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    體素內不相干運動擴散加權成像在肺癌中的研究現狀及展望

    2016-02-21 09:47:06曾春毅綜述方向軍黃亮審校
    現代醫(yī)藥衛(wèi)生 2016年9期
    關鍵詞:性病變轉移性水分子

    曾春毅綜述,方向軍,黃亮審校

    (南華大學附屬第二醫(yī)院醫(yī)學影像科,湖南衡陽421001)

    體素內不相干運動擴散加權成像在肺癌中的研究現狀及展望

    曾春毅綜述,方向軍△,黃亮審校

    (南華大學附屬第二醫(yī)院醫(yī)學影像科,湖南衡陽421001)

    磁共振波譜學;磁共振成像;肺腫瘤;體素內不相干運動;擴散加權成像;綜述

    體素內不相干運動擴散加權成像(intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging,IVIM-DWI)雙指數模型是由Le Bihan等[1]在1986年提出來的。自該模型提出以來,受到廣大研究者的熱衷,并對其進行了大量研究,研究較多的是頭頸部及腹部[2-3],而在肺癌中的應用研究相對較少,現將IVIM-DWI在肺癌中的研究現狀作一綜述。

    1 IVIM-DWI的基本原理及主要參數

    DWI的原理是利用水分子的隨機運動,在生物組織中表現為水分子的微觀運動即布朗運動[4]。DWI是唯一能在活體檢測組織內水分子擴散運動的無創(chuàng)影像學檢查技術,能在宏觀成像中反映活體組織中水分子的微觀擴散運動,是通過分析病理狀態(tài)下細胞外間隙和細胞內外水分子的擴散變化來診斷疾?。?]。這種變化可以通過具體數值,即表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient,ADC)反映,其單位是mm2/s。該值可以定量地反映生物體內水分子的擴散情況。該值的測得是假設水分子在一定時間內從某一部位擴散到另一部位的位移運動呈高斯分布,這樣ADC值才能真正反映真實的水分子擴散情況。然而實際上,由于細胞膜、細胞內外間隔等擴散障礙物的影響,使生物組織中水分子的擴散比自由水的擴散復雜得多。ADC值受許多因素的影響,包括細胞內外水分子運動、跨細胞水分子運動及微循環(huán)灌注,在上述多種影響因素及機制中,細胞外水分子運動和微循環(huán)灌注是主要原因,當b值(依賴于掃描序列的擴散敏感因子)較小時,微循環(huán)灌注對ADC值的影響較大。此外,當病變內合并微囊變、出血、鈣化及人體外加的不自主運動及生理運動如呼吸、脈搏等也會對ADC值產生影響[1,6],因此,實際上人體的水分子運動情況是違背單指數模型的。所以,IVIM-DWI也就應運而生,其實現了將組織的水分子擴散運動和微循環(huán)灌注的分離,通過計算出不同的參數分別反映組織的單純水分子擴散及微循環(huán)灌注情況,這就能更加真實地反映組織的病理、生理等微觀情況,從而對一些疾病進行診斷。IVIM成像通過定量參數分別反映組織的擴散運動成分和血流灌注成分,其信號變化與所用b值間的關系可用以下公式表示:Sb/S0=(1-f)×exp(-b×D)+f×exp(b× D*)。其中Sb、S0分別代表b取某個b值[(b≠0)及(b=0)]時的信號強度。b值單位為s/mm2;f值為灌注分數,代表感興趣區(qū)內局部微循環(huán)所致灌注效應占總體擴散效應的容積比率,大小介于0~1之間;D值為純擴散系數,代表純的水分子擴散運動(緩慢的擴散運動成分),單位為mm2/s;D*值為血液微循環(huán)產生的假擴散系數,代表體素內微循環(huán)的不相干運動(灌注相關的擴散運動或快速地擴散運動成分),單位為mm2/s。為了得到這些參數值,至少應用4個不同加權的b值(包括b=0 s/mm2)來獲得信號。當b值在0~200 s/mm2內變化時,通過雙指數模型擬合算法即可得到灌注相關信息,當b值大于200 s/mm2時可得到單純水分子擴散相關信息。

    2 IVIM-DWI在肺癌中的研究進展

    肺部病變中對人類威脅最大的是肺癌,其是全球發(fā)生率和死亡率最高的腫瘤。肺癌患者只有早診斷并采取合適的治療方案才能提高患者的生存率和生存質量。而診斷肺癌后患者的TNM分期則決定其治療方案的選擇。影像學是肺癌診斷與分期的重要方法,尤其是隨著影像設備及技術的不斷發(fā)展,影像在肺癌的診斷及分期中充當了越來越重要的角色。然而對于肺癌的診斷與分期,目前主要依靠計算機X線斷層掃描(computed tomography,CT)及正電子發(fā)射計算機斷層顯像(positron emission tomography-computed tomagraphy,PET-CT)等。

    由于CT的普及,以及其空間分辨率高等優(yōu)勢,CT對于肺癌的診斷及分期仍是國內大部分醫(yī)院的首選。然而CT對于肺癌或其他疾病的診斷最主要依靠病灶的形態(tài)學特征(病灶的部位、大小、范圍、數目、密度、形態(tài)、邊緣、內部結構及對周圍結構的影響等)綜合分析推測病變的病理性質。而對于肺癌分期中淋巴結轉移的判斷則主要依據淋巴結短徑大于1cm。但實際上短徑小于1cm的部分淋巴結也可能是轉移性淋巴結,而部分短徑大于1 cm的淋巴結也可能是良性增生。因此,其診斷轉移性淋巴結的敏感性和特異性均不高,分別為50%~70%和60%~80%[7-9],而且CT是有輻射的,做增強掃描還存在對比劑過敏的風險。PET-CT獨特的優(yōu)勢可能是其對于肺癌患者肺門縱隔及全身轉移情況的評估,也就是在肺癌的TNM分期中的應用。Yi等[7]研究認為,PET-CT對于轉移性淋巴結的診斷敏感性及特異性均高于CT。因為PET-CT主要依據淋巴結的葡萄糖代謝水平升高來提示為轉移性的淋巴結,但是一些炎性反應也可導致淋巴結的葡萄糖代謝水平升高,這就導致假陽性的出現,降低了準確性。Schmidt-Hansen等[10]對43名學者的研究結果進行總結認為,PET-CT對于指導臨床工作有很大幫助,對于患者治療方案的選擇有重要作用,但是其正確性還不足,還不能作為單一的標準來診斷是否為轉移性淋巴結。另外,一些藥物等的使用可降低對放射性物質的攝取,也可影響其準確性。Nakajo等[11]研究認為,口服地塞米松會降低肺及淋巴結對于氟脫氧葡萄糖(FDG)的攝取。而且PET-CT檢查價格非常昂貴,全國設備也比較少,分布很不均勻,很多醫(yī)院均無PET-CT,再加上其輻射計量也比較大,因此,其在臨床的應用受到限制。

    由于以往的檢查手段已不能滿足臨床的需求,人類開始尋求更加準確而實用的影像學檢查,人們把目光轉向磁共振成像(MRI)。過去由于肺部氫質子含量少,加上呼吸及心臟搏動偽影的影響,MRI的應用受到一定的限制,隨著成像技術的進步,如呼吸及心電門控技術等的應用,使得MRI也逐漸用于肺部疾病的診斷,特別是擴散加權成像(DWI),因為其既能得到病變的形態(tài)學信息,又能在分子水平反映病變的內部結構,成為大家研究的熱點。許多國內外學者對DWI在肺部的應用已經做了大量研究,其應用主要可歸納為以下幾個方面:(1)對于肺癌TNM分期的作用,在肺癌分期的T中,DWI有助于中央型肺癌原發(fā)灶與阻塞性不張的鑒別。如Qi等[12]研究表明,DWI聯(lián)合T2WI序列可以很好地鑒別阻塞性肺不張,對于肺癌分期中原發(fā)灶大小的確定有重要意義;在肺癌分期的N中DWI能夠較好地鑒別肺門及縱隔淋巴結是否為轉移性,大部分學者認為轉移性淋巴結ADC值較非轉移性淋巴結低[13-16]。部分學者認為其可以替代PET-CT。如Nomori等[17]通過對88例患者共734個淋巴結進行研究認為,DWI可以取代PET-CT在非小細胞肺癌N分期中的作用,而且其假陽性率低于PET-CT。Usuda等[18]研究165例肺癌患者得出DWI對于轉移性淋巴結的診斷敏感性和準確性高于PET-CT。(2)對于肺內結節(jié)良惡性的鑒別,大部分學者認為惡性結節(jié)ADC值低于良性結節(jié),部分前人的研究認為DWI鑒別肺內結節(jié)的良惡性是可靠的[15,19]。(3)DWI在鑒別肺癌不同病理類型和分化程度方面具有一定的潛能。如Matoba等[20]研究得出肺癌的ADC值與腫瘤密度呈正相關的結論,認為腺癌的ADC值明顯高于鱗癌及其他類型肺癌,高分化腺癌的ADC值高于中、低分化腺癌。DWI還可應用于肺癌治療后的療效評估及肺通氣功能的測定等。

    IVIM-DWI雙指數模型是在傳統(tǒng)DWI單指數模型的基礎上發(fā)展起來的,其將DWI的ADC值中包含的組織水分子擴散和微循環(huán)灌注2種成分分離,分別用2個不同參數來表示,使得獲得的信息能更加真實地反映病灶內部改變。在DWI應用于肺部的研究及IVIM-DWI在腦慢性缺血性疾病、頭頸部腫瘤[21]、肝纖維化[22]、胰腺癌[23]、腎臟病變[24]、前列腺癌[25]及乳腺癌[26]等研究的基礎上,部分學者開始將IVIM-DWI用于肺部的研究。如Wang等[27]對31例經病理證實的肺癌并伴阻塞性肺實變的患者進行研究(阻塞性肺實變由PET-CT證實),所有患者均進行IVIM-DWI檢查,其中17例進行磁共振動態(tài)增強掃描(DCE-MRI)檢查,分析肺癌病灶本身與阻塞性肺實變的IVIM及DCE-MRI的參數,并將2種方法進行比較,得出肺癌的ADC值、D值及f值均較阻塞性肺實變低,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05),而最初釓濃度60 s內曲線下面積(IAUC60)較阻塞性肺實變高(P=0.013)。受試者工作特征曲線顯示ADC值優(yōu)于其他灌注及擴散參數,其最佳截斷值為1.409×10-3mm2/s(AUC= 0.95)。IVIM及DCE-MRI參數之間相關性較差。結果表明,IVIM-MR在鑒別肺癌與阻塞性肺實變中具有潛在的價值。ADC值、D值及f值是可靠的獨立區(qū)分標志物,但是D*變異較大且診斷準確性較低。Deng等[28]對38例患者(其中肺癌30例,炎性病變8例)分別行IVIM-DWI與常規(guī)DWI檢查,并對其相關參數進行比較,結果顯示,肺炎性病變的ADC值及f值明顯高于肺癌,而D值、D*值在肺炎性病變與肺癌比較,差異均無統(tǒng)計學意義(P=0.747、0.124)。而f值與ADC值的AUC分別為0.833和0.826,敏感性和特異性分別為80.0%、73.3%和75.0%、87.5%。研究顯示,D值和D*值的變化比較,差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05),而ADC值有,因而ADC值的變化主要是由f值引起,f值用于鑒別肺的炎性病變和肺癌是可行的,因為炎性病變的f值高于肺癌。最近Yuan等[29]把IVIM-DWI應用于肺癌與肺良性結節(jié)的鑒別,并與DCE-MRI進行比較。通過獲取IVIM-DWI及DCE-MRI的相關參數進行分析顯示,參數D值對于肺癌與肺良性結節(jié)的診斷正確率最高約為72.2%,而敏感性達91.3%,DCE-MRI參數容量轉移常數(Ktrans)值的特異性高達84.6%,而聯(lián)合運用D值及Ktrans值則敏感性、特異性及準確率分別為94.2%、92.0%和93.5%。研究表明,IVIM-DWI與DCE-MRI對于肺癌與肺良性結節(jié)的診斷是非常有價值的。王曉華等[30]研究認為,IVIM-DWI參數中D值在肺部腫塊良惡性鑒別中的價值是最大的,作者對38例患者的研究結果顯示,D值診斷惡性病變的敏感性為95.7%,特異性為80.0%,準確性為90.9%,陽性預測值和陰性預測值分別為91.7%和88.9%。這一結果顯示,IVIM對于肺部腫塊良惡性的鑒別意義非常重大。雷永霞等[31]研究,30例周圍型肺癌和8例感染性肉芽腫患者,結果顯示,f值在鑒別周圍型肺癌與感染性肉芽腫性病變中具有重要意義,而D及D*值比較,則差異無明顯統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

    3 小結與展望

    綜上所述,上述相關研究表明IVIM的相關參數總體來說在鑒別肺部病變,良、惡性腫瘤及阻塞性肺實變方面具有較大意義,同時也證明IVIM-DWI的相關參數在診斷效能方面比傳統(tǒng)DWI單指數模型要高一些。但是在這些研究結果中也存在一些值得學者深思的問題。如Deng等[28]和雷永霞等[31]的研究結果顯示,只有f值和ADC值在鑒別腫瘤與炎性病變中有統(tǒng)計學意義,D值無統(tǒng)計學意義,并得出肺癌ADC值的減低主要源于f值減低的結論。Klauss等[32]研究慢性胰腺炎和胰腺癌也具有相似的結果,他們認為出現這種結果可能是因為單純水分子擴散在炎性病變中同樣是受限的,炎癥可引起水分子外滲、白細胞在靶組織聚集及細胞殘核堆積等,然而Wang等[27]、Yuan等[29]、王曉華等[30]的研究結果都認為D值在鑒別肺部良惡性病變、肺癌與阻塞性肺實變中具有重要意義,這種結果的差異,到底是因為病變本身的病理基礎差異所致(炎性病變、炎性肉芽腫與肺實變、良性結節(jié)),還是研究本身的一些局限性(如感興趣區(qū)的選取、b值的選取等)所致,還需要進一步研究。以上這些研究選取的b值除了Deng等[28]和雷永霞等[31]是一樣的外,其他研究者的b值選取均是不一致的,不同的b值選取會對結果產生一定的影響,一般認為b值選取越多相對越準確,但b值越多掃描時間就會越長,患者配合度可能會下降,所以選取幾個b值及選哪些b值作為統(tǒng)一的標準來規(guī)范,使其既能獲得滿意的參數,又能盡可能地減少掃描時間,還需要進一步的研究來確定,這對以后進行進一步研究十分重要。另外,掃描中是采取閉氣還是自由呼吸,這在腹部已有相關研究[33-34],應在胸部做相關研究以指導今后的研究。D*值在上述研究中均認為是無統(tǒng)計學意義的。Wang等[27]和Deng等[28]均認為其可重復性較差,標準差較大,部分學者在其他臟器的研究中也有類似的結論[35-37],這又帶來了一個挑戰(zhàn),即怎樣提高D*值的可重復性。

    在肺癌的TNM分期中局部淋巴結轉移的診斷方法較多,但對其診斷還缺乏統(tǒng)一的標準,IVIM-DWI較DWI能更加準確地獲取組織水分子擴散情況,同時還能獲得組織微循環(huán)灌注信息,這種檢查方法能夠更加準確地判斷肺門或縱隔淋巴結是否為轉移性淋巴結。IVIM-DWI還可以用于不能手術的肺癌患者放化療后的療效評估,通過對比病灶放化療前、后IVIM-DWI相關參數的變化,其變化應該會早于病變的形態(tài)學變化。IVIM-DWI在肺癌的應用空間是非常廣闊的,但其還存在很多挑戰(zhàn)。如在臨床實踐中的可行性和實用性等還需進一步證實,其參數的獲取缺乏統(tǒng)一的標準,如b值的個數及數值的選取、成像方法的選擇等,這些都是需要解決的問題。

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    10.3969/j.issn.1009-5519.2016.09.022

    A

    1009-5519(2016)09-1342-05

    △,E-mail:fangxiangjun118@163.com。

    (2015-12-11)

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