磁共振弥散成像分数微积分模型在儿童脑肿瘤中的临床应用

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1、第二军医大学博士学位论文磁共振弥散成像分数微积分模型在儿童脑肿瘤中的临床应用姓名：刘贯中申请学位级别：博士专业：影像医学与核医学指导教师：陆建平；周晓洪201205磁共振弥散成像分数微积分模型在儿童脑肿瘤中的临床应用摘要背景磁共振扩散加权成像(Diffusion．weightedImaging，DWI)是近年来研究非常广泛并不断深入的磁共振功能成像技术之一。DWI可通过细胞内外环境水分子扩散运动状态的改变，间接检测肿瘤组织内部微观结构的变化，从而反映细胞的密度和细胞排列。恶性肿瘤细胞的密度一般高于正常组织，且癌性间质成分增多，导致水分子自由扩散运动空间减小、运动速度降低而在DWI上表现为相对高

2、信号；通过单指数模型计算得到的表观弥散系数(ADC)值则减小。ADC作为经典的DWI功能定量参数已被广泛接受并应用于临床。但是，上述传统的单指数模型建立在假设人体组织是单一均匀物质的基础上。实际情况下，由于人体组织成分结构混杂的特性，单指数模型无法提供更多反映组织成分和结构变化的信息。另外，ADC值是在单一低b值条件下获得的参数，不能反映水分子扩散速度这一间接因素，无法进一步反映引起速度改变的物质基础(如细胞密度和均匀度、扩散空间距离等)，而后者才是评价恶性肿瘤生物学行为更为直接的指标。随着近年来多b值技术成像研究发现，随b值增大，DWI图像上组织信号的变化并不遵循单指数递减的规律，从另一个方

3、面证明了ADC值的局限性。因此，近年来，随着DWI成像机制研究地不断深入，相继提出了多个新的扩散模型；包括双指数模型(Bi．exponentialmodel)、统计分布模型(Statisticalmodel)、拉伸指数模型(Stretched．exponentialmodel)【l】和FROC模型(分数微积分模型，FractionalOrderCalculusmodel)等；同时随之出现了很多新的参数，如fast／slow．ADC值(双指数模型)，ADC、o值(统计分布模型)，DDC、0【(拉伸指数模型)和D、p、¨值(FROC模型)等。这些新的模型中的参数从不同角度深入研究了水分子在人体组织

4、内的实际运动情况，同时也为疾病诊断提供了新的评价指标。脑肿瘤是儿章最常见的实性肿瘤，也是继白血病之后第二常见的儿章恶性肿瘤，并且在所有恶性实性肿瘤中死亡率最高，故脑肿瘤严重危及儿童生命。尽管临床上利用多种影像学方法诊断儿童脑肿瘤，但是传统磁共振检查在某些方面并不能很好的反映各种儿章脑肿瘤病理特征，仍然存在肿瘤误诊或者分级不当的情况。如何准确诊断儿童脑肿瘤是临床工作的一个重点及难点。研究目的本研究首次采用FROC模型研究儿童脑肿瘤，旨在探讨FROC模型的临床应用价值和前景。同时对模型中各参数进行定量分析及比较，研究各参数之间的关系及其与脑肿瘤组织结构的联系，并且利用不同的参数对不同级别脑肿瘤进行

5、鉴别，以寻求第二军医大学博士学位论文更好的影像鉴别方法。另外，通过对目前较流行的多个磁共振弥散新技术模型之间的比较，探讨不同模型在同一种脑肿瘤中的临床应用价值及其优缺点，为磁共振弥散新技术广泛应用于临床工作提供研究依据。研究方法本研究运用3．0T磁共振扫描仪(GE，HDxt)，并辅以12个b值，范围为O-4000s／mm2；以FROC模型为基础，首先应用于健康志愿者，研究正常脑组织的弥散成像特点及所含三个参数的临床意义。其次应用于32例儿童脑肿瘤患者，按照2007年最新WHO中枢神经系统分类方法将脑肿瘤分为高低级别两组，利用FROC模型技术原理及三个参数对两个级别肿瘤进行分析及比较，并绘出不同

6、参数的彩色图谱。通过统计学方法研究高低级别脑肿瘤在FROC模型各参数间的差异。同时对同一种脑肿瘤(毛细胞星形细胞瘤及髓母细胞瘤)进行多个弥散新模型(拉伸指数模型、统计分布模型及单指数模型)的比较及各模型不同参数的分析，比较不同模型与参数间的联系，探讨多个磁共振弥散模型优缺点。另外分析脑肿瘤组织与正常组织之间的组织学特点和异同。结果本研究中3名健康志愿者，FROC模型在高b值条件下应用于正常组织评估，其中参数D为弥散系数，p与组织均匀程度相关，p与水分子弥散间距相关。本研究的儿童脑肿瘤患者共有32例，其中有2例毛细胞星形细胞瘤患者和1例髓母细胞瘤由于患者运动伪影较大被剔除。余29例患者中男性18

7、例，女性11例，年龄分布4月至7岁，平均年龄为3．3岁。29例病理证实的肿瘤类型按照WHO中枢神经系统肿瘤分类，将I、II级的肿瘤归为低级别脑肿瘤，共有14例；将III、Ⅳ级的肿瘤归为高级别脑肿瘤，共有15例。肿瘤的多b值图像显示，低级别脑肿瘤随着b值增加，磁共振信号逐渐减弱，到b>2000s／mm2时，磁共振信号基本消失。而高级别脑肿瘤恰好相反，b值越高，肿瘤信号强度比周围组织越高，肿瘤显示比周