IVIM和ASL定量參數在鼻咽癌分期中的臨床價值

李小芹，沈合松，張 菁，劉美伶，王 興，袁筱茜，張久權

重慶大學附屬腫瘤醫院影像科，重慶 400030

鼻咽癌（nasopharyngeal carcinoma，NPC）是一種起源于鼻咽黏膜上皮的惡性腫瘤，在中國南方發病率較高［1］。鼻咽癌治療方式首選單純放療或同步放化療，而其治療方案的選擇依賴于臨床分期［2］。高腫瘤分期的患者在接受同步放化療或放療聯合誘導或輔助化療后可以獲得更好的預后［3-5］，因此準確的治療前分期對鼻咽癌治療決策和預后判斷至關重要［6-7］。與低分期鼻咽癌相比，高分期鼻咽癌生長速度快，瘤內壞死率高，血供不足，導致整體血管分布減少［8］。因此，對腫瘤灌注特性的評估可能有益于鼻咽癌分期。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）灌注參數可以評估鼻咽癌的微血管增殖或血管生成［9］，有利于評估鼻咽癌的分期。

體素內不相干運動（intravoxel incoherent motion，IVIM）彌散加權成像（diffusionweighted imaging，DWI）是一種通過使用雙指數模型將水分子彌散與微循環分離［10-11］的非增強MRI灌注技術。源自IVIM的快彌散系數（fast ADC，D*）和灌注分數（perfusion fraction，f）有助于區分鼻咽癌的腫瘤分期［12-13］。然而，IVIM難以將灌注與彌散完全分開，且不同范圍的b值會導致對血管大小的靈敏度不同［14］。動脈自旋標記（arterial spin labeling，ASL）是另一種MRI灌注技術，無需注射造影劑，而受益于流入的磁標記血液的對比度，可用于推導腫瘤血流量（tumor blood flow，TBF）以反映腫瘤灌注的定量信息［15］。由于其易于實施和高信噪比，三維準連續ASL（three-dimensional pseudo continuous ASL，3D pCASL）已被用作臨床成像技術［16-18］。一些研究［19-20］表明，3D-pCASL灌注參數有助于鼻咽癌分期。

選擇不輸注造影劑的最佳無創成像技術來輔助鼻咽癌的準確分期對于患者的治療決策和預后預測至關重要［21］。然而，很少有研究對ASL和IVIM對鼻咽癌分期的臨床價值進行全面比較。此外，先前的研究［22-25］表明，ASL衍生的TBF與膠質瘤中IVIM衍生的D*或f顯著相關，但鼻咽癌中源自ASL和IVIM的灌注指標之間的相關性仍不清楚。因此，本研究旨在比較來自ASL和IVIM的定量參數對鼻咽癌分期的臨床價值，并確定這些定量參數的相關性。

1 資料和方法

1.1 患者資料

回顧并收集2018年6月—2020年6月鼻咽癌患者共56例。納入標準：① 經病理學檢查證實的鼻咽癌；② 既往未行活檢或治療；③ 無MRI檢查禁忌；④ 無其他原發腫瘤。排除標準：① 缺乏完整的臨床和MRI數據，② 軸位T2加權圖像（T2-weighted imaging，T2WI）上的腫瘤最大直徑小于10 mm。根據美國癌癥聯合會第8版癌癥分期標準對腫瘤進行分期，人口統計學和TNM數據如表1所示。參照相關文獻［13，26］，將鼻咽癌分為高低分期兩組：臨床Ⅰ、Ⅱ期，T1、T2期，N0、N1期歸入低分期組，臨床Ⅲ、Ⅳ期，T3、T4期，N2、N3期歸入高分期組。

表1 56例鼻咽癌患者的臨床和人口統計學數據

1.2 檢查方法

采用荷蘭Philips公司的Ingenia 3.0 T MRI掃描儀，使用16通道頭頸部相控陣線圈。患者頭先進取仰臥位，所有患者行鼻咽部常規MRI平掃后，進行IVIM和3D pCASL掃描，最后進行增強掃描。常規MRI掃描包括軸位T1WI［重復時間（repetition time，TR）614 ms，回波時間（echo time，TE）18 ms］，軸位T2WI脂肪抑制（TR 2 780 ms，TE 100 ms），軸位、矢狀位和冠狀位的對比增強T1WI脂肪抑制序列（TR 450 ms，TE 15 ms）。層厚和層間距分別為5.0和0.5 mm。IVIM和ASL序列于注射對比劑前完成。IVIM采用單次激發自旋回波彌散加權平面回波成像（spin-echo diffusion-weighted echo-planar imaging，SE-DW-EPI），取14個b值（0、20、40、50、60、80、100、200、300、400、500、600、800和1 000 s/mm2）［27］，層數15，TR 2 000 ms，TE 50 ms，視野230 mm×230 mm，層厚4 mm，回波鏈長度55，激勵次數為4。ASL序列：采用3D pCASL序列，3D螺旋采集方式，標記延遲時間1 025 ms，視野240 mm×240 mm，TR 4 326 ms，TE 11 ms，層厚3 mm，層間距0 mm，矩陣288×192，回波鏈長度21，激勵次數為3。

1.3 MRI圖像處理與分析

采用內部軟件IVIM2b32np（荷蘭Philips公司）對雙指數模型IVIM進行分析，使用公式⑴［25］。

Sb是一個像素內有彌散梯度b的信號強度，S0是像素內沒有彌散梯度的信號強度，f是與微循環相關的灌注分數，D是反映純粹的分子彌散的慢彌散系數（slow ADC，D*），D*是灌注相關的快彌散系數。

定量ASL分析在Philips IntelliSpace Portal工作站上進行，使用公式⑵［19］。

λ是大腦的血液分配系數，SIcontrol和SIlabel是對照圖像和標記圖像的平均時間信號強度，PLD是標記后延遲時間，T1，blood是以秒為單位的血液的縱向弛豫時間，α是標記效率，SIPD是質子密度加權圖像的信號強度，τ為標記持續時間。

2名放射科醫師在不知道組織病理學結果情況下分別繪制感興趣區（region of interest，ROI），并測量IVIM和ASL各參數。為了測量觀察者內的重復性，觀察者1在間隔約1個月后再次分析所有患者的圖像。在b=800 s/mm2的IVIM圖像上，將ROI放置在腫瘤最大切面的實性部分，根據需要調整到相對高信號的區域。自動計算ROI各參數（D、D*、f）的均值、最小值和最大值。記錄用于測量IVIM參數的ROI層面。

將b=800 s/mm2的IVIM圖像在工作站分離并與TBF圖融合，努力確保相同的ROI，以確定IVIM和ASL參數。自動計算ROI中TBF的平均值、最小值和最大值。

1.4 統計學處理

由于M1期隊列人數較少（5例），未對M期進行統計學分析。

采用SPSS 25.0軟件進行統計學分析。采用Kolmogorov-Smirnov（K-S）檢驗判斷數據是否服從正態分布。符合正態分布的定量資料以表示。通過組內相關系數（intraclass correlation coefficient，ICC）和Bland-Altman圖評估ASL和IVIM參數觀察者內和觀察者間的重復性。采用Spearman相關分析法分析ASL與IVIM參數之間的關系。在單變量分析中，因數據符合正態分布，所以采用獨立樣本t檢驗進行比較。采用受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線和DeLong檢驗分析評價ASL和IVIM參數對鼻咽癌腫瘤分期的區分能力。計算靈敏度、特異度和曲線下面積（area under curve，AUC），通過約登指數確定最佳閾值。采用二元邏輯回歸分析確定鼻咽癌腫瘤分期的ASL和IVIM獨立預測參數。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 臨床資料

共71例鼻咽癌患者接受檢查，其中15例被排除在外，排除原因：病理學檢查證實為淋巴瘤4例，缺乏完整的TNM分期結果和MRI數據8例，軸位T2WI圖像上腫瘤最大直徑小于10 mm 3例。最終，共56例患者（男性42例，女性14例，平均年齡51歲）納入本研究。

TBF、D、D*和f的平均值和最大值顯示觀察者內部和觀察者間的一致性良好（ICC：0.889～0.994），詳見表2，圖1、2。然而，TBF、D、D*和f的最小值顯示觀察者內部和觀察者間的一致性較差（ICC：0.025～0.285），其Bland-Altman圖如圖3所示。因此，我們使用觀察者1首次測量的TBF、D、D*和f的平均值和最大值進行后續分析。

圖1 鼻咽癌T分期組和臨床分期組的TBFmean和f mean值柱狀圖

圖2 低T分期（T1）和低臨床分期（Ⅱ期）的鼻咽癌患者MRI圖像

圖3 高T分期（T4）和高臨床分期（Ⅳ期）的鼻咽癌患者MRI圖像

表2 3D pCASL和IVIM定量參數評估鼻咽癌的組內相關系數

2.2 鑒別鼻咽癌高低T分期

鼻咽癌高低T分期組TBF、D、D*、f的均值和最大值見表3。如圖1～3所示，灌注參數TBFmean和fmean在低T分期組中明顯高于高T分期組（P＜0.001）。TBFmax、Dmean、Dmax、D*mean、D*max和fmax在T分期高低級別組中差異無統計學意義。

ROC曲線分析結果見圖4A和表4。TBFmean的AUC高于fmean（0.888vs0.789，P=0.022）。二元邏輯回歸分析顯示TBFmean（P=0.001）和fmean（P=0.010）是區分高低T分期的獨立預測因子。

2.3 鑒別鼻咽癌高低N分期

TBF、D、D*、f的平均值和最大值在低N分期組和高N分期組之間差異均無統計學意義（P＞0.05，表3）。

表3 鼻咽癌高低T、N、臨床分期組3Dp CASL和IVIM參數的平均值和最大值

2.4 鑒別鼻咽癌高低臨床分期

如圖1～3所示，灌注參數TBFmean和fmean在低臨床分期組中明顯高于高臨床分期組（P=0.025）。TBFmax、Dmean、Dmax、D*mean、D*max和fmax在高低臨床分期組中差異無統計學意義。

ROC曲線分析結果見圖4B和表4。TBFmean的AUC高于fmean（0.838vs0.741，P=0.025）。多變量二元邏輯回歸顯示TBFmean（P=0.011）和fmean（P=0.013）是區分鼻咽癌高低臨床分期的獨立預測因子。

表4 TBFmean和fmean在區分高低T分期和臨床分期的診斷效能

圖4 TBFmean和f mean在鑒別鼻咽癌高低T分期和臨床分期的ROC分析

2.5 ASL與IVIM參數的相關性

表5和圖5列出了ASL和IVIM參數之間的相關性。Spearman秩相關分析顯示TBFmean和fmean中度相關（r=0.632，P＜0.001）。其他IVIM參數與ASL參數無相關性。

表5 鼻咽癌中3D-pCASL和IVIM參數的相關性

圖5 ASL和IVIM相關參數（TBFmean和fmean）散點圖

3 討 論

鼻咽癌是中國高發的惡性腫瘤之一，大多數鼻咽癌早期對放療靈敏度高，準確的治療前分期對于鼻咽癌患者選擇最佳的個體化治療方案至關重要。ASL和IVIM是一種無輻射、無需注射對比劑的成像技術，通過顯示腫瘤的灌注特征來對鼻咽癌分期［20，24-25，28-31］。本研究顯示，ASL和IVIM的灌注參數TBFmean和fmean可以區分鼻咽癌高低T分期和臨床分期。ROC曲線分析結果顯示，TBFmean比fmean在鑒別鼻咽癌高低T分期和高低臨床分期方面具有更好的診斷性能。此外，本研究還發現鼻咽癌TBFmean與fmean之間存在中度相關關系。

ASL作為一種非增強MRI技術，提供定量參數TBF，能反映鼻咽癌腫瘤組織灌注的生理信息［32］，并已廣泛應用于腫瘤分級分期研究［24-25，31，33］。盡管高分期腫瘤與血管生成增加相關，但是在本研究中，低T分期和低臨床分期腫瘤的TBFmean高于高T分期和高臨床分期腫瘤。這一矛盾現象產生的原因可能是，在腫瘤血管生成過程中，血管內皮細胞可能增殖產生或不產生有管腔的功能血管，而高分期鼻咽癌無功能的腫瘤新生血管并不增加腫瘤微循環灌注［30］。一項針對頭頸部鱗狀細胞癌的ASL研究［25］顯示，低分期腫瘤的TBF低于高分期腫瘤，沒有增加腫瘤微循環灌注，這與本研究結果不一致。多種因素可能導致這種差異。首先，在勾畫ROI的過程中，我們在b=800 s/mm2的IVIM圖像上沿高信號區放置ROI，盡量避免壞死區域，但高T分期鼻咽癌不能避免不完全壞死和微壞死，導致腫瘤灌注減少［3］；其次，由于鼻咽癌、口咽癌、下咽癌等不同頭頸部鱗狀細胞癌之間存在異質性，腫瘤血流可能存在一定的異質性。

本研究結果顯示，低T分期和低臨床分期腫瘤的fmean高于高T分期和高臨床分期腫瘤，這與相關研究［8，30］對鼻咽癌和食管鱗狀細胞癌的研究結果一致。這可能提示高分期腫瘤因快速生長而耗氧量增加，最終導致微循環灌注減少，高分期腫瘤有較高的瘤內壞死百分率，導致整體血管供應減少。此外，盡管在高分期鼻咽癌中存在豐富的腫瘤血管，但是腫瘤血管的不規則和迂曲也導致了低灌注［34］。

在本研究中，TBFmean區分鼻咽癌高低T分期和臨床分期的AUC高于fmean，這與ASL和IVIM對膠質瘤分級的比較研究［25］不一致。有幾個可能的因素可以解釋這種差異。首先，3D-pASL作為一種先進的ASL成像序列，通過結合高場、并行成像和3D成像結合背景抑制，提高ASL在TBF成像中的靈敏度［35］。第二，原發腫瘤的TBFmean可以直接反映不同分期腫瘤血流的差異，但fmean與微血管相關，由腫瘤微循環血漿體積與血管外間隙體積之比決定［36-37］。第三，IVIM DWI中不同MRI機器之間b值有差異，對于不同中心的DWI標準協議沒有達成共識［12，27］，由此從IVIM推導出非最優f值。因此，TBFmean在高低T分期和高低臨床分期的鑒別上優于fmean。

本研究顯示，在低N分期和高N分期腫瘤之間，沒有一個參數顯示差異有統計學意義。原因可能是N分期狀態不僅取決于腫瘤的血液供應狀態，也受其他多種因素影響，如原發腫瘤大小、數量、浸潤深度及淋巴結的位置等［38］。

本研究發現，鼻咽癌中由ASL衍生的TBFmean與由IVIM衍生的fmean呈中度正相關（r=0.632）。這一結果與神經膠質瘤的研究［25］結果一致，該研究表明TBF和f之間存在相關性（r=0.560）。這說明隨著血液從血管流向細胞外間隙，腫瘤組織微血管血流也隨之增加，細胞外間隙血容量與微血管血漿體積的比值也隨之增加［39］。然而，本研究結果顯示，TBFmax和fmax之間沒有統計學相關性（r=0.011，P=0.948），原因可能是由于腫瘤的異質性，灌注參數的最大值不能準確反映鼻咽癌的灌注。

本研究存在一定的局限性。首先，樣本量小，我們需要一個更大的樣本來進行T、N和臨床分期的研究。第二，由于病理微血管密度可以反映腫瘤組織的氧合狀態，指導鼻咽癌放療和化療策略的制訂，但我們未根據腫瘤組織病理微血管密度參數驗證MRI灌注參數。第三，我們將ASL成像中PLD固定為之前文獻推薦的1 000 ms，但是PLD的選擇可能會影響測量的TBF值，我們將在未來的研究中比較不同PLD下的ASL圖像質量。

綜上所述，ASL與IVIM可以很好地評估鼻咽癌的血流灌注信息，有利于預測鼻咽癌治療前的臨床分期。與IVIM的fmean相比，ASL的TBFmean能更好地區分鼻咽癌的T分期和臨床分期，有助于鼻咽癌患者獲得最佳的治療決策和更好的預后，且ASL與IVIM灌注參數呈中度正相關。