感興趣區(qū)范圍的變化對不同惡性度前列腺癌表觀擴散系數直方圖特征的影響

楊 孟，沈益君，王奇峰，錢 敏，周良平，彭衛(wèi)軍

1.復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院放射診斷科，復旦大學上海醫(yī)學院腫瘤學系，上海 200032；

2.復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院超聲診斷科，復旦大學上海醫(yī)學院腫瘤學系，上海 200032；

3.復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院病理科，復旦大學上海醫(yī)學院腫瘤學系，上海 200032

在歐美國家，前列腺癌（prostate carcinoma，PCa）是老年男性最常見的惡性腫瘤，是第3大腫瘤致死原因［1］。在我國，PCa檢出率也逐年升高［2］。臨床上，直腸指檢及血清前列腺特異性抗原（prostate-specific antigen，PSA）的檢測仍是常規(guī)的篩查手段，但其準確率并不能滿足臨床要求。穿刺活檢雖作為進一步診斷的常規(guī)手段，但具有一定的創(chuàng)傷性。隨著功能磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）的發(fā)展，在檢出率、準確率上均有了較為明顯的提高，且前列腺影像報告數據系統(tǒng)（the Prostate Imaging Reporting and Date System，PI-RADS）的推廣使得影像學報告更加規(guī)范［3］，因此磁共振（magnetic resonance，MR）已被認為是前列腺影像學檢查的最佳手段。

彌散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）是唯一能夠在活體水平檢測組織結構水分子運動情況的手段，與常規(guī)MRI圖像結合，能夠大幅度提高PCa的診斷準確率［3-4］。近年來有較多的研究致力于探索DWI的定量參數表觀擴散系數（apparent diffusion coefficients，ADC）與PCa惡性度之間的關系［5-8］，并且在有些研究中引入了直方圖分析法，這可能帶來更多差異有統(tǒng)計學意義的參數。另外，在前列腺相關的研究中，ADC值的測量方法并不同，有些基于腫瘤最大層面［9-10］，有些基于病灶整體［8,11］，并且感興趣區(qū)（region of interest，ROI）是建立在T2WI上，還是ADC圖像，亦或是b=0 mm2/s DWI圖像上也需進一步研究［9,12-13］。因腫瘤異質性的存在，基于腫瘤整體的ROI可能更準確［14］，但在PCa的研究中尚無定論。該研究是針對這些不確定因素而設計，目的在于探究不同范圍的ROI對所測量的ADC值的影響。

1 資料和方法

1.1 樣本資料

回顧性分析2016年3月1日—2017年6月30日因PSA升高來復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院就診且行MR-DWI檢查的患者共232例，有62例患者行前列腺根治性切除術，剔除其中因術前和（或）MR-DWI檢查前行輔助性放療和（或）內分泌治療（超過2周）的17例患者，另排除ADC圖上最大病灶長徑在1 cm以內的9例患者(為了減少各參數測量誤差)，最終將36例患者48個長徑在1 cm以上（含1 cm）的病灶納入研究。這些患者中位年齡為67歲（53～78歲），中位血清游離PSA為22.7 ng/mL（5.2～113.6 ng/mL），48個病灶中，35個位于外周帶，13個位于中央腺體區(qū)。該研究通過了復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院倫理委員會的審核。

1.2 檢查方法

采用德國Siemens公司3.0T MR掃描儀，T1WI的檢查序列為GRE，T2WI的檢查序列為TSE。DWI檢查序列為Resolve序列，b值為0、1 000 s/mm2，重復時間（repetition time，TR）=7 400ms，回波時間（echo time，TE）=62/99 ms，激勵次數（number of excitation，NEX）=1/2，視野（field of view，FOV）=200×200，層厚為3.5 mm，矩陣為200×200，分段讀出次數為13，并且采用了全局自動校準部分并行采集技術（generalized autocalibrating partially parallel acquisition，GRAPPA）加以校準。

1.3 病灶直方圖分析一級統(tǒng)計學特征參數的測量

在美國GE公司AW 4.6工作站上繪制各ROI。ROI范圍設定如下：ROI1，在軸位T2WI上沿病灶的最大層面邊界繪制ROI，在ADC圖上相應的區(qū)域可自動生成同樣的ROI；ROI2，根據ADC圖上病灶邊界繪制ROI；ROI3、4，根據ROI1在T2WI上繪制ROI3、4，形狀與ROI1相同，范圍為ROI1的3/4、1/2，而后在ADC圖上自動生成相應的ROI；ROI5，根據軸位T2WI在ADC圖上繪制所有病灶層面，組成病灶整體ROI。

ROI畫完以后，沿ROI剪切圖像，并且將其保存為Processed文件，均發(fā)送至PACS系統(tǒng)，而后傳輸至AW Sever 2.0后處理系統(tǒng)，利用Reformat軟件（獲得平均值及10%、25%、50%、75%、90%等百分位數及對應的SD值）及嵌入相關程序的MATLAB軟件（自動生成偏度值及峰度值）進行分析。

1.4 統(tǒng)計學處理

所用統(tǒng)計軟件為SPSS 20.0及MedCalc，統(tǒng)計學圖表均由GraphPad 5.lnk畫出。首先，對ROI 1至ROI 4的所有參數進行正態(tài)性分布檢測（Kolmogorov-Smirnov test，K-S檢驗）及方差齊性檢測（Levene’s test），對滿足正態(tài)性分布及方差齊性的不同惡性程度的PCa病灶最大層面的平均ADC值、百分位數及其對應的SD值進行獨立樣本t檢驗，而對于不滿足此條件的偏度值及峰度值采用曼-惠特尼U檢驗（Mann-Whitney U test，M-U test）。然后，對ROI1和ROI5的參數進行配對t檢驗，分析兩者所有參數之間差異是否有統(tǒng)計學意義。最后，對百分位數、均值進行多參數受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線分析，尋求具有最佳鑒別效能的參數。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結 果

定義PCa病灶的Gleason評分≤6者為低惡性度病灶（low-grade prostate carcinoma，LG PCa），Gleason評分＞6者為高惡性度病灶（high-grade prostate carcinoma，HG PCa）［15］。本研究中的48例病灶共有17個LG PCa和31個HG PCa。

LG PCa及HG PCa之間的偏度值及峰度值差異無統(tǒng)計學意義（P均＞0.05，表1）。LG PCa的平均ADC值及其對應的百分位數均比HG PCa的高（表2），差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。對于ROI1～ROI4之間的數據，隨著ROI的縮小，ADC均值及各百分位數均隨之縮小，并且隨著百分位的減低，HG PCa相應的ADC值變化趨勢越來越平緩，到了第10百分位數時，對應的ADC值隨著ROI的縮小而變大，因此導致LG PCa及HG PCa之間的ADC值差距越來越大，其中ROI 1所對應的第10百分位數差距最大（圖1）。

表1 低級別PCa與高級別PCa不同ROI上的偏度值及峰度值

表2 低級別PCa與高級別PCa在不同ROI上ADC均值及百分位數

圖1 PCa病灶各種ROI的設定范圍及其ROI內病灶ADC值的直方圖患者72歲，PSA水平為21.6 ng/mL，病灶最長徑為1.8 cm，前列腺根治性手術病理Gleason評分為8分

只有部分SD值差異有統(tǒng)計學意義（ROI1及ROI5的ADC均值，第90、75、50、25百分位數，ROI2的均值，第90百分位數所對應的SD值），LG PCa的這些SD值比HG PCa的低（表3）。LG PCa及HG PCa之間的SD值差距隨著ROI的縮小而變小，同時也隨著百分位的降低而變小，直至兩者之間差異無統(tǒng)計學意義（圖2）。其中ROI1所對應的高、低級別PCa之間的SD差異最大（圖3）。并且多參數ROC分析發(fā)現，對于第10百分位數，ROI1所對應的ADC值的曲線下面積（area under curve，AUC）最大，與ROI2相比，差異無統(tǒng)計學意義（0.891 vs 0.860），但與ROI3、4比較，差異有統(tǒng)計學意義(0.891 vs 0.825，0.891 vs 0.817)，而在其他百分位數及均值下，各AUC雖然有所差別，但差異無統(tǒng)計學意義（圖4，表4）。

圖2 各種ROI所對應的ADC均值及其百分位數

表3 低級別PCa與高級別PCa在不同ROI上ADC均值及百分位數的SD值

圖3 不同百分位情況下各ROI的SD值

圖4 在各百分位數下，不同ROI的ADC值在鑒別高、低級別PCa方面的ROC比較A-F分別為在ADC均值，第90、75、50、25、10百分位數下，不同ROI的ADC值所對應的多參數ROC分析

表4 各參數在區(qū)分高、低惡性度PCaROC曲線下面積

此外，將腫瘤整體作為ROI與最大層面作為ROI所測量的ADC均值、百分位數及SD值差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

3 討 論

越來越多的研究表明，對ADC圖進行直方圖分析所獲得的一級統(tǒng)計學參數在前列腺病灶良惡性鑒別、PCa惡性度評估及對放療效果評價等方面具有額外價值［11,16-18］。ADC直方圖的形狀是一個能夠反映組織結構的重要的生物指標，曲線左偏表明細胞組織成分比例大，右偏則表明腫瘤壞死囊性變或水腫成分占優(yōu)勢［19-20］。在有關PCa惡性度影像學評估方面的研究中，峰度值及偏度值的價值也存在爭議。Zhang等［8］認為ADC直方圖的峰度值及偏度值能夠區(qū)分高、低級別的PCa，而Wang等［21］的研究表明，高、低級別PCa之間的峰度值及偏度值并無明顯差異。但另有一項關于ADC值能否用來區(qū)分Gleason3+4與4+3病灶的研究［6］發(fā)現，雖然峰度值、偏度值均無價值，但將兩者與能夠反映ROI灰度圖像空間特征的熵聯(lián)合起來，則表現出比較好的區(qū)分效能。本研究并不支持峰度值、偏度值能夠評估PCa惡性度，這與Wang等［21］的研究結果一致。因此，峰度值與偏度值究竟能否用來評估PCa的惡性度尚需大樣本量研究來進一步探索。

不同范圍的ROI所測量的HG PCa和LG PCa之間的平均ADC值及百分位數均有明顯差異。隨著ROI的縮小，除了HG PCa的ADC的第10百分位數隨之升高以外，其他ADC值均隨之縮小，并且隨著百分位的降低，HG PCa和LG PCa之間的ADC值下降趨勢越來越緩，HG PCa變緩趨勢更加明顯。本研究的數據反映，HG PCa和LG PCa ADC值的第10百分位數之間差異最明顯。通常惡性腫瘤呈侵襲性生長，即由腫瘤發(fā)生處逐漸向四周生長。對于PCa而言，病灶內往往會夾雜一些微小的正常腺體組織結構［22］，其侵襲性的生長模式導致病灶邊緣區(qū)域較中心區(qū)域分布著更多的微小正常腺體結構，并且PCa的ADC值較正常組織低［23］，這就解釋了為何隨著ROI變小ADC值越來越?。桓邜盒远萈Ca較低惡性度PCa侵襲性強，其侵襲性生長也較快［15］，因此其邊緣區(qū)域夾雜的微小正常組織較少，空間不均勻性較小，這就解釋了為何隨著ROI的縮小高惡性度PCa的ADC值變小的趨勢更加緩慢。但以上均為假說，尚需DWI與病理切片進行一一對比的相關研究進一步探討。另外，SD值反映ROI內灰度像素點的離散程度，與空間非均勻程度有一定的相關性［20］。在本研究中，SD值隨著ROI和百分位數的縮小而縮小，并且高、低惡性度PCa之間的差異越來越小，這也可以由上面的假說進行解釋。

與Tamada等［24］的研究結果類似，將病灶最大層面作為ROI與將病灶整體作為ROI所得到的數據并無明顯差異，但與其他部位的腫瘤不同。主要原因如下：① PCa病灶往往較小，并且DWI成像往往是體素成像，ADC圖所代表的信息實際上是具有一定厚度組織的信息在二維圖像上的投影，因此病灶層面較少，所以，以最大層面作為ROI已經包含了大部分病灶信息；② PCa病灶因基本不會發(fā)生壞死、出血而顯得較為均質，因此ADC值的測量對是否是病灶最大層面還是整體作為ROI并不敏感。

對于第10百分位數，ROI1所對應的ADC值的AUC最大，與ROI3、4比較，差異有統(tǒng)計學意義，但與ROI2相比，差異無統(tǒng)計學意義。而在其他百分位數及均值下，各AUC雖然有所差別，但差異并無統(tǒng)計學意義。因此，本研究表明，以T2WI病灶最大范圍為ROI時，所獲得的ADC第10百分位數可能是區(qū)分高、低級別PCa ROI的較好選擇，但本研究的證據尚不足以表明ROI1的繪制方法較其他方法好。

本研究尚有不足之處：首先，樣本量較小，沒有將中央腺體區(qū)病灶與外周帶病灶分開進行討論；其次，繪制ROI的軟件缺陷，各ROI并非完全精準；最后，病灶ADC圖的直方圖參數受技術所限，由兩個軟件測量，算法的差異可能會掩藏參數之間的聯(lián)系。

該研究表明，二維ROI的范圍變化對ADC值及其直方圖參數有較大的影響，但以病灶最大層面作為ROI與病灶整體作為ROI所獲得的ADC值并無明顯差異，并且直方圖分析法在區(qū)分高、低級別PCa方面可獲得比ADC均值更有意義的參數。以T2WI上病灶邊緣所對應的ADC值，其第10百分位數可能具有較好的PCa惡性度評估效能。