体素内不相干运动扩散加权成像在鉴别肺部良恶性病变中的价值

黄 亮曾春毅方向军刘 翔朱仁勇何卫红邓承健范 锟

体素内不相干运动扩散加权成像在鉴别肺部良恶性病变中的价值

黄 亮1曾春毅1方向军1刘 翔2朱仁勇1何卫红1邓承健1范 锟1

目的：探讨磁共振体素内不相干运动扩散加权成像（IVIM-DWI）单指数模型参数及ADC值在鉴别肺部良恶病变中的诊断价值。方法：收集经病理证实的肺部病变45例，其中恶性30例，良性15例，所有患者术前或治疗前均行IVIM-DWI及单b值DWI检查，b值取0、10、25、50、100、200、400、600、800、1000s/mm2，分别测量所有病灶的真实扩散系数D值、灌注相关扩散系数D*值、灌注分数f值；单b值取600s/mm2测量ADC值，分别对肺部良恶性病变的4个参数进行分析，并绘制ROC曲线评价各值的诊断效能。结果：肺部良性病变组ADC值(1.748±0.329)×10-3mm2/s，明显高于肺部恶性病变组ADC值(1.323±0.448)×10-3mm2/s，差异有统计学意义；肺部良性病变组D值(1.328±0.295)×10-3mm2/s，明显高于肺部恶性病变组D值(0.812±0.214)×10-3mm2/s，差异有统计学意义；而D*值、f值两组间差异无统计学意义。D值与ADC值的ROC曲线下面积分别为0.930与0.805，两者的敏感性、特异性分别是0.944与0.889、0.750与0.667。结论：IVIM-DWI单指数模型参数D值及ADC值均对肺部良恶性病变的诊断与鉴别诊断具有重要价值，且D值的诊断效能较ADC值高。

体素内不相干运动；扩散加权磁共振成像；肺部良性病变；肺部恶性病变

肺癌是对人类健康威胁最大的疾病之一，其发生率和死亡率居全球首位。因此，肺癌的早期诊断与治疗是提高患者生存率和生活质量的关键。目前，MSCT是诊断肺部疾病最佳的影像学检查方法，但肺部恶性病变与部分良性病变的影像表现有一定的重叠，缺乏特异性，常需活检才能确诊。近年来，DWI应用于鉴别肺部肿块的文献很多，而体素内不相干运动MR扩散加权成像（intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging，IVIM-DWI）即多b值扩散加权成像，能很好地区分真实的水分子扩散信息与灌注信息，能更真实地反映病变的病理信息；其在慢性脑缺血、肝纤维化、胰腺癌、肾癌、脑肿瘤、前列腺癌及乳腺癌等疾病中的作用已经得到肯定[1-2]。本研究拟采用IVIM-DWI对肺部良恶性病变进行定性及定量研究。

方法

1.临床资料

选择2015年6月-2016年6月在南华大学附属第二医院住院，CT发现肺部结节或肿块并行胸部MRI检查的患者共50例。经筛选共纳入45例为研究对象，男34例，女11例，年龄25～77岁，平均（57.4±13.2）岁；45例均经病理证实（手术切除或支气管镜检或穿刺活检），其中恶性患者30例（13例腺癌，12例鳞癌，5例小细胞肺癌），良性患者15例（慢性炎症9例，局灶性机化性肺炎2例，结核4例）。所有患者均签署知情同意书。

2.磁共振检查方法

胸部磁共振检查采用GE Signa HDxt 3.0T磁共振。8通道体部线圈，采用自由呼吸触发扫描技术。序列包括：横断位TIWI，TE 2.33ms，矩阵384×180，NEX 1.0。横断位T2STIR， TE 97.15ms，矩阵320×224，NEX 2.0。冠状位T2STIR，TE 107.03ms，矩阵320×224，NEX 2.0。横断位IVIM-DWI及DWI，选择呼吸促发的单次激发平面回波成像（SSEPI），多b值取0、10、25、50、100、200、400、600、800、1000s/mm2，单b值取600s/mm2时的横断位DWI图像，TE 64.70ms，矩阵96×130，NEX 8.0。各序列的FOV 均为42cm×42cm，层厚均为5mm，层间距均为1mm。

3.图像处理

在GE AW4.6后处理工作站上，用Functool软件中的ADC及MADC进行图像后处理，测得各参数值。病变感兴趣区（ROI）的选取：根据病变在T1WI、T2WI及DWI上的表现综合考虑选取感兴趣区。选择病灶较大且信号较均匀的层面做测量，尽量避开肉眼可辨的血管、囊变、坏死、钙化，测量三次取平均值作为病变最终的测量值。数据的测量由两位副高职称的放射科诊断医生在未知病理结果的情况下独立进行，如果有分歧较大的测量值，则由二者协商确定，并做好记录。

4. 统计学分析

采用SPSS20.0统计学软件，观察者间测量数据的可靠性采用组内相关系数（ICC）检测，肺部良性病变组和恶性病变组所有数据均做了Q-Q图、Kolmogorov-Smirnov正态分布检验及Levene方差齐性检验，各相关参数均服从正态分布，方差齐性，故采用独立样本t检验；并绘制ROC曲线评介各参数的诊断效能。以P＜0.05为差异有统计学意义。

结果

1.两位观察者测量的所有数据

图1 男性，38岁，左肺下叶结核球。A.T2STIR示左下肺一高信号结节，边缘清楚。B.DWI示病灶呈明显高信号。C.ADC值伪彩图为绿色，ADC值为1.930×10-3mm2/s。D.D值伪彩图为绿黄相间，D值为1.730×10-3mm2/s。E.D*值伪彩图为红黄绿相间，D*值为38.600×10-3mm2/s.F.f值伪彩图为红绿蓝相间，f值为13.40%。

图2 女性，51岁，右肺下叶中分化管状腺癌。A.T2STIR示右下肺胸膜下区一类圆形高信号结节。B.DWI示病灶呈明显高信号。C. ADC值伪彩图为绿色，ADC值为1.140×10-3mm2/s。D. D值伪彩图为绿蓝相间，D值为0.852×10-3mm2/s。E. D*值伪彩图为蓝黄绿相间，D*值为5.520×10-3mm2/s.F. f值伪彩图为红黄绿相间，f值为31.80%。

表1 肺部良恶性病变各参数值比较

表2 肺部良恶性病变各参数值的ROC曲线分析

图3 各参数的ROC曲线图。

经检验，其可信度在良好到优秀之间。两组参数ADC值、D值、D*值及f值的组内相关系数分别为0.770、0.805、0.684、0.653。

2.IVIM-DWI各参数及ADC值图像

均为伪彩图，由红、黄、绿、蓝四种不同的颜色代表不同的参数值范围，其中红色最大，黄、绿、蓝依次递减。大部分病灶均由几种颜色共同组成的。在绝大部分病例中，D值与ADC值的图像颜色相对D*值及f值要均匀一些，呈相对单一的色彩，而D*值及f值则一般都是2～3种颜色共同组成（图1，2）。

3.IVIM-DWI各参数及ADC值在肺部良恶性病变间的比较

肺良、恶性两组病变的ADC值和IVIM-DWI各参数的值按照平均值±标准差的方式表示（表1）。肺恶性病变组D值和ADC值均明显低于良性病变组，其差异有统计学意义（P＜0.05），而D*值、f值两组间差异无统计学意义。

4.各参数值ROC曲线分析

以肺部恶性病变为病变组，肺部良性病变为对照组进行ROC曲线分析（图3），结果 ADC值、D值、D*值、f值的曲线下面积（area under the curve，AUC）分别为0.805、0.930、0.605、0.615。其中D值的AUC最大，其诊断效能最高（表2）。

讨论

1. IVIM-DWI的原理及b值的选取

传统DWI可以反映活体组织中水分子的微观扩散运动，在一定程度上能反映疾病的病理生理过程，但该模型忽略了微循环灌注对ADC值的影响，最近研究表明[3]低b值成像受微循环灌注影响较大，而高b值才能真实地反映水分子的扩散变化。IVIM-DWI是DWI的发展，它将组织的水分子扩散运动和微循环灌注分离，能更加真实地反映病变组织的病理生理过程，从而更有助于疾病的诊断。理论上b值选取越多，数据拟合的精确性越高，越能反映出组织水分子扩散的真实情况。但是，如果b值选取太多则需要更长的扫描时间，病人的配合程度也会下降。故本研究选取了的10个b值0、10、25、50、100、200、400、600、800、1000s/mm2，6个b值≤200s/mm2主要拟合灌注相关参数，4个b值＞200s/mm2主要拟合的是水分子扩散相关参数，这样两个拟合出来的参数会相对稳定。

2. ADC值与IVIM-DWI单指数模型各参数对肺部病变良、恶性的鉴别

本研究得出肺部恶性病变组ADC值明显低于良性病变组，此与之前的大部分研究结果一致[4-7]，较好地说明了细胞密度与组织扩散受限情况呈负相关。细胞密度越大，组织扩散受限越明显，所测得ADC值越小。其病理基础是：恶性肿瘤由于增殖快、细胞核大、异型、胞质少、细胞排列紧密，所以其密度一般较生长缓慢的良性病变高，同时恶性肿瘤组织细胞外间隙缩小，因此组织扩散受限较明显。故ADC值在活体组织中能很好地反映恶性肿瘤的病理特征。

D值代表组织的真实水分子扩散情况，在ADC值的基础上又进了一步，消除了微循环灌注对水分子扩散的影响；当然D值同样也受细胞密度，细胞外间隙等的影响，其病理基础也是：恶性病变实性部分由于增殖快、细胞核大、胞质少、细胞密集、细胞外间隙小等原因，致水分子扩散受限。本组D值在肺部恶性病变组也明显低于良性病变组，此与ADC值一致。并与王晓华等[8]的研究结果类似，肺癌的D值明显小于肺良性病灶。Yuan等[9]应用IVIM-DWI对肺癌与肺良性结节进行鉴别并与DCE-MRI进行比较，也得出D值和Ktrans对于肺癌与良性结节的鉴别具有重要意义，肺癌的D值是明显小于良性结节的D值，均与本研究结果一致。然而并非所有的学者都这么认为，如Deng等[10]和雷永霞等[11]分别研究肺癌和炎性病灶以及肺癌和感染性肉芽肿得出两组病灶间D值则无明显统计学意义，Deng等[10]认为炎症引起水分子从血管内或细胞外向细胞内移动导致细胞肿胀，白细胞在靶组织聚集以及细胞残核的堆积等均可以引起单纯水分子扩散受限，也会引起D值变小，这就说明部分炎性病变与恶性病变的D值可能会存在重叠，可以推测炎性病变的不同阶段肯定也会影响D值的大小。雷永霞等[11]则分析可能与其病例数少及感染性病变病种的选择等有关。总结部分学者的研究，发现各研究所用的机器型号均不尽相同，参数的设置也不一样，研究方法也不同，如所选b值的个数及值的大小均各有差异，感兴趣区的勾画也不一致。因此，本研究结果与部分学者的研究结果有所不同，并非单一因素所致，而是多方面因素共同作用的结果。为此，在今后研究中应该将对结果可能产生影响的可控因素尽量做到一致，这样得到的结果可重复性、可靠性才会更高。

D*值是灌注相关扩散系数，它反映的是病变的微循环灌注信息，可间接反映病灶中未成熟血管的增加及毛细血管的通透性。Luciani等[12]认为肝纤维化与D*值有重要关系，肝硬化会导致灌注减少，进而D*值减小。此与Wang等[6]和Deng等[10]研究得出D*值在鉴别肺癌与阻塞性肺不张以及肺癌与炎性病变中有重要意义一致，他们认为肺癌与炎性病变中的新生血管及毛细血管的通透性均不一致。但本组D*值在鉴别肺部良、恶性病变中差异没有统计学意义，与部分学者在肝脏的研究中类似[13-14]，认为D*的可重复性较差，标准差大，不能作为临床鉴别病变良、恶性的参数。笔者认为各文献病例数均较少，D*值的临床意义还需要大宗数据去证实。

f 值称为灌注分数，也是灌注相关参数。本组研究显示 f 值不能作为临床鉴别肺部良恶性的可靠指标。然而Deng等[10]及雷永霞等[11]研究则均得出肺癌的f值较肺部感染性病变小，认为f值与病变的血供、微循环灌注有关，感染性病变的毛细血管通透性高、未成熟新生血管网丰富，所以f值较肺癌高。但f值可重复性差、标准差大，因而，不同的研究者结果有所差异也在情理之中。

3.本研究的不足与展望

本研究样本量较小。本研究未将病灶的形态学、血流动力学纳入研究中。IVIM-DWI除了在鉴别肺部良、恶性病变外，在肺部的应用还有很多方面需要进一步探索，如IVIM-DWI在鉴别诊断肺门及纵隔转移性淋巴结与非转移性淋巴结、不同类型肺癌中的价值等。

4.总结

总的来说，IVIM-DWI单指数模型因为其独特的优势，可将组织单纯水分子扩散和微循环灌注分离。D值与ADC值一样可以用于肺部良、恶性病变的诊断与鉴别诊断，其诊断效能高于ADC值。

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The Value of Intravoxel Incoherent Motion Diffusion-weighted Imaging in Distinguishing Benign and Malignant Lung Lesions

HUANG Liang1, ZENG Chun-yi1, FANG Xiang-jun1, LIU Xiang2, ZHU Ren-yong1, HE Wei-hong1, DENG Cheng-jian1, FAN Kun1

Purpose:To study the value of intravoxel incoherent motion (IVIM) and apparent diffusion coeffcient (ADC) of MRI diffusion weighted imaging (DWI) in differentiating benign and malignant lung lesions.Methods:Forty-five patients with lung masses were included: 30 cases were malignant and 15 cases were benign. Patients were imaged with 3.0T MRI DWI using 10 b-values, which was 0, 10, 25, 50, 100, 200, 400, 600, 800, 1000s/mm2, respectively, and single b-value, which was 600s/mm2. Tissue diffusivity (D), pseudo-diffusion coeffcient (D*), and perfusion fraction (f) were calculated using bi-exponential model analysis. And ADC values were compared between benign and malignant lung lesions. Receiver operating characteristic (ROC) analysis was performed for all DWI parameters.Results:The ADC value was signifcantly higher for benign lesions than that for malignant lung lesions([1.748±0.329]×10-3mm2/s vs. [1.323±0.448]×10-3mm2/s； P=0.007). By IVIM, D value was signifcantly higher for benign lesions than that for malignant lung lesions ([1.328±0.295]×10-3mm2/s vs. [0.812±0.214]×10-3mm2/s； P=0.001). There was no difference in D* value and f value between benign and malignant lung lesions (P=0.427 and 0.301, respectively). D value showed comparable diagnostic performance with ADC in differentiating benign lung lesions from malignant lung lesions, with areas under the curve 0.930 and 0.805, sensitivity 0.944 and 0.889, and specifcity 0.750 and 0.667, respectively.Conclusion:The IVIM parameter D value can provide comparable diagnostic performance with ADC and could be used as a surrogate marker for differentiating benign and malignant lung lesions. The diagnosis effciency of the D value is higher than that of the ADC value.

Intravoxel incoherent motion； Diffusion magnetic resonance imaging； Lung benign lesion； Lung malignant lesion

R445.2

A

1006-5741（2016）-06-0505-06

2016.07.03;修回时间：2016.08.09)

中国医学计算机成像杂志，2016，22：505-510

1南华大学附属第二医院放射科

2南华大学附属第二医院胸外科

通信地址：湖南省衡阳市解放大道35号，衡阳421001

方向军（电子邮箱：fangxiangjun118@163.com）

衡阳市科技局科研基金（2015KJ53）

Chin Comput Med Imag，2016，22：505-510

1 Department of Radiology, The Second Affiliated Hospital, University of South China

2 Department of Thoracic Surgery, The Second Affiliated Hospital, University of South China

Address: 35 Jiefangda Rd., Hengyang 421001, P.R.C.

Address Correspondence to FANG Xiang-jun (E-mail: fangxiangjun118@163. com)

Foundation item: Foundation of Hengyang City Technology Bureau, No. 2015KJ53