曹喜生，陳韻彬，程 虓，魏 偉，胡春淼

福建省腫瘤醫(yī)院，福建醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院放診科，福建 福州 350014

直腸擴散峰度成像與擴散加權(quán)成像定量參數(shù)反映直腸癌組織學特性的優(yōu)劣

曹喜生，陳韻彬，程 虓，魏 偉，胡春淼

福建省腫瘤醫(yī)院，福建醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院放診科，福建 福州 350014

目的：比較擴散峰度成像(diffusional kurtosis imaging，DKI)與擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)定量參數(shù)反映直腸癌組織學特性的優(yōu)劣。方法：20例直腸癌患者及23例健康志愿者經(jīng)過3.0T磁共振DKI掃描。掃描參數(shù)：采用5個b值(b=0、500、1 000、1 500、2 000 s/mm2)，擴散敏感梯度場同時取X、Y和Z軸3個方向。健康組與直腸癌組定量參數(shù)[平均表觀擴散系數(shù)(mean diffusion，MD)、平均表峰度系數(shù)(mean kurtosis，MK)、表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)]比較采用兩獨立樣本t檢驗及曲線下面積(area under curve，AUC)分析。結(jié)果：健康組MD、MK及ADC均值分別為1.37×10-3mm2/s、0.96±0.11、(0.76±0.12)×10-3mm2/s，直腸癌組MD、MK及ADC均值分別為(1.10±0.12)×10-3mm2/s、1.22±0.16、(0.60±0.06)×10-3mm2/s，差異有統(tǒng)計學意義。診斷直腸癌的MD值具有最大的AUC (0.928)，MK值的AUC (0.909)居中，ADC值的AUC最小(0.907)。結(jié)論：初步研究結(jié)果支持DKI能反映直腸癌組織結(jié)構(gòu)的復雜性，其定量參數(shù)MD和MK比ADC對直腸癌組織結(jié)構(gòu)的復雜性更敏感。

直腸癌；擴散峰度成像；磁共振成像

直腸癌是常見的消化道惡性腫瘤之一，每年約655 000人死于該病。我國直腸癌的發(fā)病率以每年4.2%的速度逐漸增長，高于全世界平均增長水平。擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)和體素內(nèi)不相干運動(intravoxel incoherent motion，IVIM)能反映直腸癌中水分子擴散及組織微觀特性[1-2]，其成像的前提是假設人體內(nèi)水分子呈正態(tài)分布，但研究表明人體中水分子分布呈非高斯分布[3]。擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是目前無創(chuàng)性反映活體組織內(nèi)非高斯分布的水分子擴散運動能力及運動方向的MRI方法，尤其適合反映惡性腫瘤復雜的微觀組織結(jié)構(gòu)和水分子運動特點，多應用于腦膠質(zhì)瘤研究，用于體部病變少見[4]，用于直腸癌研究更少[5]。本研究旨在比較DKI與DWI定量參數(shù)反映直腸癌組織學特性的優(yōu)劣。

1 資料和方法

1.1 患者資料

對連續(xù)就診于福建省腫瘤醫(yī)院的128例直腸癌患者行MRI檢查，將檢查后1周內(nèi)行手術(shù)治療的20例患者入組?；颊咂骄挲g60歲，其中男性12例、女性8例。健康志愿者23例作為對照組，其中男性8例、女性15例，平均年齡46歲。所有受檢者自愿簽署知情同意書，并滿足以下標準：無MRI檢查禁忌證，無盆腔金屬偽影；直腸癌組均未經(jīng)過化療、放療等治療；健康組均無直腸疾病。

1.2 MRI檢查

采用Achieva 3.0T TX MR 掃描儀(Philips Medical Systems，Netherlands)，8通道體部相控陣線圈為接收線圈。檢查前30 min經(jīng)肛門給予開塞露，排空直腸內(nèi)容物。考慮到直腸蠕動及舒縮運動較少，且本課題組前期研究顯示直腸DKI參數(shù)具有較好的可重復性[6]，本研究中患者檢查前未注射腸道抑制劑。

DKI掃描參數(shù)：采用單次激發(fā)自旋回波-平面回波序列，重復時間(repetition time，TR)/ 回波時間(echo time，TE) 775/66 s，層厚5 mm，視野(f i eld of view，F(xiàn)OV) 360 mm×321 mm，體素3，回波鏈長度19，啟用5個b值(b=0、500、1 000、1 500、2 000 s/mm2)，擴散敏感梯度場同時取X、Y和Z軸3個方向。腹部掃描每個b值掃描采集12幅圖像，最后得到72幅圖像，總共用時3 min 32 s。

T2WI掃描參數(shù)：采用快速自旋回波(fast spin echo，F(xiàn)SE)序列，參數(shù)：TR 3 000～5 000 ms，TE 90 ms，層厚3 mm，F(xiàn)OV 16～20 cm，激勵次數(shù)2，體素0.7，回波鏈長度19。掃描定位與DKI掃描序列一致。

1.3 DKI數(shù)據(jù)后處理

所得DKI數(shù)據(jù)傳輸至Philips工作站。表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)采用工作站自帶后處理軟件獲得。非高斯模式的平均表觀擴散系數(shù)(mean diffusion，MD)及平均表峰度系數(shù)(mean kurtosis，MK)通過Permeability軟件(PRIDE permeability processing tool by Philips healthcare，DWI-TOOL R1.5)處理獲得。應用InS(b)=InS0-bMD+1/6 b2D2MK[7]公式對圖像進行分析，其中MD是與擴散敏感梯度平行方向的擴散系數(shù)估計值；MK沒有單位，是相同方向擴散峰度的估計值。對于不同的擴散敏感因子b值，得到逐個像素對應的不同信號強度，對公式進行非線性擬合，從而得到相應的MD和MK圖。選擇Levenberg-Marquardt E線性擬合優(yōu)化方法。實際擬合過程中需給出擬合參數(shù)MD、MK的一組初值用來進行迭代求解，程序?qū)崿F(xiàn)中MD初值取[lnS0-lnS(b)]/b，MK初值根據(jù)文獻[8]于0.5～1.4范圍內(nèi)選取。擬合之后得到一系列不同的MD值和MK值，有可能出現(xiàn)明顯不正常的MD值和MK值對最后結(jié)果造成干擾，因此在原始圖像處理中加入適當過濾條件，濾去明顯不正常的值。

為使感興趣區(qū)(region of interest，ROI)勾畫準確，由2名工作超過5年的放射科醫(yī)師結(jié)合高分辨T2WI圖像及病理結(jié)果，在信號圖像上區(qū)分病灶與正常組織邊緣，描邊勾畫ROI。MD、MK及ADC值測量均選用同一層面及ROI。每個ROI面積均≥25像素。所得數(shù)據(jù)均測量3次，取平均值。記錄每個樣本的ADC、MD及MK值。

1.4 統(tǒng)計學處理

所有數(shù)據(jù)應用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行分析。直腸癌組與健康組的各定量參數(shù)(MD、MK、ADC值)的比較采用兩獨立樣本t檢驗，對直腸癌組與健康組ADC、MD、MK值的比較采用曲線下面積(area under curve，AUC)分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

本研究直腸癌入組20例，其中18例為中分化腺癌、1例為高分化腺癌、1例為黏液腺癌。健康組入組23例。健康組DKI定量參數(shù)見圖1，直腸癌DKI定量參數(shù)見圖2。健康組的MD、MK及ADC均值分別為1.37×10-3mm2/s、0.96±0.11、(0.76±0.12)×10-3mm2/s，而直腸癌組的MD、MK及ADC均值分別為(1.10±0.12)×10-3mm2/s、1.22±0.16、(0.60±0.06)×10-3mm2/s。直腸癌組的ADC及MD均值較健康組低，MK均值較健康組高，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05) (表1)。

區(qū)分直腸癌與正常腸壁時，MD值的受試者工作特性 (receiver operating characteristic，ROC)曲線的AUC為0.928。MK值ROC AUC為0.909，ADC值ROC AUC為0.907 (圖3)。

圖1 健康志愿者DKI定量參數(shù)測定

圖2 直腸癌T2N0M0分期中分化腺癌DKI定量參數(shù)測定

表1 直腸癌組與健康組MD、MK及ADC值的比較

圖3 MK值、MD值及ADC值區(qū)分直腸癌與正常腸壁的ROC曲線

3 討 論

本研究初步證實了應用DKI評估直腸癌組織學特性的可行性。結(jié)果顯示，直腸癌組MD值、ADC值顯著低于健康組，MK值顯著高于健康組，這3個參數(shù)區(qū)分直腸癌與正常腸壁的AUC均較大，且MD值及MK值的AUC均較ADC值更大，提示DKI參數(shù)反映直腸癌組織的復雜性優(yōu)于DWI。

DWI能無創(chuàng)反映水分子在體內(nèi)的布朗運動[1]。既往多項研究發(fā)現(xiàn)，與正常組織相比，惡性腫瘤細胞增殖明顯，排列緊密，細胞間隙小，細胞核增大，核異型性明顯，核質(zhì)比增高，ADC值明顯減低[9-10]。直腸癌DKI定量參數(shù)亦能反映這種組織結(jié)構(gòu)的微觀變化，表現(xiàn)為MK值顯著提高，MD值顯著降低，提示DKI能反映直腸癌組織結(jié)構(gòu)的復雜性。同時，對于區(qū)分直腸癌與正常腸壁，MD值及MK值較ADC值具有更大的AUC。這可能是由于傳統(tǒng)DWI的基礎是假設人體水分子運動呈正態(tài)分布，而實際上大部分組織并不如此[3]。DKI技術(shù)正是基于DWI技術(shù)上的延伸，避免了對水分子擴散的正態(tài)假設，更加真實地提供了一個數(shù)值用于量化水分子擴散位移與理想的非受限高斯分布擴散位移的偏離大小，以體現(xiàn)水分子擴散受限程度及擴散的不均質(zhì)性，從而更好地顯示組織的復雜微觀結(jié)構(gòu)[8]。這與應用DKI技術(shù)對腦膠質(zhì)瘤[11-12]、鼻咽癌[13]、肝癌[14]、乳腺癌[15]及前列腺癌[16-18]的研究結(jié)果類似。但與本研究相比，這些研究中的MD值AUC差異均較大，原因可能有以下幾點：首先，本研究中由于信噪比、掃描時間及掃描儀限制，擴散敏感梯度場使用較少，使用的b值亦較低；其次，能手術(shù)的直腸癌病灶相對處于早期，嚴重出血、壞死較少，組織結(jié)構(gòu)比腦膠質(zhì)瘤更均勻。

本研究存在一定的局限性：首先，樣本量較少，直腸癌組僅20例，且大部分(18例)為中分化腺癌，無法對腫瘤分化程度進行分組對比，需進一步大樣本研究以驗證DKI在直腸癌診斷中的作用。其次，本研究主要目的是比較DKI與DWI診斷直腸癌的優(yōu)劣，觀察者在知道病理的情況下對癌灶的參數(shù)進行測量，使癌灶ROI的勾畫更準確。第三，因技術(shù)條件限制，本研究b值最高為2 000 s/mm2，擴散敏感梯度場僅采用3個方向，大大限制了定量參數(shù)的多樣性。期待隨著磁共振技術(shù)及研究的不斷進步，這些問題能得到解決。

綜上所述，本研究應用一種非高斯模式對直腸進行擴散成像，其定量參數(shù)MD及MK對直腸癌組織結(jié)構(gòu)的復雜性更敏感，比傳統(tǒng)DWI更具有應用價值。DKI在直腸癌中的應用有待進一步研究。

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Rectal diffusional kurtosis imaging: clinical value in detection of rectal cancer compared with diffusion weighted imaging

CAO Xisheng, CHEN Yunbin, CHENG Xiao, WEI Wei, HU Chunmiao (Department of Diagnostic Radiology,Fujian Cancer Hospital, Fujian Medical University Cancer Hospital, Fuzhou 350014, Fujian Province, China)
Correspondence to: CHEN Yunbin E-mail: yunbinchen@126.com

Objective:To compare the quantitative parameters of diffusion kurtosis imaging (DKI) with diffusion weighted imaging (DWI) for assessment of the histological characteristics of rectal cancer.Methods:Twenty rectal cancer patients and twenty-three healthy volunteers underwent DKI scans (b=0, 500, 1 000, 1 500, 2 000 s/mm2, respectively; three diffusion directions).The values of mean diffusion (MD), mean kurtosis (MK), apparent diffusion coefficient (ADC) and pathologic fi ndings between the two groups were compared using independent sample t test and receiver operating characteristic (ROC) analyses.Results:The values of MD, MK and ADC in healthy volunteers were 1.37×10-3mm2/s, 0.96±0.11, (0.76±0.12)×10-3mm2/s, respectively, and in rectal cancer patients were (1.10±0.12)×10-3mm2/s, 1.22±0.16, (0.60±0.06)×10-3mm2/s, respectively. There were signif i cant differences between the two groups (P＜0.05). The area under the curve (AUC) for MD value (0.928) could better distinguish rectal cancer from healthy volunteers than that for MK value (0.909) and ADC value (0.907).Conclusion:The preliminary fi ndings suggest that DKI can predict rectal cancer. The parameters MD and MK are better than ADC in predicting rectal cancer.

Rectal cancer; Diffusion kurtosis imaging; Magnetic resonance imaging

R445.2

A

1008-617X(2017)05-0341-04

福建省衛(wèi)生和計劃生育委員會青年課題(No：2015-1-13)

陳韻彬 E-mail：yunbinchen@126.com

2017-04-28

2017-05-24）