直腸癌MUSE-DWI與常規(guī)DWI成像對比研究

劉琴, 周智鵬

結(jié)直腸癌作為世界上發(fā)病率和死亡率前三的惡性腫瘤之一,嚴(yán)重危害了公眾衛(wèi)生健康安全。據(jù)美國癌癥協(xié)會最新公布的《2021年度癌癥統(tǒng)計報告》,分析得出約1/3的結(jié)直腸癌病變發(fā)生于直腸[1]并且呈現(xiàn)出逐漸年輕化的趨勢[2]。磁共振作為輔助檢查技術(shù)之一,具有重要的臨床價值,因此美國國立綜合癌癥網(wǎng)絡(luò)(National Comprehensive Cancer Network,NCCN)推薦將MRI作為直腸癌術(shù)前常規(guī)檢查。彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging,DWI)作為功能MRI的重要組成部分,不僅能夠反映組織細(xì)胞密度和微結(jié)構(gòu)循環(huán)變化[3],而且在直腸癌的疾病檢出、預(yù)后評估、臨床治療指導(dǎo)等方面都起到了重要作用[4]。DWI除了反映直腸癌的形態(tài)學(xué)特征外,還可以通過計算得出定量參數(shù)圖ADC,不僅能夠?qū)δ[瘤進(jìn)行術(shù)前分期,并且實現(xiàn)殘存腫瘤組織檢測、新輔助治療療效評估以及術(shù)后復(fù)發(fā)診斷等[5]。目前,DWI已經(jīng)成為直腸癌生物表征檢測的常用手段,具有簡單無創(chuàng)和敏感性高等臨床使用價值。

目前,單次激發(fā)自旋回波平面成像(single-shot spin echo planar imaging,SS-EPI)已成為直腸DWI的常用掃描序列[6],然而受到幾何失真和磁敏感偽影的干擾,常規(guī)DWI的空間分辨率、成像質(zhì)量以及診斷價值都受到限制。為了減少圖像變形失真,Li等[7]通過采用并行采集技術(shù)來減少數(shù)據(jù)采集,實現(xiàn)對K空間欠采樣去除混疊偽影提高成像速度,但是相應(yīng)的降低了圖像信噪比,并且依舊存在相位錯配[8]干擾,因此為了解決上述問題,Chen等[9]提出了一種新的DWI采集后處理技術(shù),通過結(jié)合傳統(tǒng)DWI成像和復(fù)合靈敏度編碼(multiple sensitivity encoding,MUSE)來校正回波平面成像的運動相位變化,能夠最大限度的降低圖像變形、減少磁敏感偽影,提高成像質(zhì)量。不同于傳統(tǒng)的彌散成像,基于復(fù)合靈敏度編碼的高分辨率磁共振擴(kuò)散成像(the high resolution magnetic resonance diffusion imaging with multiplexed sensitivity encoding,MUSE-DWI)通過相位方向多次激發(fā)平面回波成像采集,從而能夠直接矯正線性與非線性的相位變化[10]。目前,已有報道MUSE-DWI在乳腺、肝臟、頭頸神經(jīng)[11]等多個器官的成像優(yōu)越性。因此,本文針對SS-EPI DWI和MUSE-DWI進(jìn)行圖像對比分析,探討MUSE-DWI在盆腔直腸內(nèi)的應(yīng)用價值。

材料與方法

1.研究對象

回顧性分析桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院2021年11月-2022年6月經(jīng)病理確診為直腸癌患者資料,其中術(shù)前活檢20例,術(shù)后病理28例。納入標(biāo)準(zhǔn):①直腸MRI檢查觀察到占位性病變;②具有完整臨床及影像資料;③經(jīng)過病理活檢明確直腸病變性質(zhì)。排除標(biāo)準(zhǔn)①檢查前接受手術(shù)、放化療等相關(guān)治療者;②存在檢查禁忌證者;③彌散加權(quán)圖像上難以顯示病灶或存在嚴(yán)重運動偽影影響圖像分析者。最終納入48例患者資料,包括男34例,女14例,年齡33～88歲(平均年齡71歲)本研究獲桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。

2.儀器和方法

所有患者均采用通用電氣(General Electric,GE)3.0T MR掃描,使用腹部通用相控陣線圈聯(lián)合脊柱線圈;檢查前囑咐患者檢查前排空腸道內(nèi)容物,提前30 min注射鹽酸消旋山茛菪堿,掃描采用頭先進(jìn)仰臥位。所有患者均采集常規(guī)直腸冠矢軸T1WI、T2WI,垂直病灶腸管長軸行局部常規(guī)DWI與MUSE-DWI成像,并且為減少對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。本研究保持2組DWI掃描層面與掃描參數(shù)一致,其中SS-EPI DWI與MUSE-DWI的掃描參數(shù)①常規(guī)DWI b值:0、1000 s/mm2[11],TR 5800 ms,TE 76.1～322 ms,矩陣2.3×1.4 ,視野300 mm×300 mm,層厚4 mm;②MUSE-DWI b值0、1000 s/mm2,TR 2944 ms,TE 76.5～154 ms,矩陣2.3×1.4,視野300 mm×300 mm,層厚4 mm,平掃后經(jīng)靜脈以2 mL/s流率注射釓噴酸葡胺進(jìn)行增強(qiáng)掃描。

3.圖像處理與分析

影像資料均以醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像與通信標(biāo)準(zhǔn)(digital imaging and communications in medicine,DICOM)格式導(dǎo)入GE后處理工作站(AW4.7),由2名具有1年以上工作經(jīng)驗的放射科醫(yī)師分別進(jìn)行獨立處理分析,其中包括主觀評價和客觀評價。

主觀評價:由2名放射科醫(yī)師分別對兩組DWI圖像(SS-EPI DWI組和MUSE-DWI組)獨立分析,使用5分法分別對2組b值為1000 s/mm2的直腸DWI圖像的病變可見性、病灶變形、輪廓清晰度、偽影水平以及圖像噪聲進(jìn)行主觀評價(表1)。

表1 主觀評價評分細(xì)則

客觀評價:為了控制實驗變量,所有客觀主觀評價數(shù)據(jù)由一位放射科醫(yī)師獨立對兩組DWI的圖像進(jìn)行測量分析,在圖像上選取病灶最大層面沿腫塊邊緣手動繪制感興趣區(qū)(region of interest,ROI),最大限度地包括病變的實體部分,避開偽影區(qū)域,測量得出直腸病灶平均信號值(SIlesion),并且在同一層面選取臀大肌繪制圓形ROI得到背景臀大肌信號值(SIbackground)和標(biāo)準(zhǔn)差(SDbackground),所有數(shù)據(jù)均重復(fù)測量3次后得出平均值。最后通過公式計算出圖像的信噪比(the signal-to-noise ratio,SNR)、對比噪聲比(contrast-to-noise ratio,CNR),SNR=SI病變/SD背景,CNR=SI病變-SI背景/SD背景。

病灶直徑測量:本研究選取T2WI層面對比顯示病灶,在GE后處理工作站上同時測量對應(yīng)層面SS-EPI DWI和MUSE-DWI的病灶直徑,其中垂直人體矢狀面測量的病灶最大直徑定義為最大橫徑,平行人體矢狀面測量的病灶最大直徑定義為最大縱徑。ADC值測量:選取病灶顯示最好層面繪制圓形ROI,同時復(fù)制ROI至SS-EPI DWI和MUSE-DWI的同一區(qū)域,重復(fù)測量后選取平均值。

4.統(tǒng)計學(xué)方法

結(jié) 果

1.主觀評價(表2)

表2 MUSE-DWI與SS-EPI DWI的主觀評價

兩位放射科醫(yī)師對48位直腸癌患者圖像進(jìn)行主觀評價的一致性較好(KAPPA:0.64～0.87,P<0.05)。MUSE-DWI在病變可見性、病灶變形、輪廓清晰度、偽影水平以及圖像噪聲5個方面表現(xiàn)均優(yōu)于SS-EPI DWI(圖1),且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)。

圖1 患者,男,49歲,經(jīng)手術(shù)確診為直腸癌。圖示分別是b值為1000 s/mm2的直腸橫斷面單次激發(fā)自旋回波擴(kuò)散加權(quán)(SS-EPI DWI)圖像、基于復(fù)合靈敏度編碼的高分辨率磁共振擴(kuò)散(MUSE-DWI)圖像以及T2WI圖像。a) 圖中病灶顯示模糊,邊緣辨識困難; b) 病灶形態(tài)良好,幾何變形輕微,與T2WI圖像重合度良好; c) 對應(yīng)層面的T2WI圖像;d) 圖中直腸病灶受到腸道殘留氣體影響,病灶變形嚴(yán)重并見條狀磁敏感偽影疊加(箭); e) 病灶邊緣磁敏感偽影明顯減少,呈現(xiàn)出更好的圖像整體質(zhì)量;f) 對應(yīng)層面的T2WI圖像。

2.客觀評價

對比分析SS-EPI DWI和MUSE-DWI兩組圖像的SNR、CNR,結(jié)果顯示MUSE-DWI的 SNR、CNR均優(yōu)于常規(guī)DWI(圖2),P<0.001差異有統(tǒng)計學(xué)意義,并且直腸病變的最大縱徑差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001),最大橫徑差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.61)。此外對比MUSE-DWI和SS-EPI圖像所測量的ADC值,SS-EPI所測得的直腸癌平均ADC為0.94(0.81,1.01)s/mm2,MUSE-DWI所測得的平均ADC為0.92(0.83,1.01)s/mm2,統(tǒng)計分析MUSE-DWI與SS EPI-DWI所測量的ADC值無統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.55)?？傮w而言,MUSE-DWI圖像在直腸癌彌散成像的圖像質(zhì)量評價中均優(yōu)于常規(guī)DWI(表3)。

圖2 MUSE-DWI和常規(guī)DWI的SNR、CNR值箱圖。MUSE-DWI圖像的SNR和CNR均高于常規(guī)DWI圖像。

表3 MUSE-DWI與SS-EPI DWI的客觀評價結(jié)果

討 論

DWI作為直腸磁共振檢查的關(guān)鍵序列之一,能夠反映組織細(xì)胞的彌散情況,為臨床診斷治療提供有效指導(dǎo)[11]。值得注意的是SS-EPI DWI對磁場均勻性要求嚴(yán)格,容易受到腸道蠕動和腸內(nèi)氣體的干擾,導(dǎo)致嚴(yán)重的運動和磁敏感偽影。常規(guī)采用導(dǎo)航技術(shù)對偽影進(jìn)行圖像矯正,雖然能夠部分消除運動模糊偽影,但缺乏對非線性運動的處理能力,因此直腸癌患者在進(jìn)行DWI成像時會受到空間分辨率、圖像噪聲以及磁敏感等偽影的干擾,限制影像對局部占位以及病變整體的觀察診斷,并且這些磁敏感偽影還會干擾臨床對于殘留病灶的判斷。Chen等[9]通過結(jié)合擴(kuò)散加權(quán)成像和復(fù)合靈敏度編碼(來校正運動導(dǎo)致相位誤差偽影,MUSE-DWI作為一種后處理算法,區(qū)別于其他成像技術(shù)[13]能夠在不改變序列和的設(shè)備的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)低形變、高通量以及高空間分辨率的DWI成像。

1.直腸變形矯正

MUSE-DWI采取多次激發(fā)回波平面成像,基于相位方向?qū)空間進(jìn)行分段采集,結(jié)合線圈靈敏度曲線去除圖像的混疊偽影,通過不斷提高回波采集效率減少有效回波間距,從而減少相位誤差和圖像變形。由于腸道蠕動以及氣體干擾,直腸DWI較其他實質(zhì)性器官的圖像變形更加嚴(yán)重,導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失真影響病灶周圍情況評估。本文研究結(jié)論表明直腸橫斷位成像中MUSE-DWI較常規(guī)SS-EPI DWI圖像具有突出的變形矯正能力,并且我們發(fā)現(xiàn)在病灶邊緣處,由于不同物質(zhì)的磁化率差異,MUSE-DWI的變形矯正能力更加突出。Chang等[14]通過對比兩者在克羅恩病的診斷價值中發(fā)現(xiàn),MUSE-DWI不僅能夠產(chǎn)生信噪比增益,減少幾何變形,并且還能夠提高腸道活動性炎癥的診斷敏感度和準(zhǔn)確度,其研究結(jié)論豐富了MUSE-DWI的臨床價值,對于我們進(jìn)一步探索MUSE技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性。此外我們還對直腸占位進(jìn)行橫縱徑測量,研究結(jié)果顯示兩種DWI所測量的最大橫徑無統(tǒng)計學(xué)差異以及最大縱徑差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001),分析具體原因可能與MUSE-DWI的成像原理相關(guān),MUSE后處理技術(shù)主要是基于相位方向的多激發(fā)分段式采集,通過將相位信息和線圈靈敏度編碼結(jié)合,從而達(dá)到對DWI圖像的變形矯正實現(xiàn)高分辨率磁共振擴(kuò)散成像。

2.高分辨率DWI成像

直腸癌作為世界上死亡率最高的惡性腫瘤之一,準(zhǔn)確的術(shù)前分期[15]有利于制定合適的臨床治理方案,作為多參數(shù)MR評估的重要組成參數(shù),DWI能夠提供有關(guān)直腸癌浸潤深度和局部淋巴結(jié)數(shù)目等診斷信息,但是由于常規(guī)SS-EPI DWI的幾何變形和T2*模糊的干擾[16],其診斷準(zhǔn)確性受到限制影響。此外,當(dāng)存在脈管侵犯、炎癥滲出以及局部纖維增生時,高分辨率磁共振擴(kuò)散成像顯示出多令人滿意的成像優(yōu)勢[17],能夠提供許多重要的診斷細(xì)節(jié)。我們通過比較MUSE-DWI與SS-EPI DWI在直腸癌成像中的圖像質(zhì)量,充分證明了MUSE-DWI在直腸成像的優(yōu)勢作用,研究發(fā)現(xiàn)MUSE-DWI能夠顯著改善病灶表征觀察,并且通過優(yōu)化圖像分辨率彌補(bǔ)傳統(tǒng)DWI缺少的解剖細(xì)節(jié),還提高了小病灶的檢出率[18]。據(jù)本文兩位醫(yī)師對直腸病灶顯示性的主觀評分,基于MUSE-DWI的圖像更有利于病灶觀察以及細(xì)微結(jié)構(gòu)評估。BAXTER等[18]在乳腺癌成像評估中發(fā)現(xiàn)MUSE-DWI較常規(guī)DWI有更好的脂肪抑制水平,能夠提高對微小病灶的檢出率,同時Daimiel等[19]也在研究結(jié)論中提出MUSE-DWI能夠減少圖像的模糊和變形,實現(xiàn)對乳腺的高分辨率DWI成像,與本文的研究結(jié)論一致。以上這些實驗結(jié)論充分證明了MUSE技術(shù)較傳統(tǒng)DWI有更好的矩陣反演條件、圖像質(zhì)量以及空間分辨率,不僅常規(guī)應(yīng)用于頭頸神經(jīng)、乳腺[19]成像中,還能夠?qū)崿F(xiàn)直腸MUSE-DWI的優(yōu)勢成像。

由于腸道殘留氣體干擾以及SS-EPI DWI有效回波間距較長造成相位錯累,容易受到磁敏感偽影干擾,當(dāng)這種不真實的高信號偽影疊加在腫瘤組織處時,影響圖像質(zhì)量和診斷準(zhǔn)確性,而且隨著分辨率和B值的增加,圖像磁敏感偽影和相位錯累愈發(fā)嚴(yán)重,因此常規(guī)SS-EPI DWI難以實現(xiàn)直腸癌的高分辨率成像。MUSE-DWI通過獲得線圈低分辨率相位信息,實現(xiàn)對DWI圖像的變形矯正,并且減少了回波采集時間和有效回波間距,提高了圖像分辨率。本文通過對比2組DWI圖像的偽影水平,MUSE-DWI可以減少磁場不均勻性偽影。DWI作為腫瘤侵襲性預(yù)測的成像標(biāo)志物[20],因此清晰顯示腫塊輪廓達(dá)到對腫瘤邊界的精確定位具有十分重要的臨床意義,MUSE-DWI基于相位方向?qū)D像進(jìn)行偽影矯正,較SS-EPI DWI減少了圖像變形能夠更加清晰地顯示解剖細(xì)節(jié),能夠更加準(zhǔn)確地評估直腸癌的治療療效,如Chang等就利用MUSE-DWI的成像優(yōu)勢實現(xiàn)了腦組織的精確模擬定位,與本研究中兩位放射科醫(yī)師對直腸解剖細(xì)節(jié)的結(jié)論一致,均認(rèn)為MUSE-DWI較SS-EPI DWI能夠改善病灶解剖結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和病灶周圍結(jié)構(gòu)關(guān)系顯示。

3.圖像綜合質(zhì)量評價

DWI成像不僅能夠提供直腸癌形態(tài)學(xué)特征,并且還能夠通過測量ADC值對直腸腫物良惡性進(jìn)行鑒別診斷。本研究測得MUSE-DWI和SS-EPI DWI兩組病灶的ADC平均值分別為0.92(0.83,1.01) s/mm2和0.94(0.81,1.01) s/mm2,差異無統(tǒng)計學(xué)意義。表明MUSE-DWI只改善圖像質(zhì)量并不改變病灶A(yù)DC值,驗證了MUSE-DWI在直腸成像中的可重復(fù)性,與MUSE-DWI在頭頸、肝臟和前列腺等方面的研究結(jié)論一致[21],但與Kim等[22]報道的結(jié)論不同,分析原因認(rèn)為可能與肝細(xì)胞攝取對比劑濃度有關(guān),MUSE-DWI受到對比劑干擾減低其ADC值,導(dǎo)致兩組DWI測得的ADC值產(chǎn)生差異。SNR作為客觀評價參數(shù),能夠反映不同成像技術(shù)圖像質(zhì)量的優(yōu)劣。本研究中對于MUSE-DWI的SNR和CNR評分為45.54±15.13、37.46±14.57,均優(yōu)于SS-EPI DWI圖像,分析原因可能與MUSE-DWI提高回波采集效率,減少了采集時間有關(guān)[23]。同時我們通過對圖像質(zhì)量進(jìn)行綜合評分發(fā)現(xiàn),MUSE-DWI的整體評分優(yōu)于SS-EPI DWI,與本文SNR、CNR客觀評分結(jié)果相一致,因此MUSE-DWI較傳統(tǒng)DWI不僅能夠改善病灶表觀特征顯示,還提高了盆腔DWI的整體圖像質(zhì)量。

MUSE-DWI能夠最大限度的降低圖像變形、提高成像質(zhì)量,實現(xiàn)直腸DWI的高分辨率成像。但本研究也存在一定的局限性,本文是對直腸癌MUSE-DWI與常規(guī)DWI的成像對比分析,主要集中在直腸癌MUSE-DWI的成像質(zhì)量分析,未納入具體的診斷指標(biāo),因此后續(xù)實驗將繼續(xù)搜集擴(kuò)展病例,期待基于MUSE-DWI優(yōu)勢成像的結(jié)論上,能夠進(jìn)一步探討MUSE-DWI在直腸內(nèi)的鑒別診斷價值。

綜上所述,MUSE-DWI較常規(guī)SS-EPI DWI成像能夠減少圖像變形和磁敏感偽影,實現(xiàn)高分辨率磁共振擴(kuò)散成像,對于提高DWI圖像質(zhì)量及直腸癌表征顯示具有重要臨床意義。