MRI化学位移成像和DWI评估肝癌病理分级的价值

原发性肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是人类常见的恶性肿瘤之一，其死亡率一直居高不下［1］。组织病理学分级是HCC预后的主要影响因素［2］，低分化HCC患者手术切除后复发率高，预后差于中、高分化HCC患者。因此，术前评估HCC的组织学分级非常重要。目前组织活检是HCC病理分级的“金标准”，但是这项侵入性操作不良作用较多［3］。既往MRI对HCC的诊断主要集中于形态学的改变，根据肿块T2WI高信号、DWI高信号、假包膜征、“快进快出”的强化方式等影像特征，能较易区分肿瘤与非瘤结节，但尚不能准确推断肿瘤的病理分化程度。功能MRI成像如3D-Dixon、扩散加权成像和弹性成像［4］可以对肿瘤代谢物质、组织结构、细胞密度等进行定量分析。本文旨在探讨3D-Dixon成像和DWI在术前评估HCC病理分级的价值。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究为回顾性资料分析，2016年1月至2017年12月南昌大学第二附属医院符合以下标准的患者纳入研究。纳入标准［5］：1）术前MRI扫描序列完整；2）MRI检查后2周内行穿刺活检或手术切除病理确诊为HCC。排除标准：1）既往行射频消融、TACE、放化疗等治疗；既往有高脂血症病史；2）肝脏合并有其他肿瘤；3）同相位图像病灶信号较反相位低的病灶（可能为铁沉积导致）。共109例患者纳入研究，其中男性87例，女性22例；年龄为26～79岁，中位年龄55岁。病理学分级：高分化16例，中分化69例，低分化24例。

1.2 方法

1.2.1 MRI检查方法 采用美国GE Signa 3.0T超导型MR仪，8通道体线圈。横轴位T2WI脂肪抑制序列：TR 6316 ms，TE 89.3 ms，层厚5.0 mm，层间距1 mm；横轴位Dixon成像，层厚5 mm，层间距1 mm；TR 5.6 ms，其中同相位TE 2.7 ms，反相位TE 1.3 ms。DWI采用单次激发SE-EPI序列，b值（扩散梯度因子）取0和800 s/mm2，TR 4 000 ms，TE 56.6 ms，FOV 38 cm×34 cm，层厚5 mm，间隔1 mm，矩阵128×128，采集次数2次。动态增强扫描采用肝脏三维容积内插快速扰相梯度回波（Liver Acquisition with Volume Acceleration，LAVA）序列，TR 2.6 ms，TE 1.3 ms，层厚5 mm。对比剂采用钆喷酸葡胺（gadopentetate dimeglumine，Gd-DTPA，德国拜耳公司），注射流率2 mL/s，剂量0.1 mmoL/kg，行动脉期、门脉期和延迟期扫描。

1.2.2 MRI图像分析 瘤内实性成分脂肪分数的计算：由两名具有5年工作经验的影像医师在GE AW4.6工作站上完成相关值的测量（图1），且对患者的病理结果均不知情。于同相位、反相位图像相同层面相对应位置手动画出圆形兴趣区（region of interest，ROI），根据肿瘤体积大小决定ROI数量，记录信号强度（signal intensity，SI），ROI大小为40～70 mm2。

ROI放置原则：1）放置在病灶实性部分；2）尽量避开坏死、出血、囊变区及瘤内脉管；3）离肿瘤边缘至少5 mm。

脂肪分数采用公式（1）计算得出：FF=（SIip-SIop）/2*SIip（1）。其中SIip、SIop分别为同、反相位图像上ROI平均信号强度。

最小表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）值的测量：采用Function 2.0软件包获得肿瘤的ADC图。参照T1WI、T2WI及增强图像，在ADC图上肿瘤病灶每一层面均放置数个ROI。对所有ROI进行统计分析，获得最小ADC值。ROI放置原则同上。

1.3 统计学分析

采用SPSS 20软件进行统计学分析。先对各参数行Kolmogorov-Smirnov正态性检验，符合正态分布的数据以x±s表示，不符合正态分布的数据用中位数（M）表示。采用Kruskal-WallisH检验或ANOVA法比较组间差异，两两比较采用Mann-WhitneyU检验或LSD法。相关分析采用Spearman法或Pearson法。采用ROC曲线评价病灶脂肪分数、最小ADC值区分不同病理分级的效能。P＜0.05为差异具有统计学意义。

图1 42岁女性中分化HCC患者MRI图像。图示病灶位于肝脏右前叶，呈类圆形，大小约3.5 cm×3.2 cm，边界尚清晰，同相位图瘤灶内可见片状稍高信号，反相位信号较同相位明显减低，实性成分脂肪分数为10.08%。DWI呈不均匀混杂高信号，ADC图示肿瘤ADC值较正常肝实质明显降低，最小ADC值为0.419×10-3mm2/s

2 结果

2.1 HCC瘤内脂肪分数、最小ADC值与病理分级的相关性

低、中、高分化HCC肿瘤实性部分脂肪分数分别为10.41%、8.06%、4.67%（P＜0.01，表1）。随着HCC分化程度的降低，肿瘤实性成分的脂肪分数逐渐增高。脂肪分数与病理分级呈正相关（r=0.566，P＜0.01，表2）。另外，中分化组中5例脂肪分数值明显高于其他病灶，病理均为富脂质型肝癌（图2）。

低、中、高分化HCC肿瘤实性部分最小ADC值分别为0.318×10-3mm2/s、0.449×10-3mm2/s、0.605×10-3mm2/s。随着HCC分化程度的降低，肿瘤实性成分的最小ADC值逐渐降低。最小ADC值与病理分级呈负相关（r=-0.674，P＜0.01）。脂肪分数与最小ADC值相关性：r=-0.661（P＜0.01，表2）。

表1 不同病理分级HCC的脂肪分数、最小ADC值的测量结果

表2 脂肪分数、最小ADC值、病理分级间相关性

图2 不同病理分级组的脂肪分数箱式图

2.2 脂肪分数、最小ADC值鉴别不同病理分级HCC的ROC分析

高分化与中分化组，中分化与低分化组的脂肪分数、最小ADC值诊断鉴别临界值见表3。不同病理分级HCC的脂肪分数、最小ADC值鉴别的ROC曲线见图3，4。

表3 脂肪分数及最小ADC值鉴别不同病理分化组的效能

图3 脂肪分数鉴别不同病理分化HCC的ROC曲线

图4 最小ADC值鉴别不同病理分化组HCC的ROC曲线

3 讨论

肝癌瘤内脂肪的存在于光学显微镜下检出率达19.6%，在MRI反相位达10%［6］。MRI是目前无创性检测体内代谢产物浓度的“金标准”，能用于许多组织代谢物的定量检测，包括N-乙酰门冬氨酸、胆碱、脂质，然而MRI扫描时间相对较长，易受呼吸运动影响，因此有必要寻找一种既能准确定量脂肪，又能提高成像速度的检查方法。Dixon成像、MRI在肝脏脂肪定量中与病理结果相一致，且Dixon与MRI所测脂肪分数具有高相关性［7］。3D-Dixon技术具有成像简单、成像时间短、重复性可靠的优势，一次扫描可以获取四幅图像：同相位、反相位、水相、脂肪相［8］。通过同反相位图上肿瘤实质部分信号差异，定量分析瘤内脂质含量。因此，3D-Dixon用于HCC瘤内脂质测定具有可行性。

肿瘤细胞的脂质合成与其所处微环境密切相关，微环境的改变可导致基因表达的异常，继而引起物质代谢的变化。Kutami等［6］提出循环障碍或低灌注理论，认为HCC早期供血来自门静脉，随着肿瘤的生长，门脉血供逐渐减少，而肝动脉血供增加成为主导。其后续研究中发现在此过度期肿瘤内部处于缺氧和缺糖的代谢应激状态，肿瘤细胞通过“Warburg效应”提高葡萄糖摄取率，增强糖酵解途径，以满足肿瘤快速生长的物质和能量需求。与此同时，这种效应也为脂质合成提供了充足的底物，并最终合成甘油三酯贮存于胞内的脂滴中。而MRI检测到的脂质信号主要来自聚集在中性脂滴中的脂质，而并非细胞膜磷脂双分子层中的脂质［9-10］，所以MRI技术所测的脂肪分数可间接代表肿瘤发生“Warburg效应”的程度。随着HCC的恶性程度增加，肿瘤细胞增殖加快，组织缺氧、缺糖情况更甚，脂质合成相关酶的表达上调［11］，导致脂质含量升高。本研究中HCC瘤内脂肪分数随着病理分级增加而增高，与上述研究相吻合。

DWI可在细胞分子水平测量水分子的运动，定量分析组织结构和成分，弥补了常规MRI只能提供形态学和血流动力学信息的缺点。工作中用表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）代表分子弥散的能力。在生物组织中，水分子弥散是指水分子进出细胞和血管的运动，水分子的弥散能力越强，其ADC值越大，反之ADC值越小［12］。以往研究多用平均ADC值反映HCC肿瘤内水分子弥散情况。而肿瘤常具有不均质性，体积较大或病理分化程度较低者表现更明显；肿瘤内部出血、坏死、钙化、脂变的出现亦会影响测定结果［13］。所以，肿瘤平均ADC值不能完全反映肿瘤的细胞结构、细胞密度等特征，基于肿瘤平均ADC的病理分级评估会产生偏差。Lewis等［14］、Li等［15］研究均发现最小ADC值在体现肿瘤组织内部病理分化程度、反映不同病理级别间肿瘤分化的差异方面具有更高的价值。有研究［16-17］报道，在脑胶质瘤、乳腺癌等研究中，肿瘤病理分级与最小ADC值呈明显负相关关系，最小ADC值体现了肿块中恶性度最高、增殖最明显的组织细胞。本研究中，最小ADC值随着HCC病理组织学分级的增加呈下降趋势，与Moriya等［18］研究相一致。主要有以下原因：1）HCC病变的细胞结构是影响水分分子扩散的关键因素。随着组织学分级增高，肿瘤细胞增殖更快，细胞密度更大，因此病灶细胞膜结构增多，细胞外空间减小，导致水分子扩散限制，即DWI图上信号强度更高，ADC值更低。2）ADC值受细胞核质比影响。Edmondson-Steine系统根据细胞异型性，细胞有丝分裂和核质比情况确定肝癌组织学分级。组织学分级越高代表有丝分裂越明显、核质比越高，导致HCC细胞内空间减少，水分子扩散受到更明显的限制，进而导致DWI上信号更高且ADC值更低。

本研究显示3D-Dixon与DWI在评估HCC病理分级时，最小ADC值的诊断效能略高于脂肪分数。脂质是影响ADC值的重要因素之一，瘤内脂质成分以脂滴的形式存在于胞质中，胞内弥散空间减小，水分子扩散运动受限；而水分子扩散运动还受细胞膜完整性、胞内其他大分子物质的影响。肿瘤病理分级依赖于细胞异质性和结构异质性，瘤内脂质定量反映了肿瘤细胞物质代谢水平与病理学观察指标尚有差异，而最小ADC值通过检测水分子扩散运动，能够间接反映肿瘤组织微观结构、细胞密度，这可能是脂肪分数的诊断效能低于最小ADC值的原因之一。另外，本研究中分化组5例高脂肪分数病例，显微镜下示脂肪变显著，病理结果为富脂质型HCC。有研究认为肿瘤实性成分中脂滴数目与细胞密度呈正比，富脂病灶的组织细胞密度较高，病理却均为中分化。因此，可以推断HCC分化程度减低，病灶的ADC值降低，主要与肿瘤细胞的核质比增加即细胞异型性所造成的水分子扩散能力受限有关，而与肿瘤内脂质增多、细胞密度增高关系较小。因此，在实际评估HCC病理等级时，特别是对于富脂病灶，应结合最小ADC综合分析。

本研究不足之处为对于较小的病灶信号值测量，可能存在部分容积效应的影响，从而影响脂肪分数及ADC值的准确性；本研究中DWI序列b值为800 s/mm2，还需论证高b值DWI成像在评估HCC肿瘤病理分级中的价值。

综上所述，基于化学位移效应的3D-Dixon成像可用于HCC脂质定量研究。随着肿瘤病理分化的减低，肿瘤实性成分含脂量增加。3D-Dixon成像对HCC病理分级评估具有重要价值。DWI序列可作为HCC术前的必要检查，最小ADC值与其病理分级有明显相关性；最小ADC值可作为评估HCC病理分级较好的生物学指标。