DWI單指數和雙指數模型在肺癌與肺炎鑒別診斷中的應用價值

耿廣 侯桂英 李臻 吳新娟 郭海榮 康若琛 李雯 紀俊雨 張瑩 孫梅花

隨著我國肺癌發病率的不斷升高，對于肺癌的早期發現與診斷成為研究熱點[1,2]。MRI檢查中的彌散加權成像(DWI)序列，作為現今惟一可在活體檢測水分子彌散運動的檢查方法，近年來受到越來越多的關注[3,4]。很多學者將DWI檢查應用于肺部良惡性病變的鑒別診斷[5-7]，而筆者所見有關肺癌與肺炎鑒別診斷的DWI研究卻鮮有報道。本研究擬評價單指數與IVIM模型DWI在肺癌與肺炎鑒別診斷中的應用價值，以期提高放療靶區定位的準確度和肺穿活檢的陽性率，報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2018年4月至2019年4月就診于我院的肺癌與肺炎患者，最終納入53例患者，其中男41例，女12例；年齡19～72歲，平均年齡(57.5±12.5)歲。按照病理類型分為肺癌組與肺炎組，其中肺癌組共28例，包括腺癌12例，鱗癌6例，小細胞癌7例，其他3例。肺炎組共25例，7例有明確病理結果(支氣管鏡或肺穿活檢)，余18例經抗炎治療后1個月內病變明顯吸收。

1.2 納入與排除標準

1.2.1 納入標準：①CT顯示病變包含直徑>3 cm的實性區域(團塊或實變)；②所有患者在治療前接受肺部MRI檢查；③肺癌患者有明確病理結果(經肺穿、支氣管鏡或手術)，肺炎患者需經臨床確診且1個月內復查CT病變明顯吸收。

1.2.2 排除標準：①年齡較大或病情較重不能耐受MRI檢查者；②肺部MRI檢查圖像有較多運動或磁敏感偽影，影響數據測量者。

1.3 儀器與方法 采用我院1.5T 磁共振掃描儀(Magnetom avanto,Siemens healthcare,Germany)進行肺部MRI檢查，使用體部8通道表面線圈。在一次檢查中完成T1WI、T2WI與DWI掃描。T1WI與T2WI采取吸氣末屏氣掃描，T1WI掃描參數：TR 189 ms，TE 9 ms，FOV 33 cm，矩陣256×256，層厚4 mm，層間隔1.5 mm；T2WI掃描參數：TR2 200 ms，TE 90 ms，FOV 33 cm，矩陣320×320，層厚4 mm，層間隔1.5 mm。DWI采用單次激發自旋回波-平面回波成像序列(spin echo-echo planar imaging,SE-EPI),在自由呼吸狀態下由導航回波法的呼吸觸發采集圖像。b值分別取0、25、50、100、150、200、400、600、800和1 000 s/mm2，TR 4 000 ms，TE 48.9 ms，FOV 33 cm，矩陣128×128，層厚4 mm，層間隔1.5 mm。

1.4 圖像分析與測量 將所有患者的DWI圖像以DICOM格式從西門子后處理工作站導出至個人電腦，用FireVoxel軟件(紐約大學，NY，USA)進行圖像分析。參考T1WI與T2WI圖像，在各b值的DWI圖像中選取3個連續的病變最大橫截面，手工勾畫ROI，范圍盡可能包含病變實性成分，且不包括壞死、囊變、出血區。首先以單指數模型對b=0 s/mm2和1 000 s/mm2圖像進行計算，得到ADC值，公式為：S(b)=S0exp(-bADC)。再以IVIM模型(體素內不相干運動模型，或雙指數模型)對所有b值的DWI圖像進行計算，得到純擴散系數D，灌注相關擴散系數D*和灌注分數f，公式為：S(b)/S0=(1-f)exp(-bD)+fexp[-b(D+D*)]，其中S(b)為該b值DWI圖像的信號強度，S0為b=0s/mm2時的信號強度。兩種模型測量中ROI區域的勾畫盡量保持一致，ROI區域的勾畫與測量由2名放射科醫師(分別有8、10年MRI診斷經驗)協商完成，測量3次取平均值。

2 結果

2.1 肺癌與肺炎組間各參數比較 肺癌組的ADC值與D值均低于肺炎組(P<0.05)；肺癌與肺炎組間D*值與f值差異均無統計學意義(P>0.05)。見表1。

表1 肺癌與肺炎組間單指數與雙指數模型相關參數比較

2.2 各肺癌亞型組間參數比較 ADC值、D值、D*值與f值在腺癌、鱗癌、小細胞癌與其他組間差異均無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 各肺癌亞型間參數比較

2.3 ADC值與D值診斷效能比較 當ADC值閾值為1.44×10-3mm2/s時，其在肺癌與肺炎組間鑒別診斷的敏感性為75.0%，特異度為76.0%，準確度為75.4%，ROC曲線下面積(AUC)為0.760；當D值閾值為1.23×10-3mm2/s時，其在肺癌與肺炎組間鑒別診斷的敏感性為75.0%，特異度為92.0%，準確度為88.0%，AUC為0.880，D值在肺癌與肺炎組間鑒別診斷效能高于ADC值。見表3，圖1。

表3 單指數與雙指數模型相關參數診斷效能比較

圖1 ADC與D值的ROC曲線

3 討論

肺癌是我國現今發病率、病死率第一的惡性腫瘤[8]，對肺癌的早期診斷及個體化精準治療日益成為研究熱點。影像學在肺癌的診治中發揮著不可替代的重要作用，近年來MRI技術發展迅速，磁場梯度的增高及單次激發平面回波成像(EPI)等快速掃描序列的引入使得MRI的檢查時間不斷縮短，圖像質量不斷提高，從而使肺部MRI成為可能。肺癌，尤其是中心型肺癌常導致支氣管管腔的狹窄、閉塞，并伴有遠端的阻塞性肺炎，二者在CT上難以區分，對肺癌放療定位中靶區的勾畫及肺部穿刺活檢中的定位均造成一定困擾，可導致放療靶區范圍過大及穿刺活檢的假陰性結果。如能在MRI尤其是DWI圖像中準確劃分肺癌與肺炎的范圍和邊界，將顯著提高放療靶區定位的準確度和肺穿活檢的陽性率。

IVIM模型(體素內不相干運動模型，或雙指數模型)綜合考慮了水分子的彌散與毛細血管內微循環灌注兩種過程，其使用雙指數曲線擬合得到純擴散系數D值、灌注相關擴散系數D*值及灌注分數f值，可將水分子擴散與毛細血管微循環灌注區別開來，有助于反映病變的真實擴散情況[9]。當b值較低時，微循環灌注在ADC值中所占的比例較大，隨著b值的不斷加大，微循環灌注所占比例逐漸減小，當灌注對擴散信號的影響可以忽略不計時，ADC值主要反映組織中真實的水分子擴散。與高b值相比，低b值時測量的穩定性和可重復性較差，有學者建議取多個低b值以降低測量誤差和提高信噪比[10]。故本研究取10個b值，其中6個b值≤200 mm2/s，以保證測量的準確性和可重復性。

DWI的掃描方式包括屏氣掃描，呼吸門控觸發掃描和自由呼吸掃描三種。而自由呼吸掃描患者耐受性更高，且有多項研究已證明，自由呼吸法在體部DWI檢查中的可用性[7,11,12]。故本研究采用自由呼吸法進行DWI檢查，得到的圖像信噪比可以滿足診斷要求。

本研究得出，肺癌組的ADC值與D值均低于肺炎組(P<0.05)，且在肺癌與肺炎的鑒別中，D值的診斷效能要高于ADC值(AUC分別為0.884和0.760)。有研究得到類似結果，如王曉華等[13]利用體素內不相干運動模型(IVIM)來鑒別肺部良惡性病變，發現肺部惡性病變的D值要明顯低于肺部良性病變。周舒暢等[14]同時以單指數模型與IVIM模型研究肺結節性質，得出肺部惡性結節的standard ADC值(ADC值)與slow ADC 值(D值)均顯著低于肺部良性結節，當聯合應用standard ADC值與slow ADC 值診斷肺結節時，其診斷效能最高，靈敏度、特異度與準確度分別為：97.4%、75.0%和92.2%；fast ADC值(D*值)變異度較大，故診斷價值有限，而良惡性結節間F值(f值)差異無統計學意義(P>0.05)。

本研究中肺癌組D*值的輕度增高可能與肺癌中不成熟血管的生成有關，其血流速度較快且毛細血管網分布范圍、長度較大。但是D*對運動很敏感，所以在自由呼吸狀態下D*值噪聲增加，測量結果不準確。許多研究指出，因為D*值標準差較大，數據穩定性及可重復性較差，且嚴重依賴于SNR水平，故現階段該參數尚不適合應用于臨床[13,15,16]。

f值指微循環灌注占組織擴散的比例，主要受微循環灌注血流量的影響。盡管有少數研究(如Deng等[10,17])得出肺部炎性病變(或感染性肉芽腫)的f值要顯著高于肺癌,但大多數研究認為肺部良惡性病變間的f值無顯著差異，造成這種測量差異的原因尚不明確，可能與各研究中惡性腫瘤ROI的選取方法不同有關，而肺部惡性腫瘤內部血供分布極不均勻，邊緣區腫瘤生長活躍、血供豐富；而中心區呈相對缺血缺氧狀態，甚至可發生血管壞死。Jiang等[18]專門測量了肺癌IVIM檢查中各參數的短期(0.5～1 h)可重復性，得出ADC、D、D*和f值的測量誤差分別為:31%、34%、170%和130%，且病變的位置、大小、分布均會影響測量結果?？梢钥闯鯠*與f值測量誤差極大，尚不適合應于應用于臨床。

對于不同病理亞型肺癌的IVIM研究較少，彭琴等[19]一項對105例肺癌患者的研究得出，腺癌組的ADC與f值均高于鱗癌組和小細胞組(P<0.05),而鱗癌組和小細胞組間ADC與f值差異無統計學意義(P>0.05)。與腺癌相比，小細胞肺癌與鱗癌腫瘤細胞排列更加緊密，細胞外間隙較小，可能是產生ADC值差異的原因。本研究因納入肺癌病例較少，肺癌各病理亞型間的各IVIM參數均無顯著差異。

本研究的不足：(1)納入病例數較少，尤其是肺癌病例(28例)，故肺癌亞型組間各參數無統計學差異，該結論尚需較大樣本量臨床試驗進一步驗證；(2)b值的選取，目前對于單、雙指數模型DWI檢查中b值的數量與數值選擇尚無統一標準，選擇不同的b值可能會影響最終的測量結果；(3)本研究采用自由呼吸法進行肺部DWI檢查，有少量鄰近膈頂的病變由于呼吸運動幅度較大，導致圖像錯配，可能導致測量結果的偏差。

DWI單指數模型和IVIM模型可用于肺癌與肺炎的鑒別診斷，其中肺癌組的ADC與D值均顯著低于肺炎組，且D值的診斷效能更高；D*和f值因為變異較大，故診斷價值有限。