基于體素內不相干運動成像的三維容積ROI直方圖分析在術前評估肝細胞癌病理分化程度中的價值研究

張喆，劉愛連*，趙瑩，郭妍

作者單位：

1.大連醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院放射科，大連 116011

2. 通用電氣藥業(yè)(上海)有限公司，上海 200000

肝細胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)在全球范圍內高發(fā)且預后差[1-2]。射頻消融(radiofrequency ablation，RFA)作為一種肝切除術的替代療法，具有安全性高、創(chuàng)傷小的優(yōu)勢[3]，但有研究[4]表明，低分化HCC是RFA治療后復發(fā)的危險因素，對此類患者不宜采取RFA治療，而應選擇肝切除術或其他治療方式。因此，術前識別低分化HCC，對治療方案的選擇以及預后預測有著重要的意義。穿刺活檢雖可術前檢測HCC分化程度，但為侵入性檢查，有針道種植轉移的風險[5]。擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)的表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)可術前評估HCC分化程度[6]，但ADC不僅受水分子擴散的影響，還受微循環(huán)灌注的影響。體素內不相干運動擴散加權成像(intravoxel incoherent motion，IVIM)能克服ADC的局限性從而更準確地評估HCC分化程度[7-9]。然而多項研究表明HCC具有異質性[10-13]，既往研究采用傳統(tǒng)感興趣區(qū)域(reign of interest，ROI)法，是在腫瘤最大層面實性部分勾畫ROI，得到信號強度均值，此方法無法反映HCC整體的特征。因此，有學者[14]嘗試利用容積ROI反映HCC整體特征，并發(fā)現(xiàn)其診斷效能高于傳統(tǒng)ROI。直方圖分析可通過更多定量參數(shù)反映腫瘤的異質性[15-16]。目前尚未見有學者采用IVIM容積ROI直方圖評估HCC分化程度，筆者旨在對DWI單指數(shù)模型和IVIM的雙階單指數(shù)模型進行容積ROI直方圖分析，以實現(xiàn)術前、無創(chuàng)、準確、整體地評估HCC分化程度。

1 材料與方法

1.1 研究對象

回顧性分析本院2015年7月至2019年5月符合如下標準的患者。納入標準：(1)穿刺或術后病理證實為HCC；(2)術前行3.0T肝臟MR檢查，掃描序列包括肝臟容積加速成像(liver acquistion with volume acceleration，LAVA)動態(tài)增強、DWI和IVIM；(3)檢查前患者未接受RFA、經(jīng)導管肝動脈化療栓塞(transcatheter arterial chemoembolization，TACE)、肝切除術等治療。排除標準：(1)病理為肝細胞-膽管細胞混合型癌；(2)病理分化不明；(3) DWI、IVIM參數(shù)不統(tǒng)一(統(tǒng)一標準：呼吸門控式DWI且b值相同)；(4) DWI、IVIM圖像質量欠佳或不可獲得：偽影、缺圖、未完全覆蓋腫瘤；(5) HCC直徑≤1 cm以致難以勾畫ROI。最終納入51例患者(52個病灶)，年齡31～76歲，平均(60.8±9.0)歲，男41例(42個病灶)，女10例(10個病灶)。

1.2 HCC的分組

將病理提示含有低分化HCC (中低分化、低分化)的病灶歸為低分化HCC組，不含有低分化HCC(高分化、高中分化、中分化)的病灶歸為非低分化HCC組。最終，低分化HCC組包括15個HCC病灶(中低分化病灶8個、低分化病灶7個)，非低分化HCC組包括37個HCC病灶(高分化病灶9個、高中分化病灶13個、中分化病灶15個)。

1.3 檢查方法

采用GE Signa HDxt 3.0 T MR掃描儀，8通道腹部線圈。掃描參數(shù)：LAVA動態(tài)增強：使用對比劑(釓噴酸葡胺，Bayer Schering Pharma AG，德國)經(jīng)肘靜脈注射，劑量0.1 ml/kg，流速2.5 ml/s，分別在對比劑注入后16 s (動脈早期)、40 s (動脈晚期)、60 s (門靜脈期)、180 s (平衡期)掃描，TR 4 ms，TE 1.8 ms，F(xiàn)OV 42 cm×33.6 cm，矩陣270×224，反轉角15°，層厚3 mm，層間距1.5 mm；DWI (SE-EPI)：TR 8000 ms，TE 58.0 ms，F(xiàn)OV 40 cm×28 cm，矩陣96×130，層厚7 mm，層間距1 mm，b值0、600 s/mm2；IVIM (SEEPI)：TR 3000 ms，TE 88.4 ms，F(xiàn)OV 40 cm×28 cm，矩陣128×128，層厚7 mm，層間距1 mm，b值為0、20、50、100、150、200、400、800、1200、2000、3000 s/mm2。

1.4 圖像分析與數(shù)據(jù)測量

圖像傳至GE AW4.6工作站，使用Functool軟件對DWI重建，得到ADC圖；對IVIM重建，得到Dmono、D*mono、fmono(下文簡稱D、D*、f)圖。在ADC、D、D*、f圖上識別HCC的方法：參考LAVA動態(tài)增強序列，病灶實性部分動脈期明顯強化，門脈期和(或)延遲期強化減弱，即符合快進快出強化方式的病灶判定其為HCC。由2名放射科醫(yī)師(分別具有5年、7年MRI診斷經(jīng)驗)分別完成如下測量。

1.4.1 傳統(tǒng)ROI圖像分析與數(shù)據(jù)測量

在ADC、D、D*、f功能圖上HCC最大層面的實性部分(增強掃描有強化的部分)以復制法放置三個面積等大的圓形ROI，避開HCC壞死、囊變、肉眼可見的膽管和大血管，ROI的面積至少覆蓋腫瘤實性部分的2/3，距離腫瘤邊緣2 mm，避免部分容積效應的影響(圖1)。記錄三個ROI的信號強度后取均數(shù)，均數(shù)記作cROI (conventional ROI)。

1.4.2 容積ROI直方圖圖像分析與數(shù)據(jù)測量

將功能圖導入Omni-Kinetics (GE healthcare)軟件，參考DWI (b=600 s/mm2)，在ADC圖上沿HCC邊緣逐層勾畫ROI；參考IVIM (b=200 s/mm2)圖，在D、D*、f圖上沿HCC邊緣逐層勾畫ROI，將這些ROI分別融合成各自的容積ROI (圖1)。ROI包括壞死、囊變，但避開肉眼可見的膽管和大血管。得到容積ROI直方圖以及直方圖參數(shù)，共計14個：最小值(minimum value，min)、最大值(maximum value，max)、均數(shù)(mean value，mean)、標準差(standard deviation，std)、全距(range)、偏度(skewness)、峰度(kurtosis)、百分位數(shù)(quantile 5th、10th、25th、50th、75th、90th、95th)。

1.5 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 25.0和medcalc統(tǒng)計軟件。利用組內相關系數(shù)(interclass correlation coefficient，ICC)評估2名醫(yī)師所測結果的一致性，若一致性良好(ICC＞0.75)，則采取兩醫(yī)師所測結果的均數(shù)進行后續(xù)統(tǒng)計分析。利用單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗數(shù)據(jù)的正態(tài)性。正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以±s表示，用獨立樣本t檢驗比較兩組間各參數(shù)的差異；非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以中位數(shù)(上、下四分位數(shù))表示，用Mann-WhitneyU檢驗比較兩組間各參數(shù)的差異。將差異有統(tǒng)計學意義的直方圖特征代入多因素邏輯回歸模型，經(jīng)過逐步向后剔除法，將剩余特征進行聯(lián)合。利用受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC)進行診斷效能分析，計算曲線下面積(area under curve，AUC)、敏感度和特異度。采用Delong檢驗比較各參數(shù)AUC值的差異是否有統(tǒng)計學意義。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

表1 2名觀察者測量數(shù)據(jù)的一致性檢驗Tab. 1 Consistency test of measurements by two observers

表2 低分化和非低分化HCC的ADC容積ROI直方圖參數(shù)的比較Tab. 2 Comparison of volumetric ROI histogram parameters of ADC between poorly and non-poorly differentiated HCC

2 結果

2.1 2名觀察者測得結果的一致性分析

2名觀察者測得結果一致性良好，ICC均＞0.75(表1)。

2.2 差異性分析

低分化HCC和非低分化HCC的ADC、D、D*、f容積ROI直方圖(圖2)，以及各直方圖參數(shù)的差異性比較(表2～5)，傳統(tǒng)ROI測量值的差異性比較(表6)。低分化HCC的ADCrange、Dstd/range高于非低分化HCC (P＜0.05)，而Dmin/5th/10th/25th/50th/mean、D*min、fmin低于非低分化HCC(P＜0.05)。

表3 低分化和非低分化HCC的D容積ROI直方圖參數(shù)的比較Tab. 3 Comparison of volumetric ROI histogram parameters of D between poorly and non-poorly differentiated HCC

表4 低分化和非低分化HCC的D*容積ROI直方圖參數(shù)的比較Tab. 4 Comparison of volumetric ROI histogram parameters of D* between poorly and non-poorly differentiated HCC

表5 低分化和非低分化HCC的f容積ROI直方圖參數(shù)的比較Tab. 5 Comparison of volumetric ROI histogram parameters of f between poorly and non-poorly differentiated HCC

2.3 診斷效能分析

將差異有統(tǒng)計學意義的直方圖特征(除外min)共8個，代入多因素邏輯回歸模型，經(jīng)過逐步向后剔除法，剩余D5th、D10th、D50th、Drange，然后進行聯(lián)合診斷，計算公式為：聯(lián)合模型=0.944-0.057×D5th+0.067×D10th-0.020×D50th+0.005×Drange。

表6 低分化和非低分化HCC的ADC、D、D*、f傳統(tǒng)ROI值的比較Tab. 6 Comparison of conventional ROI values of ADC, D, D* and f between poorly and non-poorly differentiated HCC

兩組HCC的ADC、D、D*、f值的容積ROI直方圖參數(shù)以及直方圖聯(lián)合診斷參數(shù)Hcom(Histogramcombination)、傳統(tǒng)R O I 測量值的R O C 曲線(圖3)和診斷效能(表7)。

直方圖參數(shù)聯(lián)合診斷后的A U C 值顯著高于ADCrange、Dmean、D50th、Dstd的AUC，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)(表8)。

3 討論

術前準確識別HCC的病理分化程度，對治療方案的選擇、預后預測尤為重要。IVIM較DWI能夠更準確地評估HCC病理分化程度。容積ROI直方圖能夠反映整個腫瘤的異質性，Wei等[14]已證實容積ROI較單層ROI和三層ROI的診斷效能更高。

表7 ADC、D、D*、f容積ROI直方圖參數(shù)以及其聯(lián)合參數(shù)、傳統(tǒng)ROI值的診斷效能Tab. 7 Discriminant efficiency of volumetric ROI histogram parameters, their combination and conventional ROI value

3.1 b值對直方圖參數(shù)的影響

b值不同會顯著影響直方圖的結果。Becker等[17]對8名健康志愿者進行上腹部16種不同b值的DWI掃描，在ADC圖像上對肝、腎、脾、胰、脊柱旁肌肉、臀部脂肪進行ROI勾畫并進行直方圖分析，直方圖特征包括變異度、偏度、峰度、熵，結果發(fā)現(xiàn)所有器官或組織的ADC的熵值與b值呈負相關，而變異度、偏度、峰度與b值的相關性取決于器官或組織的類型，在肝臟中，ADC值的變異度與b值呈正相關，ADC值的偏度和峰度與b值均呈負相關。總之，b值的變化會影響直方圖的結果，為了避免這種影響，本實驗選取b值相同的患者進行入組研究。

3.2 DWI、IVIM功能圖的容積ROI直方圖鑒別HCC分化程度的價值

3.2.1 D容積ROI直方圖的鑒別價值

低分化HCC的Dmean/5th/10th/25th/50th顯著低于非低分化HCC組(P＜0.05)。原因可能為：隨著HCC分化程度降低，細胞異型性增大，表現(xiàn)為核質比增高、細胞密度增大，細胞內以及細胞間的水分子擴散更加受限，Dmean/5th/10th/25th/50th減小。

低分化HCC的Dstd高于非低分化HCC組(P＜0.05)。原因可能為：(1)隨著HCC分化程度降低，腫瘤細胞更具有多形性(①核呈多形性：細胞核失去正常的對稱性核分裂象，而表現(xiàn)為非對稱的病理性核分裂象；②細胞呈多形性：細胞體積失去正常的一致性，而表現(xiàn)為形態(tài)和大小各異)，這種多形性導致腫瘤內異質性增加，進而細胞內和細胞間水分子擴散受限程度呈不均一性，Dstd增大。(2)隨著HCC分化降低，HCC更易壞死囊變，實性和囊性成分中水分子擴散速率的差異很大，導致Dstd增大。

表8 容積ROI直方圖參數(shù)以及其聯(lián)合參數(shù)、傳統(tǒng)ROI值的AUC值的比較Tab. 8 Comparison of AUC of volumetric ROI histogram parameters, their combination and conventional ROI value

低分化HCC組的Drange高于非低分化HCC組(P＜0.05)，原因可能為：低分化HCC更易囊變壞死，該區(qū)域水分子擴散運動幾乎不受限，max增大，因range=max-min，故Drange增大。

3.2.2 ADC容積ROI直方圖的鑒別價值

低分化HCC組的ADCrange高于非低分化組HCC (P＜0.05)，原因類似兩組Drange差異的原因。另外，筆者觀察到ADC直方圖其他參數(shù)的分布趨勢類似于D，即低分化HCC組的ADCquantile/mean更小，而ADCmax/std更大(表2)，但兩組間差異性無統(tǒng)計學意義，這體現(xiàn)了IVIM較DWI的優(yōu)勢所在：ADC值不僅受到水分子擴散的影響，還受到微循環(huán)灌注的影響。而IVIM能夠將ADC分解為水分子擴散成分D和微循環(huán)灌注成分D*、D值不受微循環(huán)灌注的干擾，能夠較ADC更準確地評估水分子擴散運動情況，進而提高對HCC分化程度的診斷效能。

3.3 DWI、IVIM功能圖的傳統(tǒng)ROI鑒別HCC分化程度的價值

本研究顯示，低分化HCC的DcROI低于非低分化HCC (P＜0.05)，而ADCcROI、D*cROI、fcROI在兩組HCC間的差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，低分化HCC的DcROI相對較低是因其細胞的核質比和細胞密度相對較高。Yang等[7]、Zhu等[8]、Sokmen等[18]、Shan等[19]研究均顯示，低分化HCC的ADCcROI和DcROI低于其他分化HCC，D*cROI異無統(tǒng)計學意義，而fcROI結果不同：Yang等[7]和Zhu等[8]研究顯示兩組HCC間fcROI的差異無統(tǒng)計學意義；Sokmen等[18]研究顯示低分化HCC的fcROI較低；Shan等[19]研究顯示低分化HCC的fcROI反而較高。綜上研究：DcROI能夠評估HCC分化程度而D*cROI不能；ADCcROI、fcROI結果不同。ADCcROI、fcROI結果不同可能是因其包含微循環(huán)灌注成分，而微循環(huán)灌注受如下多因素影響使兩參數(shù)不穩(wěn)定：檢查前進餐與否影響門靜脈流速，進而影響HCC微循環(huán)灌注；部分HCC會導致門靜脈瘤栓，進而使HCC微循環(huán)灌注下降；肝內膽汁流動亦屬于快擴散成分，不同患者膽管疏密程度以及膽汁流速各異會導致與微循環(huán)灌注相關的參數(shù)的變化。由此可見，ADCcROI、fcROI對HCC分化程度評估的價值，仍需更多研究來證實。

3.4 DWI、IVIM功能圖的容積ROI直方圖以及其聯(lián)合診斷、傳統(tǒng)ROI的診斷效能的對比

目前尚未見有學者將IVIM容積ROI直方圖用于HCC分化程度的評估。本研究結果表明，IVIM容積ROI直方圖較傳統(tǒng)ROI的AUC值的差異雖無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，但將IVIM容積ROI直方圖的多個定量參數(shù)聯(lián)合后，AUC值高于IVIM容積ROI直方圖單個特征(P＜0.05)，診斷效能有所提高，另外，多參數(shù)聯(lián)合可從多角度反映腫瘤的異質性，對HCC分化程度的判斷更加準確。

3.5 本研究的局限性

第一，本研究是回顧性研究，兩組的樣本量可能存在偏倚。第二，在原始數(shù)據(jù)中，部分患者的ADC、D、D*、f的容積ROI直方圖的min出現(xiàn)了不符合邏輯的負值，故筆者未探討min的診斷效能，出現(xiàn)負值的原因可能為圖像噪聲所致。第三，穿刺或術后病理結果存在抽樣誤差，即無法判斷腫瘤各部位的分化程度，因此對于HCC患者“低分化、非低分化”的分組，可能存在一定誤差。第四，為了避免不同機型對結果造成影響，本研究只對使用同一機型檢查的患者進行研究，在后續(xù)研究中將進一步探討不同機型對結果穩(wěn)定性的影響。

綜上，IVIM容積ROI直方圖能夠術前評估HCC病理分化程度，將D5th、D10th、D50th、Drange進行聯(lián)合后，診斷效能有所提高。

利益沖突：無