基于體素內(nèi)不相干運動的MR擴散加權(quán)成像對前列腺癌診斷價值的初步研究

萬紅燕，畢蕓祺，衣巖，湯群鋒，陳靜雯，方向明*

1.南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫市人民醫(yī)院影像科，無錫 214023

2.中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院科技部，北京 100850

前列腺癌為老年男性常見的惡性腫瘤，磁共振擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)對其應(yīng)用較廣泛，相比較常規(guī)序列T2WI，可提高其診斷的敏感性及準確性[1-2]。1986年Le Bihan等[3]提出體素內(nèi)不相干運動(Intravoxel incoherent motion，IVIM)MR成像理論，多b值的DWI成像能夠無創(chuàng)的區(qū)分組織內(nèi)單純水分子運動的真性擴散及微循環(huán)血液灌注形成的假性擴散，因此其潛在應(yīng)用價值有可能超越DWI和ADC。本研究利用IVIM原理對前列腺進行多b值的DWI，比較前列腺癌及非癌外周帶組織之間純水分子擴散系數(shù)(pure molecular-based diffusion coefficient，D)、灌注相關(guān)擴散系數(shù)(pseudo diffusion coefficient of perfusion，D*)及灌注分數(shù)(perfusion fraction，f)的差異，初步評價該成像方法在前列腺癌診斷中的價值。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

連續(xù)性回顧性搜集2013年9月至2014年9月在我院就診的有完整臨床資料、MR IVIM檢查和穿刺活檢病理結(jié)果為前列腺外周帶癌患者45例(實驗組)，年齡53～85歲，中位數(shù)年齡72歲。血清前列腺特異性抗原(PSA)增高，范圍約5.43～150.00 ng/ml 。同期同方法收集穿刺活檢病理顯示前列腺未見癌組織13例(對照組)，年齡60～81歲，中位數(shù)年齡70歲，PSA范圍約3.52～22.16 ng/ml。所有病例穿刺活檢與MRI檢查時間間隔在1個月內(nèi)，活檢經(jīng)直腸超聲引導(dǎo)下進行，采取標準11針法，由操作醫(yī)生繪圖記錄活檢部位。所有患者均簽署知情同意書。

1.2 影像學(xué)檢查

采用 Siemens Trio Tim3.0 T MR成像，腹部相控陣線圈，以前列腺為中心行常規(guī)MRI及DWI檢查。軸面抑脂T2WI掃描參數(shù)：TR 4000 ms，TE 100 ms，層厚3 mm，層間距3 mm； 多b值DWI(8個b值分別為0、50、100、150、200、400、600、800 s/mm2)，掃描條件：TR 3200 ms，TE 84 ms，層厚3 mm，層間距3 mm，掃描時間為5 min 15s。

1.3 影像分析方法

將多b值DWI數(shù)據(jù)傳送至IVIM軟件，經(jīng)過軟件自動算取獲得D、D*及f參數(shù)圖。主觀觀察D、D*及f參數(shù)圖前列腺外周帶信號是否異常。結(jié)合常規(guī)MRI及前列腺穿刺活檢病理結(jié)果，在穿刺活檢對應(yīng)的前列腺外周帶癌區(qū)域(實驗組)及非癌區(qū)域(對照組)內(nèi)選取感興趣區(qū)(ROI)，如果常規(guī)MRI圖像外周帶信號改變不典型，則根據(jù)穿刺病理結(jié)果定位，ROI避開尿道周圍、出血及鈣化灶等。3幅參數(shù)圖同時測量，選取的ROI為圓形，每個ROI包含約35個像素，獲取相應(yīng)的D、D*及f值，每個區(qū)域測量3次，取平均值。

根據(jù)IVIM理論計算為雙指數(shù)函數(shù)公式：

S/S0=(1-f)×exp(-bD)+ f×exp[-b(D*+D)]公式1 1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，每組內(nèi)先進行正態(tài)分布性檢驗，經(jīng)證實為正態(tài)分布后，前列腺癌區(qū)及對照組外周帶組織的各組數(shù)值比較采用獨立樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。用受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC)評價D值的診斷效能。

2 結(jié)果

2.1 擴散加權(quán)圖像信號特點總體表現(xiàn)

實驗組45例前列腺外周帶癌中累及中央葉12例，侵犯精囊腺8例，盆腔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移8例，伴骨骼轉(zhuǎn)移11例。45例中發(fā)現(xiàn)病灶49個，49個病灶在T2WI上呈典型低信號改變36個(73.5%，36/49)，另外8個病灶局部信號欠均勻，其余5個病灶信號改變不明顯。在DWI圖像表現(xiàn)為相對高信號有41個病灶(占83.7%，41/49)，且ADC圖上病灶信號相對減低，其中28個病灶隨著b值增加高信號愈明顯，其余13個病灶僅在高b值圖像上顯示信號輕度異常。

在D值參數(shù)圖上，實驗組49個前列腺癌病灶中有45個呈低信號(91.85%，45/49)，與周圍前列腺組織間信號反差明顯，在該45個病灶中D*值及f值參數(shù)圖僅22個病灶與周圍前列腺組織信號之間有較明顯差異，18個病灶與周圍前列腺組織等信號，5個病灶信號稍高于周圍前列腺組織(圖1～6)。

對照組13例中2例表現(xiàn)為T2WI上外周帶信號明顯不均勻，有可疑低信號區(qū)，在DWI(b=800 s/mm2)圖像上呈稍高信號。其余11例前列腺外周帶在常規(guī)MR-T2WI表現(xiàn)為均勻稍高信號，未異常低信號，在D值、D*值及f值參數(shù)圖上未見異常信號區(qū)(圖7、8)。

2.2 IVIM各參數(shù)在前列腺外周帶癌組織和對照組外周帶組織之間的差異

實驗組前列腺癌區(qū)域的D值、D*值及f值均低于對照組外周帶組織，但僅有D值在癌組織和非癌外周帶組織之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義，詳見表1。

表1 實驗組前列腺外周帶癌區(qū)域與對照組外周帶組織的D值、D*值及f值比較Tab.1 Mean,standard deviation and t value of D,D* and f parameters for 45 cancerous tissues and 13 noncancerous tissues

2.3 IVIM參數(shù)D值對前列腺癌的診斷效能評估

D值的ROC曲線，曲線下面積為0.952，利用D值對前列腺癌診斷的最佳閾值為0.89×10-3mm2/s，其診斷敏感性為100%，特異性為66.7%(圖9)。

3 討論

體素內(nèi)不相干運動理論最早由Le Bihan等[3-4]提出，DWI計算出的ADC值不僅包括體素內(nèi)的水分子單純擴散而且還包括血管內(nèi)水分子無方向運動，具體表現(xiàn)為MRDWI時隨著b值的增加，ADC值逐漸減小(如圖6，可以觀察到信號下降呈曲棍球桿狀)，b值≤200 s/mm2時信號下降明顯，衰減曲線形態(tài)陡峭，b值≥200 s/mm2時斜率相對較低，信號衰減曲線平直。其原因為擴散信號不僅來源于單純水分子運動的真性擴散，而且還來源于微循環(huán)血液灌注形成的假性擴散，b值較小時流動血液質(zhì)子的位移較大，信號衰減明顯，其中灌注相關(guān)假性擴散的影響明顯大于單純水分子擴散；b值較大時流動血液質(zhì)子信號已衰減，灌注相關(guān)假性擴散對信號影響明顯較小，簡而言之，b值較小時計算出的D*值主要反映微灌注所致的擴散效應(yīng)，單位mm2/s。b值較大時計算出的D值反映純水分子擴散效應(yīng)，單位mm2/s，f值代表微循環(huán)所致的灌注效應(yīng)占總體擴散效應(yīng)的容積比率。因此本研究采用了由小到大共8個b值進行DWI成像。

目前ADC值的計算是采用單指數(shù)函數(shù)公式：S/S0=exp(－bD)計算，從圖6信號衰減曲線下降方式來看，用單指數(shù)函數(shù)計算顯然不夠精確。需利用雙指數(shù)函數(shù)公式(公式1)，通過計算可獲的D值、D*值及f值，更能體現(xiàn)組織中微循環(huán)灌注及單純水分子擴散的特性。

多b值的DWI成像中b值的數(shù)值及數(shù)量的選取比較重要，但目前未沒有達成完全的共識[5]。根據(jù)公式(1)推出至少需使用4個不同b值(包括b=0)才能完成計算。目前前列腺研究[6-7]中使用的b值多為4～11個不等，甚至更多。理論上使用越多b值，特別是低b值數(shù)量，D*值計算的準確性會增加，但隨之而來采集時間也相應(yīng)延長。本研究中采用8個b值成像，其中低b值共5個，首先已滿足計算公式的要求，另外5分15秒的檢查時長對于檢查者來說基本可以接受。

IVIM MR成像已應(yīng)用于多個組織器官，較多的出現(xiàn)在肝臟、胰腺及腎臟[8-10]等部位的彌漫性及腫瘤性疾病中，獲得的結(jié)論從臨床角度證實了IVIM理論。目前關(guān)于前列腺的IVIM的研究主要應(yīng)用于前列腺癌及前列腺增生的診斷及鑒別診斷。本研究中前列腺癌區(qū)域的D值明顯低于非癌外周帶組織，兩者之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義，該結(jié)果與以往的類似研究的結(jié)果相一致[7，11-12]，但本組患者例數(shù)較多，且較D?pfert等[7]及葉錦堂等[11]研究時采用了更多的b值，理論上獲取的數(shù)據(jù)更精確些。D值減低表明單純的水分子擴散受限，與MR DWI單指數(shù)函數(shù)公式計算出的ADC值下降相一致，主要是由于前列腺癌組織細胞密度大，核漿比較高，細胞內(nèi)外液體含量減少，限制了水分子自由運動。本研究獲取的前列腺癌D值低于以往研究[13]中的ADC值，間接說明組織中微循環(huán)灌注對ADC值有一定的影響，剔除了灌注因素的分子擴散系數(shù)D值更精確的反映了細胞內(nèi)外水分子擴散運動。

圖1～6 男，75歲，前列腺癌。圖1～3分別為D值、D*值及f值參數(shù)圖，D值參數(shù)圖所見偏左側(cè)外周帶及中央葉信號減低，D*值參數(shù)圖未見明顯信號差異，f值圖前列腺偏左側(cè)信號略減低；圖4、5為DWI圖及ADC圖，病灶分別呈現(xiàn)明顯高信號及明顯低信號；圖6為信號衰減曲線圖，橫左標為b值，縱坐標為信號強度，由圖可見紅色曲線呈曲棍球桿樣形狀，低b值區(qū)域(＜200 s/mm2)曲線下降較陡峭，高b值區(qū)域(＞200 s/mm2)曲線下降相對較平緩，前列腺癌與非癌外周帶兩者曲線有差異 圖7 對照組前列腺D值系數(shù)圖 圖8 非癌外周帶測量兩個不同位置ROI獲取的信號衰減曲線圖，兩曲線在低b值及高b值區(qū)域趨勢基本一致圖9 純水分子擴散系數(shù)D值的ROC曲線Fig.1—6 Seventy-fi ve year-old man,prostate cancer.Fig.1:D map shows low signal of the prostate left peripheral zone and central zone.Fig.2:D*map shows no obvious abnormal signal.Fig.3:f map shows light low signal of the left prostate.Fig.4—5:Tumor of left peripheral and center zone showed relatively high signal with DWI and relatively low signal with ADC images.Fig.6:The signal attenuation curves of cancerous tissue and healthy peripheral zone had the shape of a hockey stick.There is a steeper slope of signal attenuation at low b values compared with more gradual attenuation of signal at higher b values.The curves of cancerous tissue and healthy peripheral zone were different.Fig.7 Healthy prostate tissue D map.Fig.8 The signal attenuation curves of the healthy peripheral zone in different location have the same tendency.Fig.9 ROC-curve of pure molecular-based diffusion coeffi cient(D).

本研究中前列腺癌的D*值及f值較非癌外周帶組織減低，與D?pfert等[7]研究相一致，但兩者無統(tǒng)計學(xué)差異。D*值的方差較大，D*值參數(shù)圖(圖2)圖像質(zhì)量亦較差，前列腺癌組織部分與非癌組織無法肉眼觀察出，這主要是由于雙指數(shù)函數(shù)公式有3個參數(shù)，數(shù)值的變異性明顯大于單指數(shù)模型。前列腺癌灌注成像研究中[13]顯示癌組織的血容量明顯高于正常組織，這與本研究的D*值及f值并不一致，部分可能的原因為IVIM成像中與灌注相關(guān)的系數(shù)也對管道結(jié)構(gòu)液體的流動及腺體的分泌等敏感[12]；另外有可能為與D*值及f值測量重復(fù)性差，統(tǒng)計不夠準確有關(guān)，王英偉[14]關(guān)于IVIM成像在胰腺可重復(fù)性研究表明D值有良好的測量可重復(fù)性，f值的可重復(fù)性一般，D*值重復(fù)性差，這些結(jié)論也間接支持了以上推測。根據(jù)IVIM理論計算得到的f值會依賴于掃描參數(shù)，隨回波時間延長而增加，可能會過高估計，可以做T2矯正以期準確測量[15]。多b值的DWI成像及灌注成像均可獲取微循環(huán)灌注的信息，但前者顯而易見的優(yōu)點在于無創(chuàng)及減少了造影劑的使用，將會有良好的應(yīng)用前景。

本研究的局限性在于超聲引導(dǎo)下的穿刺活檢理論上也存在較小的漏診率，另外D*值及f值的方差大且重復(fù)性差，后續(xù)的研究中盡量采用大樣本病理作對照，根據(jù)結(jié)果勾畫出近可能大的ROI來解決該問題。總體來說IVIM能夠精確的描述b值的增加與組織信號衰減之間的關(guān)系，利用雙指數(shù)函數(shù)得出分別反映組織水分子擴散及微循環(huán)灌注的量化參數(shù)，獲取的D值對前列腺癌的具有診斷價值。

[References]

[1]Xiao LH,Zheng XL,Fan XM,et al.Prostate cancer:diagnostic value of MR diffusion weighted imaging and dynamic contrast-enhancement and T2WI.Pract Radiol,2011,27(10):1520-1523.肖利華,鄭曉林,范憲淼,等.磁共振彌散加權(quán)成像、T2加權(quán)成像及動態(tài)增強聯(lián)合運用對前列腺癌的診斷價值.實用放射學(xué)雜志,2011,27(10):1520-1523.

[2]Qian WQ,Dai WB,Miao HD,et al.Value of MR diffusion weighted imaging in the diagnosis of prostate cancer.Chin J Urol,2009,30(12):841-844.錢偉慶,戴文斌,苗華棟,等.MR彌散加權(quán)成像在前列腺癌診斷中的應(yīng)用價值.中華泌尿外科雜志,2009,30(12):841-844.

[3]Le Bihan D,Breton E,Lallemand D,et al.MR imaging of intravoxel incoherent motions:application to diffusion and perfusion in neurologic disorders.Radiology,1986,161(2):401-407.

[4]Le Bihan D,Breton E,Lallemand D,et al.Separation of diffusion and

perfusion in intravoxel incoherent motion MR imaging.Radiology,1988,168(2):497-505.

[5]Koh DM,Colins DJ,Orton MR,et al.Intravoxel incoherent motion in body diffusion-weighted MRI:reality and challenges.AJR Am J Roentgenol,2011,196(6):1351-1361.

[6]Riches SF,Hawtin K,Charles-Edwards EM,et al.Diffusion-weighted imaging of the prostate and rectal wall:comparison of biexponential and monoexponential modelled diffusion and associated perfusion coeffi cients.NMR in Biomedicine,2009,22(3):318-325.

[7]D?pfert J,Lemke A,Weidner A,et al.Investigation of prostate cancer using diffusion-weighted intravoxel incoherent motion imaging.Magnetic Resonance Imaging,2011,29(8):1053-1058.

[8]Luciani A,Vignaud A,Cavet M,et al.Liver cirrhosis:intravoxel incoherent motion MR imaging-pilot study.Radiology,2008,249(3):891-899.

[9]Lemke A,Laun FB,Klau M,et al.Differentiation of pancreas carcinoma from healthy pancreatic tissue using multiple b-values:comparison of apparent diffusion coeffi cient and intravoxel incoherent motion derived parameters.Invest Radiol,2009,44(12):769-775.

[10]Zhang JL,Sigmund EE,Chandarana H,et al.Variability of renal apparent diffusion coefficients:limitations of the monoexponential model for diffusion quantifi cation.Radiology,2010,254(3):783-792.

[11]Ye JT,Cai WC,Wang Y,et al.Preliminary study of intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging of prostate cancer.Radiol Practice,2014,29(5):474-476.葉錦堂,蔡文超,王岳,等.體素內(nèi)不相干運動擴散加權(quán)成像對前列腺癌的診斷價值.放射學(xué)實踐,2014,29(5):474-476.

[12]Shinmoto H,Tamura C,Soga S,et al.An intravoxel incoherent motion diffusion -weighted imaging study of prostate cancer.AJR Am J Roentgenol,2012,199(4):W496- W500.

[13]Wang LW,Wang M,Wang SJ,et al.The value of magnetic resonance diffusion weighted imaging in the diagnosis of prostate cancer.Chin J Magn Reson Imaing,2014,5(3):198-201.王利偉,王牧,王紹娟,等.MR擴散加權(quán)成像診斷前列腺癌的價值分析.磁共振成像,2014,5(3):198-201.

[14]Wang YW.Preliminary study of intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging of the pancreas.Beijing:Chinese PLA General Hospital,2012:58-86.王英偉.體素內(nèi)不相干運動擴散加權(quán)成像在胰腺的初步應(yīng)用.北京:軍醫(yī)進修學(xué)院 解放軍總醫(yī)院,2012:58-86.

[15]Zhang SX,Jia QJ,Zhang ZP,et al.Intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging in differential diagnosis of primary nasopharyngeal carcinoma and nasopharyngeal hyperplasia.Zhonghua Fang She Xue Za Zhi,2013,47(7):617- 621.張水興,賈乾君,張忠平,等.基于體素內(nèi)不相干運動的擴散加權(quán)成像對鼻咽癌與炎性增生性疾病的鑒別診斷.中華放射學(xué)雜志,2013,47(7):617-621.