáng)度比周圍組織越高，腫瘤顯示比周圍組織越明顯。比較高低級別腦腫瘤，高級別腦腫瘤的D、β與

10、μ值整體上均低于低級別腦腫瘤，兩者具有統(tǒng)計學(xué)差異(p<0.05)。通過描繪ROC曲線計算曲線下面積(AUC)，發(fā)現(xiàn)D、β與μ值均有助于區(qū)分兩類腦腫瘤，但是D與μ值在兩類腫瘤間均有不同程度上重疊，β是三個參數(shù)中最好的方法。
　　 利用四個彌散模型對髓母細(xì)胞瘤和毛細(xì)胞星形細(xì)胞瘤的分析發(fā)現(xiàn)，四個模型中的彌散系數(shù)D數(shù)值比較接近，通過非參數(shù)檢驗，p>0.05，四者之間沒有統(tǒng)計學(xué)差異。但是模型中的α、β及μ在腫瘤組織與正常組織中有較大差異，

11、三者間均具有統(tǒng)計學(xué)意義(p<0.05)。FROC模型對不同組織內(nèi)水分子擴(kuò)散速度、擴(kuò)散距離及不同組織結(jié)構(gòu)均勻性都進(jìn)行了量化分析，結(jié)果表明FROC是各模型中提供參數(shù)最多、機(jī)制解釋最為細(xì)致的模型。
　　 結(jié)論:
　　 FROC模型不僅可以很好地應(yīng)用于健康志愿者研究，同時還可以應(yīng)用于兒童腦腫瘤的研究。D、β與μ值有助于區(qū)分不同級別的兒童腦腫瘤，但β是三個參數(shù)中最敏感有效的參數(shù)。四個不同模型中彌散系數(shù)D值相近，參數(shù)σ、β及μ值在同