高场强术中磁共振成像高分辨率扩散加权成像在脑肿瘤中的应用研究

于阳，李琼阁，赵澄，赵晓静，齐志刚，宋双双，卢洁

1. 首都医科大学宣武医院 a. 放射科；b. 核医学科，北京 100053；2. 磁共振成像脑信息学北京市重点实验室，北京 100053

引言

扩散加权成像（Diffusion-Weighted Imaging，DWI）是目前唯一能够检测活体组织内水分子扩散运动的无创方法，反映活体组织空间结构及病理生理状态下各成分之间水分子的运动和交换功能[1-2]。在临床上，DWI主要用于超早期脑缺血诊断，但其在颅内肿瘤术后早期缺血方面的研究较少。术中磁共振应用DWI序列可以有效提高对颅内肿瘤术后早期缺血诊断的准确性[3]。术中磁共振成像是近十年来影像学辅助神经外科手术最重要的技术进步，可以帮助神经外科医生最大程度地切除颅内肿瘤，也最大限度地减少手术对功能区的损害同时保护重要组织结构[4-8]。

目前头颅磁共振检查中最常用的DWI序列采用的是单次激发平面回波成像（Echo Planar Imaging，EPI）技术，因受到相位编码方向上相对长的采样时间的限制，EPIDWI易产生伪影和模糊效应，图像质量无法得到保证[9]。肿瘤切除术后，在颅内留下很大的空腔以及固定患者的头架钉的影响，常规EPI-DWI序列已经无法满足术中核磁的扫描，会造成手术区域周边的结构磁场不均匀，从而产生磁敏感伪影，造成图像扭曲[10-11]。分段读出长可变回波序 列（Readout Segmentation of Long Variable Echo Trains，RESOLVE），通过分段读出平面回波技术和并行采集技术，对磁敏感伪影及金属伪影有显著的改善作用，可以大大提高术中磁共振扩散加权图像的质量[12]。本研究目的是在术中磁共振中应用RESOLVE-DWI序列与常规EPI-DWI序列并进行比较，研究颅内肿瘤切除后，在术中磁共振应用RESOLVE-DWI序列是否可以有效提高扩散加权图像质量。

1 资料与方法

1.1 一般资料

对21例手术指征明确的颅内肿瘤患者行颅内肿瘤切除术，在对肿瘤切除后颅骨缝合前行术中磁共振头颅增强扫描。其中男10例，女11例，年龄（46.62±12.32）岁。所有患者除患有颅内肿瘤外，均无其他严重全身疾病，所有患者均无MR扫描禁忌症。在手术前患者及其家属签署术中磁共振检查知情同意书，并且通过本院伦理委员会批准。

1.2 术中磁共振设备与方法

采用双室移动磁体超高场强磁共振系统（IMRIS公司，3.0T超导MR设备），术中专用12通道分体式头线圈。在将患者颅内肿瘤切除完毕后，先将手术室（Operating Room，OR）内所有非磁共振兼容设备和器械均移至5高斯线外，术野铺无菌巾，再以无菌塑料袋包裹患者。将术中专用线圈固定于患者头部后打开屏蔽门，再将磁体从诊断室（Diagnostic Room，DR）移入OR内。进行术中MRI扫描，具体扫描序列如：轴位T2WI、T1WI、T2FLAIR、EPI-DWI和RESOLVE-DWI，矢状位T1WI，增强序列重复以上T1WI序列。T1WI序列扫描参数：TR 163 ms，TE 3.05 ms，矩阵256×256，层厚5 mm，层间距1.2 mm，层数24，扫描时间39 s；轴位EPI-DWI序列扫描参数：TR 6200 ms，TE 85 ms，b 值 0、1000 s/mm²，矩阵 136×136，FOV 230 mm×230 mm，层厚5 mm，层间距1.2 mm，层数24，扫描时间1 min 35 s；轴位RESOLVE-DWI序列扫描参数：TR 4000 ms，TE 62 ms，b值0、1000 s/mm²，矩阵 136×136，FOV 230×230，层厚5 mm，层间距1.2 mm，层数24，扫描时间72 s。为保证两张扩散图像尺寸一致，层厚、层间距及成像矩阵均保持一致，相位编码均为前后编码，开启平行采集。

1.3 图像质量评价

1.3.1 图像质量综合评分

由两名资深放射科医师采用双盲阅片法后分别评判，意见不统一时，通过讨论协商达成一致。根据有无图像扭曲变形、影像的清晰程度、手术区域周边组织结构细节程度及金属异物伪影的影响，对图像进行评分。根据图像质量，最优为5分，最差为1分。图像清晰，手术区域组织结构细节显示明确，头颅无变形扭曲，选取手术区域图像不受头架钉及其他金属异物伪影影响得5分；图像清晰度差扣1分；手术区域组织结构显示不明确或有变形扣1分；整体头颅变形扭曲扣1分；颅骨及颅内产生金属异物伪影扣1分。

1.3.2 图像客观评价

在最大手术区域层面选取手术周边区域脑实质为感兴趣区（Region of Interest，ROI），计算每组图像ROI组织的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR），根据公式SNR=SI/SD0，SI为ROI信号强度的平均值，SD0为背景信号标准差。根据DWI图像自动生成的ADC图，选取相同部位ROI并测量ADC值，对ADC值分析。

1.3.3 分析图像畸变程度

畸变程度根据b=1000时DWI图像及T1解剖图在相位编码方向的解剖结构偏移大小表示。应用西门子后处理工作站，于b=1000的DWI图像手动勾画手术区域的轮廓，再将该轮廓复制到T1解剖图像，在相位编码方向上分别测量手术区域的最右端及最左端在两种图像边缘间的距离（Distortion Distance，DD ；DDr，DDl）[13]。

1.4 统计学方法

采用SPSS 21.0统计分析软件对数据进行统计学分析，以（±s）表示符合正态分布的计数资料。采用配对t检验比较常规DWI序列和RESOLVE-DWI序列的综合图像质量评分、信噪比、ADC值和图像畸变面积。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 RESOLVE-DWI序列和EPI-DWI序列的图像质量综合评分

RESOLVE-DWI序列图像质量优于EPI-DWI序列图像，尤其在手术区域层面图像扭曲程度及脑结构细节上的显示都优于EPI-DWI序列。RESOLVE-DWI序列的图像质量综合评分（4.19±0.51）分，EPI-DWI序列的图像质量综合评分（1.76±0.7）分，有显著统计学差异（P＜0.001，图1）。

图1 RESOLVE-DWI序列与EPI-DWI序列的图像质量综合评分的柱状分布图

2.2 RESOLVE-DWI序列和EPI-DWI序列的图像客观评价结果

RESOLVE-DWI序列图像的SNR明显高于EPI-DWI序列图像，这两种序列SNR值测量结果具有统计学意义（P＜0.001，图2），而两个扫描序列图像的ADC值没有统计学意义（P＞0.05）。

图2 RESOLVE-DWI序列和EPI-DWI序列图像ROI区域的SNR柱状分布图

2.3 对图像畸变程度的分析结果

RESOLVE-DWI图像的DDr及DDl均明显小于EPI-DWI图像（P＜0.001，见图3和表1），RESOLVE-DWI图像的颅脑内与手术区域周边的结构轮廓更加接近真实的解剖结构。

图3 RESOLVE-DWI与EPI-DWI序列图像对比分析

表1 两种扫描序列图像质量参数比较

3 讨论

目前，颅内肿瘤仍然以手术为主要治疗方法，部分颅内肿瘤呈浸润生长，在显微镜下难以区分肿瘤边界，造成肿瘤切除率低[14]，然而颅内肿瘤的切除程度与预后直接相关。随着影像学及神经外科技术的不断发展，术中磁共振成像技术可帮助手术医生最大程度切除肿瘤并且最大程度保护手术区域以外的颅内组织，优化手术策略达到最好的手术效果[15]。在术中磁共振中采用DWI序列扫描，有助于外科医生在超早期发现术后脑梗死并及时指导治疗。DWI技术对脑肿瘤术后脑梗死的早期诊断具有较高的敏感性和特异性。在局部脑组织缺血后DWI提示阳性的最短时间窗在30 min内。因此在术中核磁扫描中准确、清晰的DWI图像对神经外科术后评估极其重要。

在本研究中，常规DWI序列采用的是EPI-DWI，因受相位编码方向上相对长的采样时间的限制，此序列对磁敏感变化非常的敏感，极易容易产生图像变形扭曲和图像模糊[16-19]。应用术中磁共振在颅内肿瘤手术中行EPI-DWI序列扫描时，我们发现手术层面的图像伪影严重，主要原因有两点：① 在对颅内肿瘤手术后，会在正常脑组织周留下巨大的不规则空腔结构，此空腔结构与正常组织间磁敏感性存在差异，以及固定头颅的头架钉影响，造成局部磁场均匀性差、干扰信号强度，从而造成了信号的缺失，导致图像空间位置的改变，最终图像发生畸变[20]；② EPI-DWI在相位编码方向上K空间数据采样耗时较长，由于术中磁共振的磁场均匀性差，相位误差在相位编码方向上累积，导致重建的图像在这个方向发生畸变，畸变的体素叠加从而产生高信号伪影[21]。这两种原因导致了EPI-DWI磁敏感伪影主要表现为在颅内肿瘤切除后的空腔组织交界处的相位编码方向上，以及有头架钉支撑颅骨的区域处，图像发生变形，扭曲，以及SNR的下降。

2009年DA等[22]提出的读出方向分段采样EPI序列（RESOLVE-DWI）基于这些原因做出了改善，此序列在读出方向进行分段式采样，并结合全面自动校准部分并行采集技术，使图像质量与读出效率得到进一步提高[23-24]。本研究发现，将RESOLVE-DWI序列应用到术中磁共振中，颅内肿瘤手术中扫描得到的DWI图像质量综合评分优于EPI-DWI（P＜0.001），RESOLVE-DWI图像畸变程度均小于EPI-DWI，提示RESOLVE-DWI的图像质量明显优于EPI-DWI。因为RESOLVE-DWI基于EPI序列在读出方向上分段采样，回波间隙缩小与回波采样时间缩短，使回波之间误差累积效应和T2*穿透效应减弱少，从而减少磁敏感伪影和畸变程度。SNR是在影像学中最常用的图像质量评价指标，此次的研究中RESOVE-DWI图像的SNR远远高于EPI-DWI图像（P＜0.001），主要由于RESOLVE-DWI序列采用分段采集技术，每段的采集只采集信号强度的初级信号，因此提高图像的信噪比，从而提高了图像的空间分辨率[25]。高场强术中磁共振在国内并不多见，在磁场均匀度相对比较差的术中磁共振环境中，应用RESOLVE技术可以对DWI图像质量进行有效的优化，从而提高神经外科医生对肿瘤切除程度进行精准评价。在此次研究中还发现两种DWI序列在相同B值下，得出的ADC值稍有不同，但差异无统计学意义。这表明在颅内肿瘤术中核磁扩散加权序列扫描中RESOLVE技术对ADC值测量没有影响。

本次研究还存在一些局限性，其样本量较小，周期短，未能利用磁共振技术检测及评价各病例手术后治疗效果，还需进一步扩大病例数量，对入组病例进行定期随访复查，针对RSOLVE-DWI在术中磁共振检查中的临床价值更深入的研究。尽管术中磁共振可以帮助神经外科医生提高手术效果，但其操作复杂导致手术时间延迟，可增加术中感染风险。除此之外，高场强术中磁共振在国内的应用处于起步阶段，是否能降低手术并发症的风险，尚需更多病例与经验的积累。

综上所述，术中磁共振扫描中应用RESOLVE-DWI序列的图像质量远高于常规EPI-DWI序列的图像，图像的扭曲变形程度及磁敏感伪影明显减少，RESOLVE-DWI序列的SNR明显高于常规EPI-DWI序列。因此RESOLVEDWI序列可以广泛应用于术中磁共振扫描，提高DWI图像质量。RESOLVE-DWI序列有利于神经外科医生在颅脑肿瘤术后，对肿瘤切除范围进行精准评价，为术后脑缺血性脑梗死的预防提供治疗机会。