拉伸指数模型不相干运动成像定量参数在鼻咽癌与鼻咽炎性增生疾病鉴别诊断的价值

卢贤忠,孟志华,孙俊旗,黄钟情,万志方

(1汕头大学医学院附属粤北人民医院影像科,韶关 512026; 2汕头大学医学院; *通讯作者,E-mail:zhihua_meng@163.com)



拉伸指数模型不相干运动成像定量参数在鼻咽癌与鼻咽炎性增生疾病鉴别诊断的价值

卢贤忠1,2,孟志华1*,孙俊旗1,黄钟情1,万志方1

(1汕头大学医学院附属粤北人民医院影像科,韶关 512026;2汕头大学医学院;*通讯作者,E-mail:zhihua_meng@163.com)

目的 探讨拉伸指数模型不相干运动成像(IVIM)定量参数在鼻咽癌与鼻咽炎症鉴别诊断的价值。 方法 选择2015-10～2016-06期间临床怀疑鼻咽癌患者80例。患者均行MRI检查,不相干运动弥散加权成像(IVIM DWI)扫描采用13个b值(0,10,20,30,50,80,100,150,200,300,400,600,800 s/mm2)。患者MR检查后均在1周内行鼻咽部活检;根据不同病理结果分为2组:鼻咽癌(NPC)组和鼻咽炎症(NPH)组。通过Function tool AW4.6后处理软件,勾画病灶感兴趣区(region of interest,ROI),测量DDC值和Alpha值。使用SPSS19.0统计软件,应用独立样本t检验法及两个独立样本非参数检验法分别比较两组间DDC值和α值有无统计学差异。然后分别绘制两组DDC值和α值的ROC曲线,计算曲线下面积,确定阈值及诊断效能。 结果 鼻咽癌组35例,鼻咽炎症组30例入组。鼻咽癌组和鼻咽炎症组DDC值分别为(0.88±0.29)×10-3mm/s和(1.0±0.5)×10-3mm/s,两者差异有统计学意义(t=2.380,P<0.05);两组Alpha值分别为0.75±0.08和0.79±0.1,差异无统计学意义(U=1.585,P>0.05)。DDC值ROC曲线显示DDC值曲线下面积为0.732,最佳诊断阈值为1.02×10-3mm/s,敏感度和特异度分别为0.533和0.867。 结论 拉伸指数模型不相干运动成像定量化诊断鼻咽癌与鼻咽炎症疾病,体现肿瘤异质性信息,表明DDC值是鼻咽癌的独立预测因素,在肿瘤定性评估中具有良好的应用前景。

拉伸指数模型; 鼻咽癌; 鼻咽炎性增生性疾病; 鉴别诊断

鼻咽癌好发于我国南方及东南亚地区,尤其广东地区[1]。该病早期症状较隐蔽,而且部分症状与鼻咽部慢性炎症类似[2]。MRI已经被广泛应用于鼻咽部病变的检查中。由于鼻咽部良恶性病变的MRI征象有部分重叠,因此常规MRI序列包括增强扫描在鼻咽癌和鼻咽炎的鉴别诊断中均有一定的局限性。因此,基于拉伸指数模型的扩散加权成像通过参数α(扩散异质性指数)和DDC(扩散分布指数)两个参数[3-5],反映肿瘤的异质性变化特征,本文旨在探讨拉伸指数模型技术在鼻咽部应用的可行性并评价其价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

前瞻性研究分析2015-10～2016-06期间,在汕头大学附属粤北人民医院临床怀疑鼻咽癌患者80例。所有纳入病例进行MRI检查,检查后1周内鼻咽镜活检及病理检查,最后入组65例。根据病理结果分两组:鼻咽癌组与鼻咽炎症组。MRI检查完成后,对图像进行初步判读,主要纳入标准为:患者新诊断的,组织学证实的鼻咽癌或鼻咽炎症病变。主要排除标准包括:① 在诊断前任何接受过治疗的病例;② 合并其他头颈部疾病或其他肿瘤。

1.2 方法

1.2.1 仪器与方法 采用GE1.5T Signa HDxt MR 扫描仪,采用16通道头颈一体化线圈,患者采用仰卧位。对受检者均行5种序列扫描:① 轴位T1加权自旋回波序列(TSE):TR 454 ms,TE 9.2 ms,FOV 230 mm×230 mm,矩阵 672×672,层数 32,层厚 3 mm,层间距 0.3 mm;② 轴位T2加权成像短T1反转恢复:TR 4 644 ms,TE 60 ms,FOV 230 mm×230 mm,矩阵 672×672,层数 32,层厚 3 mm,层间距 0.3 mm;③ 冠状面T2加权抑脂:TR 4 644 ms,TE 60 ms,FOV 230 mm×230 mm,矩阵 672×672,层数 32,层厚 3 mm,层间距 0.3 mm;④ 3D T1加权梯度回波成像增强扫描:TR 4.8 ms,TE 2.4 ms,反转角度 10°,FOV 230 mm×230 mm,矩阵 672×672,层数 319,层厚 0.72 mm;⑤ 在完成DWI MR 序列扫描后,静脉注射造影剂,进行增强扫描序列扫描(剂量0.1 mmol/kg,流速1.5 ml/s)。

1.2.2 多b值MRI弥散序列 多b值弥散成像是利用单次激发自旋回波成像序列,参数如下:TR 7 996 ms;TE 43 ms;FOV,230×230 mm;矩阵 672×672;层数 32;层厚 3 mm;层间距 0.3 mm;一共有13个b值,分别是0,10,20,30,50,80,100,150,200,300,400,600,800 s/mm2。扫描时间约为5 min 30 s。

1.3 图像分析

1.3.1 拉伸指数模型 拉伸指数模型MRI弥散加权成像可以衍生出两个参数:扩散异质性指数α和扩散分布系数(DDC)[3,4],计算公式如下:

扩散异质性指数α和体素内水分子的扩散不均质性有关,变化范围是0-1,α值越高也就是越接近1代表组织的体素内水分子的扩散不均质性越低,也就是越接近单指数信号衰减。反之,α值越低代表组织的体素内水分子的扩散不均质性越高。扩散分布系数(DDC)代表体素内平均扩散速率,DDC值越高,表明体素内平均扩散速率增加,即ADC值的连续性分布增加。

1.3.2 图像分析 将采集图像传至ADW4.6工作站,用Function tool软件对采集到的多b值DWI序列原始数据进行后处理,得到DDC图和α图,手工放置ROI于病灶区域,分别计算来自拉伸指数模型的DDC值和α值;放置ROI时,尽量避开肉眼可见的囊变、坏死、钙化区,ROI应该≥12 mm2,根据病灶大小适当调节,测量3次,取平均值。

1.4 统计学分析

拉伸指数模型的参数值DDC值与α值的统计使用SPSS19.0统计软件,应用独立样本t检验法及两个独立样本非参数检验法分别比较两组间DDC值和α值有无统计学差异,绘制ROC曲线,计算曲线下面积,确定阈值及诊断效能。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 一般情况

80例完成MRI检查病例共65例入组(鼻咽癌组35例,鼻咽炎组30例),8例是由于颅骨骨质及含气空腔或假牙所致磁敏感伪影太重,图像变形严重,未纳入统计分析;5例病理活检为其他头颈部肿瘤,未纳入统计分析;其余2例患者病理活检为正常鼻咽黏膜,未纳入统计分析。

2.2 两组DDC值和α值比较

DDC值鼻咽癌组为(0.88±0.29)×10-3mm/s,鼻咽炎组为(1.0±0.5)×10-3mm/s(见表1),鼻咽癌组DDC值低于鼻咽炎症组,两者差异有统计学意义(t=2.380,P<0.05);α值鼻咽癌组为0.75±0.08,鼻咽炎症组为0.79±0.1,两组差异没有统计学意义(U=1.585,P>0.05)。

表1 鼻咽癌组和鼻咽炎症组的DDC值和α值

Table 1 The DDC and α value between NPC group and NPH group

分组nDDC值(×10-3mm/s)α值鼻咽癌35088±029075±008鼻咽炎症30100±050079±01 t/U23801585P<005 >005

2.3 诊断效能

DDC值的ROC曲线,曲线下面积为0.708,根据敏感度与特异度最大值选定最佳诊断阈值,鉴别鼻咽癌和鼻咽炎症疾病的DDC值最佳诊断阈值为1.02×10-3mm/s,此阈值上,敏感度为0.533和特异度为0.867,即DDC>1.02×10-3mm/s则为鼻咽炎症可能性大,反之亦然。

2.4 典型病例MRI影像表现及DWI、DDC及α特点

2.4.1 病变的MRI信号强化特点 鼻咽癌25例信号较均匀,增强后明显强化(典型病例见图1A,鼻咽癌患者双侧壁明显增厚,T1WI增强扫描呈明显均匀强化,左侧壁较右侧壁明显);10例信号欠均匀,增强后可见为强化坏死区。鼻咽炎症组28例信号较均匀,增强后明显强化(典型病例见图2A,鼻咽炎症患者双侧壁及顶壁明显增厚,增强扫描呈均匀明显强化);2例信号欠均匀,增强后强化程度不明显。

2.4.2 病变DWI图、DDC及α参数图信号特点 鼻咽癌组32例在DWI图像上基本表现为弥散受限的高或稍高信号(典型病例见图1B,鼻咽癌患者DWI信号呈明显受限的高或稍高信号),3例呈等信号。鼻咽炎症组25例在DWI图像上基本表现为弥散受限的高或稍高信号(典型病例见图2B,鼻咽炎症患者DWI图像上呈现弥散受限的高信号),3例呈等信号,2例呈稍低信号。鼻咽癌组在DDC参数图上,病灶区域基本局限在呈浅蓝或深蓝区域的浅色区域,其DDC值(0.88±0.29)×10-3mm/s,相对较低(见图1C);鼻咽炎症组在DDC参数图上,病灶区域基本呈现深绿或浅绿区域,局部病灶稍带点深蓝,其DDC值(1.0±0.5)×10-3mm/s,相对较高(见图2C)。鼻咽癌和鼻咽炎症两组α参数图,病灶区域颜色基本多呈现深蓝或浅蓝,特异度不大(见图1D及图2D)。

A.T1WI增强图像 B.DWI图 C.DDC参数图 D.α参数图鼻咽癌患者,女,45岁。鼻咽双侧壁软组织肿块,增强后明显强化,DWI图呈较明显高信号,病理证实为鼻咽癌病人的DDC值为0.000 818 mm/s,α值为0.716图1 某鼻咽癌患者T1WI增强图像,DWI图,DDC参数图,α参数图的信号特点Figure 1 The signal characteristics of contrast-enhanced T1-weighed,DWI,DDC map and α map of a nasopharyngeal carcinoma patient

3 讨论

3.1 拉伸指数模型的进展及应用

3.1.1 DWI、IVIM及拉伸指数模型之间关系 在肿瘤的生物学行为评价和特征上,DWI成像通过利用水分子的扩散特点获得了一定的成果,已经展现了一些有意义的研究,特别是在头颈部肿瘤,尤其是鼻咽癌这一方面。

传统的MRI DWI技术基于单指数模型计算得出ADC值,用于反映活体组织中水分子的扩散,在一定程度上可以从分子水平评价疾病的病理生理过程。但是该模型忽略了组织中血液微循环灌注和肿瘤异质性对ADC值的影响;不相干运动弥散加权成像(IVIM DWI)采用双指数模型更精确地通过不同的定量参数分别评价组织的扩散系数及组织微血管灌注,该模型可以用低b值MR DWI将扩散与灌注分离;而拉伸指数模型则是不同的扩散模型被设计用来应对复杂的非高斯扩散使其更好地解释生物组织的行为,进而提供病人肿瘤其他方面的有关信息[6-8]。

A.T1WI增强图像 B.DWI图 C.DDC参数图 D.α参数图慢性增生性炎症患者,男,32岁。鼻咽双侧壁及顶壁明显增厚,增强后强化明显,DWI图呈稍高信号,病理证实为鼻咽癌病人的DDC值为0.001 34 mm/s,α值为0.769图2 某鼻咽炎症患者T1WI增强图像,DWI图,DDC参数图,α参数图的信号特点Figure 2 The signal characteristics of contrast-enhanced T1-weighed,DWI,DDC map and α map of a nasopharyngeal hyperplasia patient

IVIM DWI弥散成像已经被证明对鼻咽癌功能评估及鼻咽癌特征的反应是有一定作用的,提供了一种带有纯扩散和灌注信息的工具。拉伸指数模型则是另外一种方法,它同时提供了肿瘤组织的异质性和扩散的有关信息[9]。相比于之前的单指数扩散模型和双指数扩散模型,拉伸指数模型更为可靠。

3.1.2 拉伸指数模型在有关临床研究中的应用 现在已经在脑肿瘤[10]及前列腺肿瘤[11]的研究运用中获得了一定的成功。特别地,Kwee等[12]在利用拉伸指数模型研究胶质瘤的过程中发现,高级别的胶质瘤的α值显著低于正常的脑组织结构,这提示了拉伸指数对肿瘤组织学异质性评价具有一定的作用,并且对于应用于肿瘤的分级也有一定的潜力。国外学者Lai等[13]利用拉伸指数模型鉴别不同肿瘤分期的鼻咽癌,发现肿瘤等级越高,DDC值随之越高,而α则恰好与肿瘤分级成负相关,研究结果恰好与前面Kwee等[12]的研究相一致,从而说明较高级别的肿瘤由于肿瘤或者组织学的异质性越高,细胞的多形性程度越高,使得高级别肿瘤的α接近于0,代表的扩散不均质性越高。另外在有关乳腺癌的研究当中,拉伸指数模型可以更好地识别乳腺病灶和乳腺腺体正常组织,DDC在研究中较ADC表现出更高的特异性和敏感性[14]。由于鼻炎癌与鼻咽炎性疾病两者之间的治疗方法截然不同,放疗是鼻咽癌的经典治疗方案,单纯放疗效果不佳者才采取综合治疗,鼻咽炎性疾病则进行一般的抗炎治疗即可得到较大缓解,因此利用影像学相关手段鉴别鼻咽癌和鼻咽炎性疾病意义重大。

然而,这种拉伸指数弥散模型在头颈部肿瘤的研究中并没有受到过多的关注,目前国内尚且未见有关拉伸指数在鼻咽癌方面的研究。

3.2 本次研究意义

本研究表明,利用拉伸指数模型可以有效地评估鼻咽癌及鼻咽炎性增生性疾病。拉伸指数模型提供了扩散异质性指数α和扩散分布指数DDC,α反应的是组织的信号衰减与单指数信号衰减特征之间的差异。DDC反映的是体素内ADC值连续分布情况[10]。

本研究将鼻咽癌和鼻咽炎症分组并进行组间比较,结果显示在鼻咽癌组中DDC值显著低于鼻咽炎症组,有研究表明DDC值与双指数模型产生的参数ADCslow值(真实扩散系数)有很强的相关性,并且由张水兴等[15]的研究中,我们了解到鼻咽癌组的ADCslow值显著低于鼻咽症组,鼻咽癌在弥散图像上呈现的是高信号的表现,所以ADC值较低,而DDC值与ADCslow相关,有可能正是这个原因导致鼻咽癌组的DDC值显著低于鼻咽炎症组;α值在两组间的差异并没有明显统计学意义。

本研究显示,DDC值可能是鉴别鼻咽癌与鼻咽炎症的一个可靠的独立预测因子,ROC曲线分析表明,鉴别鼻咽癌和鼻咽炎症的最佳诊断阈值为1.02×10-3,在该阈值时,鼻咽癌诊断的敏感度和特异度分别为0.533和0.867。但Liu等[11]认为前列腺癌DDC、α值均显著低于正常的前列腺组织,并且DDC值与ADC值呈现明显的相关性。

拉伸指数模型的研究需要使用较高的b值,但是较高的值可能会导致SNR(信噪比)受损,而且本研究的鼻咽部病例病灶处于气颅交界处,高b值很容易导致较差的信噪比,进而会使较小的病灶由于信噪比的不足而被排除在外,从而导致数据的偏倚[13];经查阅有关文献,拉伸指数模型一般的b值在200-1 000 s/mm2范围内选取4-5个就可以得出其DDC及α这两个参数,所以在选取b值方面,我们在200-1 000 s/m2间选取了其中的5个b值。我们这个研究是和双指数模型一起做的,该模型可以利用低b值将扩散与灌注分离,所以低b值的数目会比高b值稍多。另外本次研究纳入的病例数量较少,今后较大的样本容量的研究有助于巩固本研究结果。尽管存在这些不足,本研究依然揭示了拉伸指数模型有可能作为区分或评价鼻咽癌和鼻咽炎性疾病的一种方法。

综上所述,拉伸指数模型产生的扩散分布指数DDC有可能成为对鼻咽癌进行独立评估的一个因素,并且无需引入对比剂,容易操作,在鼻咽癌诊断及之后疗效评估的应用具有良好的应用前景。

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Value of quantitative parameters based on stretch exponential diffusion model of the diffusion weighted image in the differential diagnosis of nasopharyngeal carcinoma and nasopharyngeal hyperplasia disease

LU Xianzhong1,2,MENG Zhihua1*,SUN Junqi1,HUANG Zhongqing1,WAN Zhifang1

(1DepartmentofRadiology,AffiliatedYubeiPeople’sHospital,MedicalCollegeofShantouUniversity,Shaoguan512026,China;2MedicalCollegeofShantouUniversity;*Correspondingauthor,E-mail:zhihua_meng@163.com)

ObjectiveTo explore the value of the quantitative parameters based on stretch exponential diffusion model of the diffusion weighted image in the differential diagnosis of nasopharyngeal carcinoma and nasopharyngeal hyperplasia.MethodsFrom October 2015 to June 2016,80 consecutive patients with suspected NPC were examined on a 1.5 T MR scanner.IVIM DWI was performed using a single-shot echo-planar sequence with differentb-values (0,10,20,30,50,80,100,150,200,300,400,600,800 s/mm2).MR imaging was compared with endoscopy and biopsy for the detection of NPC.The subsequent nasopharyngeal biopsy was performed in 1 week after MRI examination.The subjects were divided into 2 groups according to the pathological results:nasopharyngeal carcinoma group and nasopharyngeal hyperplasia group.Through the AW4.6 Functiontool post-processing software,the ROI was outlined and DDC and α values were measured.Using the SPSS 19.0 statistical software,independent samplesttest and two independent samples nonparametric test were used to compare the DDC value and the α value between the two groups.The ROC curve was drawn to calculate the area under the curve and determine the threshold value and diagnostic efficiency.ResultsIVIM DWI was successful in 35 patients with nasopharyngeal carcinoma and 30 patients with nasopharyngeal hyperplasia.DDC value was significantly lower in nasopharyngeal carcinoma group than in nasopharyngeal hyperplasia group[(0.88±0.29)×10-3mm/s vs(1.0±0.5)×10-3mm/s,t=2.380,P<0.05].However,α value was 0.75±0.08 in nasopharyngeal carcinoma group and 0.79±0.1 in nasopharyngeal hyperplasia group(U=1.585,P>0.05).DDC ROC curves showed that the area under the DDC curve was 0.732,the best diagnostic threshold was 1.02×10-3mm/s,and the sensitivity and specificity were 0.533 and 0.867.ConclusionThe stretched model of incoherent motion imaging may quantitatively diagnose nasopharyngeal hyperplasia and nasopharyngeal carcinoma and reflect the heterogeneity of tumor,which suggests that DDC is an independent prognostic factor of nasopharyngeal carcinoma.Key words: stretch exponential diffusion model; nasopharyngeal carcinoma; nasopharyngeal hyperplasia disease; differential diagnosis

卢贤忠,男,1990-08生,在读硕士,E-mail:494972804@qq.com

2017-02-22

R739.6

A

1007-6611(2017)06-0627-05

10.13753/j.issn.1007-6611.2017.06.026