IVIM參數(shù)與ADC值評(píng)估直腸腺癌分化程度的比較

翁曉燕，蔣恒，季立標(biāo)，陸志華

磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)的表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)值能定量評(píng)估組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)情況，已用于直腸癌的診斷、預(yù)后評(píng)估和新輔助治療療效的監(jiān)測(cè)[1-3]。但基于單指數(shù)模型計(jì)算出來的ADC值忽略了來自毛細(xì)血管微循環(huán)的灌注效應(yīng)，不能真正地反映水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)情況[4]。體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion，IVIM)擴(kuò)散加權(quán)成像采用多b值的DWI掃描，利用雙指數(shù)擴(kuò)散衰減模式計(jì)算出分別代表水分子擴(kuò)散和微循環(huán)灌注信息的定量參數(shù)，比ADC值能更準(zhǔn)確地反映組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)[4]。已廣泛應(yīng)用于多系統(tǒng)腫瘤的預(yù)后評(píng)估和療效監(jiān)測(cè)中[5-7]。本研究旨在比較IVIM定量參數(shù)與ADC值在術(shù)前評(píng)估直腸腺癌不同分化程度的價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

回顧性分析2016年9月至2019年8月符合以下標(biāo)準(zhǔn)的患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)為直腸腺癌；(2) MRI掃描序列包括了高分辨率T2WI和IVIM；(3)術(shù)后取得完整的病理結(jié)果，包括分化程度。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)術(shù)前行輔助放化療；(2) IVIM圖像上偽影較多致病變區(qū)圖像變形嚴(yán)重；(3)特殊的病理類型，如黏液腺癌和印戒細(xì)胞癌。93例患者納入研究，男58例，女35例，年齡38～85歲，中位年齡66歲。參照美國(guó)癌癥聯(lián)合會(huì)第8版[8]的標(biāo)準(zhǔn)，93例直腸腺癌分化程度為：7例高分化腺癌，47例中分化腺癌，39例低分化腺癌。

1.2 MRI檢查方法

采用荷蘭Philips Achieva TX 3.0 T超導(dǎo)MR掃描儀，16通道體部相控陣線圈。檢查前30 min使用開塞露清潔腸道。掃描前肌注鹽酸山莨菪堿10 mg。直腸MR序列包括三平面T2WI、IVIM及動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI，T2WI和IVIM參數(shù)見表1，動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI不在本研究范圍內(nèi)，橫軸位T2WI和IVIM序列的掃描定位均垂直于矢狀位病變段腸壁。IVIM序列采用單次激發(fā)平面回波成像(SEEPI)序列，b值為0、10、20、50、100、200、500、800、1000 s/mm2，掃描時(shí)間6 min 53 s。

1.3 圖像處理及分析

IVIM序列后處理采用FireVoxel軟件(New York University，NY)。由2名分別具有3年和8年以上消化道影像診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師定位并勾畫病灶，橫軸位高分辨率T2WI和IVIM序列的掃描定位、層厚及層間距一致。癌灶在MR上表現(xiàn)為T2WI稍高信號(hào)，高b值DWI明顯高信號(hào)，相應(yīng)ADC圖上明顯低信號(hào)，2名醫(yī)師參照病理報(bào)告基礎(chǔ)上，以橫軸位T2WI和ADC圖為參照，在b=1000 s/mm2的每層DWI圖像上手動(dòng)勾畫直腸高信號(hào)病灶區(qū)，ROI盡量包括腫瘤的實(shí)性部分，避開氣體、出血、壞死、囊變區(qū)，最后剪切出整個(gè)腫瘤體積，并基于雙指數(shù)模型的計(jì)算公式：Sb/S0=f×exp [-b×(D+D*)]+(1-f)×exp (-b×D)，計(jì)算出真實(shí)擴(kuò)散系數(shù)(D值)、灌注相關(guān)假擴(kuò)散系數(shù)(D*值)和灌注分?jǐn)?shù)(f值)偽彩圖(圖1，2)和數(shù)據(jù)，并由MATLAB軟件計(jì)算出每個(gè)像素內(nèi)的D值、D*值和f值，并取總體平均值。ADC值采用單指數(shù)模型在飛利浦工作站上完成，參照橫軸位T2WI和DWI (b=1000 s/mm2)圖像，在ADC圖(b=1000 s/mm2)上選取腫瘤最大層面并勾畫腫瘤實(shí)性部分，計(jì)算出平均ADC值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 19.0和MedCalc 9.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。計(jì)量資料以±s表示。直腸癌不同分化程度間ADC值和IVIM參數(shù)的比較時(shí)，Levene方差齊性檢驗(yàn)若方差齊性則采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用LSD法，若方差不齊，則組間兩兩比較采用Bonferroni法，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的參數(shù)采用ROC分析方法評(píng)價(jià)鑒別高/中分化與低分化腺癌的診斷效能。2名醫(yī)師測(cè)量IVIM數(shù)據(jù)的一致性采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)。采用Spearman相關(guān)分析比較ADC值和IVIM參數(shù)與直腸癌分化程度間的相關(guān)性(|r|＜0.25為弱相關(guān)，0.25＜|r|＜0.5為中度相關(guān)，0.5＜|r|＜0.75為相關(guān)性好，|r|＞0.75為強(qiáng)相關(guān))[7]。

表1 直腸三平面T2WI和IVIM序列參數(shù)Tab. 1 The parameters of rectal T2WI and IVIM sequence

表2 直腸癌不同分化程度間ADC值和IVIM各參數(shù)比較結(jié)果(±s)Tab. 2 The difference of ADC values and IVIM parameters among different differentiation grade of rectal adenocarcinoma (±s)

表2 直腸癌不同分化程度間ADC值和IVIM各參數(shù)比較結(jié)果(±s)Tab. 2 The difference of ADC values and IVIM parameters among different differentiation grade of rectal adenocarcinoma (±s)

分化程度ADC (×10-6 mm2/s)D (×10-3 mm2/s)D* (×10-3 mm2/s)F (%)高分化(7例)828.04±125.493.55±0.6971.80±9.680.39±0.07中分化(47例)773.59±148.112.72±0.5981.46±13.410.44±0.09低分化(39例)702.09±152.932.27±0.7280.73±15.440.47±0.06 F值3.56512.9031.4463.860 P值0.0320.0000.2410.025 ICC0.9160.9030.8320.891

表3 ADC值和IVIM參數(shù)鑒別高/中分化vs低分化直腸癌的效能比較Tab. 3 The diagnostic performance in distinguishing well/moderately and poorly differentiated of ADC values and IVIM parameters

2 結(jié)果

2.1 直腸癌不同分化程度間ADC值和IVIM各參數(shù)比較

隨著直腸癌分化程度的降低，腫瘤的ADC值和D值呈下降趨勢(shì)(表2)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，組間兩兩比較結(jié)果為高分化與低分化和中分化與低分化間的ADC值差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值分別為0.042和0.029)，高分化與中分化間的ADC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；高分化與中分化、高分化與低分化和中分化與低分化間的D值差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值分別為0.002、0.000和0.002)。隨著直腸癌分化程度的降低，腫瘤的f值呈上升趨勢(shì)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，組間兩兩比較結(jié)果為高分化與低分化間的f值差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.013)，其他兩兩組間比較f值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。D*值在直腸癌不同分化程度間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 ADC值和IVIM參數(shù)鑒別高/中分化和低分化直腸癌的效能比較

ADC值和IVIM參數(shù)中，不同分化程度間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參數(shù)鑒別高/中分化與低分化直腸癌的效能比較見表3。D值的AUC最高，以2.465為閾值鑒別低分化直腸癌的敏感性和特異性分別為66.7%和79.6% (圖3)。D值、ADC值和f值兩兩間的AUC差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.3 ADC值和IVIM各參數(shù)與直腸癌分化程度間的相關(guān)性分析

ADC值與直腸癌分化程度呈弱相關(guān)(|r|=0.249，P=0.0 1 6)，D 值與直腸癌分化程度呈中度相關(guān)(|r|=0.441，P=0.000)，f值與直腸癌分化程度呈弱相關(guān)(|r|=0.246，P=0.018)，D*值與直腸癌分化程度間的相關(guān)性無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(|r|=0.079，P=0.453)。

3 討論

水分子擴(kuò)散并非活體組織內(nèi)唯一的微觀運(yùn)動(dòng)形式，還包括毛細(xì)血管微循環(huán)。基于單指數(shù)模型計(jì)算出的ADC值包含了水分子的擴(kuò)散和毛細(xì)血管的微循環(huán)，雖然已有研究顯示ADC值能定量用于直腸癌的鑒別診斷，預(yù)后評(píng)估和療效監(jiān)測(cè)[1-2]，但不能準(zhǔn)確地反映腫瘤內(nèi)的微觀變化情況。IVIM成像采用雙指數(shù)模型計(jì)算，能夠分別得到反映組織水分子擴(kuò)散的定量參數(shù)：真實(shí)擴(kuò)散系數(shù)(D值)，以及反映微循環(huán)灌注信息的定量參數(shù)：灌注相關(guān)假擴(kuò)散系數(shù)(D*值)和灌注分?jǐn)?shù)(f值)，能夠更好地描述組織內(nèi)復(fù)雜的信號(hào)衰減方式[4]。

本結(jié)果顯示直腸腺癌的ADC值和D值隨腫瘤分化程度的降低呈顯著下降趨勢(shì)，參照我們之前對(duì)胃腺癌和組織病理學(xué)對(duì)照的研究結(jié)果[9]，原因考慮為腫瘤從高分化至低分化，腫瘤細(xì)胞密度越來越高、細(xì)胞外間隙越來越小，自由水分子的擴(kuò)散程度越來越小，導(dǎo)致ADC值和D值隨著直腸腺癌分化程度的降低呈顯著下降。我們的結(jié)果與其他研究結(jié)果一致[10-12]。但也有研究顯示直腸癌術(shù)前IVIM各參數(shù)在不同TNM分期之間無顯著性差異[13]，造成結(jié)果差異的原因可能與該研究樣本量較少、ROI采用腫瘤最大層面勾畫多個(gè)ROI取平均值有關(guān)。ROC結(jié)果顯示雖然ADC值和D值鑒別高/中分化與低分化腺癌的AUC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但D值的AUC值高于ADC值(0.726和0.639)。張琪等[14]的研究結(jié)果顯示ADC值和D值鑒別高/中分化與低分化子宮內(nèi)膜癌的AUC值相近(0.825與0.805)，可能與使用的高b值(＞200 s/mm2)較多有關(guān)，因?yàn)樵诟遙值區(qū)，ADC值更多地反映的是組織的水分子擴(kuò)散[15]。與直腸癌分化程度的相關(guān)性分析結(jié)果顯示D值與直腸腺癌分化程度呈中度相關(guān)，優(yōu)于ADC值的弱相關(guān)，所以我們的結(jié)果提示D值較ADC值更能準(zhǔn)確地反映直腸癌的組織特性。

D*值和f值均是反映組織灌注特性的參數(shù)，理論上D*值主要反映微循環(huán)灌注中毛細(xì)血管平均長(zhǎng)度及血管內(nèi)血流速度，主要受血流速度和毛細(xì)血管幾何形態(tài)影響；f值反映組織內(nèi)毛細(xì)血管的豐富程度，與毛細(xì)血管血容量相關(guān)[10]。之前的研究結(jié)果顯示D*值與腫瘤的組織病理學(xué)因素?zé)o相關(guān)性[11，16]，我們的結(jié)果亦顯示不同分化程度間的D*值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且D*值與直腸癌分化程度間無相關(guān)性，原因可能為D*值包含了水分子擴(kuò)散和灌注分?jǐn)?shù)，另外D*值對(duì)噪聲敏感，數(shù)值相對(duì)不穩(wěn)定[17]。對(duì)于f值，不同的研究結(jié)果不同，Sun等[18]認(rèn)為在分化差的腫瘤里，腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)快，血管壁分化差，導(dǎo)致微循環(huán)里更少的灌注，得到更低的f值，與Lu等[6]的結(jié)果相似。但其他研究結(jié)果顯示灌注參數(shù)與微血管密度相關(guān)[12，16]，且有直腸癌的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)f值與血管計(jì)數(shù)顯著相關(guān)[19]。本結(jié)果顯示f值隨著直腸癌分化程度的降低，呈明顯升高，且f值與直腸癌分化程度呈弱相關(guān)。我們認(rèn)為f值可能受多個(gè)因素相互影響，除了微血管的解剖、血流的動(dòng)力外，f值可能還包含了腺體分泌、導(dǎo)管內(nèi)液體流動(dòng)等的多種生理過程[20]，小于200 s/mm2的不同b值選取亦會(huì)影響IVIM灌注參數(shù)的信號(hào)強(qiáng)度[21]。

本研究受到一些不利因素和局限性的影響。IVIM數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性受到b值的選取、擬合算法、ROI的勾畫方式、圖像信噪比、受試者心臟搏動(dòng)和腺體分泌、導(dǎo)管內(nèi)液體流動(dòng)等因素的影響，我們的措施主要有：(1)檢查前30 min用開塞露清潔腸道，掃描前肌注鹽酸山莨菪堿，盡量減少腸道內(nèi)氣體和腸蠕動(dòng)對(duì)圖像的影響。(2)采用3.0 T掃描儀和16通道相控陣線圈，優(yōu)化掃描參數(shù)盡量提高圖像信噪比。(3)采用ROI勾畫腫瘤體積的方法，結(jié)果顯示測(cè)量IVIM數(shù)據(jù)的觀察者間一致性好。(4) b值的選取是影響IVIM成像圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要因素之一，理論上b值越多，擬合出的結(jié)果越準(zhǔn)確，但成像時(shí)間越長(zhǎng)，并不適合直腸空腔臟器的應(yīng)用，我們兼顧了IVIM成像對(duì)低b值和高b值的基本要求[22]，以及整個(gè)直腸掃描序列時(shí)間，設(shè)置了9個(gè)b值的IVIM成像。本研究的局限性：(1)本研究納入的樣本量較小，特別是高分化腺癌病例；(2) IVIM的參數(shù)和ADC值的獲取來自兩種不同的后處理方法，雖然2名醫(yī)師以橫軸位T2WI和ADC圖為參照，且橫軸位高分辨率T2WI和IVIM序列、以及后處理得到的ADC圖的掃描定位、層厚及層間距一致，使得病灶ROI勾畫時(shí)盡量保持一致，數(shù)據(jù)可能仍然存在一定的偏倚；(3) b值的選取對(duì)IVIM參數(shù)存在一定影響，特別是小于200 s/mm2的b值，對(duì)b值的優(yōu)化還需進(jìn)一步研究。

綜上所述，IVIM序列所得參數(shù)和ADC值對(duì)鑒別不同分化程度的直腸腺癌均有較大的價(jià)值，但D值的診斷效能更高，比ADC值更能反映組織的特性。

利益沖突：無。

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