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三種不同磁共振擴散加權成像模型在鑒別乳腺良惡性病灶中的價值研究

2018-06-12 08:03:34夏冰清黎鑫樂柴維敏
中國癌癥雜志 2018年5期
關鍵詞:水分子靈敏度惡性

夏冰清,黎鑫樂,孫 琨,柴維敏

上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院放射科,上海 200025

在我國,乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤,其發(fā)病率逐年增高,發(fā)病年齡呈現(xiàn)年輕化趨勢[1]。常規(guī)動態(tài)增強磁共振(magnetic resonance,MR)能夠發(fā)現(xiàn)體格檢查、超聲及乳腺X線攝影所不能發(fā)現(xiàn)的乳腺癌[2],在乳腺良惡性病灶的診斷與鑒別診斷中扮演著越來越重要的角色,其診斷靈敏度高達85%~100%[3],但其診斷特異度相對較低,常造成患者接受不必要的活檢[4]。隨著擴散加權成像(diffusion-weighted imaging,DWI)技術的開展及應用,大大提高了MR的特異度,而且無需注射造影劑,臨床應用前景廣闊。近年來,DWI的一些擴展模型,如體素內不相干運動(intravoxel incoherent motion,IVIM)模型和擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI),已經在肝臟病灶[5]、直腸癌[6]和腦膠質瘤[7]等疾病診斷中有了一定的應用。本研究旨在探討DWI的3種不同模型-單指數(shù)模型、IVIM模型和DKI模型在乳腺良惡性病灶中的鑒別診斷價值。

1 資料和方法

1.1 入組標準

本研究為前瞻性研究,收集2016年5月—2016年8月在上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院乳腺疾病診治中心收治的乳腺病患者進行乳腺MR檢查。納入標準:乳腺超聲或X線檢查BIRADS 4類及以上患者。排除標準:① 乳腺MR檢查前已進行穿刺檢查、新輔助化療或手術的患者;② 圖像運動偽影較重。

1.2 MR檢查方法

采用德國Siemens公司的Aera 1.5 T MR掃描儀,雙側乳腺4通道專用相控線圈,均為橫軸位掃描?;颊呷「┡P位,雙側乳腺自然懸垂于專用乳腺表面線圈內。行雙側乳腺快速反轉恢復(turbo inversion recovery magnitude,TIRM)序列,重復時間(repetition time,TR)/回波時間(echo time,TE)=5 240 ms/62 ms,層厚4 mm,視野(field of view,F(xiàn)OV):340 mm×340 mm。多b值DWI采用讀出方向分段采樣平面回波成像序列,DWI參數(shù):TR/TE=9 500 mm/72 ms,層厚4 mm,F(xiàn)OV:384 mm×384 mm,b值分別取0、50、100、150、200、400、800、1 000、1 500、2 000和2 500 s/mm2,共11個b值,激勵次數(shù)(number of excitation,NEX)分別為1、1、1、1、1、2、2、3、3、5和5,掃描時間共計14 min 17 s。最后行T1加權動態(tài)增強掃描,TR/TE=4.58 ms/1.89 ms,層厚1.5 mm,F(xiàn)OV:360 mm×360 mm。第1序列進行平掃后,靜脈注射釓噴酸葡胺(Gddiethylenetriamine pentaacetic acid,Gd-DTPA),以2.0 mL/s的速度進行注射,其后以同樣速率注入15 mL 0.9%NaCl溶液沖洗管腔內殘留的Gd-DTPA,共采集5期增強掃描,每個時相掃描時間為90 s。

1.3 圖像處理與數(shù)據(jù)分析

所有圖像傳送至第三方軟件MATLAB(美國MathWorks公司產品)進行后處理,分別得到表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,DADC)圖、IVIM和DKI相關參數(shù)圖,所有數(shù)據(jù)逐個像素按照不同公式進行擬合。

本研究使用單指數(shù)模型進行對照,選擇b=50和1 000 s/mm2進行計算,其計算方程式[8]為:

IVIM模型:選擇0、50、100、150、200、400、800和1 000 s/mm2共8個b值進行數(shù)據(jù)采集,采用經典的兩步計算法,其計算方程式[9]為:

真實擴散系數(shù)(tissue diffusivity coefficient,DDT)反映純的水分子擴散;灌注相關擴散系數(shù)(perfusion-related diffusivity coefficient,D*),也稱為假擴散系數(shù),反映微循環(huán)灌注的灌注系數(shù);灌注分數(shù)(perfusion fraction,f)反映微循環(huán)灌注效應占總體擴散效應的容積率。高b值(>200 s/mm2)下,灌注信號基本完全衰減,D*遠大于DDT,可簡化為線性最小二乘法S(b)/S(0)=exp(-bD)公式計算獲得DDT值。算得DDT值后,再將所有b值使用Least-Marquardt非線性最小二乘法[10]進行擬合計算,得出灌注相關擴散系數(shù)D*值和血管容積分數(shù)f值。

DKI模型:選擇5個高b值(0、1 000、1 500、2 000和2 500 s/mm2)進行計算,其計算方程式[11]為:

其中,擴散峰度系數(shù)(kurtosis coefficient,K)是一個無量綱的值,主要反映組織微觀結構的復雜性;擴散系數(shù)(diffusivity coefficient,DDK)是矯正后的DADC值,即去除非高斯偏移后的DADC值。

在公式(1-3)中,b為擴散敏感梯度因子,S(0)為b=0 s/mm2時的DWI信號強度,S(b=50)為b=50 s/mm2時的DWI信號強度,S(b)為b>0 s/mm2時的DWI信號強度。

1.4 感興趣區(qū)(region of interest,ROI)劃定和參數(shù)計算

測量者①②分別為從事乳腺診斷9年和7年年資的放射科醫(yī)師,兩位測量者在不知道組織病理學結果的情況下分別閱片,各測量2次。使用MATLAB后處理軟件,在b=50、1000 s/mm2的DADC圖像上劃取ROI,選擇病灶實性成分最大層面,并且避開明顯囊性變、壞死液化區(qū),然后將ROI復制到其他參數(shù)圖上,得出其他相應參數(shù),所有參數(shù)均采用平均值。平均ROI大小為152 mm2(范圍40~420 mm2)。

1.5 統(tǒng)計學處理

使用SPSS 21.0和MEDCALC 15.6統(tǒng)計學軟件,P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義(雙尾側方法)。所有患者的臨床資料中,計數(shù)資料采用χ2檢驗、計量資料采用t檢驗;不同模型各參數(shù)值通過獨立樣本t檢驗;使用受試者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲線確定各診斷參數(shù)的臨界值及與該臨界值相關的曲線下面積(area under curve,AUC),采用最大約登指數(shù)來確定各參數(shù)的臨界值及相應的診斷靈敏度和特異度,所有參數(shù)的一致性檢驗通過比較組內與組間相關因子實現(xiàn),其中組內一致性檢驗使用測量者的2次測量結果來評估,組間一致性檢驗則由2位測量者的第1次測量結果來評估。當組內相關系數(shù)(intraclass correlation coefficient,ICC)大于0.75視為一致性好,0.50~0.75視為一般,小于0.5視為很差[12]。

2 結 果

2.1 臨床病理資料

共入選80例患者(83個病灶),年齡27~70歲,良性組患者平均年齡(40.1±7.2)歲(范圍27~51歲),惡性組患者平均年齡(50.7±9.3)歲(范圍35~70歲),兩組間差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001)。良惡性病灶在病灶大小方面的差異有統(tǒng)計學意義[(2.0±1.3)vs(2.5±1.3);P=0.005]。良性病灶中腫塊樣強化的病灶有31個,非腫塊樣強化的病灶有7個;惡性病灶中腫塊樣強化的病灶有33個,非腫塊樣強化的病灶有12個。

所有病例均經組織病理學或粗針穿刺活檢確診,良性病灶共38個,包括腺病11個、纖維腺瘤16個、纖維腺瘤合并導管乳頭狀瘤1個、導管內乳頭狀瘤5個、肉芽腫性小葉性乳腺炎1個、分葉狀腫瘤2個、導管擴張伴炎性反應1個、囊腫伴感染1個。惡性病灶共45個,包括浸潤性導管癌20個、浸潤性導管癌合并導管原位癌13個、導管原位癌9個、浸潤性導管癌合并黏液癌2個、淋巴瘤1個。

2.2 單指數(shù)模型、IVIM模型和DKI模型各參數(shù)值的組內組間一致性評價

DADC值、DDT值、D*值、K值和DDK值的一致性檢驗結果均大于0.75,具有良好的組內組間一致性。但是f值的組間一致性ICC為0.656,視為一般,而組內一致性ICC為0.824,視為良好。

2.3 乳腺良惡性病灶的不同參數(shù)值

惡性病灶中的DADC、DDT和DDK值均明顯低于良性病灶,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001)。良惡性病灶的DADC值分別為(1.44±0.36)×10-3和(0.91±0.14)×10-3mm2/s,DDT值分別為(1.43±0.36)×10-3和(0.88±0.13)×10-3mm2/s,DDK值分別為(1.77±0.43)×10-3和(1.13±0.19)×10-3mm2/s,差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.001,表1)。而惡性病灶的K值明顯高于良性病灶(0.87±0.11 vs 0.61±0.12),差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001);另外D*和f值均在良惡性病灶之間存在較大重疊,差異均無統(tǒng)計學意義(P均 >0.05)。

表1 乳腺良惡性病灶不同模型各參數(shù)特征Tab.1 Characteristics of different parameters of benign and malignant breast lesions(±s)

表1 乳腺良惡性病灶不同模型各參數(shù)特征Tab.1 Characteristics of different parameters of benign and malignant breast lesions(±s)

DADC: Apparent diffusion coefficient; DDT: Tissue diffusivity coefficient; D*: Perfusion-related diffusivity coefficient; f: Perfusion fraction; K: Kurtosis coefficient; DDK: Diffusivity coefficient

Parameters Benign lesions (n=38) Malignant lesions (n=45) P value DWI DADC/×10-3 mm2/s 1.44±0.36 0.91±0.14 <0.001 IVIM DDT/×10-3 mm2/s 1.43±0.36 0.88±0.13 <0.001 D*/×10-3 mm2/s 4.60±2.10 5.38±2.14 >0.050 f/% 8.70±2.90 10.10±3.70 >0.050 DKI K 0.61±0.12 0.87±0.11 <0.001 DDK/×10-3 mm2/s 1.77±0.43 1.13±0.19 <0.001

2.4 3種模型參數(shù)的ROC曲線圖及診斷效能的比較

以病理結果為金標準,計算3種不同DWI模型的參數(shù)診斷乳腺癌的臨界值、靈敏度、特異度及AUC。DKI模型中的參數(shù)K值與IVIM模型中的參數(shù)DDT值的ROC曲線的AUC最高,略高于DADC值和DDK值的AUC(表2,圖1)。當DDT臨界值取≤1.06×10-3mm2/s時,其診斷靈敏度和特異度分別為93.3%和84.2%。當K值臨界值?。?.756時,其診斷靈敏度和特異度分別為91.1%和89.5%。對上述4個參數(shù)的ROC曲線的AUC進行Z檢驗,發(fā)現(xiàn)DADC、DDT、K和DDK值之間的差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)。

表2 3種不同模型參數(shù)的診斷效能的比較Tab.2 Comparison of diagnostic efficiency of three different model parameters

圖1 DADC值、DDT值、K值及DDK值的ROC曲線圖Fig.1 The ROC curves of DADC, DDT, K and DDK values

3 討 論

單指數(shù)模型是臨床應用最廣泛的DWI模型,其掃描要求低,時間短,后處理簡單,在乳腺良惡性病灶的鑒別診斷中具有較高的診斷價值[8,13-14]。一項Meta分析顯示[13],與動態(tài)增強MR相比,DADC值半定量分析可以提高乳腺良惡性病灶鑒別診斷的特異度。理論上僅需2個b值就足夠對曲線進行擬合[15],1.5 T MR乳腺掃描中高b值一般選擇800~1 000 s/mm2,可獲得較好的圖像質量和較高的診斷價值[14]。本研究選擇了50和1 000 s/mm2兩個b值,結果顯示,良惡性病灶的DADC值分別為(1.44±0.36)×10-3和(0.91±0.14)×10-3mm2/s,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001)。若以DADC值≤1.08×10-3mm2/s作為鑒別乳腺良惡性病灶的臨界值,其靈敏度為88.9%,特異度為84.2%,與Marini等[16]的研究結果相符。與IVIM模型和DKI模型相比,雖然DADC的診斷靈敏度較DDT值、K值和DDK值稍低,但這3種不同模型之間的差異均無統(tǒng)計學意義。

在20世紀80年代末,Le Bihan等[9]提出的IVIM模型,通常采用高(>200 s/mm2)、低(≤200 s/mm2)2組b值,使用最小二乘法求得組織灌注信息和擴散運動信息。理論上至少應用4個不同加權的b值(包括b=0 s/mm2),才可獲得D、D*和f參數(shù)值,且b值需在0~200 s/mm2之間時,才可通過算法擬合出灌注相關信息,在乳腺的IVIM研究中,通常b值選擇0~800 s/mm2[17-19]。因此本研究選用了8個b值(0~1 000 s/mm2,包括0 s/mm2),足夠得到以上3個參數(shù)。在b值較低的情況下(b≤200 s/mm2),DADC值受灌注的影響顯著,不能反映真實水分子擴散的程度[9]。而DDT值由于去除了組織灌注的影響,可以更為準確地反映水分子真實擴散信息。本研究結果顯示,體素內不相干運動模型中的3個參數(shù)中,只有DDT值能夠較好地將乳腺良惡性病灶區(qū)分開來。在本研究中,惡性病灶的DDT值明顯低于良性病灶,與國內外的研究結果相符[20-21]。良惡性病灶DDT值分別為(1.43±0.36)×10-3和(0.88±0.13)×1 0-3m m2/ s,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001),若以DDT值≤1.06×10-3mm2/s作為鑒別乳腺良惡性病灶的臨界值,其靈敏度為93.3%,特異度為84.2%,與DADC值相比,雖然兩者參數(shù)臨界值相仿,特異度相同,但DDT值的診斷靈敏度更高(93.3% vs 88.9%)。可能由于DDT值剔除了組織灌注的影響,能夠更加真實地反映組織內水分子擴散情況。Liu等[20]也對IVIM模型在乳腺良惡性病灶的鑒別診斷中進行了相關的研究,其研究結果顯示,DDT值較DADC值的AUC略高,分別為0.952和0.945;良惡性病灶DDT值分別為1.35×10-3和0.85×10-3mm2/s,如果以DDT≤1.06×10-3mm2/s作為鑒別良惡性病灶的臨界值,靈敏度為90%,特異度為92.68%。f值代表的是快速擴散所占的容積分數(shù),但在本研究中,f值的組間一致性一般,在乳腺良惡性病灶中的差異也無統(tǒng)計學意義,與Liu等[20]的研究結果不一致,該研究發(fā)現(xiàn)f值在惡性病灶中明顯升高,在鑒別良惡性病灶中差異也有統(tǒng)計學意義,可能是惡性腫瘤的微循環(huán)灌注血容量增加導致的,其診斷靈敏度和特異度分別為87.5%和53.66%。筆者認為f值可能在不同機器之間的重復性較差,導致此次研究IVIM灌注信息擬合不好。此外,既往在前列腺癌的研究中也發(fā)現(xiàn),f值在前列腺癌和良性前列腺增生之間的差異無統(tǒng)計學意義[22]。D*值是快速擴散系數(shù),主要受到微循環(huán)灌注中毛細血管長度和血流速度的影響,大部分研究結果均顯示,乳腺良惡性病灶的D*值差異無統(tǒng)計學意義[20-21],與本研究結果一致。IVIM的DDT值可除外組織灌注的影響,與單指數(shù)模型相比,可略微提高乳腺疾病診斷的靈敏度。

單指數(shù)模型假定生物組織內水分子擴散呈高斯分布,不同b值下的水分子擴散呈線性衰減,但當b值超過1 000 s/mm2時,水分子擴散信號的衰減開始偏離線性,此時用常規(guī)模型模擬水分子的信號衰減存在較大誤差。DKI模型則是用來探測非高斯分布水分子的擴散特性,可以量化偏離高斯模型的偏差值。理論上DKI模型至少需要3個b值才能擬合,臨床研究中乳腺癌的DKI掃描方法也是多種多樣的[23-25],但目前尚無推薦的掃描方案。有研究認為,DKI模型的最大b值至少需要>2 000 s/mm2,但不能超過3 000 s/mm2[26]。因此,在本研究中,b值選擇0、1 000、1 500、2 000和2 500 s/mm2。由于b值越高會導致圖像信噪比明顯下降,圖像變形越來越嚴重,故本次研究使用RS-EPI,相比于SS-EPI,可明顯減少圖像幾何變形及磁敏感偽影,進一步精確地劃定ROI的范圍[27],但是掃描時間相對更長,相當于單指數(shù)模型的2~3倍。

本研究結果顯示,K值和DDK值在鑒別乳腺良惡性病灶中均有較高的診斷價值。其中K值的診斷效能最高,惡性病灶在DDK圖上呈明顯低信號,而在K圖上呈明顯高信號,這與Nogueira等[25]的觀察結果一致。K值是DKI中最具代表性的參數(shù),是一個無量綱參數(shù),主要反映細胞結構復雜的程度,ROI內組織結構復雜程度越高,則K值也越高,表明非高斯分布擴散受限越顯著。以往研究表明,DKI能提高對惡性病灶的靈敏度和特異度,可定量分析水分子擴散受限情況和組織復雜度[11,24,26,28]。從病理學角度上講,惡性腫瘤破壞正常腺體結構,細胞密度增大,核漿比增大,細胞間隙縮小,正常腺體內部腺泡、導管及間質結構出現(xiàn)紊亂,細胞呈不均勻生長,導致結構相對復雜[29]。DDK值代表水分子擴散相關系數(shù),是修正的DADC值,反映水分子的擴散程度,其診斷效能與DADC值相似,但DDK值比DADC值大,這可能歸因于2種不同模型的不同本質。本研究中K值和DDK值的診斷能力與Sun等[24]的研究相比略低,差異可能主要與良惡性病灶的不同病理分布及所選病灶大小有關,在其研究中,惡性病灶主要以浸潤性乳腺癌為主,占所有惡性病灶的91.2%(52/57),并且病灶體積偏大,最小的ROI面積為98 mm2,而在本研究中,單純浸潤性乳腺癌所占比例較少,僅為44.4%(20/45),最小ROI約40 mm2。綜上所述,DKI的各參數(shù)在乳腺良惡性病灶的鑒別診斷中均有較高的診斷靈敏度和特異度,但掃描時間相對較長。

本研究存在一定的局限性:① 本次研究的樣本量相對較少,需要在今后的研究工作中進一步增加病例數(shù);② IVIM的數(shù)據(jù)偏移較大,得到的結論與其他類似研究有一定差距;③ 為了達到較好的圖像質量,DKI掃描方案中采用了較多高b值,并增加了激勵次數(shù),導致掃描時間相對較長,下一步如果要應用到臨床,還需要對b值進行優(yōu)化。

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