3.0T MRI上正常成人脑组织ADC值定量研究

【摘要】 目的 探讨在3.0T MRI上正常成人脑组织不同部位的表观弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值。方法 30例健康志愿者，男18例，女12例，平均年龄36岁，在3.0T MRI上行常规MRI及DWI检查，b值取0、1000s/mm2。在ADC图上测量不同部位的ADC值。结果 正常成人不同部位的ADC值如下：侧脑室前角脑脊液为（3.36±0.5)×10-3mm2/s；半卵圆中心为(0.72±0.05)×10-3mm2/s；豆状核为(0.71±0.04)×10-3mm2/s；尾状核为(0.76±0.04)×10-3mm2/s；海马为(0.860±0.03)×10-3mm2/s；扣带回(0.83±0.04)×10-3mm2/s；内囊(0.69±0.06)×10-3mm2/s；颞叶皮质(0.84±0.04)×10-3mm2/s；小脑半球(0.73±0.06)×10-3mm2/s；胼胝体压部(0.77±0.06)×10-3mm2/s；丘脑(0.76±0.04)×10-3mm2/s；枕叶皮质(0.82±0.06)×10-3mm2/s。结论 通过测定正常成人的ADC值，为以后的科研工作和临床应用提供有价值的参考值。

【关键词】 磁共振成像 弥散加权成像 中枢神经系统

【Abstract】 Objective To study the average ADC values in the various regions of healthybrain on 3.0Tesla MR.Methods 30 healthy volunteers，18 male and 12 female，mean age 36 yrs.All subjects were examined with MR imaging，including conventional and diffusion-weighted imaging with two b values (0 and 1000 s/mm2) at 3T.ADC values were determined on ADC maps.Results The average ADC values in the various regions of healthybrain were as follow： anterior horn of lateral ventricle（3.36±0.5)×10-3mm2/s ；centrum semiovale(0.72±0.05)×10-3mm2/s； lentiform nucleus(0.71±0.04)×10-3mm2/s；caudate nucleus(0.76±0.04)×10-3mm2/s；hippocampus(0?860±0.03)×10-3mm2/s；cingulated gyrus(0.83±0.04)×10-3mm2/s；internal capsule(0.69±0.06)×10-3mm2/s；cortex of temporal lobe(0.84±0.04)×10-3mm2/s；cerebellar hemisphere(0.73±0.06)×10-3mm2/s；splenium of corpus callosum(0.77±0.06)×10-3mm2/s；thalamus(0.76±0.04)×10-3mm2/s；cortex of occipital lobe(0.82±0?06)×10-3mm2/s.Conclusion The ADC value measured quantitatively in healthybrain on 3.0T MR can be used for reference in future studies and in clinical practice.

【Key words】 magnetic resonance imaging diffusion weighted MR imaging central nervous system

磁共振弥散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)与传统MRI相比是一全新的领域，这一技术第一次用在生物活体内无损伤的测量和描述弥散系数，以研究分子微观运动，了解正常与疾病状态下组织间的水交换。它通过测量水分子的运动，提供介质和屏障信息。目前，随着磁共振硬件、软件技术的进步，弥散成像已经广泛应用于临床和基础研究，其中以神经系统中对脑缺血的研究最为广泛和深入，还用于包括脑肿瘤鉴别、多发性硬化、癫痫等其他疾病的研究［1～3］。但是，关于在3.0T MRI上正常成人脑组织表观弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值定量的研究未见有报道。本文对30例正常志愿者脑内不同部位的ADC值进行了初步分析，结果如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 30例健康志愿者，男18例，女12例，年龄20～76岁(平均36岁)，均无神经系统症状和体征，无神经系统病史和系统性疾病。

1.2 MRI仪及扫描技术 采用GE公司3.0T Signa VH/iMRI MRI扫描机进行扫描，梯度场为40mT/m，梯度场切换率为150mT/(m·ms)，头颅正交线圈，取平行于听眦线定位进行横断面扫描。首先选取常规序列扫描：横断面SE-T1WI（TR/TE=340/14），FSE-T2WI（TR/TE＝3200/145）及PDWI(TR/TE=3200/29)序列；经确认颅内无异常改变者，再行DWI检查。DWI应用SE-EPI脉冲序列，采用2个弥散梯度场(b=0、1000s/mm2)，TR/TE=6000ms/min，FOV 240mm，层厚6mm，层间距2mm，矩阵128×128，NEX 1，共扫描22层。1次扫描得到44幅图像，每一个层面有2幅图像(分别为：b=0、1000s/mm2)，并计算出每个层面的平均ADC图。

1.3 图像处理 将图像传输至工作站利用Func Tool进行处理，将兴趣区选择在半卵圆中心、海马、丘脑、内囊、豆状核、尾状核、颞叶皮质、枕叶皮质、小脑半球、扣带回、胼胝体压部及侧脑室前角，并保证不同病例同一解剖部位所对应的层面一致。计算各部位的ADC值。全部数据均经统计软件处理，并检验差异的显著性。

2 结果

脑实质内，颞叶皮质的ADC值为(0.84±0.04)×10-3mm2/s，尾状核、丘脑ADC值均为(0.76±0?04)×10-3mm2／s，半卵圆中心为(0.72 ±0.05)×10-3mm2/s，见表1，颅内各解剖部位ADC值的趋势见图1。皮质的ADC值要高于白质区，尾状核、丘脑的ADC值介于灰质和白质之间；侧脑室前角与脑实质内各部位的ADC值差异有显著性。除此之外，海马与半卵圆中心、豆状核、内囊区的差异也有显著性；内囊除与海马、侧脑室前角差异有显著性外，还与扣带回、颞叶皮质差异有显著性；小脑半球、胼胝体压部、丘脑、枕叶皮质、尾状核只与侧脑室前角差异有显著性，见表2。

表1 30例健康志愿者颅脑不同部位的ADC平均值

图1 颅内不同部位ADC平均值

3 讨论

弥散是人体许多生理活动中的一项重要的生理过程，是体内物质转运的方式之一。Hahn首先在自旋回波序列设计中阐明了弥散对核磁共振(NMR)信号的影响；Stejesker等设计了磁共振弥散成像的实用序列；1986年Libenhan等将弥散成像应用于临床。随着磁共振硬件软件的技术进步，弥散成像已被广泛应用于临床和基础研究中。

DWI原理是在常规SE序列180°脉冲前后加入两个大小相等、方向相反的强梯度磁场，第一个梯度脉冲使分子的横向磁化矢量发生相位改变，180°脉冲和第二个梯度脉冲使固定的自旋质子发生相位的复位。水分子沿强梯度场方向的布朗运动导致自旋质子的失相位从而引起MRI信号衰减，弥散受限的区域则信号保留。MRI信号衰减的程度取决于特定温度和压力下水的弥散能力以及弥散敏感系数，后者取决于弥散梯度场的时间和强度。

表2 颅内不同部位各组间比较

注：α=0.05

测量弥散运动的序列对微观的运动很敏感，活体成像中组织脉搏搏动、微循环、被检者的运动都会引起信号衰减的加重和各种伪影，因此在活体中测量水分子弥散必须采用快速成像的方法，以去除生理活动对弥散运动的测量影响。平面回波成像技术是目前临床使用磁共振成像领域最快的成像方法。

生物体内水分子的运动不仅受到能量依赖性水分子转运的影响，还受到体内微结构（细胞膜、细胞器、轴突走行等）的影响，仅在一个方向施加弥散梯度场只反映水分子在一个方向的弥散情况。水分子的弥散运动可以用弥散张量和弥散系数D值来进行恰当的描述，D值越大，表示弥散速率越大，反之，则越小。微循环中血流、脉搏、脑脊液波动、呼吸、组织灌注等因素也影响D的测量，故所测得的D值也不完全代表弥散，所以一般用综合了上述因素的ADC来表示人体中所测得的D值，前者常大于后者。应用公式ADC=Ln(S2/S1)(b1-b2) 可以计算出每个像素的ADC值。得到每个像素的ADC后，按一定比例灰阶成像可获得反映水分子运动的ADC图，也可以得到特定b值下的弥散加权像；沿三个正交梯度主轴测量并取其均值可以消除各向异性的影响；ADC图仅显示ADC，不受T1和T2的影响；DWI则依赖于特定的成像序列而包含质子密度和T2成分，增加弥散的权重降低T2成分可获得反映纯ADC的弥散指数图(假弥散图)；测量ADC时至少需要2个不同的b值（b为弥散敏感系数），但通常应该测量更多的b值来增加ADC值测量的准确性，并且可以分析非指数衰减形式的受限弥散等特殊的弥散方式。在临床应用中一般使用2个不同的b值，这样获得的结果与用6个b值获得的结果很接近，并且可以缩短成像的时间。应用高b值可以增加EPI成像序列对弥散运动的敏感性，但是高b值牺牲了图像的信噪比。除了弥散因素影响外，组织灌注、水分子转运都可以引起信号的下降，b值越小，对其他运动的敏感性就越大，小b值范围的曲线变化更多反映的是组织灌注水平的信息。

本研究结果显示侧脑室前角脑脊液的ADC值是半卵圆中心的4.7倍左右，是颞叶皮质的4倍左右，该比例均较报道的要高［4］。这是由于侧脑室内脑脊液的水分子弥散受限很小，而半卵圆中心区由于存在细胞膜和髓鞘纤维等阻挡，弥散明显受限，因而ADC值低于脑脊液。皮质的ADC值［如颞叶皮质为(0.84±0.04)×10-3mm2/s］要高于白质区［如半卵圆中心为(0.72±0.05)×10-3mm2/ s］，这是由于皮质与白质的结构、功能的不同引起。皮质中有较多的水分子，并且其血流量也较白质大。但本研究未发现两者的差别有明显的统计学意义。尾状核、丘脑的ADC值介于灰质和白质之间，可能与它们的微细结构特性有关。

目前，随着DWI及其ADC值在临床应用中的广泛和深入，确定正常成人脑内不同组织ADC正常参考值的范围十分必要，它有利于发现弥散值的微小改变，提高诊断敏感性。

【参考文献】

1 Restrepo L，Jacobs MA，Barker PB，et al.Assessment of transient ischemic attack with diffusion-and perfusion-weighted imaging.Am J Neuroradiol，2004，25(10)：1645-1652.

2 Bulakbasi N，Guvenc I，Onguru O，et al.The added value of the apparent diffusion coefficient calculation to magnetic resonance imaging in the differentiation and grading of malignant brain tumors.J Comput Assist Tomogr，2004，28(6)：735-746.

3 Lai PH，Hsu SS，Lo YK，et al.Role of diffusion-weighted imaging and proton MR spectroscopy in distinguishing between pyogenic brain abscess and necrotic brain tumor.Acta Neurol Taiwan，2004，13(3)：107-113.

4 Helenius J，Soinne L，Perkio J，et al.Diffusion-weighted MR imaging in normal human brains in various age groups.Am J Neuroradiol，2002，23(2)：194-199.