小視野體素不相干運動擴散加權(quán)成像技術(shù)在直腸癌診斷中的應(yīng)用評價

張軍，馬延，孫晶，祁麗，羅松，鄭玲，張龍江

結(jié)直腸癌是消化道常見的惡性腫瘤，占消化道惡性腫瘤的第二位[1]。早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷以及準確的術(shù)前評估可以明顯的提高患者的生存率和改善生活質(zhì)量。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是目前直腸癌診斷和術(shù)前分期的主要影像檢查手段，其中磁共振擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)不需注射對比劑、可以無創(chuàng)地反映人體組織內(nèi)水分子微觀擴散運動，是MRI評估直腸癌常用的序列之一[2-3]。

目前直腸MRI常用的DWI序列是單次激發(fā)平面回波成像序列(single-shot echo-planar imaging，ssEPI)，該序列易產(chǎn)生磁敏感偽影、圖像易發(fā)生幾何變形、空間分辨力較低。小視野擴散加權(quán)成像(reduced field of view diffusion weighted imaging，rFOV DWI)方法消除了化學(xué)位移偽影，提高圖像的空間分辨力，有利于微小病變的檢出[4]。傳統(tǒng)DWI受毛細血管內(nèi)微循環(huán)灌注因素的影響，未能準確反映水分子的真實擴散水平。體素內(nèi)不相干運動擴散加權(quán)成像(intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging，IVIM-DWI)是基于傳統(tǒng)DWI衍生出來的一項相對較新的技術(shù)，可將水分子的擴散和血流微循環(huán)灌注分離出來并量化比較，可同時獲得組織擴散和灌注信息，以評估良惡性腫瘤、不同組織學(xué)類型以及不同病理級別腫瘤的擴散灌注情況，從而有助于惡性腫瘤的定性診斷和鑒別診斷[5]。

目前尚未見小視野體素不相干運動擴散加權(quán)成像(the reduced field of view intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging，rFOV IVIM-DWI)序列在直腸癌中的應(yīng)用報道。本研究對比了小視野與常規(guī)視野體素不相干運動擴散加權(quán)成像(full field of view intravoxel incoherent motion，fFOV IVIM-DWI)圖像質(zhì)量及主要定量參數(shù)在直腸癌中的應(yīng)用價值。

材料與方法

1.臨床資料

收集2019年10月-2020年12月經(jīng)病理證實的直腸癌患者28例，其中男18例，女10例，平均年齡(62±2)歲。所有病例均行直腸常規(guī)MR檢查、rFOV IVIM-DWI、fFOV IVIM-DWI以及動態(tài)增強檢查。納入標準：①經(jīng)病理證實的直腸癌患者；②檢查前未接受放療、化療等輔助治療；③病變未累及直腸全段；④所有患者無盆腔手術(shù)史及MRI檢查的禁忌證。

2.成像序列及參數(shù)

MR檢查采用GE Discovery MR750 3.0T超導(dǎo)磁共振儀，腹部32通道相控陣線圈。檢查前兩小時對患者進行灌腸準備，清除直腸內(nèi)容物，防止產(chǎn)生偽影干擾圖像質(zhì)量。檢查前10分鐘肌肉注射山莨菪堿以減少腸道蠕動。常規(guī)序列包括：橫軸面T2WI、大視野橫軸面T1WI掃描、矢狀面T2WI以及動態(tài)增強序列，rFOV IVIM-DWI序列(矩陣240×96，F(xiàn)OV 24 cm×9.6 cm，TR 6000 ms，TE Minimum)及常規(guī)IVIM-DWI序列(矩陣240×240，F(xiàn)OV 24 cm×24 cm，TR 6000 ms，TE Minimum)，b值為0、50、100、200、500、800、1000 s/mm2，掃描層厚4 mm，層間距1 mm，層數(shù)30。

3.圖像處理及數(shù)據(jù)分析

圖像的評價由2位具有10年以上工作經(jīng)驗的影像醫(yī)師在不提供任何臨床及磁共振掃描信息的情況下獨立評估。DWI圖像(b=1000 s/mm2)變形分數(shù)評分為4個等級[5]：1分代表圖像變形很嚴重，不能進行臨床診斷；2分代表邊緣區(qū)域廣泛變形或非病變區(qū)域有嚴重偽影，可以進行一定臨床診斷；3分代表邊緣輕微變形，不影響影像診斷；4分代表無變形，圖像質(zhì)量很好。DWI圖像病灶及正常直腸腸壁及直腸系膜顯示的清晰程度的評分：1分代表腫瘤呈稍高信號；2分代表腫瘤呈高信號；3分代表腫瘤呈明顯高信號；4分代表腫瘤與正常組織有明確的邊界。ADC圖像病灶顯示清晰程度的評分：1分代表腫瘤呈稍低信號；2分代表腫瘤呈低信號；3分代表腫瘤呈明顯低信號；4分代表腫瘤與周邊正常組織有明確的邊界。

采用IVIM雙指數(shù)模型后處理得出相應(yīng)的ADC圖、D圖、D*圖、f圖(圖1)。由2名放射醫(yī)師共同協(xié)商，選取直腸腫瘤區(qū)域最大的3個層面，將ROI放置在腫瘤區(qū)域相對應(yīng)的ADC圖上信號減低區(qū)域。ROI的大小為60～79 mm2。所有患者的ROI由同一名放射醫(yī)師確定以避免誤差，ROI的確定應(yīng)避開血管、出血、壞死及鈣化等區(qū)域以減少定量值計算的誤差，必要時可以結(jié)合T1WI、T2WI圖像和增強掃描圖像以保證位置的準確。腫瘤區(qū)域及正常直腸壁測量均進行3次，取其平均值(圖1a、c)；同時記錄兩個IVIM-DWI序列(b=1000 s/mm2)直腸癌病灶與同側(cè)臀大肌的信號強度值及其信號值標準差值(standard deviation，SD)，并通過上述公式計算直腸癌病灶的SNR及相對于臀大肌的CNR值。

圖1 男，49歲，直腸腺癌，rFOV IVIM-DWI圖像變形小，偽影少，病灶顯示更清楚。a、b)fFOV IVIM-DWI圖像；b)fFOV IVIM對應(yīng)的ADC圖像；c)rFOV IVIM-DWI圖像；d)rFOV IVIM對應(yīng)的ADC圖像；e)腸鏡可見腫塊環(huán)管腔1/2周，表面壞死糜爛，質(zhì)脆易出血；f)病理示直腸腺癌(HE，×100)。

4.統(tǒng)計學(xué)分析

結(jié) 果

1.IVIM-DWI圖像變形分數(shù)、病灶清晰程度的主觀評價及信噪比和對比噪聲比的客觀評價比較

對于rFOV IVIM-DWI序列上擴散圖像變形分數(shù)(k=0.868)、DWI圖像病灶及正常直腸腸壁及直腸系膜顯示的清晰程度(k=0.914)及ADC圖像病灶顯示的清晰程度(k=0.909)，兩位放射醫(yī)師的評分一致性很好；fFOV IVIM-DWI序列的DWI圖像變形分數(shù)(k=0.909)、直腸癌病灶及正常直腸腸壁及直腸系膜顯示的清晰程度(k=0.715)及ADC圖病灶顯示的清晰程度(k=0.734)，兩位放射醫(yī)師的評分一致性很好或好。rFOV DWI圖像及fFOV DWI圖像的主觀評分比較：rFOV DWI序列的DWI圖像變形分數(shù)得分明顯高于fFOV DWI序列(P<0.001)，rFOV DWI圖像及ADC圖像病灶顯示清晰程度明顯高于fFOV DWI序列(P≤0.001)，見表1、圖1。rFOV DWI圖像及fFOV DWI圖像的客觀評價：兩個序列圖像的SNR之間差異具有明顯統(tǒng)計學(xué)意義(rFOV 8.62±3.57，fFOV 6.65±2.63，P=0.006)，兩個序列圖像的 CNR之間差異同樣具有統(tǒng)計學(xué)意義(rFOV 4.41±1.86，fFOV 3.56±1.45，P=0.025)，見表2。

表1 IVIM-DWI圖像的變形分數(shù)及病灶顯示清晰程度的主觀評價結(jié)果

表2 IVIM-DWI的圖像信噪比與對比噪聲比的客觀評價結(jié)果

2.不同序列各參數(shù)間比較

兩個序列測量所得的直腸癌腫瘤區(qū)域的平均ADC、D及f值都明顯低于正常直腸腸壁的相應(yīng)數(shù)值(P<0.05)；直腸癌腫瘤區(qū)域與正常直腸腸壁相比，fFOV IVIM-DWI序列測得的D*值差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義，而rFOV IVIM-DWI序列測得的D*差異有統(tǒng)計學(xué)差異，見表3。rFOV IVIM-DWI序列與fFOV IVIM-DWI序列相比，直腸癌腫瘤區(qū)域的ADC、D及f值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，見表4。

表3 直腸腫瘤與正常直腸壁組織 IVIM-DWI各參數(shù)結(jié)果對比

表4 直腸癌IVIM各參數(shù)結(jié)果

3.兩種方法的IVIM-DWI序列診斷直腸癌的ROC曲線分析

rFOV IVIM-DWI序列ADC值診斷直腸癌的AUC為0.947(95% CI：0.852，0.989)，臨界點取1.34×10-3mm2/s時，敏感度為0.893，特異度為0.964；fFOV IVIM-DWI序列ADC值診斷直腸癌的AUC為0.913(95%CI：0.807～0.972)，臨界點取1.21×10-3mm2/s時，敏感度為0.929，特異度為0.75。rFOV IVIM-DWI序列D值診斷直腸癌的AUC為0.918(95%CI：0.814～0.975)，臨界值取0.813×10-3mm2/s時，敏感度為0.929，特異度為0.857；fFOV IVIM-DWI序列D值診斷直腸癌的AUC為0.874(95% CI：0.758～0.948)，臨界值取1.01×10-3mm2/s時，敏感度為0.679，特異度為0.929。rFOV IVIM-DWI序列f值診斷直腸癌的AUC為0.818(95%CI：0.692～0.909)，臨界值取0.307時，敏感度為0.679，特異度為0.893；fFOV IVIM-DWI序列f值診斷直腸癌效能的AUC為0.789(95% CI：0.659～0.887)，臨界值取0.288時，敏感度為0.786，特異度為0.893(圖2)。三組參數(shù)的AUC值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.499、0.496、0.733)，兩種序列對直腸癌的診斷效能相當(dāng)。

圖2 標準ADC、D、f診斷直腸癌的ROC曲線。a)rFOV IVIM-DWI診斷直腸癌癌的ROC曲線；b)fFOV IVIM-DWI診斷直腸癌的ROC曲線。

討 論

本研究發(fā)現(xiàn)rFOV IVIM-DWI圖像的變形分數(shù)、顯示病灶及周圍解剖方面與fFOV IVIM-DWI相比，圖像幾何變形小、分辨力更高，病灶及解剖結(jié)構(gòu)顯示更加清楚。兩個序列直腸癌腫瘤區(qū)域的平均ADC、D及f值都明顯低于正常直腸腸壁，但在診斷效能上rFOV IVIM-DWI中標準ADC的AUC值最大(AUC=0.947)，提示rFOV IVIM-DWI在直腸癌的診斷中有更好的應(yīng)用價值。

本研究中小視野多b值的擴散加權(quán)成像采用了2D選擇性激發(fā)替代了傳統(tǒng)單次激發(fā)的平面回波脈沖，180°再聚焦脈沖，同時減小相位編碼方向的FOV，進而減少了k空間填充線的數(shù)目，在同樣的掃描時間內(nèi)大大提高了圖像的空間分辨力，減少了圖像偽影[4-5]。此外，采用窄帶寬的180°射頻脈沖選擇性激發(fā)，只激發(fā)特定掃描層面中水的信號，從而抑制了脂肪信號，進一步消除了化學(xué)位移的偽影，提供了更好的解剖細節(jié)以及對病灶部位的顯示，更有利于微小病灶的檢出。主觀評分結(jié)果顯示rFOV DWI圖像變形更小，病灶清晰程度更高。這與rFOV DWI減小了圖像的FOV，在固定的掃描時間內(nèi)提高了圖像的空間分辨力，同時減少了圖像變形和偽影的原理相符合[6-7]。

ADC值綜合反映了細胞內(nèi)外水分子的擴散運動及組織內(nèi)微循環(huán)灌注水平，定量分析不同組織內(nèi)水分子的擴散水平。組織微循環(huán)的血液流動與水分子的自由擴散運動一樣也是無規(guī)律的運動，即所謂的“假性擴散”。 DWI的信號減低包括了細胞內(nèi)外水分子的擴散信息和微循環(huán)內(nèi)的血流灌注的信息，所以單指數(shù)模型計算出來的ADC值比實際值偏高。Le Bihan等[8]提出IVIM模型(即雙指數(shù)模型)可將組織內(nèi)兩種水分子的運動區(qū)分開，為臨床提供更豐富的腫瘤相關(guān)信息。其中D值代表單純的水分子擴散信息，排除了灌注信息，得到的值比單指數(shù)模型計算的ADC值更精確。f值表示灌注分數(shù)，是由毛細血管和組織信號強度的比值決定的，f值的升高在一定程度上提示腫瘤中具有較豐富的新生血管。D*值反應(yīng)了組織內(nèi)毛細血管中血液的不相干運動，受到組織內(nèi)平均血流速度和平均毛細血管長度影響，不同類別或不同級別的腫瘤的血管生成特點存在差異[9]。

本研究中兩個序列直腸癌腫瘤區(qū)域的標準ADC值均明顯低于正常直腸腸壁，這與以往研究結(jié)果一致[10]。fFOV IVIM-DWI序列由于圖像變形及各種偽影的存在，致使測得的標準ADC值與真實值有所偏移；而rFOV IVIM-DWI序列由于更高的空間分辨力減少了部分容積效應(yīng)的影響，測得的標準ADC值更準確。在本研究中兩個序列測得的腫瘤區(qū)域ADC值差異并無統(tǒng)計學(xué)意義，兩者的診斷效能相當(dāng)，這與Kim等[11]在胰腺腫瘤中的研究結(jié)果一致。然而有研究也發(fā)現(xiàn)rFOV IVIM-DWI和fFOV IVIM-DWI序列得到的腫瘤ADC值差異有統(tǒng)計學(xué)意義[12]，這可能是因為組織的標準ADC值強烈依賴于用于成像的b值的選擇；另一方面又與信噪比及部分容積效應(yīng)等因素密切相關(guān)。

與ADC值的計算方式相同，本研究中IVIM模型計算得出的腫瘤區(qū)域D值均明顯低于正常直腸壁的D值，這與劉曉冬等[13]的研究結(jié)果相一致。由于D值主要反映水分子的擴散信息，組織細胞越密集，細胞間縫隙越小，其間的水分子運動會受到限制。rFOV IVIM-DWI序列具有更小的圖像變形和更高的空間分辨力，可以得到更準確的D值[14]。本文rFOV IVIM-DWI序列所得到的D值比fFOV IVIM-DWI序列較低，但是兩者的差異并無統(tǒng)計學(xué)意義。

本研究結(jié)果中兩個序列的腫瘤區(qū)域f值低于正常直腸腸壁的值，這與Lu等[15]的研究結(jié)果是一致的。腫瘤組織由于血管生成血供豐富，腫瘤區(qū)域的f值應(yīng)高于正常組織的值[16]。本研究與之相反，可能的原因是直腸腫瘤組織細胞密度大，細胞間隙小，導(dǎo)致走行于組織間隙內(nèi)的微血管受壓，灌注水平不高。此外IVIM序列中，灌注信息的穩(wěn)定性與低于200 s/mm2的b值的個數(shù)密切相關(guān)，本研究中低于200 s/mm2的b值為4個，關(guān)于f值的可重復(fù)性研究也報道不一，主要原因也是與不同研究對象和b值選取有關(guān)[17]。

本研究結(jié)果提示fFOV IVIM-DWI序列的D*在直腸癌和正常直腸壁之間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，而rFOV IVIM-DWI序列的D*在直腸癌和正常直腸壁之間比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義，這可能是由于D*更多的是反映病變區(qū)血流速度信息，其值高低與直腸癌患者的病理類型、病理分期密切有關(guān)[18]。此外，D*值受信噪比影響大，同時D*值的偽彩圖中有較多的體素點為假的高值，這些誤差有時不可避免，因此不同研究方法測得的D*值差異較大。

本文中采用ROC曲線分析具有統(tǒng)計學(xué)差異的IVIM模型的參數(shù)，rFOV IVIM-DWI序列ADC值、D值及f值的AUC高于fFOV IVIM-DWI，但是差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義，兩者對直腸癌的診斷效能相當(dāng)。但是由于rFOV IVIM-DWI消除了絕大多數(shù)的磁敏感偽影，減小了圖像的幾何變形及部分容積效應(yīng)提高了圖像質(zhì)量，更利于臨床疾病的診斷；定量方面可以更加準確的反映直腸癌擴散運動受限的程度及組織內(nèi)微循環(huán)灌注水平[19]。

本研究尚存在一定不足之處：病例數(shù)尚較少，未進行直腸癌不同病理類型及不同分期病變各參數(shù)值對比分析。b值越多，參數(shù)評估越穩(wěn)定，但考慮到掃描時間的關(guān)系，結(jié)合文獻報道本研究采用了7個b值，在未來的研究中，需要在rFOV IVIM-DWI序列中應(yīng)用更多b值以更好地評估IVIM所得的參數(shù)結(jié)果。

綜上所述，與fFOV IVIM-DWI相比，rFOV IVIM-DWI序列能有效減少圖像的變形及偽影，圖像具有更高的信噪比和對比噪聲比，兩者對直腸癌的診斷效能相當(dāng)，因此rFOV IVIM-DWI序列為直腸癌的診斷提供了一種更加有效的方法。