直腸擴(kuò)散峰度成像與擴(kuò)散加權(quán)成像定量參數(shù)反映直腸癌組織學(xué)特性的優(yōu)劣

曹喜生，陳韻彬，程 虓，魏 偉，胡春淼

福建省腫瘤醫(yī)院，福建醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放診科，福建 福州 350014

直腸擴(kuò)散峰度成像與擴(kuò)散加權(quán)成像定量參數(shù)反映直腸癌組織學(xué)特性的優(yōu)劣

曹喜生，陳韻彬，程 虓，魏 偉，胡春淼

福建省腫瘤醫(yī)院，福建醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放診科，福建 福州 350014

目的：比較擴(kuò)散峰度成像(diffusional kurtosis imaging，DKI)與擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)定量參數(shù)反映直腸癌組織學(xué)特性的優(yōu)劣。方法：20例直腸癌患者及23例健康志愿者經(jīng)過3.0T磁共振DKI掃描。掃描參數(shù)：采用5個(gè)b值(b=0、500、1 000、1 500、2 000 s/mm2)，擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)同時(shí)取X、Y和Z軸3個(gè)方向。健康組與直腸癌組定量參數(shù)[平均表觀擴(kuò)散系數(shù)(mean diffusion，MD)、平均表峰度系數(shù)(mean kurtosis，MK)、表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)]比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)及曲線下面積(area under curve，AUC)分析。結(jié)果：健康組MD、MK及ADC均值分別為1.37×10-3mm2/s、0.96±0.11、(0.76±0.12)×10-3mm2/s，直腸癌組MD、MK及ADC均值分別為(1.10±0.12)×10-3mm2/s、1.22±0.16、(0.60±0.06)×10-3mm2/s，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。診斷直腸癌的MD值具有最大的AUC (0.928)，MK值的AUC (0.909)居中，ADC值的AUC最小(0.907)。結(jié)論：初步研究結(jié)果支持DKI能反映直腸癌組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其定量參數(shù)MD和MK比ADC對(duì)直腸癌組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性更敏感。

直腸癌；擴(kuò)散峰度成像；磁共振成像

直腸癌是常見的消化道惡性腫瘤之一，每年約655 000人死于該病。我國(guó)直腸癌的發(fā)病率以每年4.2%的速度逐漸增長(zhǎng)，高于全世界平均增長(zhǎng)水平。擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)和體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion，IVIM)能反映直腸癌中水分子擴(kuò)散及組織微觀特性[1-2]，其成像的前提是假設(shè)人體內(nèi)水分子呈正態(tài)分布，但研究表明人體中水分子分布呈非高斯分布[3]。擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是目前無創(chuàng)性反映活體組織內(nèi)非高斯分布的水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能力及運(yùn)動(dòng)方向的MRI方法，尤其適合反映惡性腫瘤復(fù)雜的微觀組織結(jié)構(gòu)和水分子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，多應(yīng)用于腦膠質(zhì)瘤研究，用于體部病變少見[4]，用于直腸癌研究更少[5]。本研究旨在比較DKI與DWI定量參數(shù)反映直腸癌組織學(xué)特性的優(yōu)劣。

1 資料和方法

1.1 患者資料

對(duì)連續(xù)就診于福建省腫瘤醫(yī)院的128例直腸癌患者行MRI檢查，將檢查后1周內(nèi)行手術(shù)治療的20例患者入組?；颊咂骄挲g60歲，其中男性12例、女性8例。健康志愿者23例作為對(duì)照組，其中男性8例、女性15例，平均年齡46歲。所有受檢者自愿簽署知情同意書，并滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：無MRI檢查禁忌證，無盆腔金屬偽影；直腸癌組均未經(jīng)過化療、放療等治療；健康組均無直腸疾病。

1.2 MRI檢查

采用Achieva 3.0T TX MR 掃描儀(Philips Medical Systems，Netherlands)，8通道體部相控陣線圈為接收線圈。檢查前30 min經(jīng)肛門給予開塞露，排空直腸內(nèi)容物。考慮到直腸蠕動(dòng)及舒縮運(yùn)動(dòng)較少，且本課題組前期研究顯示直腸DKI參數(shù)具有較好的可重復(fù)性[6]，本研究中患者檢查前未注射腸道抑制劑。

DKI掃描參數(shù)：采用單次激發(fā)自旋回波-平面回波序列，重復(fù)時(shí)間(repetition time，TR)/ 回波時(shí)間(echo time，TE) 775/66 s，層厚5 mm，視野(f i eld of view，F(xiàn)OV) 360 mm×321 mm，體素3，回波鏈長(zhǎng)度19，啟用5個(gè)b值(b=0、500、1 000、1 500、2 000 s/mm2)，擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)同時(shí)取X、Y和Z軸3個(gè)方向。腹部掃描每個(gè)b值掃描采集12幅圖像，最后得到72幅圖像，總共用時(shí)3 min 32 s。

T2WI掃描參數(shù)：采用快速自旋回波(fast spin echo，F(xiàn)SE)序列，參數(shù)：TR 3 000～5 000 ms，TE 90 ms，層厚3 mm，F(xiàn)OV 16～20 cm，激勵(lì)次數(shù)2，體素0.7，回波鏈長(zhǎng)度19。掃描定位與DKI掃描序列一致。

1.3 DKI數(shù)據(jù)后處理

所得DKI數(shù)據(jù)傳輸至Philips工作站。表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)采用工作站自帶后處理軟件獲得。非高斯模式的平均表觀擴(kuò)散系數(shù)(mean diffusion，MD)及平均表峰度系數(shù)(mean kurtosis，MK)通過Permeability軟件(PRIDE permeability processing tool by Philips healthcare，DWI-TOOL R1.5)處理獲得。應(yīng)用InS(b)=InS0-bMD+1/6 b2D2MK[7]公式對(duì)圖像進(jìn)行分析，其中MD是與擴(kuò)散敏感梯度平行方向的擴(kuò)散系數(shù)估計(jì)值；MK沒有單位，是相同方向擴(kuò)散峰度的估計(jì)值。對(duì)于不同的擴(kuò)散敏感因子b值，得到逐個(gè)像素對(duì)應(yīng)的不同信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)公式進(jìn)行非線性擬合，從而得到相應(yīng)的MD和MK圖。選擇Levenberg-Marquardt E線性擬合優(yōu)化方法。實(shí)際擬合過程中需給出擬合參數(shù)MD、MK的一組初值用來進(jìn)行迭代求解，程序?qū)崿F(xiàn)中MD初值取[lnS0-lnS(b)]/b，MK初值根據(jù)文獻(xiàn)[8]于0.5～1.4范圍內(nèi)選取。擬合之后得到一系列不同的MD值和MK值，有可能出現(xiàn)明顯不正常的MD值和MK值對(duì)最后結(jié)果造成干擾，因此在原始圖像處理中加入適當(dāng)過濾條件，濾去明顯不正常的值。

為使感興趣區(qū)(region of interest，ROI)勾畫準(zhǔn)確，由2名工作超過5年的放射科醫(yī)師結(jié)合高分辨T2WI圖像及病理結(jié)果，在信號(hào)圖像上區(qū)分病灶與正常組織邊緣，描邊勾畫ROI。MD、MK及ADC值測(cè)量均選用同一層面及ROI。每個(gè)ROI面積均≥25像素。所得數(shù)據(jù)均測(cè)量3次，取平均值。記錄每個(gè)樣本的ADC、MD及MK值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

所有數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。直腸癌組與健康組的各定量參數(shù)(MD、MK、ADC值)的比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，對(duì)直腸癌組與健康組ADC、MD、MK值的比較采用曲線下面積(area under curve，AUC)分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

本研究直腸癌入組20例，其中18例為中分化腺癌、1例為高分化腺癌、1例為黏液腺癌。健康組入組23例。健康組DKI定量參數(shù)見圖1，直腸癌DKI定量參數(shù)見圖2。健康組的MD、MK及ADC均值分別為1.37×10-3mm2/s、0.96±0.11、(0.76±0.12)×10-3mm2/s，而直腸癌組的MD、MK及ADC均值分別為(1.10±0.12)×10-3mm2/s、1.22±0.16、(0.60±0.06)×10-3mm2/s。直腸癌組的ADC及MD均值較健康組低，MK均值較健康組高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05) (表1)。

區(qū)分直腸癌與正常腸壁時(shí)，MD值的受試者工作特性 (receiver operating characteristic，ROC)曲線的AUC為0.928。MK值ROC AUC為0.909，ADC值ROC AUC為0.907 (圖3)。

圖1 健康志愿者DKI定量參數(shù)測(cè)定

圖2 直腸癌T2N0M0分期中分化腺癌DKI定量參數(shù)測(cè)定

表1 直腸癌組與健康組MD、MK及ADC值的比較

圖3 MK值、MD值及ADC值區(qū)分直腸癌與正常腸壁的ROC曲線

3 討 論

本研究初步證實(shí)了應(yīng)用DKI評(píng)估直腸癌組織學(xué)特性的可行性。結(jié)果顯示，直腸癌組MD值、ADC值顯著低于健康組，MK值顯著高于健康組，這3個(gè)參數(shù)區(qū)分直腸癌與正常腸壁的AUC均較大，且MD值及MK值的AUC均較ADC值更大，提示DKI參數(shù)反映直腸癌組織的復(fù)雜性優(yōu)于DWI。

DWI能無創(chuàng)反映水分子在體內(nèi)的布朗運(yùn)動(dòng)[1]。既往多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，與正常組織相比，惡性腫瘤細(xì)胞增殖明顯，排列緊密，細(xì)胞間隙小，細(xì)胞核增大，核異型性明顯，核質(zhì)比增高，ADC值明顯減低[9-10]。直腸癌DKI定量參數(shù)亦能反映這種組織結(jié)構(gòu)的微觀變化，表現(xiàn)為MK值顯著提高，MD值顯著降低，提示DKI能反映直腸癌組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。同時(shí)，對(duì)于區(qū)分直腸癌與正常腸壁，MD值及MK值較ADC值具有更大的AUC。這可能是由于傳統(tǒng)DWI的基礎(chǔ)是假設(shè)人體水分子運(yùn)動(dòng)呈正態(tài)分布，而實(shí)際上大部分組織并不如此[3]。DKI技術(shù)正是基于DWI技術(shù)上的延伸，避免了對(duì)水分子擴(kuò)散的正態(tài)假設(shè)，更加真實(shí)地提供了一個(gè)數(shù)值用于量化水分子擴(kuò)散位移與理想的非受限高斯分布擴(kuò)散位移的偏離大小，以體現(xiàn)水分子擴(kuò)散受限程度及擴(kuò)散的不均質(zhì)性，從而更好地顯示組織的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)[8]。這與應(yīng)用DKI技術(shù)對(duì)腦膠質(zhì)瘤[11-12]、鼻咽癌[13]、肝癌[14]、乳腺癌[15]及前列腺癌[16-18]的研究結(jié)果類似。但與本研究相比，這些研究中的MD值A(chǔ)UC差異均較大，原因可能有以下幾點(diǎn)：首先，本研究中由于信噪比、掃描時(shí)間及掃描儀限制，擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)使用較少，使用的b值亦較低；其次，能手術(shù)的直腸癌病灶相對(duì)處于早期，嚴(yán)重出血、壞死較少，組織結(jié)構(gòu)比腦膠質(zhì)瘤更均勻。

本研究存在一定的局限性：首先，樣本量較少，直腸癌組僅20例，且大部分(18例)為中分化腺癌，無法對(duì)腫瘤分化程度進(jìn)行分組對(duì)比，需進(jìn)一步大樣本研究以驗(yàn)證DKI在直腸癌診斷中的作用。其次，本研究主要目的是比較DKI與DWI診斷直腸癌的優(yōu)劣，觀察者在知道病理的情況下對(duì)癌灶的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，使癌灶ROI的勾畫更準(zhǔn)確。第三，因技術(shù)條件限制，本研究b值最高為2 000 s/mm2，擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)僅采用3個(gè)方向，大大限制了定量參數(shù)的多樣性。期待隨著磁共振技術(shù)及研究的不斷進(jìn)步，這些問題能得到解決。

綜上所述，本研究應(yīng)用一種非高斯模式對(duì)直腸進(jìn)行擴(kuò)散成像，其定量參數(shù)MD及MK對(duì)直腸癌組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性更敏感，比傳統(tǒng)DWI更具有應(yīng)用價(jià)值。DKI在直腸癌中的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。

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Rectal diffusional kurtosis imaging: clinical value in detection of rectal cancer compared with diffusion weighted imaging

CAO Xisheng, CHEN Yunbin, CHENG Xiao, WEI Wei, HU Chunmiao (Department of Diagnostic Radiology,Fujian Cancer Hospital, Fujian Medical University Cancer Hospital, Fuzhou 350014, Fujian Province, China)
Correspondence to: CHEN Yunbin E-mail: yunbinchen@126.com

Objective:To compare the quantitative parameters of diffusion kurtosis imaging (DKI) with diffusion weighted imaging (DWI) for assessment of the histological characteristics of rectal cancer.Methods:Twenty rectal cancer patients and twenty-three healthy volunteers underwent DKI scans (b=0, 500, 1 000, 1 500, 2 000 s/mm2, respectively; three diffusion directions).The values of mean diffusion (MD), mean kurtosis (MK), apparent diffusion coefficient (ADC) and pathologic fi ndings between the two groups were compared using independent sample t test and receiver operating characteristic (ROC) analyses.Results:The values of MD, MK and ADC in healthy volunteers were 1.37×10-3mm2/s, 0.96±0.11, (0.76±0.12)×10-3mm2/s, respectively, and in rectal cancer patients were (1.10±0.12)×10-3mm2/s, 1.22±0.16, (0.60±0.06)×10-3mm2/s, respectively. There were signif i cant differences between the two groups (P＜0.05). The area under the curve (AUC) for MD value (0.928) could better distinguish rectal cancer from healthy volunteers than that for MK value (0.909) and ADC value (0.907).Conclusion:The preliminary fi ndings suggest that DKI can predict rectal cancer. The parameters MD and MK are better than ADC in predicting rectal cancer.

Rectal cancer; Diffusion kurtosis imaging; Magnetic resonance imaging

R445.2

A

1008-617X(2017)05-0341-04

福建省衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)青年課題(No：2015-1-13)

陳韻彬 E-mail：yunbinchen@126.com

2017-04-28

2017-05-24）