肺腺癌DCE-MRI滲透性參數的定量分析：自由呼吸法和屏氣法對照研究

焦志云， 胡春洪， 杜芳， 何玲， 王亞麗， 顧秀婷， 劉靜， 武江芬，段紹峰

動態對比增強磁共振成像(DCE-MRI)可在活體內無創性定量檢測血管的功能信息，對病灶的檢出、診斷和鑒別診斷具有重要價值[1]。DCE-MRI在體部受呼吸運動影響較小的多個部位已得到廣泛應用[2-3]。由于呼吸及心跳運動偽影等諸多因素的影響，其在肺部的應用較少。臨床檢查工作中，常采用屏氣的方法來減少呼吸運動偽影，而其對于老年肺氣腫患者、體質虛弱或重癥患者并不適用，隨著3D非剛性配準技術的發展，自由呼吸狀態下動態對比增強MRI在肺部疾病方面的應用已成為可能[4]，但這種方法測量的肺部病灶滲透性參數的準確性目前尚未明確。本研究中通過對肺癌患者分別在自由呼吸和屏氣狀態下行DCE-MRI檢查，對比分析兩種方法測量的肺癌滲透性參數值，旨在探討和優化肺部DCE-MRI的臨床檢查方案。

材料與方法

1.臨床資料

將2015年10月-2018年11月本院41例經病理證實的肺腺癌(最短徑2～4cm)患者納入研究。其中男13例、女28例，年齡39～77歲，平均(59.5±9.4)歲。26例(A組)采用自由呼吸法行術前DCE-MRI檢查，15例(B組)采用屏氣法行術前DCE-MRI檢查。本研究方案經本院醫學倫理委員會批準，所有患者簽署了知情同意書。

2.MRI檢查方法

使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀和8通道相控陣表面線圈?；颊呷⊙雠P位，掃描范圍自肺尖至肺底，線圈上緣對準肩胛骨上緣，在不影響患者呼吸的前提下盡量收緊腹帶使線圈與前胸壁緊貼，檢查前訓練患者規律呼吸和屏氣。常規MRI序列主要采用呼吸門控脂肪抑制結合螺旋槳技術(Propeller)行橫軸面FSE T2WI：TR 6600 ms，TE 73 ms，層厚5 mm，層間距1 mm，視野40 cm×40 cm。屏氣法DCE-MRI：于呼氣末屏氣掃描，采用三維容積內插法快速擾相梯度回波序列行肝臟快速容積采集 (liver acquisition with volume acceleration，LAVA)橫軸面T1WI，TR 3.7 ms，TE 1.7 ms，層厚5 mm，層間距1 mm，視野40 cm×40 cm，采用5組翻轉角(3°、6°、9°、12°、15°)，每組掃描20層、掃描時間7 s，總掃描時間35 s。隨后在病灶處進行同層動態增強描：采用橫軸面LAVA序列進行快速容積采集，TR 3.7 ms，TE 1.7 ms，層厚5 mm，層間距1 mm，視野40 cm×40 cm，翻轉角15°，在注射對比劑前先采集1～2期平掃圖像，注射對比劑的同時繼續進行無間隔重復掃描，采用呼氣末屏氣，一次屏氣采集2期，總計重復掃描20期。自由呼吸DCE-MRI：采集過程中患者盡量保持規律的自由呼吸，在病灶處進行同層動態增強掃描，共掃描40期，掃描參數同上述Ax LAVA序列。兩組中對比劑均使用釓雙胺注射液，劑量0.1 mmol/kg，注射流率3 mL/s，隨后以相同流率注入0.9%生理鹽水20 mL。

3.圖像處理及數據分析

由具有多年胸部影像診斷經驗的一位高年資主治醫師和一位副主任醫師采用雙盲法分別對圖像進行分析和數據測量。使用GE Omni-Kinetics后處理軟件對DCE-MRI數據進行分析。首先，對自由呼吸法動態增強圖像進行3D非剛性運動校正(3D non-rigid registration)；隨后，將屏氣法動態增強圖像和自由呼吸法校正后的動態增強圖像導入定量分析軟件中，選用Extended Tofts Linear雙室模型進行參數的計算，動脈輸入函數(arterial input function，AIF)的ROI選擇病灶所在層面的胸主動脈， ROI的大小為10個像素點。通過T1-mapping圖像將原始圖像信號轉變為對比劑濃度值，在病灶內選取3D-ROI，隨后經計算獲得各項滲透性相關參數：容積轉運常數(volume transfer constant，Ktrans)、速率常數(rate constant，Kep)、血管外細胞外間隙分數(volume fraction of extravascular-extracelluar space，Ve)及血漿分數(volume fraction of plasma，Vp)。病灶內3D-ROI放置原則：沿著腫瘤的邊緣手動勾畫ROI，避開偽影，測量整個腫瘤體積內的參數值，每個腫瘤病灶測量3次取平均值。間隔一個月后兩位醫師再分別對所有的圖像進行一次測量。

4.統計學方法

圖1 自由呼吸法DCE-MRI。a) 原始橫軸面圖像，顯示病灶位于右肺下葉(箭)，輪廓比較模糊，周圍可見運動偽影； b) 病灶的時間-信號強化率曲線不平穩，受運動偽影的干擾，尤其在1.6～3.4min這一階段曲線波動較大，而此時病灶處于持續強化期，如不受運動偽影的干擾，信號-強化率曲線應較為平穩； c) 3D非剛性運動校正后的橫軸面圖像，顯示病灶位于右肺下葉(箭)，輪廓較清晰，圖像上運動偽影較少； d) 非剛性運動校正后病灶的時間-信號強化率曲線，可見曲線較校正前平穩，受到的運動偽影的干擾較小。 圖2 屏氣法DCE-MRI。a)原始橫軸面圖像，顯示病灶位于左肺上葉(箭)，輪廓尚清晰，周圍運動偽影較少； b)病灶的時間-信號強化率曲線，可見曲線尚平穩。

結 果

1.患者的一般資料及病灶的基本特征

兩組患者的基本臨床資料和病灶的基本特征及比較見表1。兩組患者的性別、年齡、吸煙史、肺氣腫病史以及病灶的大小和分期之間的差異均無統計學意義(P>0.05)，兩組資料間具有可比性。

表1 兩組患者的一般臨床資料及病灶的基本特征的比較

注：*肺癌分期標準參照國際肺癌研究協會非小細胞肺癌TNM分期指南第8版[5]。

2.各項滲透性參數值的組間比較

每組中以兩位觀察者測量的各項滲透性參數值的平均值作為該組的最終測量結果，4項參數的測量值均符合正態分布，故采用t檢驗進行組間比較，結果見表2。統計分析結果顯示，兩種成像方法之間各項滲透性參數值的差異均無統計學意義(P>0.05)。

表2 兩種成像方式肺腺癌各項參數值的比較

3.兩種成像方法圖像分析

在3D非剛性運動校正前的自由呼吸法DCE MRI圖像上，因受到呼吸、心跳等運動偽影的干擾，病灶的輪廓顯示欠清晰(圖1a)，時間-信號強化率曲線不平穩(圖1b)；在進行3D非剛性運動校正后，病灶的輪廓顯示清晰(圖1c)，時間-信號強化率曲線更平穩(圖1d)。 屏氣法DCE-MR圖像上病灶的輪廓顯示較清晰(圖2a)，時間-信號強化率曲線比較平穩(圖2b)。

4.Ktrans值變異度分析

圖3 觀察者內一致性分析的Bland-Altman散點圖，藍色實線為前后2次測量的病灶Ktrans值的差值均值。a)觀察者1屏氣法，僅見6.7%(1/15)的散點位于一致性界限外； b) 觀察者1自由呼吸法，僅見7.7%(2/26)的散點位于一致性界限外； c) 觀察者2屏氣法，僅見6.7%(1/15)的散點位于一致性界限外； d) 觀察者2自由呼吸法，僅見7.7%(2/26)的散點位于一致性界限外。 圖4 觀察者間一致性分析的Bland-Altman散點圖，藍色實線為2位觀察者測量的病灶Ktrans值的差值的平均值。a)屏氣法，僅見6.7%(1/15)的散點位于一致性界限外； b)自由呼吸法，僅見7.7%(2/26)的散點位于一致性界限外。

表3 兩種成像方法肺腺癌Ktrans值的觀察者內一致性

注：變異系數為前后兩次測量的Ktrans值的差值絕對值與兩次Ktrans值的均值之間的比值。

每位觀察者在兩種方法的DCE-MRI圖像上間隔一個月的2次測量中獲得的肺癌Ktrans值具有很好的一致性，ICC為0.908～0.972，95%置信區間為0.792～0.990，詳見表3。

Bland-Altman散點分布圖顯示，觀察者1和2在兩種方法的DCE-MRI圖像上測量的Ktrans值的觀察者內一致性均較好(圖3)，兩者的測量值在自由呼吸法均僅有7.7%(2/26)、在屏氣法均僅有6.7%(1/15)的數據位于一致性界限外。

兩位觀察者在兩種成像方法獲得的DCE-MRI圖像上測得的Ktrans值之間也具有較好的一致性，ICC為0.820～0.925，95%置信區間為0.639～0.987，詳見表4。

Bland-Altman散點圖顯示，兩種成像方法的觀察者間一致性均較好(圖4)，以B組更佳，僅7.7%(2/26)的散點位于一致性界限外。

表4 兩種成像方法肺腺癌Ktrans值的觀察者間一致性

討 論

肺癌是目前臨床上最常見的惡性腫瘤之一，其發病率和病死率均高居人類惡性腫瘤的首位[6]，且呈逐年上升的趨勢。隨著人們健康意識的提高，低劑量胸部CT篩查早期肺癌在臨床已逐漸常態化，因此發現了許多無癥狀的早期肺癌[7]。以往認為肺癌與吸煙密切相關，但體檢結果顯示相當多的肺腺癌患者并無吸煙史，尤其是中年不吸煙女性患者[8]。DCE-MRI滲透性參數能定量反映血管的功能信息[1,9]，在肺癌的早期診斷、鑒別診斷及早期評估肺癌放化療效果中都具有重要的應用價值[10-11]，尤其是在CT形態學無法定性診斷時，DCE-MRI提供的病灶的功能信息顯得尤為重要。但是DCE-MRI的定量參數測量的可重復性容易受到呼吸、心跳等運動偽影和測量變異度等因素的影響。為減少呼吸運動偽影的影響，肺部MRI檢查中通常采用屏氣的方法，隨著MRI序列的開發及軟件的升級，近年來采用GRE容積掃描的LAVA序列結合并行采集技術，可以進行快速3D掃描，能有效減少患者的屏氣時間，明顯的減少了由于屏氣時間過長所導致的呼吸運動偽影[12]。隨著3D非剛性圖像校準軟件的運用，運動偽影的圖像將得到有效矯正[13]，使得在自由呼吸狀態下行LAVA序列MRI掃描成為可能，但是其所測量的病變的滲透性參數值是否準確以及與屏氣法所測量的滲透性參數的一致性目前尚未見研究者進行探討。而分析這兩種成像方法之間的可重復性有重要意義，可為臨床選取合適的DCE-MRI方法提供依據。

本研究中對26例肺腺癌患者采用自由呼吸法進行LAVA序列DCE-MRI掃描，檢查前對患者進行呼吸訓練，要求呼吸幅度和呼吸頻率穩定，獲得的圖像經過3D非剛性配準后具有比較好的圖像質量。為了減少分組可能造成的偏倚，本研究中制定了嚴格的納入標準：首先，入組病例的病理類型均為腺癌，避免不同病理類型之間肺癌病灶滲透性參數值存在差異而影響分析結果；其次，腫塊直徑為2～4cm，避免腫塊過小、ROI選取較難而導致的測量誤差，以及當腫塊較大時容易發生出血壞死等而影響滲透性參數值的測量；再次，本研究中腫瘤的分期大部分為I期，而且兩組中患者的年齡、性別、肺氣腫病史、吸煙史、腫瘤大小及TNM分期之間差異均無統計學意義，兩組患者的基本臨床和病灶特征相匹配。

統計分析結果顯示，自由呼吸和屏氣這兩種成像方法測得的肺癌滲透性參數值(Ktrans、Kep、Ve及Vp)的差異均無統計學意義(P值分別為0.145、0.528、0.914和0.791)。我們認為，自由呼吸法DCE-MRI圖像上雖然存在運動偽影，但只要患者保持平穩和規律的呼吸，原始圖像經3D非剛性配準后能獲得較好的圖像質量及穩定的測量參數值。

Ktrans這一參數是美國國家癌癥研究院推薦的DCE-MRI研究中的主要測量指標[14]，既往已有研究者分析了在腦膠質瘤[2,15-16]、乳腺癌[17-18]和宮頸癌[19]等較少發生位移器官的DCE-MRI檢查中，各項滲透性參數測量值的可重復性，大部分研究結果顯示各項滲透性參數測量值具有較好的可重復性，但亦有一些研究中這些參數的可重復性并不高[20]，如Braunagel等[21]的研究中Ktrans的值的可重復性較低，與本研究結果不同，筆者認為產生這些差異的原因可能是Braugagel等學者的研究中掃描時間不充分(≤240s)。而且Ktrans作為定量指標，其可重復性最容易受到測量變異度等因素的影響。這些影響滲透性參數值變異度的因素將會影響不同觀察者和同一觀察者不同時間測量的滲透性參數值。當這些定量參數值用于評判肺癌療效時，在臨床工作中會出現同一醫師在不同時間段測量分析同一患者的DCE-MRI數據及圖像，也可能出現不同醫師評估與分析同一患者的DCE-MRI數據與圖像。因此本研究評估了肺癌DCE-MRI滲透性參數值在觀察者間和觀察者內的一致性。觀察者間和觀察者內一致性也是可重復性研究的重要組成部分。據我們所知，這也是首次觀察兩種方法在肺腺癌患者DCE-MRI滲透性參數的可重復性及穩定性。本研究結果顯示兩種成像方法測量的肺癌Ktrans值在觀察者間(ICC為0.820～0.925)及觀察者內(ICC為0.908～0.972)均具有較高的一致性。觀察者在短期內重復測量的偏倚主要系ROI的選擇，因為ROI的選擇放置具有一定的主觀性，是通過觀察者的手工描繪而放置ROI的，而且以往的研究中通常僅僅選擇腫瘤的某一個層面進行分析，這可能并不能代表整個腫瘤的情況[2,15,17-22]。本研究針對整個腫瘤的3D-ROI分析方法可能會減少觀察者間的變異度并提高觀察者間的可重復性，能降低短期重復測量時因ROI放置產生的偏倚[23]。

此外，滲透性參數值還受圖像后處理軟件的隨機誤差和系統偏倚的影響。本研究中的變異系數均小于15%，屬于小變異。其中一觀察者屏氣法的變異系數較另一觀察者自由呼吸法的變異系數大，主要由下列因素引起：屏氣掃描雖然能提高圖像質量，但多期掃描時每次屏氣的幅度很難完全一致，圖像仍可能受到運動偽影的影響；此外，屏氣時間長、屏氣次數多，導致患者配合欠佳也會引起運動偽影，從而造成病灶的局部移動；而自由呼吸法雖存在運動位移，但采用3D對比增強非剛性運動配準的算法，可捕捉到器官的全局和局部運動，可探測到圖像在對比劑增強前后信號強度的改變，從而可以有效解決運動位移的問題[24]。病灶與周圍肺組織存在腫瘤組織界面，磁化率偽影會影響其測量結果，從而導致測量值的變異系數較大。本研究驗證了自由呼吸和屏氣兩種方法所測肺腺癌DCE-MRI滲透性參數的一致性較好，也觀察到了肺癌DCE-MRI滲透性參數值在觀察者間和觀察者內的一致性都較好。

本研究的不足之處：本文僅對肺腺癌的DCE-MRI滲透性參數的測量值進行了一致性分析，沒有考慮肺癌其它病理類型及病變部位對測量值一致性的影響；此外，本研究病例樣本數較少，研究結果可能存在一定誤差，有待今后擴大樣本量進行更深入的研究。

總之，自由呼吸和屏氣兩種方法所測肺腺癌DCE-MRI滲透性參數的一致性較好，肺腺癌Ktrans測量值的觀察者間和觀察者內一致性均較好；自由呼吸法DCE-MRI可推廣運用于臨床檢查中。