拉伸指數(shù)和單指數(shù)模型DWI應(yīng)用于前列腺癌和前列腺增生鑒別診斷的對(duì)照

陳雨菲，何為，劉劍羽

作者單位：

北京大學(xué)第三醫(yī)院放射科，北京，100191

前列腺癌是老年男性最常見的惡性腫瘤之一[1]，而磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是診斷前列腺癌的最佳影像學(xué)檢查方式[2]。其中擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)可無創(chuàng)地檢測(cè)組織中水分子擴(kuò)散的水平，提高M(jìn)RI診斷前列腺癌的能力[3]。但部分前列腺增生，尤其是基質(zhì)型增生在MRI上與前列腺癌表現(xiàn)相似，難以鑒別。對(duì)DWI圖像進(jìn)行定量分析，可更加客觀地評(píng)價(jià)病變水分子擴(kuò)散受限的程度，提高DWI的鑒別能力。傳統(tǒng)DWI采用單指數(shù)模型，忽略了體素內(nèi)不同區(qū)間水分子擴(kuò)散水平不一致的情況，難以真實(shí)地反應(yīng)組織的擴(kuò)散狀況[4]。2003年，Bennett等[5]提出拉伸指數(shù)模型，可在不區(qū)分體素內(nèi)有多少不同區(qū)間的情況下，評(píng)估組織體素內(nèi)的異質(zhì)性，提供更多信息。本研究旨在探討拉伸指數(shù)模型在鑒別前列腺癌和前列腺增生中的應(yīng)用價(jià)值，并與傳統(tǒng)單指數(shù)模型進(jìn)行對(duì)比。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

回顧性搜集我院2013年10月至2018年6月因懷疑前列腺疾病就診，行MRI檢查，并取得病理結(jié)果的病例。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1) MRI檢查包括T1WI、T2WI、多b值DWI序列；(2)行MRI檢查前未進(jìn)行任何形式的治療，前4周內(nèi)未進(jìn)行前列腺穿刺活檢；(3) MRI檢查后1個(gè)月內(nèi)行經(jīng)直腸超聲(TRUS)引導(dǎo)下標(biāo)準(zhǔn)12針法前列腺穿刺活檢或前列腺癌根治手術(shù)，病理證實(shí)為前列腺腺癌或前列腺增生。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)圖像質(zhì)量差，影響診斷；(2)最大病灶直徑＜0.5 cm，影響準(zhǔn)確測(cè)量。最終納入前列腺癌患者61例(手術(shù)病理證實(shí)32例，穿刺病理證實(shí)29例)，年齡50～88歲，中位數(shù)年齡73歲，前列腺特異性抗原(prostate specific antigen，PSA)范圍2.34～750.00 ng/ml；納入前列腺增生患者49例(手術(shù)病理證實(shí)1例，穿刺病理證實(shí)48例)，年齡49～80歲，中位數(shù)年齡66歲，PSA范圍0.45～35.24 ng/ml。

1.2 MRI檢查方法

患者均采用3.0 T磁共振掃描儀(MR750，GE Healthcare，USA)和8通道相控陣心臟線圈進(jìn)行掃描。掃描參數(shù)：(1)軸位快速自旋回波(fast spin-echo，F(xiàn)SE)T1WI：TR 459～790 ms，TE 6.7～7.3 ms，矩陣320×224，F(xiàn)OV 32 cm×32 cm，層厚5.0 mm，層間距0.5 mm；(2)軸位快速恢復(fù)FSE T2WI：TR 4036～8447 ms，TE 95.5～131.5 ms，矩陣288×288，F(xiàn)OV 18 cm×18 cm，層厚4.0 mm，層間距 0.4 mm；(3)軸位單次激發(fā)平面回波成像DWI：TR 2600 ms，TE 74.7 ms，矩陣128×160，F(xiàn)OV 30 cm×30 cm，層厚5.0 mm，層間距1.0 mm。共11個(gè)b值，分別為 0、30、50、100、150、200、400、800、1000、1500、2000 s/mm2。

1.3 影像分析方法

將多b值DWI圖像傳入GE Advantage Workstation 4.6進(jìn)行后處理。由2名影像科醫(yī)師參照手術(shù)病理和穿刺病理的結(jié)果，在MRI圖像上協(xié)商確定患者病灶的選擇和位置。前列腺癌灶的選取標(biāo)準(zhǔn)：(1)對(duì)行TRUS引導(dǎo)下標(biāo)準(zhǔn)12針法穿刺活檢病例的前列腺進(jìn)行分區(qū)，分為左、右葉移行帶的基底部、中部、尖部和左、右葉外周帶的基底部、中部、尖部共12個(gè)區(qū)(若前列腺增生嚴(yán)重，外周帶明顯受壓變扁甚至消失時(shí)，則對(duì)內(nèi)、外部進(jìn)行均勻劃分)，分別對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)12針法的相應(yīng)穿刺部位。選擇T2WI上呈低信號(hào)且相應(yīng)分區(qū)部位穿刺結(jié)果為陽性的病變?yōu)榘┰睿?2)前列腺癌根治術(shù)后的病例，則依據(jù)術(shù)后病理對(duì)前列腺癌累及范圍的描述進(jìn)行癌灶的定位；(3)若同一患者有多處癌灶，則選取最大的癌灶進(jìn)行測(cè)量。前列腺增生灶的選取標(biāo)準(zhǔn)：(1)若有病變表現(xiàn)為T2WI低信號(hào)，DWI高信號(hào)，影像學(xué)上可疑為前列腺癌而病理證實(shí)為前列腺增生，則選擇該病灶進(jìn)行測(cè)量；(2)若DWI上無高信號(hào)病變，則選擇T2WI上表現(xiàn)為低信號(hào)的基質(zhì)型增生病灶，或以低信號(hào)為主的混合型增生病灶。感興趣區(qū)(region of interest，ROI)的選取：在病灶與周圍組織對(duì)比最明顯的DWI圖像上手動(dòng)勾畫ROI，若病灶在DWI圖像上信號(hào)不高，則參照T2WI圖像在b=0 s/mm2的DWI圖像上進(jìn)行勾畫。選取病灶的最大層面進(jìn)行測(cè)量，ROI盡量包含最大實(shí)體區(qū)域，并注意避開病灶邊緣、出血、鈣化和壞死等。相同的ROI自動(dòng)生成在同層面的表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)、分布擴(kuò)散系數(shù)(distributed diffusion coefficient，DDC)和α參數(shù)圖上，獲得并記錄各個(gè)病灶的參數(shù)值，測(cè)量3次取平均值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 前列腺癌組的病理結(jié)果

圖1 男，75歲，前列腺癌患者。A：T2WI，右葉移行帶示低信號(hào)結(jié)節(jié)；B：DWI (b = 2000 s/mm2)，結(jié)節(jié)呈明顯高信號(hào)；C：ADC圖，結(jié)節(jié)呈低信號(hào)(ADC值0.659×10-3 mm2/s)；D：DDC圖，結(jié)節(jié)呈低信號(hào)(DDC值0.649×10-3 mm2/s)；E：α圖，結(jié)節(jié)信號(hào)略減低(α值0.686) 圖2 男，74歲，前列腺增生患者。A：T2WI，移行帶體積增大，呈不均勻低信號(hào)；B：DWI(b=2000 s/mm2)，左葉移行帶病變呈片狀稍高信號(hào)；C：ADC圖，病變見少許低信號(hào)(ADC值1.090×10-3 mm2/s)；D：DDC圖，病變呈相對(duì)低信號(hào)(DDC值1.340×10-3 mm2/s)；E：α圖，病變未見明顯信號(hào)改變(α值為0.779)Fig.1 A 75-year-old patient with PCa.A: T2WI, showed a low signal nodule in the right transition zone.B: DWI (b=2000 s/mm2), the nodule showed markedly high signal.C: ADC map, the nodule showed low signal (ADC: 0.659×10-3 mm2/s).D: DDC map, the nodule showed low signal (DDC: 0.649×10-3 mm2/s).E: α map, the nodule showed mildly low signal (α: 0.686).Fig.2 A 74-year-old patient with BPH.A: T2WI, the transition zone was enlarged, and the signal was nonhomogeneous low.B: DWI (b=2000 s/mm2), the left lesion in the transition zone showed mildly high signal.C: ADC map, the lesion had some mildly low signal (ADC:1.090×10-3 mm2/s).D: DDC map, the lesion showed relatively low signal (DDC: 1.340×10-3 mm2/s).E: α map, showed no obvious change (α: 0.779)

表1 前列腺癌和前列腺增生的ADC值、DDC值及α值()Tab.1 Mean and standard deviation of ADC, DDC, α parameters for PCa and BPH ()

表1 前列腺癌和前列腺增生的ADC值、DDC值及α值()Tab.1 Mean and standard deviation of ADC, DDC, α parameters for PCa and BPH ()

組別 ADC (×10-3 mm2/s) DDC (×10-3 mm2/s) α前列腺癌 0.714±0.170 0.711±0.262 0.730±0.070前列腺增生 1.139±0.163 1.435±0.267 0.766±0.067 t值 -13.227 -14.264 -2.743 P值 0.000 0.000 0.007

表2 ADC值、DDC值和α值鑒別前列腺癌和前列腺增生的能力對(duì)比Tab.2 Comparison of performance of ADC, DDC, and α parameters for differentiating PCa and BPH

61例前列腺癌中，26例為外周帶癌，18例為移行帶癌，17例為同時(shí)累及移行帶及外周帶的前列腺癌。61例前列腺癌的Gleason評(píng)分為6～10分，其中9例為6分，10例為3+4=7分，12例為4+3=7分，9例為8分，15例為9分，6例為10分。其中低級(jí)別癌(≤3+4=7分)19例，高級(jí)別癌(≥4+3=7分) 42例 。

2.2 前列腺癌和前列腺增生各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果及比較

圖3 各參數(shù)的ROC曲線對(duì)比Fig.3 Comparisons of ROC curves of all parameters.

外周帶癌、移行帶癌和兩者共同累及前列腺癌的ADC值分別為(0.731±0.186)×10-3mm2/s、(0.754±0.187)×10-3mm2/s、(0.647±0.101)×10-3mm2/s，DDC值分別為(0.711±0.282)×10-3mm2/s、(0.788±0.298)×10-3mm2/s、(0.630±0.161)×10-3mm2/s，α值分別為0.732±0.083、0.740±0.051、0.716±0.066。不同部位前列腺癌各參數(shù)值之間無顯著差異(P＞0.05)

前列腺癌的ADC、DDC和α值均顯著低于前列腺增生(表1；圖1，2)。在前列腺增生中，DDC值高于ADC值，兩者具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＜0.001)。在前列腺癌中，ADC值和DDC值無顯著差異(P＞0.05)。

2.3 各參數(shù)的ROC曲線分析結(jié)果

ADC值、DDC值和α值診斷前列腺癌的ROC曲線分析見圖3。各參數(shù)的AUC、診斷前列腺癌的最佳截?cái)嘀导捌鋵?duì)應(yīng)的敏感性、特異性見表2。ADC值和DDC值診斷前列腺癌的AUC要高于α (P＜0.05)，ADC值與DDC值之間的AUC無顯著差異(P＞0.05)。

2.4 與Gleason評(píng)分的關(guān)系

前列腺癌的ADC值、DDC值與Gleason評(píng)分呈負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.432、-0.369，P＜0.01)，α值與Gleason評(píng)分無相關(guān)性(P＞0.05)。無論低級(jí)別癌還是高級(jí)別癌，其ADC值和DDC值均低于前列腺增生(P＜0.05)。高級(jí)別癌的α值低于前列腺增生(P＜0.05)，但低級(jí)別癌與前列腺增生的α值之間無差異(P＞0.05)。

區(qū)分低級(jí)別癌與前列腺增生時(shí)，ADC、DDC和α值的AUC分別為0.882、0.885、0.539，區(qū)分高級(jí)別癌與前列腺增生時(shí)三者的AUC分別為0.981、0.987、0.696。各參數(shù)區(qū)分高級(jí)別癌與前列腺增生的AUC高于區(qū)分低級(jí)別癌與前列腺增生的AUC，但兩者之間無差異 (P＞0.05)。

3 討論

3.1 單指數(shù)模型與拉伸指數(shù)模型的理論發(fā)展

前列腺癌在T2WI上表現(xiàn)為低信號(hào)，在DWI 上，癌組織的細(xì)胞密度較良性組織增大，呈相對(duì)擴(kuò)散受限的狀態(tài)[6]，從而表現(xiàn)為相對(duì)高信號(hào)。部分前列腺增生，尤其是基質(zhì)型增生，也可在T2WI表現(xiàn)為低信號(hào)，DWI上高信號(hào)，而與前列腺癌難以鑒別。為了獲得定量數(shù)據(jù)，以更加客觀地評(píng)價(jià)病變，需應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對(duì)DWI圖像的信號(hào)衰減進(jìn)行模擬。

目前應(yīng)用最廣泛的為傳統(tǒng)單指數(shù)模型，以ADC值來表示組織內(nèi)的水分子擴(kuò)散水平，其計(jì)算公式為：S(b)/S0=exp (-b×ADC)。其中b為擴(kuò)散系數(shù)，S(b)和S0分別代表DWI圖像在相應(yīng)b值和b=0 s/mm2時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度。在單指數(shù)模型中，認(rèn)為體素內(nèi)的水分子為同一區(qū)間，擴(kuò)散方式均一，忽視了組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。且一些研究結(jié)果表明，DWI衰減方式在部分b值范圍內(nèi)會(huì)偏離單指數(shù)模型曲線[7-8]。

1988年，Le Bihan等[4]提出了體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion，IVIM)模型，將體素內(nèi)的水分子分為兩個(gè)區(qū)間，分別代表水分子擴(kuò)散和血流灌注。然而，實(shí)際的微觀結(jié)構(gòu)要更為復(fù)雜，如水分子擴(kuò)散即可分為細(xì)胞內(nèi)水分和細(xì)胞外間質(zhì)水分的擴(kuò)散，同時(shí)，各區(qū)間之間還存在水分子的互相交換。因此，要精確定義及描述體素內(nèi)的水分子區(qū)間分布幾乎是不可能的。Bennett等[5]在2003年提出了拉伸指數(shù)模型，該模型不對(duì)體素內(nèi)的區(qū)間數(shù)量進(jìn)行區(qū)分，而是用拉伸指數(shù)α來反映體素內(nèi)的擴(kuò)散異質(zhì)性。計(jì)算公式為：S(b)/S(0)=exp[-(b×DDC)α]。其中，拉伸指數(shù)α代表體素內(nèi)水分子擴(kuò)散的異質(zhì)性，取值范圍0～1。α值越趨近于1，體素內(nèi)的水分子擴(kuò)散的方式越接近單指數(shù)模型，而α值越趨近于0，體素內(nèi)的水分子擴(kuò)散方式越復(fù)雜，異質(zhì)性越高。DDC 值為多區(qū)間的ADC值按體積分?jǐn)?shù)加權(quán)比的總和。Mazaheri等[9]報(bào)道，相比于單指數(shù)模型，拉伸指數(shù)模型在前列腺組織中的擬合優(yōu)度更佳。

3.2 各參數(shù)鑒別前列腺癌與前列腺增生的能力

前列腺癌的ADC值低于良性前列腺組織，這一結(jié)論已得到了廣泛認(rèn)可[10-11]，且ADC值減低已成為第二版前列腺影像報(bào)告和數(shù)據(jù)系統(tǒng)(PI-RADS v2)評(píng)估前列腺癌的標(biāo)準(zhǔn)之一[12]。本研究結(jié)果與這一結(jié)論相符。在拉伸指數(shù)模型中，由于DDC值是ADC值的一種復(fù)合表現(xiàn)形式，前列腺癌的DDC值變化趨勢(shì)應(yīng)與ADC值相同。本研究中前列腺癌的DDC值明顯減低，與理論相符，且與以往的幾項(xiàng)研究結(jié)果相同[13-17]。另外，根據(jù)Liu等[15]的研究結(jié)果，在前列腺癌中，DDC值要低于ADC值，而在正常前列腺組織中，DDC值高于ADC值，這使得前列腺癌與正常組織之間DDC值的差距更大。Li等[14]在一項(xiàng)前列腺癌與良性疾病(前列腺增生、前列腺炎)的對(duì)比研究中也得到了類似的結(jié)論。在本研究中，前列腺增生組的DDC值明顯高于ADC值(P＜0.001)，與前兩者的結(jié)果相同，但在前列腺癌中兩者無顯著差異，可能與本研究的參數(shù)設(shè)置、測(cè)量誤差等因素有關(guān)。由于DDC值在前列腺癌組織與良性組織的差異大于ADC值，DDC值鑒別前列腺癌和前列腺增生的能力將有可能高于ADC值。在本研究中，DDC值診斷前列腺癌的AUC要略高于ADC值，但兩者之間差異不顯著(P＞0.05)，與Li等[14]的研究結(jié)果相同。

b值的選擇會(huì)對(duì)DWI的定量測(cè)量產(chǎn)生一定影響[16，18]。在本研究中，單指數(shù)模型ADC值采用多b值計(jì)算，而在實(shí)際的臨床工作中，常用2個(gè)b值來計(jì)算。Merisaari等[19]的研究結(jié)果表明，多b值計(jì)算的ADC值可重復(fù)性更高，但并不會(huì)影響ADC值的診斷能力。對(duì)于拉伸指數(shù)模型，F(xiàn)eng等[16]對(duì)不同b值范圍的DWI進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在b值處于較低范圍(0～1000 s/mm2)時(shí)，DDC值的診斷能力要高于ADC值(P=0.014)，而在b值處于較高范圍(0～2000 s/mm2或更高)時(shí)，兩者的診斷能力無明顯差異，說明在低b值范圍時(shí)，DDC值更具有優(yōu)勢(shì)。而本研究和Li等[14]的研究均采用0～2000 s/mm2的較高b值范圍，未體現(xiàn)出DDC值的優(yōu)勢(shì)。盡管如此，高b值范圍計(jì)算出的DDC值診斷能力要優(yōu)于低b值范圍，因此更推薦使用高b值范圍來進(jìn)行拉伸指數(shù)模型的計(jì)算[16]。采用拉伸指數(shù)模型時(shí)應(yīng)采用何種b值范圍，以及b值對(duì)DDC值的診斷能力有何影響，還需要進(jìn)一步研究。

α值代表了組織體素內(nèi)的異質(zhì)性。通常情況下，癌組織的細(xì)胞和腺體多形性高，體素內(nèi)的異質(zhì)性要高于良性組織，因此癌組織的α值更低[16]。在本研究中，前列腺癌的α值低于前列腺增生，兩者具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＜0.01)。但α值診斷前列腺癌的AUC較低，因此，不推薦用α值來鑒別前列腺癌和前列腺增生。其他研究結(jié)果也得到了類似的結(jié)論[15-16]。但α值的變化趨勢(shì)尚存在一定爭(zhēng)議。在Hectors等[13]的研究結(jié)果中，前列腺癌的α值高于正常外周帶組織的α值，與本研究的結(jié)果相反。這或許與α值本身的變異度較高有關(guān)[19]。

3.3 與Gleason評(píng)分的關(guān)系

前列腺癌的組織結(jié)構(gòu)分化程度不同，侵襲性也有所不同。臨床上使用Gleason評(píng)分對(duì)前列腺病變中的主要結(jié)構(gòu)和次要結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)分，范圍為1～5分，分?jǐn)?shù)越高代表侵襲性越高，兩者分?jǐn)?shù)相加即為最終的Gleason評(píng)分[20]。本研究中，ADC值與DDC值與Gleason評(píng)分呈負(fù)相關(guān)，而α與Gleason評(píng)分無相關(guān)性，與Liu等[21]的研究結(jié)果相同。依據(jù)最新Gleason評(píng)分的觀點(diǎn)[22]，筆者將前列腺癌分為低級(jí)別癌(≤3+4=7分)和高級(jí)別癌(≥4+3=7分)。無論是低級(jí)別癌還是高級(jí)別癌，ADC值和DDC值均可用于與前列腺增生的鑒別，且診斷低級(jí)別癌的能力與診斷高級(jí)別癌的能力相當(dāng)。而α值僅能區(qū)分高級(jí)別癌與前列腺增生，在低級(jí)別癌與前列腺增生中無顯著差異。進(jìn)一步證實(shí)ADC值和DDC值應(yīng)用于前列腺癌與前列腺增生鑒別診斷的價(jià)值，而α值的臨床意義有限。

3.4 本研究的不足

本研究的不足有以下幾點(diǎn)：(1)納入的樣本量不足，可能會(huì)產(chǎn)生偏移。(2)穿刺活檢可能出現(xiàn)漏診[23]、Gleason評(píng)分與術(shù)后評(píng)分不同[24]等情況，因此診斷的準(zhǔn)確性有限。(3) ROI的選取沒有包括病灶所有層面，不能體現(xiàn)病灶整體的特性。且以參數(shù)平均值做統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，病灶體素間的異質(zhì)性得不到體現(xiàn)。后續(xù)可通過直方圖分析來體現(xiàn)病灶整體的異質(zhì)性。(4)拉伸指數(shù)模型的最優(yōu)b值數(shù)量和范圍尚無統(tǒng)一定論，優(yōu)化b值方案或許可以提高DDC值的診斷效能。

綜上所述，相比于單指數(shù)模型，拉伸指數(shù)模型能提供更多信息，對(duì)組織內(nèi)水分子擴(kuò)散的描述也更加精確。前列腺癌的ADC值、DDC值和α值均低于前列腺增生。DDC值與ADC值有相同的診斷效能，而α值的診斷效能較低。前列腺癌的ADC值、DDC值與Gleason評(píng)分呈負(fù)相關(guān)。在鑒別前列腺癌與前列腺增生上，拉伸指數(shù)模型較單指數(shù)模型是否具有優(yōu)勢(shì)仍需要更多的研究。

利益沖突：無。