肺腺癌DCE-MRI渗透性参数的定量分析：自由呼吸法和屏气法对照研究

焦志云， 胡春洪， 杜芳， 何玲， 王亚丽， 顾秀婷， 刘静， 武江芬，段绍峰

动态对比增强磁共振成像(DCE-MRI)可在活体内无创性定量检测血管的功能信息，对病灶的检出、诊断和鉴别诊断具有重要价值[1]。DCE-MRI在体部受呼吸运动影响较小的多个部位已得到广泛应用[2-3]。由于呼吸及心跳运动伪影等诸多因素的影响，其在肺部的应用较少。临床检查工作中，常采用屏气的方法来减少呼吸运动伪影，而其对于老年肺气肿患者、体质虚弱或重症患者并不适用，随着3D非刚性配准技术的发展，自由呼吸状态下动态对比增强MRI在肺部疾病方面的应用已成为可能[4]，但这种方法测量的肺部病灶渗透性参数的准确性目前尚未明确。本研究中通过对肺癌患者分别在自由呼吸和屏气状态下行DCE-MRI检查，对比分析两种方法测量的肺癌渗透性参数值，旨在探讨和优化肺部DCE-MRI的临床检查方案。

材料与方法

1.临床资料

将2015年10月-2018年11月本院41例经病理证实的肺腺癌(最短径2～4cm)患者纳入研究。其中男13例、女28例，年龄39～77岁，平均(59.5±9.4)岁。26例(A组)采用自由呼吸法行术前DCE-MRI检查，15例(B组)采用屏气法行术前DCE-MRI检查。本研究方案经本院医学伦理委员会批准，所有患者签署了知情同意书。

2.MRI检查方法

使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振扫描仪和8通道相控阵表面线圈。患者取仰卧位，扫描范围自肺尖至肺底，线圈上缘对准肩胛骨上缘，在不影响患者呼吸的前提下尽量收紧腹带使线圈与前胸壁紧贴，检查前训练患者规律呼吸和屏气。常规MRI序列主要采用呼吸门控脂肪抑制结合螺旋桨技术(Propeller)行横轴面FSE T2WI：TR 6600 ms，TE 73 ms，层厚5 mm，层间距1 mm，视野40 cm×40 cm。屏气法DCE-MRI：于呼气末屏气扫描，采用三维容积内插法快速扰相梯度回波序列行肝脏快速容积采集 (liver acquisition with volume acceleration，LAVA)横轴面T1WI，TR 3.7 ms，TE 1.7 ms，层厚5 mm，层间距1 mm，视野40 cm×40 cm，采用5组翻转角(3°、6°、9°、12°、15°)，每组扫描20层、扫描时间7 s，总扫描时间35 s。随后在病灶处进行同层动态增强描：采用横轴面LAVA序列进行快速容积采集，TR 3.7 ms，TE 1.7 ms，层厚5 mm，层间距1 mm，视野40 cm×40 cm，翻转角15°，在注射对比剂前先采集1～2期平扫图像，注射对比剂的同时继续进行无间隔重复扫描，采用呼气末屏气，一次屏气采集2期，总计重复扫描20期。自由呼吸DCE-MRI：采集过程中患者尽量保持规律的自由呼吸，在病灶处进行同层动态增强扫描，共扫描40期，扫描参数同上述Ax LAVA序列。两组中对比剂均使用钆双胺注射液，剂量0.1 mmol/kg，注射流率3 mL/s，随后以相同流率注入0.9%生理盐水20 mL。

3.图像处理及数据分析

由具有多年胸部影像诊断经验的一位高年资主治医师和一位副主任医师采用双盲法分别对图像进行分析和数据测量。使用GE Omni-Kinetics后处理软件对DCE-MRI数据进行分析。首先，对自由呼吸法动态增强图像进行3D非刚性运动校正(3D non-rigid registration)；随后，将屏气法动态增强图像和自由呼吸法校正后的动态增强图像导入定量分析软件中，选用Extended Tofts Linear双室模型进行参数的计算，动脉输入函数(arterial input function，AIF)的ROI选择病灶所在层面的胸主动脉， ROI的大小为10个像素点。通过T1-mapping图像将原始图像信号转变为对比剂浓度值，在病灶内选取3D-ROI，随后经计算获得各项渗透性相关参数：容积转运常数(volume transfer constant，Ktrans)、速率常数(rate constant，Kep)、血管外细胞外间隙分数(volume fraction of extravascular-extracelluar space，Ve)及血浆分数(volume fraction of plasma，Vp)。病灶内3D-ROI放置原则：沿着肿瘤的边缘手动勾画ROI，避开伪影，测量整个肿瘤体积内的参数值，每个肿瘤病灶测量3次取平均值。间隔一个月后两位医师再分别对所有的图像进行一次测量。

4.统计学方法

图1 自由呼吸法DCE-MRI。a) 原始横轴面图像，显示病灶位于右肺下叶(箭)，轮廓比较模糊，周围可见运动伪影； b) 病灶的时间-信号强化率曲线不平稳，受运动伪影的干扰，尤其在1.6～3.4min这一阶段曲线波动较大，而此时病灶处于持续强化期，如不受运动伪影的干扰，信号-强化率曲线应较为平稳； c) 3D非刚性运动校正后的横轴面图像，显示病灶位于右肺下叶(箭)，轮廓较清晰，图像上运动伪影较少； d) 非刚性运动校正后病灶的时间-信号强化率曲线，可见曲线较校正前平稳，受到的运动伪影的干扰较小。 图2 屏气法DCE-MRI。a)原始横轴面图像，显示病灶位于左肺上叶(箭)，轮廓尚清晰，周围运动伪影较少； b)病灶的时间-信号强化率曲线，可见曲线尚平稳。

结 果

1.患者的一般资料及病灶的基本特征

两组患者的基本临床资料和病灶的基本特征及比较见表1。两组患者的性别、年龄、吸烟史、肺气肿病史以及病灶的大小和分期之间的差异均无统计学意义(P>0.05)，两组资料间具有可比性。

表1 两组患者的一般临床资料及病灶的基本特征的比较

注：*肺癌分期标准参照国际肺癌研究协会非小细胞肺癌TNM分期指南第8版[5]。

2.各项渗透性参数值的组间比较

每组中以两位观察者测量的各项渗透性参数值的平均值作为该组的最终测量结果，4项参数的测量值均符合正态分布，故采用t检验进行组间比较，结果见表2。统计分析结果显示，两种成像方法之间各项渗透性参数值的差异均无统计学意义(P>0.05)。

表2 两种成像方式肺腺癌各项参数值的比较

3.两种成像方法图像分析

在3D非刚性运动校正前的自由呼吸法DCE MRI图像上，因受到呼吸、心跳等运动伪影的干扰，病灶的轮廓显示欠清晰(图1a)，时间-信号强化率曲线不平稳(图1b)；在进行3D非刚性运动校正后，病灶的轮廓显示清晰(图1c)，时间-信号强化率曲线更平稳(图1d)。 屏气法DCE-MR图像上病灶的轮廓显示较清晰(图2a)，时间-信号强化率曲线比较平稳(图2b)。

4.Ktrans值变异度分析

图3 观察者内一致性分析的Bland-Altman散点图，蓝色实线为前后2次测量的病灶Ktrans值的差值均值。a)观察者1屏气法，仅见6.7%(1/15)的散点位于一致性界限外； b) 观察者1自由呼吸法，仅见7.7%(2/26)的散点位于一致性界限外； c) 观察者2屏气法，仅见6.7%(1/15)的散点位于一致性界限外； d) 观察者2自由呼吸法，仅见7.7%(2/26)的散点位于一致性界限外。 图4 观察者间一致性分析的Bland-Altman散点图，蓝色实线为2位观察者测量的病灶Ktrans值的差值的平均值。a)屏气法，仅见6.7%(1/15)的散点位于一致性界限外； b)自由呼吸法，仅见7.7%(2/26)的散点位于一致性界限外。

表3 两种成像方法肺腺癌Ktrans值的观察者内一致性

注：变异系数为前后两次测量的Ktrans值的差值绝对值与两次Ktrans值的均值之间的比值。

每位观察者在两种方法的DCE-MRI图像上间隔一个月的2次测量中获得的肺癌Ktrans值具有很好的一致性，ICC为0.908～0.972，95%置信区间为0.792～0.990，详见表3。

Bland-Altman散点分布图显示，观察者1和2在两种方法的DCE-MRI图像上测量的Ktrans值的观察者内一致性均较好(图3)，两者的测量值在自由呼吸法均仅有7.7%(2/26)、在屏气法均仅有6.7%(1/15)的数据位于一致性界限外。

两位观察者在两种成像方法获得的DCE-MRI图像上测得的Ktrans值之间也具有较好的一致性，ICC为0.820～0.925，95%置信区间为0.639～0.987，详见表4。

Bland-Altman散点图显示，两种成像方法的观察者间一致性均较好(图4)，以B组更佳，仅7.7%(2/26)的散点位于一致性界限外。

表4 两种成像方法肺腺癌Ktrans值的观察者间一致性

讨 论

肺癌是目前临床上最常见的恶性肿瘤之一，其发病率和病死率均高居人类恶性肿瘤的首位[6]，且呈逐年上升的趋势。随着人们健康意识的提高，低剂量胸部CT筛查早期肺癌在临床已逐渐常态化，因此发现了许多无症状的早期肺癌[7]。以往认为肺癌与吸烟密切相关，但体检结果显示相当多的肺腺癌患者并无吸烟史，尤其是中年不吸烟女性患者[8]。DCE-MRI渗透性参数能定量反映血管的功能信息[1,9]，在肺癌的早期诊断、鉴别诊断及早期评估肺癌放化疗效果中都具有重要的应用价值[10-11]，尤其是在CT形态学无法定性诊断时，DCE-MRI提供的病灶的功能信息显得尤为重要。但是DCE-MRI的定量参数测量的可重复性容易受到呼吸、心跳等运动伪影和测量变异度等因素的影响。为减少呼吸运动伪影的影响，肺部MRI检查中通常采用屏气的方法，随着MRI序列的开发及软件的升级，近年来采用GRE容积扫描的LAVA序列结合并行采集技术，可以进行快速3D扫描，能有效减少患者的屏气时间，明显的减少了由于屏气时间过长所导致的呼吸运动伪影[12]。随着3D非刚性图像校准软件的运用，运动伪影的图像将得到有效矫正[13]，使得在自由呼吸状态下行LAVA序列MRI扫描成为可能，但是其所测量的病变的渗透性参数值是否准确以及与屏气法所测量的渗透性参数的一致性目前尚未见研究者进行探讨。而分析这两种成像方法之间的可重复性有重要意义，可为临床选取合适的DCE-MRI方法提供依据。

本研究中对26例肺腺癌患者采用自由呼吸法进行LAVA序列DCE-MRI扫描，检查前对患者进行呼吸训练，要求呼吸幅度和呼吸频率稳定，获得的图像经过3D非刚性配准后具有比较好的图像质量。为了减少分组可能造成的偏倚，本研究中制定了严格的纳入标准：首先，入组病例的病理类型均为腺癌，避免不同病理类型之间肺癌病灶渗透性参数值存在差异而影响分析结果；其次，肿块直径为2～4cm，避免肿块过小、ROI选取较难而导致的测量误差，以及当肿块较大时容易发生出血坏死等而影响渗透性参数值的测量；再次，本研究中肿瘤的分期大部分为I期，而且两组中患者的年龄、性别、肺气肿病史、吸烟史、肿瘤大小及TNM分期之间差异均无统计学意义，两组患者的基本临床和病灶特征相匹配。

统计分析结果显示，自由呼吸和屏气这两种成像方法测得的肺癌渗透性参数值(Ktrans、Kep、Ve及Vp)的差异均无统计学意义(P值分别为0.145、0.528、0.914和0.791)。我们认为，自由呼吸法DCE-MRI图像上虽然存在运动伪影，但只要患者保持平稳和规律的呼吸，原始图像经3D非刚性配准后能获得较好的图像质量及稳定的测量参数值。

Ktrans这一参数是美国国家癌症研究院推荐的DCE-MRI研究中的主要测量指标[14]，既往已有研究者分析了在脑胶质瘤[2,15-16]、乳腺癌[17-18]和宫颈癌[19]等较少发生位移器官的DCE-MRI检查中，各项渗透性参数测量值的可重复性，大部分研究结果显示各项渗透性参数测量值具有较好的可重复性，但亦有一些研究中这些参数的可重复性并不高[20]，如Braunagel等[21]的研究中Ktrans的值的可重复性较低，与本研究结果不同，笔者认为产生这些差异的原因可能是Braugagel等学者的研究中扫描时间不充分(≤240s)。而且Ktrans作为定量指标，其可重复性最容易受到测量变异度等因素的影响。这些影响渗透性参数值变异度的因素将会影响不同观察者和同一观察者不同时间测量的渗透性参数值。当这些定量参数值用于评判肺癌疗效时，在临床工作中会出现同一医师在不同时间段测量分析同一患者的DCE-MRI数据及图像，也可能出现不同医师评估与分析同一患者的DCE-MRI数据与图像。因此本研究评估了肺癌DCE-MRI渗透性参数值在观察者间和观察者内的一致性。观察者间和观察者内一致性也是可重复性研究的重要组成部分。据我们所知，这也是首次观察两种方法在肺腺癌患者DCE-MRI渗透性参数的可重复性及稳定性。本研究结果显示两种成像方法测量的肺癌Ktrans值在观察者间(ICC为0.820～0.925)及观察者内(ICC为0.908～0.972)均具有较高的一致性。观察者在短期内重复测量的偏倚主要系ROI的选择，因为ROI的选择放置具有一定的主观性，是通过观察者的手工描绘而放置ROI的，而且以往的研究中通常仅仅选择肿瘤的某一个层面进行分析，这可能并不能代表整个肿瘤的情况[2,15,17-22]。本研究针对整个肿瘤的3D-ROI分析方法可能会减少观察者间的变异度并提高观察者间的可重复性，能降低短期重复测量时因ROI放置产生的偏倚[23]。

此外，渗透性参数值还受图像后处理软件的随机误差和系统偏倚的影响。本研究中的变异系数均小于15%，属于小变异。其中一观察者屏气法的变异系数较另一观察者自由呼吸法的变异系数大，主要由下列因素引起：屏气扫描虽然能提高图像质量，但多期扫描时每次屏气的幅度很难完全一致，图像仍可能受到运动伪影的影响；此外，屏气时间长、屏气次数多，导致患者配合欠佳也会引起运动伪影，从而造成病灶的局部移动；而自由呼吸法虽存在运动位移，但采用3D对比增强非刚性运动配准的算法，可捕捉到器官的全局和局部运动，可探测到图像在对比剂增强前后信号强度的改变，从而可以有效解决运动位移的问题[24]。病灶与周围肺组织存在肿瘤组织界面，磁化率伪影会影响其测量结果，从而导致测量值的变异系数较大。本研究验证了自由呼吸和屏气两种方法所测肺腺癌DCE-MRI渗透性参数的一致性较好，也观察到了肺癌DCE-MRI渗透性参数值在观察者间和观察者内的一致性都较好。

本研究的不足之处：本文仅对肺腺癌的DCE-MRI渗透性参数的测量值进行了一致性分析，没有考虑肺癌其它病理类型及病变部位对测量值一致性的影响；此外，本研究病例样本数较少，研究结果可能存在一定误差，有待今后扩大样本量进行更深入的研究。

总之，自由呼吸和屏气两种方法所测肺腺癌DCE-MRI渗透性参数的一致性较好，肺腺癌Ktrans测量值的观察者间和观察者内一致性均较好；自由呼吸法DCE-MRI可推广运用于临床检查中。