部分傅立葉技術(shù)在鼻咽癌磁共振RESOLVE-IVIM成像中的初步研究

陳浩，賀瑤瑤，張會婷，陳迢，袁子龍

鼻咽癌(nasopharyngeal carcinoma，NPC)是我國常見頭頸部惡性腫瘤之一，其在我國發(fā)病率和死亡率分別為3.26/10萬和1.77/10萬，高于世界平均水平[1]。體素內(nèi)不相干運動(intravoxel incoherent motion，IVIM)能反映腫瘤內(nèi)水分子運動的微循環(huán)灌注成分和擴(kuò)散運動成分，可用于鼻咽癌的鑒別診斷[2]、療效評估[3]及臨床分期[4]等。但傳統(tǒng)的IVIM序列多是基于單次激發(fā)平面回波成像序列(single-shot echo-planar-imaging，ss-EPI)成像，其應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)時易產(chǎn)生磁敏感偽影、圖像變形等[5]，從而導(dǎo)致IVIM定量參數(shù)的不準(zhǔn)確性；而分段讀出平面回波成像技術(shù)(readout segmentation of long variable echo-trains，RESOLVE)是一種K空間讀出方向上分段采集信號的成像技術(shù)，通過分割縮短了回波間距，從而減少了圖像的偽影[6]，較好的解決了上述問題，故近年來基于RESOLVE的磁共振功能成像成為鼻咽部等較復(fù)雜部位的研究熱點[7-9]，然而RESOLVE存在分段采集導(dǎo)致成像時間增加的缺點[6]；而讀出方向部分傅立葉(readout partial fourier，RPF)技術(shù)是通過減少K空間讀出方向的采集率來縮短成像時間[10]，可彌補(bǔ)上述缺點，但RPF技術(shù)對RESOLVE-IVIM序列的影響尚未見研究報道，因此本研究將前瞻性探討RPF技術(shù)對鼻咽癌RESOLVE-IVIM序列成像時間、定量參數(shù)和圖像質(zhì)量的影響。

材料與方法

1.一般資料

收集本院2018年3月-2019年12月期間首診為鼻咽癌的50名患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng)病理證實為鼻咽癌；②無其他腫瘤史或嚴(yán)重合并癥；③患者尚未接受任何治療；④術(shù)前進(jìn)行了MRI檢查，包括RESOLVE-IVIM序列。排除標(biāo)準(zhǔn)：①已經(jīng)進(jìn)行了腫瘤對癥治療；②患者有MRI禁忌癥；③IVIM序列未掃描；④由于較為明顯運動偽影導(dǎo)致的圖像質(zhì)量差。最后，本研究納入了患者38例，其中男25例，女13例，年齡27～71歲，平均53歲。根據(jù)第八版AJCC癌癥分期手冊，納入病例中Ⅱ期3例，Ⅲ期16例，Ⅳ期19例。本前瞻性研究已獲得了醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，所有患者簽署均知情同意書。

2.儀器與方法

采用德國Siemens MAGNETOM Skyra 3.0T超導(dǎo)型MRI成像儀，20通道頭部線圈。掃描協(xié)議包括常規(guī)平掃軸位T1WI、冠狀位T2WI、軸位壓脂T2WI、帶RPF(RPF=6/8)和不帶RPF的RESOLVE-IVIM序列、增強(qiáng)軸位和冠狀位壓脂T1WI。定義帶RPF的RESOLVE-IVIM圖像為A組，不帶RPF的RESOLVE-IVIM圖像為B組。 RESOLVE-IVIM序列參數(shù)如下：b值包括0、10、20、40、80、150、200、400、800 s/mm2，三個正交方向，TR 3960 ms，TE1 68 ms，TE2 98 ms，層厚4 mm，層間因子10%，矩陣134×134；視野(FOV)=258 mm×246 mm。兩組的掃描時間分別為6分鐘8秒(A組)及為10分鐘6秒(B組)。

3.圖像分析

兩組RESOLVE-IVIM圖像后處理在MR Body Diffusion Toolbox(Siemens Healthcare,Erlangen,Germany)軟件上進(jìn)行(圖1、2)，由一名具有5年影像診斷經(jīng)驗的放射醫(yī)師在不帶RPF且b=800 s/mm2的RESOLVE-IVIM圖上勾畫腫瘤最大層面及上下兩層共計三個興趣區(qū)(region of interest，ROI)，勾畫要求參考常規(guī)平掃及增強(qiáng)圖像盡可能多的覆蓋腫瘤實體部分，同時盡量避開囊變、出血、壞死及顱底骨質(zhì)等非腫瘤部分(圖1a)，并由另一名具有10年影像診斷經(jīng)驗的放射醫(yī)師確認(rèn)。然后按公式(1)和(2)計算出IVIM定量參數(shù)：表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)，真實擴(kuò)散系數(shù)(pure molecular diffu-sion，D)，灌注相關(guān)擴(kuò)散系數(shù)(perfusion-related diffu-sion，D*)和灌注分?jǐn)?shù)(perfusion fraction， f)。

圖1 A組病灶勾畫及定量參數(shù)圖示例，不帶RPF的RESOLVE-IVIM圖像。男，52歲，病理非角化性型未分化癌，T3N3M0，臨床分期Ⅳ期。a)b=800s/mm2的DWI圖；b)D圖；c)D*圖；d)f圖；e)ADC圖。圖2 RPF=6/8的RESOLVE-IVIM圖像。a)b=800s/mm2的DWI圖；b)D圖；c)D*圖；d)f圖；e)ADC圖。偽彩圖中顏色越紅代表數(shù)值越高，越藍(lán)代表數(shù)值越低。

Sb/S0=f×e-(b×D* )+(1-f)×e-(b×D)

(1)

Sb/S0=e-(b×ADC)

(2)

其中b為擴(kuò)散加權(quán)因子，Sb為b值所對應(yīng)的信號強(qiáng)度，S0為b=0s/mm2時的信號強(qiáng)度。再導(dǎo)入同一病例帶RPF的IVIM圖像同時復(fù)制上述三個ROI，計算其定量參數(shù)，三個ROI所得參數(shù)分別進(jìn)行點對點比較。

4.圖像質(zhì)量評價

客觀圖像質(zhì)量評價：采用測量腫瘤最大層面腫瘤、對側(cè)翼內(nèi)肌及背景的信號強(qiáng)度(signal intensity，SI)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(standard deviation，SD)，重復(fù)測量三次取平均值(Mean)，如公式(3)、(4)所示，計算信噪比和對比噪聲比客觀評價兩組RESOLVE-IVIM圖像質(zhì)量。

(3)

(4)

其中SI腫瘤、SI肌肉分別代表腫瘤和對側(cè)翼內(nèi)肌的平均信號強(qiáng)度，SD腫瘤、SD肌肉和SD背景分別代表腫瘤、對側(cè)翼內(nèi)肌和背景的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差。

主觀圖像質(zhì)量評價：由兩名不同年資(5年和10年)放射診斷醫(yī)師對A、B兩組圖像質(zhì)量采用雙盲四分法進(jìn)行打分，評分標(biāo)準(zhǔn)包括圖像清晰度、失真、偽影和病灶明顯度四部分。其中，1分表示圖像模糊，偽影很多，變形嚴(yán)重，難以發(fā)現(xiàn)病變；2分表示圖像有較多偽影并且已變形，但能區(qū)分出一些病灶；3分表示圖像中有少許偽影和輕度變形，但可以區(qū)分病灶；4分表示圖像清晰，無失真，基本無偽影且病灶顯示良好。

5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用Graph Pad Prism v5.0軟件對AB兩組三個ROI所得定量參數(shù)(D、D*、f和ADC)進(jìn)行點對點Bland-Altman分析，用于評估兩組參數(shù)在帶RPF和不帶RPF之間的一致性，定義Mean±1.96SD為95%一致性極限(limits of agreement，LOA)。采用SPSS 22.0軟件包中Kolmogorov-Smirnova檢驗驗證SNR、CNR和主觀圖像質(zhì)量評分(即圖像清晰度、失真、偽影和病灶明顯度)是否符合正態(tài)分布，不符合正態(tài)分布則使用Wilcoxon檢驗評估其平均值的差異，且P<0.05時差異有統(tǒng)計學(xué)意義；同時采用Kappa檢驗評估兩名醫(yī)師主觀圖像質(zhì)量評分的一致性(Kappa值為0.00～0.20時兩者之間無一致性，0.21～0.40一致性較差，0.41～0.60一致性中等；0.61～0.80一致性良好，0.81～1.00一致性極好)。

結(jié) 果

1.定量參數(shù)的Bland-Altman分析

A、B兩組定量參數(shù)Bland-Altman分析結(jié)果見圖3。其中差異平均值最低的是D*，為0.79%，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為30.36%，95%LOA為-58.72%～60.30%；差異平均值最高的是D，為7.64%，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為20.15%，95%LOA為-31.85%～47.13%；另外f的差異平均值為5.08%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為35.14%，95%LOA為-63.80%～73.96%；ADC的差異平均值為5.70%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.88%，95%LOA為-15.62%～27.03%。兩組定量參數(shù)的百分偏差最大的僅為7.64%，說明兩組定量參數(shù)具有一定的一致性；BA分析散點圖中大多數(shù)病例的波動性在95%LOA一致性界限以內(nèi)，只有少數(shù)病例在95%LOA界限以外，表明兩組定量參數(shù)波動性較小。

圖3 A、B兩組定量參數(shù)Bland-Altman分析結(jié)果圖。橫軸代表A、B組數(shù)據(jù)的平均值，縱軸代表數(shù)據(jù)之間的差異百分?jǐn)?shù)，橫實線是差異平均值，橫虛線是95%LOA的上下限。a)ADC值分析結(jié)果圖；b)f值分析結(jié)果圖；c)D值分析結(jié)果圖；d)D*值分析結(jié)果圖。

2.圖像質(zhì)量分析

A、B兩組的平均SNR和CNR值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.46、0.18)，但不帶RPF的B組SNR和CNR的平均值(252.9±77.7和5.8±2.8)均略高于帶RPF的A組(247.3±85.5、5.3±2.3)，見表1。主觀評價結(jié)果顯示，A、B兩組在圖像清晰度、失真、偽影、病灶明顯度和總得分之間差異均沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，表1)。兩名醫(yī)師主觀評分一致性分析結(jié)果顯示，A、B兩組在圖像清晰度一致性極好(K為0.91、0.81)，病灶明顯度一致性較好(K均為0.73)，而在失真、偽影及總分方面一致性中等(K為0.56～0.67)，見表2。

表1 A、B兩組客觀和主觀圖像質(zhì)量評價結(jié)果

表2 兩組主觀評分一致性比較Kappa值

討 論

RESOLVE技術(shù)因其能夠較好地解決鼻咽部圖像變形及磁敏感偽影問題[11]，因此將其應(yīng)用于IVIM技術(shù)中時，應(yīng)該可以提供更為精準(zhǔn)的定量參數(shù)；但是兩者的聯(lián)合相比傳統(tǒng)的基于SS-EPI序列的IVIM成像時間會更加延長，在實際臨床應(yīng)用中往往會因為掃描時間過長、患者耐受差而不自主運動，導(dǎo)致圖像會出現(xiàn)運動偽影等，而RPF技術(shù)已被證實可以通過減少K空間讀出方向的采集率成功縮短掃描時間[6,10]。本研究前瞻性將RPF技術(shù)應(yīng)用于RESOLVE-IVIM序列，研究結(jié)果表明，應(yīng)用RPF(RPF=6/8)可縮短RESOLVE-IVIM成像序列38.7%的掃描時間，且對圖像質(zhì)量并無明顯的影響，但僅對IVIM定量參數(shù)產(chǎn)生有限的影響(百分偏差<7.64%)。

成像參數(shù)的修改必然會造成圖像質(zhì)量的變化。本研究中，兩組圖像的平均SNR和CNR值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P分別為0.46和0.18)，但不帶RPF的B組SNR和CNR的平均值(252.9±77.7和5.9±2.8)均要略高于帶RPF的A組(247.3±85.5、5.4±2.3)，說明了雖然采用RPF技術(shù)會導(dǎo)致圖像的SNR和CNR有所下降，但是當(dāng)RPF=6/8時鼻咽部RESOLVE-IVIM序列客觀圖像質(zhì)量下降程度較小，且可以接受，這一結(jié)果也得到了Ariya等[6]、Yoshimura等[10]研究結(jié)果的認(rèn)證。圖像SNR和CNR之所以下降，與RPF技術(shù)導(dǎo)致了K空間讀出方向的采集率下降有關(guān)：當(dāng)RPF=1時，即不帶RPF，K空間讀出方向數(shù)據(jù)100%采集；RPF=6/8時，K空間讀出方向信息只采集6/8，該方向上的數(shù)據(jù)采集率降低，即總體圖像信號值降低，噪聲隨之增加，故信號與噪聲的比值就會降低。因此我們需要平衡掃描時間和圖像質(zhì)量的關(guān)系，從而達(dá)到既滿足圖像診斷要求，又降低了掃描時間。主觀圖像質(zhì)量評價方面筆者發(fā)現(xiàn)A、B兩組在圖像清晰度、失真、偽影、病灶明顯度和總得分之間差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，這說明了RPF=6/8時，并未明顯增加圖像的變形和失真，且對病灶的顯示并無明顯影響，因此采用RPF(RPF=6/8)技術(shù)對圖像診斷并無太大影響。

目前越來越多的學(xué)者將IVIM定量參數(shù)所代表的灌注及擴(kuò)散信息應(yīng)用于鼻咽癌臨床相關(guān)研究[12-14]，然而他們研究的重點均為定量參數(shù)與腫瘤療效之間的相關(guān)性，并未注意到定量參數(shù)內(nèi)部的穩(wěn)定性，而本研究同時還評價了應(yīng)用RPF對RESOLVE-IVIM定量參數(shù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)其對定量參數(shù)的影響相對較小(百分偏差<7.64%)，表明兩組的定量參數(shù)具有一定的一致性，因此采用RPF=6/8技術(shù)對鼻咽部IVIM模型中的灌注及擴(kuò)散信息并無明顯影響；其次，筆者還發(fā)現(xiàn)各定量參數(shù)中D*的差異平均值最小，分析原因可能與反映毛細(xì)血管灌注的D*值主要是由低b值決定的有關(guān)[15]，鼻咽癌屬于富血供腫瘤、研究中設(shè)置了較多低b值且基于RESOLVE的IVIM圖像信噪比較好[11]均為D*值的穩(wěn)定提供了保障。最后，本研究Bland-Altman分析散點圖中大多數(shù)病例在95%LOA一致性界限以內(nèi)，只有少數(shù)病例在95%LOA界限以外，這也說明了采用了RPF技術(shù)后IVIM定量參數(shù)的波動性較小，少數(shù)波動性較大的病例筆者分析原因可能與單個病例掃描時間過長患者出現(xiàn)了肉眼無法分辨的輕微不自主運動、手動勾畫中無法避開非腫瘤部分等有關(guān)，剔除這些點將得到更理想化的結(jié)果。

本研究局限性：只研究了RPF=6/8對IVIM序列的影響，未研究其它RPF值對定量參數(shù)的影響，有待后續(xù)進(jìn)一步研究補(bǔ)充；入組病例數(shù)較少，實驗結(jié)果有待進(jìn)一步大數(shù)據(jù)驗證。

綜上所述，RPF=6/8應(yīng)用于RESOLVE-IVIM成像不僅縮短了序列的掃描時間，同時IVIM定量參數(shù)具有一定的穩(wěn)定性，還保證了圖像質(zhì)量滿足診斷需求。