單、雙指數模型擴散加權成像及動脈自旋標記預測復發性鼻咽癌近期療效的應用價值

劉騰，肖磊，韋波，廖海

0 前言

鼻咽癌是起源于鼻咽黏膜上皮的惡性腫瘤，具有對放化療敏感的特性，但仍有10%～15%的患者發生局部區域復發的風險，是臨床中所要面臨的重要挑戰[1]。復發性鼻咽癌由于既往已接受過放化療，局部出現壞死、纖維化等乏氧改變，使得再放化療敏感性降低，最終導致治療失敗。近年來，隨著免疫治療的興起和應用，在復發性鼻咽癌患者中取得了較好的緩解率[2-3]，但仍有部分患者由于腫瘤內部乏氧微環境而導致治療抗拒。因此，治療前早期、精準地評估復發性鼻咽癌乏氧狀態，有利于識別低敏感性的患者，并通過前期更為積極的個體化干預和治療方案調整對于改善患者預后具有重大意義。

功能MRI（functional MRI, fMRI）可以從微觀層面深度挖掘病灶內部病理生理、血流動力學及功能代謝等變化情況，在鼻咽癌分期、鑒別診斷、療效評估及預測預后等方面具有一定的臨床應用價值[4-8]。擴散加權成像（diffusion weighted imaging, DWI）通過測定水分子擴散的方向和速度來推測組織內部變化，當腫瘤發生壞死、缺血等乏氧改變后，細胞密度降低，ADC 值升高[9]。因此，ADC 值的升高間接提示了腫瘤乏氧程度加重，進而影響療效。體素內不相干運動（introvoxel incoherent motion, IVIM）利用多b值和雙指數衰減模型將組織擴散和灌注分離，較傳統DWI 更為真實地反映水分子擴散情況，已有學者利用IVIM 預測頭頸部鱗癌、直腸癌等療效[10-11]。三維偽連續動脈自旋標記（three dimensional pseudo-continuous arterial spin labeling,3DpCASL）因不需注射對比劑的優勢在臨床應用廣泛，既往研究多集中在中樞神經系統病變[12-13]，近年來在鼻咽癌療效預測方面取得了一定成果，其參數值血流量可作為無創性生物標記物預測鼻咽癌治療反應[14-15]。然而，既往研究多集中在鼻咽癌原發灶，復發性鼻咽癌經歷了原發灶治療消失后腫物復現的過程，因此與原發灶相比有著不同的病理生理基礎。單一模態MRI所提供的信息量有限，多模態fMRI技術可反映更多功能學信息，有研究報道IVIM 聯合3DpCASL 預測鼻咽癌同步放化療近期療效，且相應研究表明多模態fMRI 聯合應用有助于鼻咽癌療效評估[16]。目前國內外就單、雙指數模型DWI聯合3DpCASL技術在復發性鼻咽癌療效預測的研究尚處于空白階段。因此，本研究旨在探討單、雙指數模型DWI 和3DpCASL 技術相關參數特征與復發性鼻咽癌近期臨床療效的關系，探索復發性鼻咽癌乏氧敏感指標，將為復發性鼻咽癌療效早期、精準預測提供無創的技術手段。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究前瞻性收集2021 年3 月至2022 年12 月于我院診治的復發性鼻咽癌患者，所有患者均簽署知情同意書，本研究遵守《赫爾辛基宣言》，并經過廣西醫科大學附屬腫瘤醫院倫理委員會批準（批準文號：LW2023037）。納入標準：（1）鼻咽癌原發病灶治療結束后消失，6個月后MRI復查發現鼻咽腫物復現，并經病理證實為復發；（2）卡氏評分≥70，對治療耐受；（3）所有患者均行免疫治療聯合同步放化療治療。排除標準：（1）患者未完成完整治療周期；（2）圖像偽影過重；（3）并發其他部位第二原發腫瘤。最終納入34例患者，男25例，女9例，年齡26～61（49.1±9.1）歲。臨床分期中Ⅱ期2例，Ⅲ期9例，Ⅳ期23例。

1.2 MRI掃描

所有患者均在3.0 T MRI（Discovery 750w, GE,USA）上掃描，配備8通道頭頸聯合線圈。治療前行平掃+增強、DWI、IVIM 及3DpCASL 掃描，治療后行平掃+增強掃描。軸位T1WI：TR/TE 848.0 ms/11.7 ms，FOV 24 cm×24 cm，層厚5 mm，層間距2 mm，矩陣320×224，激勵次數2；軸位T2WI抑脂（fat suppression,FS）：TR/TE 4507.0 ms /65.1 ms，FOV 24 cm×24 cm，層厚5 mm，層間距2 mm，矩陣320×192，激勵次數3；增強掃描包括冠、矢、軸位：TR/TE 528.0 ms/9.0 ms，FOV 22 cm×22 cm，層厚4 mm，層間距0 mm，矩陣270×289，激勵次數3，手動靜脈注射釓噴酸葡胺（Magnevist，Bayer schering pharma，Germany），劑量0.2 mL/kg，流速2 mL/s；DWI序列：TR/TE 4880.0 ms/73.5 ms，FOV 24 cm×24 cm，層厚5 mm，層間距1.5 mm，矩陣130×160，激勵次數2，b值取0、800 s/mm2；IVIM 序列：使用11 個b 值（0、30、50、80、100、150、200、400、600、800、1000 s/mm2），TR/TE 4000.0 ms/30.3 ms，FOV 22 cm×22 cm，層厚5 mm，層間距1 mm，矩陣128×128，各b值對應激勵次數2、2、3、3、3、4、4、4、2、3、2；3DpCASL 序列：TR/TE 4640.0 ms/10.7 ms，FOV 22 cm×22 cm，層厚4 mm，層間距0 mm，矩陣512×8，激勵次數3。標記后延遲時間為1525 ms。

1.3 治療方案

所有患者均在我院放療科治療，治療方案為特瑞普利單抗+同期放化療。特瑞普利單抗240 mg（每周期第1天），21天一個周期，共2～4周期。采用三維適形調強放療（intensity modulated radiotherapy,IMRT）技術，IMRT 期間的同步化療藥物為順鉑，劑量為80～100 mg/m2（每周期第1 天），共2～3 個周期，21 天為一個周期。原發腫瘤總體積的計劃目標劑量為70.0～79.5 Gy，淋巴結總腫瘤體積的總劑量為60.0～73.6 Gy，1次/天，5次/周。

1.4 療效評估

患者經免疫治療及同步放化療治療結束后3 個月行MRI 復查，根據實體瘤療效評估標準（Response Evaluation Criteria in Solid Tumors, RECIST）1.1[17]確定復發瘤灶、最大病理淋巴結和最大轉移灶為需要評估的靶病灶。本研究根據靶病灶消退情況分為應答組和無應答組，腫瘤消退率=（治療前靶病灶直徑-治療結束后靶病灶直徑）/治療前靶病灶直徑×100%。其中應答組包括了完全緩解和部分緩解，無應答組包括了疾病進展和疾病穩定。

1.5 圖像后處理與分析

所有采集的數據均傳輸至AW4.6后處理工作站，采用Functool 軟件包對圖像進行后處理，于DWI 和IVIM原始圖上沿腫瘤每一層邊緣勾畫ROI，隨后自動獲取各參數圖像，包括了表觀擴散系數（apparent diffusion coefficient, ADC）、慢 速 擴 散 系 數（slow diffusion coefficient, Dslow）、快速擴散系數（fast diffusion coefficient, Dfast）和灌注分數（perfusion fraction, f）；利用控制像與標記像剪影的方法獲得動脈自旋標記（arterial spin labeling, ASL）衍生的腫瘤血流量（tumor blood flow, TBF）圖，并與T2WI-FS 融合以便定位病灶，在病灶側小腦選取兩個類圓形ROI作為參照，得到新的參數相對腫瘤血流量（relative TBF, rTBF），rTBF 為病灶與參照物血流量值的比值。以上參數均采用體積測量法，以T1WI 增強作為參照，避開明顯的壞死、囊變區。以上參數由兩名具有6 年以上診斷經驗的放射科醫師（住院醫師、主任醫師）獨立進行測量分析，取兩者平均值作為最終結果。

1.6 統計學分析

采用SPSS 25.0 和MedCalc 15.11.4 軟件進行分析，使用組內相關系數（interclass correlation coefficient, ICC）評價觀察者間一致性，ICC＞0.75考慮一致性水平高。所有計量資料用均數±標準差（±s），符合正態分布和方差齊性的計量資料采用兩獨立樣本t檢驗，對于非正態分布采用Mann-WhitneyU檢驗，采用Spearman相關分析各參數與腫瘤消退率之間的相關性。繪制ROC曲線并計算AUC以評估各定量參數的診斷效能，DeLong檢驗比較各預測因子的AUC值。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 療效評估及一致性檢驗分析

根據RECIST 1.1 標準，患者治療結束后應答組19 例，其中完全緩解組11 例，部分緩解組8 例；無應答組15例，疾病穩定組15例，疾病進展組0例。兩組患者間年齡、性別、病理類型、美國癌癥聯合會分期、瘤灶直徑、復發時間等臨床基線資料的比較差異均無統計學意義（P＞0.05）（表1）。ADC、Dslow、Dfast、f、TBF、rTBF 參數的ICC 分別為0.984（95%CI：0.967～0.992）、0.987（95%CI：0.975～0.994）、0.971（95%CI：0.942～0.985）、0.910（95%CI：0.820～0.955）、0.968（95%CI：0.934～0.984）及0.976（95%CI：0.941～0.994），P值均＜0.001。

表1 入組患者臨床特征Tab.1 Clinical characteristics of the enrolled patients

2.2 兩組間治療前各參數值的比較

治療前DWI 參數中，應答組ADC 值明顯低于無應答組，組間比較差異具有統計學意義（P＜0.001）。治療前IVIM 各參數中，應答組Dslow值明顯低于無應答組，組間比較差異有統計學意義（P＜0.001）。治療前Dfast及f 值組間比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。治療前3DpCASL 相關參數中，應答組TBF 值明顯高于無應答組，組間比較差異有統計學意義（P=0.009）。應答組rTBF 值亦明顯高于無應答組，組間比較差異具有統計學意義（P=0.004）（表2、圖1～2）。

圖1 應答組病例，男，41歲，鼻咽右側壁腫物（箭），IVa期（rT4N2M0）。1A為治療前T1WI增強圖；1B為治療前IVIM原始圖；1C～1E分別為ADC、Dslow、ASL/T2WI-FS 融合圖；1F 為治療后T1WI 增強圖。ADC 值為0.947×10-3 mm2/s，Dslow值為0.688×10-3 mm2/s，TBF 值為41.339 mL/（100 g·min），rTBF 值為3.809。治療前腫瘤最大徑為5.5 cm，治療后T1WI 增強示病灶大部分消失，但仍有少許病灶殘留，療效評估為PR。 圖2 無應答組病例，男，40 歲，鼻咽左側壁腫物（箭），IVa 期（rT4N2M0）。2A 為治療前T1WI 增強圖；2B 為治療前IVIM 原始圖；2C～2E 分別為ADC、Dslow、ASL/T2WI-FS 融合圖；2F 為治療后T1WI 增強圖。ADC 值為1.24×10-3 mm2/s，Dslow值為0.904×10-3 mm2/s，TBF 值為28.430 mL/（100 g·min），rTBF 值為1.770。治療前腫瘤最大徑為5.9 cm，治療后T1WI增強示病灶范圍較前略縮小，侵犯周圍結構較前變化不大，療效評估為SD。ADC：表觀擴散系數；Dslow：慢速擴散系數；ASL：動脈自旋標記；TBF：腫瘤血流量；rTBF：相對腫瘤血流量；PR：部分緩解；SD：疾病穩定。Fig.1 A 41-year-old male patient in the response group with a mass in the right lateral wall of the nasopharynx (arrow), stage IVa (rT4N2M0).1A is T1WI enhanced image before treatment; 1B is the original IVIM map before treatment; 1C-1E are ADC, Dslow, ASL/T2WI-FS fusion images, respectively; 1F is the enhanced T1WI image after treatment.ADC value is 0.947×10-3 mm2/s, Dslow value is 0.688×10-3 mm2/s, TBF value is 41.339 mL/(100 g·min), and rTBF value is 3.809.The maximum tumor diameter is 5.5 cm before treatment.After treatment, T1WI enhancement show that most of the lesions disappeared, but there are still a few residual lesions.The efficacy assessment is classified into PR.Fig.2 A 40-year-old male patient in the non-response group with a mass in the left lateral wall of nasopharynx (arrow), stage IVa(rT4N2M0).2A is T1WI enhanced image before treatment; 2B is the original IVIM map before treatment; 2C-2E are ADC, Dslow, ASL/ T2WI-FS fusion maps, respectively;2F is the enhanced T1WI image after treatment.ADC value is 1.240×10-3 mm2/s, Dslow value is 0.904×10-3 mm2/s, TBF value is 28.430 mL/(100 g·min), and rTBF value is 1.770.Before treatment, the maximum tumor diameter is 5.9 cm.After treatment, T1WI enhancement show that the scope of the lesion is slightly reduced, and there is little change in the surrounding structure of invasion.The efficacy assessment is classified into SD.ADC: apparent diffusion coefficient; Dslow: slow diffusion coefficient; ALS:arterial spin labeling; TBF: tumor blood flow; rTBF: relative tumor blood flow; PR: partial response; SD: stable disease.

表2 應答組與無應答組間各參數值的差異Tab.2 Differences in parameters between the response group and the non-response group

2.3 各參數預測復發性鼻咽癌近期療效的效能情況

ROC 分析顯示，治療前ADC、Dslow值是預測復發性鼻咽癌近期療效敏感性的最有效參數，兩者AUC值最大，分別為0.944、0.940；3DpCASL 相關參數TBF 及rTBF 預 測 效 能 低 于ADC 和Dslow，其AUC 值 分 別 為0.765、0.779（表3，圖3）。各有意義的參數聯合診斷的AUC值為0.944（95%CI：0.807～0.994），敏感度為86.7%，特異度為94.7%，P＜0.001，聯合指標與ADC值的AUC 值相當，但高于其他指標的AUC 值。DeLong 檢驗顯示各指標間AUC 值差異均無統計學意義（P＞0.05）。

圖3 各參數預測復發性鼻咽癌近期療效的ROC 曲線圖。ADC：表觀擴散系數；Dslow：慢速擴散系數；TBF：腫瘤血流量；rTBF：相對腫瘤血流量。Fig.3 ROC curve of each parameter for predicting short-term efficacy in recurrent nasopharyngeal carcinoma.ADC: apparent diffusion coefficient; Dslow:slow diffusion coefficient; TBF: tumor blood flow; rTBF: relative tumor blood flow.

表3 各參數診斷效能比較Tab.3 Comparison of diagnostic efficacy of each parameter

2.4 治療前各參數與腫瘤消退率間的相關性

應答組腫瘤消退率為（75.53±26.99）%，無應答組腫瘤消退率為（13.94±5.64）%。治療前ADC及Dslow值與腫瘤消退率均呈負相關，相關系數r分別為-0.692，-0.669（P值 均＜0.001）。治 療 前TBF 及rTBF值與腫瘤消退率均呈正相關，相關系數r分別為0.422（P=0.013），0.472（P=0.005）（圖4）。

圖4 治療前各參數與腫瘤消退率的相關性散點圖。ADC：表觀擴散系數；Dslow：慢速擴散系數；TBF：腫瘤血流量；rTBF：相對腫瘤血流量。Fig.4 Scatter diagrams of the correlation between parameters and tumor regression rate before treatment.ADC: apparent diffusion coefficient; Dslow: slow diffusion coefficient; TBF: tumor blood flow; rTBF: relative tumor blood flow.

3 討論

本研究于國內外首次使用無創性多模態fMRI（DWI、IVIM、3DpCASL）技術，從微觀層面上獲取復發性鼻咽癌組織灌注、水分子擴散運動等豐富量化信息，進而在治療前早期預測復發性鼻咽癌近期療效。本研究結果發現，DWI參數ADC值、IVIM參數Dslow值及3DpCASL 參數TBF、rTBF 值均展現出不同程度的預測價值，其中擴散相關參數預測性能更優。

3.1 DWI在預測復發性鼻咽癌近期療效中的價值

DWI 是一種非侵入性反映組織內水分子擴散的技術，在頭頸部腫瘤、腦腫瘤等[18-19]中已被證明對療效預測有重要的價值。本研究結果顯示，應答組治療前ADC 值明顯低于無應答組，且治療前ADC 值與腫瘤退縮率呈負相關。治療前ADC 水平高的腫瘤病灶可能有更多的微壞死和炎癥，提示腫瘤存在缺氧的可能，導致腫瘤對電離輻射敏感性低，療效差。而低ADC 值的腫瘤細胞密集，間質含量少，氧含量高，有利于放射線對癌細胞殺滅，較少的間質成分則有利于化療藥物的運輸，從而達到最好的療效。國內外學者均發現ADC值低的鼻咽癌患者治療療效優于高ADC值患者，這與本研究結果相吻合[20-23]。本研究證實了DWI參數ADC值作為早期預測復發性鼻咽癌治療療效的影像學生物標志物具有巨大的潛力，可以通過ADC值的變化來準確反映腫瘤生物學特性的差異。

3.2 IVIM在預測復發性鼻咽癌近期療效中的價值

雙指數模型IVIM 與傳統單指數DWI 相比，可同時獲得腫瘤組織擴散和灌注兩方面信息[24]。Dslow值代表組織內真實擴散情況，與細胞密度呈負相關，與組織中的壞死或囊性變呈正相關。本研究中，應答組表現出較低的Dslow值，治療前Dslow值與腫瘤退縮情況呈負相關。較低的Dslow值可能提示腫瘤內部微壞死較少、細胞密度較高及血管生成較多，這意味著更豐富的血流灌注及氧合水平高，因此治療后腫瘤組織退縮更明顯及治療反應更好，這與既往報道[25-26]相一致。但另有學者發現鼻咽癌患者治療前Dslow值越高療效則越佳，CHEN 等[27]認為細胞密度增高的同時氧分子擴散受限，腫瘤細胞乏氧則放化療抵抗。Dfast和f 均為IVIM 中與腫瘤微血管衰減有關的灌注相關參數。本研究中發現Dfast和f 值不能作為可靠的預測指標，這與以往研究一致[25,28]。有學者提出Dfast值受心動周期的影響較大，而f 值與組織T2 弛豫時間和掃描參數TE 的設置有關[29-30]。因此，Dslow值在預測復發性鼻咽癌近期療效中的價值與ADC 值相當，而Dfast和f值臨床應用受限。

3.3 3DpCASL 在預測復發性鼻咽癌近期療效中的價值

有學者發現ASL量化參數與腫瘤微血管密度和血管內皮生長因子有一定相關性，此研究證明了ASL可對腫瘤灌注進行評價[31-32]。LIN 等[33]的研究表明，動態對 比 增 強MRI（dynamic-contrast enhancement MRI,DCE-MRI）的容量轉移常數及速率常數與ASL 參數間存在較好的一致性，與DCE-MRI相比，ASL不需要注射螯合釓造影劑，可避免過敏反應和腎源性纖維化的風險。本研究顯示應答組治療前TBF 和rTBF 均明顯高于無應答組，且兩參數值與腫瘤退縮情況呈正相關，說明高灌注代表腫瘤血供豐富、氧合好，有利于藥物達到更高濃度以殺死癌細胞，治療后腫瘤退縮率更高，而腫瘤血流供應不足可導致慢性缺氧，誘導腫瘤細胞向更為耐藥的亞型轉化，可能面臨著更高的復發風險。本研究結果與既往研究報道相一致，但TBF 閾值明顯低于以往研究[14-15]，這種差異可能是由于本研究對象為復發鼻咽癌，復發灶由于既往接受過治療病灶乏氧情況更為顯著，導致腫瘤灌注減低。本研究考慮到不同患者的個體差異，將病灶一側的小腦半球作為參照物，有效消除了腦灌注對腫瘤血流灌注帶來的影響。

3.4 各參數診斷效能比較

本研究通過ROC 曲線比較各fMRI 參數在預測復發性鼻咽癌近期治療反應中的診斷效能，結果發現，區分應答者和非應答者的最佳預測指標是ADC 和Dslow。ADC 在預測療效的AUC 值達0.944，Dslow診斷效能可與ADC 相媲美，AUC 為0.940。本研究還發現TBF和rTBF 在預測患者療效稍顯遜色，AUC 值分別為0.765 和0.77，但TBF 的特異度高達100%，rTBF 的敏感度為93.3%，因此ASL 的預測價值仍不容小覷。另外本研究聯合上述各指標發現診斷效能并未顯著提高，聯合指標AUC與ADC值AUC一致，但仍然高于其他指標的診斷效能。綜上所述，擴散相關參數（ADC 和Dslow）及灌注相關參數（TBF 和rTBF）均為復發性鼻咽癌患者治療應答的可靠指標，多指標聯合診斷在本研究中并未體現更高的預測價值。鑒于臨床方案制訂的可行性及效能優越性，ADC 和Dslow在本研究中對于指導臨床實踐和預后更為重要。

3.5 本研究局限性

本研究也有一定的局限性：首先，樣本量較少且為單中心研究，結果可能存在偏倚；其次，隨訪時間較短，未來將對長期療效預測深入研究；最后，本研究使用的DWI 和IVIM 基于單次激發平面回波序列，成像質量受到一定影響。

4 結論

單、雙指數模型DWI 及3DpCASL 參數能準確預測復發性鼻咽癌近期療效，尤其是ADC 和Dslow預測效能更優，TBF 和rTBF 值可作為輔助預測指標。因此，治療前DWI、IVIM 及3DpCASL 定量參數有望為復發性鼻咽癌近期療效的早期精準預測提供無創技術手段和有效量化指標。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：廖海設計本研究的方案，對稿件的重要的智力內容進行了修改，并獲得了廣西科技計劃項目（編號：桂科AB23026018、桂科AD20238096）和廣西自然科學基金項目的資助；劉騰起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數據；肖磊、韋波獲取、分析、解釋本研究的數據，對稿件重要的智力內容進行了修改。全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。