多模型体素不相干运动成像对直肠癌的诊断价值

任继鹏，孟 楠，金兴兴，王雪佳，殷慧佳，刘旺毅，韩东明

（新乡医学院第一附属医院核磁共振科，河南 新乡 453100）

随着生活水平的提高，我国居民膳食结构呈现出多脂、多糖和少纤维化的趋势，这直接导致直肠癌发病率的增加及发病年龄的降低[1]。fMRI的应用使直肠癌的诊断不再局限于宏观领域的形态学特征变化，而是深入到微观领域的细胞、分子水平去反映病变特点。体素内不相干运动成像（intravoxel incoherent motion，IVIM）为fMRI的一种，它利用不同运动状态水分子在不同b值下衰减程度具备差异的原理，多角度反映病变的结构、成分及血供等情况。目前IVIM 拥有单指数、双指数[2]和拉伸指数[3]3 类模型，并已在肺脏[4]、乳腺[5]等部位恶性肿瘤的诊断、评估方面获得应用。本研究旨在探讨IVIM不同模型参数区分正常直肠组织与直肠癌组织的能力，同时分析不同参数间的相关性，力求为直肠癌的临床诊疗提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2017年7月至2018年5月于我院行MRI检查的原发直肠癌患者32例，男22例，女10例；年龄38～80岁，中位年龄56岁。纳入标准：①患者或家属知情同意；②扫描后7 d内行手术或穿刺等获得确切病理结果。排除标准：①扫描前接受相关治疗，如放、化疗等；②扫描序列欠完整或存在显著金属、运动等伪影。收集同期直肠正常者35例进行对照，男26例；女9例；年龄27～70岁，中位年龄50岁。纳入标准：①MRI显示直肠正常；②图像序列齐全且无明显伪影。

1.2 仪器与方法 应用3.0 T MRI扫描仪（GE Discovery MR750，USA）和16通道相控阵体线圈行盆腔扫描。检查前嘱患者排空肠道。扫描序列：常规轴、矢、冠状位 T1WI和压脂T2WI（FOV 36 cm×28 cm，层距2.0mm，层厚6.0mm），斜轴位（垂直于直肠长轴）小视野T2WI（FOV 22 cm×22 cm，层厚 4.0 mm，无间隔，无压脂）；IVIM 序列（SE-EPI，FOV 36 cm×28 cm，层距 1 mm，层厚 5 mm，b 值分别取 0、20、40、80、160、200、400、600、800、1 000 s/mm2，NEX 分别取 2、2、2、2、2、2、4、4、6、6）。

1.3 图像后处理 将IVIM原始图像上传至GE AW 4.6工作站，后处理采用Functool工具包中MADC软件进行。各参数值测量及阅片工作由1名副主任医师和1名高年资住院医师负责，出现争议时，通过讨论解决。测量参数包括：单指数模型中标准扩散系数（ADC-stand）、双指数模型中慢速扩散系数（ADC-slow）、快速扩散系数（ADC-fast）、灌注分数（f）值，以及拉伸指数模型中分布扩散系数（distributed diffusion coefficients，DDC）、拉伸因子（α）。

ROI选择：结合小视野T2WI、DWI图像手动选取ROI，在肿瘤实性部分勾画出3个面积约50 mm2的类圆形ROI，之后记录由软件自动生成的各个ROI的参数值，并取平均值作为该患者的参数值，最终结果取2位测量者的平均值。具体参考原则：①ROI应位于肿块显示最大层面或DWI明显高信号区域；②为避免容积效应干扰，ROI边缘应与病灶边缘留出一定距离；③病灶范围内明显的囊变、出血、坏死成分不应划入ROI范围之内；④对照组的ROI应放置于无或少肠管分泌物的直肠壁实性部分。

1.4 统计学方法 应用SPSS 23.0软件进行统计分析：各参数经P-P图验证，均符合正态分布，故使用独立样本t检验比较2组间各参数值差异；利用Pearson相关分析分析部分参数值之间的联系；利用ROC曲线评估不同参数的敏感度、特异度、诊断效能及其阈值，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

各类模型不同参数伪彩图见图1。直肠正常组的ADC-stand、ADC-slow、α和DDC值均高于直肠癌组（均 P＜0.05）；ADC-fast、f值在直肠正常组和直肠癌组间差异无统计学意义（均P＞0.05）（表1）。ADC-stand、ADC-slow、DDC及 α值诊断直肠癌的阈值、ROC曲线下面积、敏感度及特异度见表2，图2。在直肠正常组与直肠癌组中，ADC-slow值与ADC-stand值均呈明显正相关（r=0.835、0.765，均 P＜0.05）；DDC值与ADC-stand值亦呈明显正相关（r=0.725、0.706，均 P＜0.05）。

表1 2组单指数、双指数和拉伸指数DWI测量参数结果 （±s）

表1 2组单指数、双指数和拉伸指数DWI测量参数结果 （±s）

注：ADC-stand，标准扩散系数；ADC-fast，快速扩散系数；ADC-slow，慢速扩散系数；f，灌注分数；DDC，分布扩散系数；α，拉伸因子。

组别 ADC-stand值（×10-3mm2/s）ADC-fast值（×10-3mm2/s）ADC-slow值（×10-3mm2/s）f值（%）DDC值（×10-3mm2/s） α 值直肠癌组 1.09±0.13 8.65±3.00 0.67±0.21 0.29±0.08 0.89±0.16 0.66±0.08直肠正常组 1.45±0.23 7.79±2.13 1.17±0.33 0.33±0.15 1.15±0.39 0.78±0.09 t值 7.977 －1.363 7.545 3.615 3.465 5.994 P值 ＜0.05 ＞0.05 ＜0.05 ＞0.05 ＜0.05 ＜0.05

表2 单指数、双指数和拉伸指数DWI测量参数对直肠癌的诊断效能

3 讨论

单指数模型DWI是一种基于水分子运动呈高斯分布且组织信号随b值增加呈单指数函数衰减的理想模型，能够在一定程度上反映组织内水分子的扩散运动情况。恶性肿瘤细胞增殖较快，导致其细胞密度较高、细胞间隙较小，故水分子扩散运动受限[6]，在单指数模型IVIM图像上呈现出高信号和低数值的特点。本研究中，直肠癌组的信号强度普遍高于正常组、同时ADC-stand值普遍低于正常组（P＜0.05），这与上述观点及Zhang等[7]在卵巢肿瘤中的相关研究结果一致。然而，随着对生物组织内水分子运动方式研究的不断深入，人们逐渐发现由于组织血管化程度、细胞膜、细胞内外间隔等原因，生物组织中水分子的运动方式常呈现出非高斯分布的特点；同时，亦有研究[8-9]表明单指数模型ADC值的测量方法及ROI的选取方法均可能使病变的诊断产生误差，因此IVIM单指数模型对于疾病的诊断具有局限性。

IVIM双指数模型是利用多个b值进行拟合扫描的成像方式，具备分离组织真实扩散信息、微循环灌注信息的能力，其拟合公式为Sb/S0=fexp（-bADC-fast）+（1-f）exp（-bADC-slow）。 在实际应用中，双指数模型通过多个b值的拟合，可计算得出3个有价值的参数，分别是表示真实扩散信息的ADC-slow、表示微循环灌注信息的ADC-fast及表示灌注信息占全部扩散信息比例的f值。本研究显示，直肠癌组ADC-slow值明显低于直肠正常组（P＜0.05），推测其原因应与单指数模型原理一致，即直肠癌组织细胞密度较正常升高，细胞间隙缩小，因而水分子扩散运动受限，ADC-slow 值降低，这与 Woo 等[10]的研究结果一致。本研究对2组内ADC-slow和ADC-stand进行相关性分析，结果显示ADC-slow值均与ADC-stand值呈明显正相关（r=0.835、0.765，均 P＜0.05），这与Sun等[11]的研究结果一致，表明ADC-stand和ADC-slow虽均可用于反映水分子的扩散情况，但前者包含了一定成分的灌注信息，后者则更加单纯地反映组织内水分子扩散情况。双指数模型中的f、ADC-fast均是反映组织内血流灌注信息的参数，其值的大小主要由单位微血管密度和微血管内血液流速两方面原因共同作用。本研究中，2组f、ADC-fast值差异均无统计学意义（均 P＞ 0.05），这与 Gaing 等[12]的研究结果略有不同。推测原因如下：①直肠癌组织细胞密度大，组织间隙小，导致走行于组织间隙内的微血管受压，灌注水平降低。②多数直肠癌呈稍长、长T2信号，研究[13]表明，呈稍长、长 T2信号的组织会导致其本身ADC-fast值降低。③IVIM序列中，灌注信息的准确性与低于200 s/mm2的b值的个数密切相关[14]，本研究中低于200 s/mm2的b值仅5个。

IVIM拉伸指数模型不再将水分子运动方式分为若干不同区间，而是通过α和DDC对病变整体成分的复杂程度和水分子的大体运动情况进行定量分析。其中α代表体素内指数衰减的不均质性，取值范围0～1，α愈接近于1，组织异质性愈低，病变偏向于良性；相反，α愈接近于0，组织异质性愈高，病变偏向于恶性。本研究中，直肠癌组中α值显著低于直肠正常组，这与Liu等[15]的研究结果一致。分析原因，可能是由于恶性病变细胞异型性较大且增殖较快，易使自身出现缺血、坏死等改变，进而增加了组织异质性。DDC可反映水分子扩散情况，本研究中，直肠癌组DDC值显著低于直肠正常组（P＜0.05），这与单指数模型ADC-stand值相关结果类似。同时，本研究表明DDC与ADC-stand值存在明显正相关（正常组：r=0.725，P＜0.05；直肠癌组：r=0.706，P＜0.05），这说明两者在反映水分子的扩散运动方面具有类似意义。直肠癌组的DDC值与α值相关性分析则表明两者并无明显相关，这与彭雯佳等[16]的研究结果有所不同，分析原因，可能与样本量较少有关，今后将扩大样本量进一步研究。

本研究的局限性：①b值取值及数量的选择主观性较强，今后将进一步查阅文献进行优化。②例数较少，未进行直肠癌不同病理类型及不同分期病变各参数值对比讨论。③ROI的选择避开了囊变、坏死区域，人为降低了肿瘤组织的异质性，有可能会对α值的诊断效能产生影响。

综上所述，多模型IVIM成像能够多角度反映直肠癌组织的病变特征，并将其与直肠正常组织有效鉴别，故可作为一种无创、全面的评价手段应用于临床。

图1 女，72岁，低分化直肠腺癌（箭头） 图1a 斜轴位小视野无压脂T2WI，可见直肠壁不均匀增厚，邻近肌层受侵 图1b 斜轴位常规DWI（b=600 s/mm2），可见病变部呈高信号 图1c 标准扩散系数（ADC-stand）伪彩图可见病变部呈偏蓝色信号 图1d 慢速扩散系数（ADC-slow）伪彩图可见病变部呈绿、蓝色信号 图1e 快速扩散系数（ADC-fast）伪彩图可见病变部呈红、绿色信号 图1f 灌注分数（f）伪彩图可见病变部位呈红、黄色信号 图1g 分布扩散系数（DDC）伪彩图可见病变部位呈深蓝色信号 图1h 拉伸因子（α）伪彩图可见病变部呈绿、蓝色信号图2 不同模型参数ROC曲线