體素內不相干運動擴散加權成像對腎癌分型的診斷價值

丁玉芹， 胡驍軼， 戴辰晨， 冒 煒， 曾蒙蘇， 周建軍*

1. 復旦大學附屬中山醫院放射科，上海市影像醫學研究所，復旦大學上海醫學院影像學系，上海 200032 2. 復旦大學附屬中山醫院泌尿外科，上海 200032

·論 著·

體素內不相干運動擴散加權成像對腎癌分型的診斷價值

丁玉芹1， 胡驍軼2， 戴辰晨1， 冒 煒1， 曾蒙蘇1， 周建軍1*

1. 復旦大學附屬中山醫院放射科，上海市影像醫學研究所，復旦大學上海醫學院影像學系，上海 200032 2. 復旦大學附屬中山醫院泌尿外科，上海 200032

目的： 探討體素內不相干運動擴散加權成像(IVIM-DWI)對腎癌組織分型的應用價值，評價灌注相關參數(D*和f)與病灶強化百分率及微血管密度的相關性。方法： 回顧分析2013年5月至2015年3月經病理證實的52例(57個病灶)腎癌患者資料，所有患者術前均經常規磁共振和IVIM-DWI檢查，其中34例(36個病灶)腎癌術后經免疫組化CD34染色評估微血管密度。采用單因素方差分析、Pearson相關分析和ROC曲線進行統計分析。結果： 透明細胞腎癌的ADC值和D值高于乳頭狀腎癌和嫌色細胞腎癌(P<0.01)，乳頭狀腎癌和嫌色細胞腎癌的ADC值和D值差異無統計學意義；透明細胞腎癌和嫌色細胞腎癌的D*值差異無統計學意義；3種腎癌亞型間f值差異均有統計學意義(P<0.05)。ADC、D、D*和f值鑒別透明和非透明細胞腎癌的ROC曲線下面積分別為0.84、0.85、0.65和0.80。D*值和f值與皮髓質期和腎實質期病灶強化百分率正相關(r值分別為0.45，0.30；0.56，0.55)；D*值和f值均與腎癌的MVD值正相關(r值分別為0.362和0.501)。結論： IVIM-DWI有助于腎癌亞型的鑒別診斷，灌注相關參數D*和f與病灶強化百分率及微血管密度具有一定的相關性。

體素內不相干運動；擴散加權成像；腎細胞癌；強化程度；微血管密度

體素內不相干運動擴散加權成像(intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging, IVIM-DWI)采用雙指數模型的算法對多b值的DWI圖像進行后處理，可以將微循環灌注效應從水分子擴散效應中分離出來，同時得到擴散(D)和灌注相關參數(D*和f)[1]。目前，關于IVIM-DWI在腎臟腫瘤方面的研究較少，灌注相關參數與微血管密度(microvascular density, MVD)的相關性尚不清楚。本研究旨在探討IVIM-DWI對腎癌分型的診斷價值，同時評價灌注相關參數(D*和f)與強化程度和病灶MVD的相關性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧分析2013年5月至2015年3月期間經病理證實且術前行腎臟MRI常規及IVIM-DWI檢查的52例(57個病灶)常見腎癌患者，包括透明細胞腎癌(clear cell renal cell carcinoma, ccRCC)31例(33個病灶)，乳頭狀腎癌(papillary renal cell carcinoma, pRCC)11例(11個病灶)，嫌色細胞腎癌(chromophobe renal cell carcinoma, chRCC)10例(13個病灶)，其中34例(36個病灶)腎癌進行CD34染色。左腎27個(47.4%)，右腎30個(52.6%)，男性39例(75%)，女性13例(25%)，年齡31～75歲，平均53歲，無癥狀常規體檢偶然發現者46例(88.5%)，腰酸、腰痛5例，腹痛1例，行根治性腎切除31個病灶(54.4%)，部分性腎切除26個病灶(45.6%)。

1.2 腎臟MRI掃描技術 采用Siemens Aera 1.5T MR超導掃描儀進行數據采集，常規掃描序列包括：(1)梯度回波T1WI正反相位序列；(2)快速自旋回波T2WI序列；(3)3D屏氣容積內插法脂肪抑制T1WI平掃和增強三期掃描。平掃之后，經肘靜脈推注釓噴酸葡胺注射液(Gd-DTPA)30 mL，注射流率2 mL/s，采用care bolus自動觸發采集皮髓質交界期圖像，腎實質期為造影劑注射后80～90 s。

IVIM-DWI采用自由呼吸單次激發平面回波成像(single shot echo-planar imaging, SS-EPI)8個b值(b=0、25、50、80、150、300、500、800 s/mm2)采集原始圖像。利用西門子工作站進行圖像后處理，根據雙指數模型公式[1]：Sb/S0=(1-f)×exp(-bD)+f×exp[-b(D+D*)]計算得出ADC圖、D圖、D*圖和f圖。Sb和S0分別為施加擴散敏感梯度與不施加擴散敏感梯度時的信號強度，f為灌注分數(perfusion fraction)，D*為假性擴散系數(pseudodiffusion coefficient)，D為純擴散系數。

1.3 圖像分析 由2名不知病理結果和臨床相關資料的影像醫師共同閱片，兩者意見不統一時經協商達成一致意見。感興趣區(region of interest, ROI)置于病灶中央層面強化顯著和擴散受限的腫瘤實質區域，避開壞死、囊變、出血和鈣化。根據以下公式計算病灶皮髓質期和腎實質期的強化百分率[2]，病灶強化百分率=(SI增強后-SI平掃)/SI平掃×100，其中SI代表病灶的信號值。

1.4 病理分析 通過顯微鏡、圖像采集卡、數碼相機采集數字圖像，每張切片選擇陽性細胞數多的3個熱點視野采圖，拍攝倍數為200倍，通過Image pro plus 6.0統計出微血管區所占的區域數量、面積(area)和光密度(IOD)值，計算同1張切片3個熱點視野的平均微血管數量，代表MVD。

1.5 統計學處理 采用SPSS 22.0軟件進行統計分析，ccRCC、pRCC和chRCC的ADC和IVIM相關參數的比較采用單因素方差分析，ccRCC和non-ccRCC的皮髓質期和腎實質期病灶強化百分率和MVD值比較采用獨立樣本t檢驗。根據Pearson相關系數r值判斷D*值和f值與病灶強化百分率和MVD的相關程度：0～0.2為極弱相關；0.2～0.4為弱相關；0.4～0.6為中等相關；0.6～0.8為強相關；0.8～1.0為極強相關。采用受試者工作曲線(receiver operating characteristic, ROC)分析ADC和IVIM相關參數鑒別ccRCC和non-ccRCC的敏感性和特異性。檢驗水準(α)為0.05。

2 結 果

2.1 3種常見腎癌亞型ADC值和IVIM相關參數比較 ccRCC的ADC值和D值高于pRCC和chRCC(P<0.01)，pRCC和chRCC的ADC值和D值差異無統計學意義；pRCC的D*值低于ccRCC和chRCC(P<0.05)，ccRCC和chRCC的D*值差異無統計學意義；3種腎癌間的f值差異均有統計學意義(P<0.05;表1，圖1、圖2)。

表1 3種腎癌亞型的ADC值和IVIM相關參數比較結果

圖1 左腎透明細胞癌MR及免疫組化染色

A：ADC=1.66×10-3mm2/s；B：D=1.41×10-3mm2/s；C：D*=13.73×10-3mm2/s；D：f=24.9%；E：腎實質期病灶明顯強化，強化百分率為316.09%；F：CD34免疫組化圖，微血管豐富(深棕色濃染)，總計180條. Original magnification: ×200 (F)

圖2 右腎乳頭狀細胞癌MR及免疫組化染色

A：ADC=0.70×10-3mm2/s；B：D=0.61×10-3mm2/s；C：D*=10.25×10-3mm2/s；D：f=8.75%；E：皮髓質期病灶輕度強化，強化百分率為22.90%；F：CD34免疫組化圖，微血管稀疏(箭頭)，總計23條. Original magnification: ×200

2.2 ADC值和IVIM相關參數鑒別ccRCC和non-ccRCC的ROC曲線分析 ROC曲線分析結果顯示，當確定界值D=1.36×10-3mm2/s時，鑒別ccRCC和non-ccRCC的曲線下面積(area under curve，AUC)最大(AUC=0.85)，敏感性和特異性分別為60.6%和95.8%(表2，圖3)。

表2 ADC值和IVIM相關參數鑒別透明和非透明細胞腎癌的ROC曲線分析結果

圖3 ADC值和IVIM相關參數鑒別透明細胞腎癌和非透明細胞腎癌的ROC曲線圖

2.3D*值和f值與腎癌病灶強化百分率和MVD的相關性分析 ccRCC的皮髓質期病灶強化百分率、腎實質期病灶強化百分率和MVD值均高于non-ccRCC，兩者間差異均有統計學意義(P<0.05)。D*值和f值與皮髓質期和腎實質期腎癌病灶強化百分率均正相關，r值分別為0.45、0.30；0.56、0.55(P均<0.05)；D*值和f值均與腎癌MVD值正相關，r值分別為0.362和0.501(P均<0.05，表3)。

3 討 論

擴散加權成像(diffusion weighted imaging,DWI)通過檢測活體組織內水分子的布朗運動，間接反映組織微觀結構的變化，從細胞及分子水平研究疾病的病理生理狀態。DWI通常采用表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient, ADC)進行量化分析。然而，ADC值并不單純地反映活體組織內水分子的擴散運動，同時也受毛細血管微循環灌注的影響。Le Bihan等[1]于1986年首先采用Levenberg-Marquardt雙指數模型的算法對DWI的信號進行擬合，公式如下：Sb/S0=(1-f)×exp(-bD)+f×exp(-bD*)，Sb和S0分別為施加擴散敏感梯度與不施加擴散敏感梯度時的信號強度；f為灌注分數(perfusion fraction)，代表體素內流經毛細血管血液的容積分數；D*為假性擴散系數(pseudodiffusion coefficient)，代表體素內微循環灌注相關擴散效應，又稱灌注相關擴散或快速擴散；D為擴散系數，代表體素內單純的水分子擴散效應，又稱慢速擴散。

IVIM-DWI無需使用造影劑，避免了造影劑引起腎臟系統性纖維化的風險，這對造影劑過敏和腎功能不全的腎占位患者的診斷和鑒別診斷具有重要意義。目前，關于IVIM-DWI在腎癌方面的研究不多，本研究主要探討IVIM-DWI對腎癌分型的價值及其與多期增強強化百分率和微血管密度的相關性，為進一步臨床研究提供參考。

表3 透明和非透明細胞腎癌的皮髓質期和腎實質期病灶強化百分率及MVD的比較

% enhancement =(SIpostcontrast-SIprecontrast)/SIprecontrast×100, where SI represents the signal value of the lesion with a unit of percentage;§MVD is the average number of microvessels in three hotspots, in units of a blood vessel/200 times field of vision

3.1 IVIM-DWI擴散相關參數對腎癌分型的診斷價值 DWI在局灶性腎臟病變中的應用非常廣泛，在鑒別常見腎癌亞型方面具有重要價值，但各研究中心結果和結論不一致。Taouli等[3]和Sevcenco等[4]研究發現，乳頭狀腎癌的ADC值低于非乳頭狀腎癌，但是Yu等[5]研究認為，chRCC與pRCC的ADC值差異無統計學意義。Wang等[6]研究顯示，當b值等于0、800 s/mm2時，ccRCC的ADC值(1.698×10-3mm2/s)高于chRCC(1.135×10-3mm2/s)，pRCC的ADC值(0.884×10-3mm2/s)最低，三者間差異均有統計學意義(P均<0.05)。本研究中，ccRCC的ADC值和D值高于pRCC和chRCC，pRCC和chRCC的ADC值和D值差異無統計學意義，與Yu等[5]研究相符，可能的病理學基礎為ccRCC胞質內含有豐富的糖原，可形成假乳頭結構，沒有纖維血管核心，間質空間內的水分子可以相對自由地擴散，而pRCC含有纖維血管軸心，部分chRCC中央可見纖維瘢痕，同時，pRCC和chRCC的腫瘤細胞排列緊密，細胞間和細胞外的水分子擴散明顯受限[7-8]。

Chandarana等[2]研究發現，ADCtotal和ADC0-400-800不能鑒別有強化和無強化的腎臟病變，但是有強化的腎臟病變的D值低于無強化的病變[(1.47±0.4)×10-3mm2/svs(2.4±0.7)×10-3mm2/s，P<0.05]。Chandarana等[9]的另一研究認為，ADC0-400-800不能鑒別ccRCC和chRCC，但ccRCC的D值高于chRCC[(1.80±0.60)×10-3mm2/svs(1.30±0.20)×10-3mm2/s，P=0.006]。李璐等[10]研究顯示，血管平滑肌脂肪瘤、ccRCC和non-ccRCC的D值分別為(0.78±0.31)×10-3mm2/s、(1.83±1.56)×10-3mm2/s、(0.96±0.25)×10-3mm2/s，三者間差異均有統計學意義。以上研究結果提示，IVIM-DWI的純擴散系數D值在腎臟病變的鑒別診斷中具有重要價值，優于ADC值，但本研究中，ADC值和D值在鑒別ccRCC和non-ccRCC方面的準確性相仿，這可能與ROI的放置、b值的選擇等多種因素有關，IVIM-DWI鑒別腎臟病變的準確性有待于大樣本的研究進一步證實。

3.2 IVIM-DWI灌注相關參數對腎癌組織分型的價值f代表體素內流經毛細血管血液的容積分數，D*代表體素內微循環灌注相關擴散運動，與毛細血管節段的長度和血流速度成正比[11]。本研究中，ccRCC的f值最高，pRCC的f值最低，chRCC的f值介于兩者之間，三者間差異均有統計學意義，可能的病理基礎為ccRCC間質內含有豐富的薄壁毛細血管，pRCC為乏血供的腫瘤，纖維血管軸心及間質內僅含有稀疏的毛細血管[10]。然而，李璐等[10]和康欽欽等[12]兩項研究結果提示，f值無法鑒別ccRCC和non-ccRCC，與本研究結果不符，可能與其病例數較少、MR掃描儀器及參數選擇有關。因此，IVIM-DWI灌注相關參數鑒別腎癌亞型的價值有待于大樣本的研究進一步證實。

Chandarana等[2]研究發現，有強化的腎臟病變的f值高于無強化的病變[(27.9±13.9)%vs(6.1±10.1)%]，并且f值與病變最大強化率正相關(r=0.7)。Chandarana等[9]另一研究結果顯示，腎癌的f值與動態增強MRI的前60 s增強曲線下面積(the curve of gadolinium concentration at 60 seconds, CIAUC60)具有明顯的正相關性(r=0.82，P<0.001)。本研究中，f值與皮髓質期和腎實質期病灶強化百分率均中等相關(r分別為0.56和0.55)，提示f值一定程度上反映了腎癌的血流灌注情況。

Lee等[13]對25只皮下種植人類直腸癌細胞的裸鼠進行IVIM和病理對照研究，結果提示，D*和f與MVD強相關(r=0.782和0.749)。宋瓊等[14]研究發現，肝細胞癌的D*值和f值與MVD呈中等相關(r值分別為0.480和0.483)。本研究中，腎癌的D*值和f值均與MVD值正相關，r值分別為0.362和0.501，提示IVIM-DWI灌注相關參數D*值和f值一定程度上反映了腎癌的微血管生長狀態。

MVD作為腫瘤血管生成評估的金標準，可反映腫瘤誘導血管生成的能力，但MVD與ccRCC患者的預后是否相關，既往文獻報道的結果并不一致。這些不同甚至相反的結果可能與研究中所選用的識別腫瘤血管的標記物以及微血管計數方式不同有關，CD34表達于分化型內皮細胞中，而CD31在分化型和未分化型內皮細胞中均有表達[15]。張艷輝等[16]采用免疫組化SP法檢測149例腎癌組織中CD34和CD31的表達情況，ccRCC的CD34和CD31標記的MVD均高于non-ccRCC(P均<0.01)。本研究中，ccRCC和non-ccRCC的CD34標記的MVD分別為(120.80±44.69)和(80.38±64.15)，ccRCC的MVD高于non-ccRCC，與張艷輝等[16]結果相符，可能的原因為：(1)ccRCC中VHL基因突變導致VHL蛋白失活，缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor, HIF)升高，并激活血管內皮細胞生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)等促進血管生成的相關基因，而VEGF與MVD正相關[17]；(2)non-ccRCC腫瘤基質中新生血管密度較低，其血管內皮細胞上CD34和CD31蛋白的表達量也較低。

3.3 本研究的不足之處 pRCC和chRCC的病例數較少，未分別討論3種常見腎癌的IVIM-DWI參數的差異；未探討IVIM-DWI灌注相關參數與其他評價血流動力學特征的MRI技術的相關性；病理取材和影像學測量的部位很難保持一致，難免存在選擇偏移。

綜上所述，IVIM-DWI在幫助腎癌亞型的鑒別診斷中有價值，ADC值和D值鑒別ccRCC和non-ccRCC的準確性高于D*和f值。IVIM-DWI灌注相關參數D*值和f值與病灶強化百分率和MVD具有正相關性，能夠反映腎癌的血供特點。

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[本文編輯] 廖曉瑜， 賈澤軍

The diagnostic value of IVIM-DWI in subtype differentiation of renal cell carcinoma

DING Yu-qin1, HU Xiao-yi2, DAI Chen-chen1, MAO Wei1, ZENG Meng-su1, ZHOU Jian-jun1*

1. Department of Radiology, Zhongshan Hospital, Shanghai Institute of Medical Imaging, Department of Medical Imaging, Shanghai Medical College, Fudan University, Shanghai 200032, China2. Department of Urology, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China

Objective： To investigate the value of intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging (IVIM-DWI) in the classification of renal cell carcinoma (RCC), and to evaluate the correlation between the perfusion-related parameters (D*and f) and the percentage of enhanced lesion and microvascular density (MVD). Methods： The data of 57 pathologically confirmed cases of renal cell carcinoma (RCC) in 52 patients between May 2013 and March 2015 were retrospectively analyzed. All patients underwent conventional MRI and IVIM-DWI scanning. 36 cases of RCC in 34 patients underwent immunohistochemistry CD34 staining to evaluate MVD. One-way ANOVA, Pearson correlation analysis and receiver operating characteristic (ROC) curve were used for statistical analysis. Results： The ADC andDvalues of clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) were higher than those of papillary renal cell carcinoma (pRCC) and chromophobe renal cell carcinoma (chRCC,P<0.01), but there was no significant statistical difference between the ADC andDvalues of pRCC and chRCC. There was no significant statistical difference between theD*values of ccRCC and chRCC. Thefvalues of 3 subtypes of RCC were statistically different (allP<0.05). The areas under the ROC curve (AUC) of ADC,D,D*andfvalues in the differentiation between ccRCC and non-ccRCC were 0.84, 0.85, 0.65, and 0.80 respectively. TheD*andfvalues were positively correlated with the percentage of enhanced lesions in corticomedullary phase and parenchymal phase (r=0.45, 0.30; 0.56, 0.55, respectively). TheD*andfvalues were both positively correlated with the MVD value of renal cell carcinoma (r=0.362 and 0.501 respectively). Conclusions： IVIM-DWI is valuable in helping to differentiate among RCC subtypes. Perfusion-related parametersD*andfhave certain correlation with the percentage of lesion enhancement and MVD.

intravoxel incoherent motion; diffusion weighted imaging; renal cell carcinoma; degree of enhancement; microvascular density

2017-02-27 [接受日期] 2017-04-05

上海市自然科學基金(14ZR1438400).Supported by Natural Science Foundation of Shanghai(14ZR1438400).

丁玉芹，博士，住院醫師. E-mail: nancydingding@126.com

*通信作者(Corresponding author). Tel: 021-64041990, E-mail: zhou.jianjun@zs-hospital.sh.cn

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20170150

R 445.2； R 737.1

A