弥散张量成像纤维示踪技术联合T2WI诊断前列腺癌外周带包膜外侵犯的价值

贾通宇，常 骁，张晓晶，庞月文，宋 涛解放军总医院第一医学中心 泌尿外科，北京 0085；解放军总医院第一医学中心 放射科，北京 0085；北京中医药大学东直门医院，北京 00007

前列腺癌根治性切除术已成为局限性前列腺癌的最常见治疗手段，在达到肿瘤切除这一目标的同时，勃起功能及尿控的保留也十分重要。而环绕在前列腺周围的呈网状结构的神经束，尤其是位于外周带与直肠组成的夹角区域[经典的前列腺周围血管神经束(neurovascular bundle，NVB)结构]，包含了控制阴茎海绵体勃起的副交感神经[1]。各种保留前列腺周围NVB的术式能够显著提高术后勃起功能的恢复，而是否选择保留前列腺周围NVB术式则取决于前列腺癌是否有包膜外侵犯(extra-capsular extension，ECE)[2-3]。由于前列腺癌大多位于外周带，且前列腺周围神经束也主要分布于前列腺外周带、直肠与耻骨直肠肌形成的三角区域内，故术前对于外周带ECE的诊断将直接影响患者的治疗及预后[4-5]。目前，前列腺癌外周带ECE的诊断主要依靠T2WI序列的形态学指标，即外周带肿瘤与包膜的关系[6-7]。在经验丰富的影像科医生阅片的情况下会有较高的特异性，但敏感度偏低，且不同水平医生间的诊断一致性较低[8]。随着MRI技术的发展，出现了很多功能影像学技术，如弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技术，DTI能够反映水分子在三维空间内的弥散状况，可3D重建神经纤维的走行，是目前唯一能无创显示大脑白质纤维走行的技术[9]。DTI也被用于显示前列腺周围神经束并获得了良好的三维图像[10-11]。已有研究证实，在中枢及外周神经系统中，肿瘤侵犯神经纤维会使DTI参数发生改变，因此其可以用于术前预测及手术规划[12-13]，并且有研究表明DTI参数对前列腺癌ECE有诊断价值[14]。本研究联合T2WI的形态学指标与DTI的功能学指标，以前列腺癌病理大切片为金标准，评估其预测前列腺癌外周带ECE的价值。

对象和方法

1 研究对象 2018年12月- 2019年8月连续纳入在解放军总医院第一医学中心就诊的前列腺癌患者。纳入标准：前列腺穿刺阳性的局限性前列腺癌。排除标准：术前内分泌治疗；MRI绝对禁忌证或拒绝签署知情同意书；前列腺穿刺术后出血；前列腺癌发生转移。本研究共纳入17例患者，平均年龄65.41岁。见表1。

表1 17例患者临床资料Tab.1 Baseline data of 17 patients

2 术前MRI检查 患者签署知情同意书后行3.0T MRI检查及DTI序列。检查前适度充盈膀胱。采用3.0T MR单元(美国GE Discovery 750型)以及32通道腹部线圈扫描。MRI常规行横断面、冠状面、矢状面和轴面FR FSE T2WI扫描，TR 6 627.00 ms，TE 115.1 ms，FOV 200 mm×200 mm，矩 阵288×288，层厚3 mm。三维DTI行轴面自旋平面回波成像序列扫描，TR 3 000.00 ms，FOV 180 mm×180 mm，矩阵130×128，b=0、800 s/mm2，扫描中心、层厚和间距与T2WI相同。术前DTI与RP平均间隔为8(1 ～ 80) d，术前DTI与穿刺平均间隔为31(17 ～ 45) d。

3 手术及病理大切片 患者常规行机器人辅助前列腺癌根治性切除术，行保留神经术式11/17(64.7%)，盆腔淋巴结清扫11/17(64.7%)。前列腺病理大切片制作参考文献[15-16]报道的方式：将前列腺标本置于甲醛溶液固定24 h以上，在垂直于尿道的方向做冠状切面(厚度3 ～ 4 mm)，将据膀胱颈口3 mm、前列腺中部、据尿道口3 mm三个层面做大切片处理，这三个平面分别代表了前列腺尖部、中部、基底部。切片做HE染色。将准备做大切片组织置于全封闭自动组织脱水机中脱水，后置于大切片包埋盒包埋。采用轮转式切片机(leica 2235)进行切片，用定制的7.5 cm×5.5 cm载玻片漂片，常规HE染色。由1名工作20年的病理科医生进行评估。

4 图像分析 为了与术后病理大切片平面相匹配，首先使用3D Slicer软件(v.4.10.0)的Transforms模块将待评估影像平面与尿道垂直。1)T2WI的形态学评估：由1名工作超过10年的影像科医生在不知道病理结果的情况下应用PI-RADS v2系统评估前列腺癌外周带ECE，同时应用患者其他序列(包括DWI、DCE等)判断癌灶。影像科医生根据PI-RADS评分分别在据膀胱颈口3 mm、前列腺中部、据尿道口3 mm三个层面(与病理大切片相对应)对双侧外周带EPE情况进行分级：1分，肿瘤与前列腺包膜有清楚界限；2分，肿瘤临近包膜但未使其变形；3分，肿瘤紧贴包膜并使包膜不规则；4分，肿瘤凸出，使包膜变形或消失；5分，明显包膜外侵犯。分数≥3分被认定为有包膜外侵犯[6]。2)DTI的功能学评估：同1名医生应用3D Slicer软件及纤维束示踪算法对前列腺外周带包膜外组织DTI序列作纤维束成像。参考文献[13，17]报道的软件设定值：角度阈值45°，各向异性分数(fractional anisotropy，FA)阈值0.15，最小纤维长度阈值5 mm。具体方法：首先将DTI图像与T2WI图像融合。在融合图像上，与T2WI和病理大切片对应的三个层面，分别绘制左右侧外周带包膜外组织的兴趣区(region of interest，ROI)(图1A)，用软件对ROI进行重建，并计算区域内纤维数量、纤维密度、ROI的平均FA及平均弥散率(mean diffusivity，MD)(图1B)。

图 1 前列腺癌T2WI和DTI融合图像上绘制双侧外周带ROI (A)及纤维示踪(B)Fig.1 Delineating bilateral peripheral zone ROI in a prostate cancer T2WI/DTI on hybrid image (A) and tractographic reconstruction (B)

5 统计学方法 采用SPSS19.0软件进行基本的诊断数据计算及ROC曲线绘制。计算PI-RADS评分诊断前列腺癌外周带ECE的敏感度、特异性、阳性预测值(positive predictive value，PPV)、阴性预测值(negative predictive value，NPV)。绘制DTI四个参数(纤维数量、纤维密度、平均FA和平均弥散率诊断前列腺癌外周带ECE的ROC曲线，得出具有诊断价值的参数并计算cut-off值。将这些参数的cut-off值联合T2WI诊断外周带ECE的敏感度、特异性、PPV、NPV。采用R语言统计模块(http：//www.R-project.org)及EmpowerStats软件进行logistic回归预测模型的计算，将上述得到的参数与PI-RADS评分纳入logistic模型，得出方程，绘制ROC曲线，评估其诊断效能。

结 果

1 病理大切片 17例患者共得到51个前列腺大切片，左右等分后得到102个研究对象，其中前列腺外周带ECE为16个(15.8%)。

2 PI-RADS评分诊断ECE 在102侧前列腺外周带中，PI-RADS评分≥3分有23个(22.6%)，这部分被认为有外周带ECE。诊断敏感度为69%，特异性为86%，PPV为48%，NPV为94%(表2)。

表2 T2WI诊断前列腺癌外周带ECE的PI-RADS评分及敏感度、特异性、PPV和NPVTab.2 PI-RADS score of peripheral zone ECE of prostatic cancer based on T2WI images and its sensitivity,specificity,PPV,NPV

3 DTI参数诊断 ECE以病理大切片诊断外周带ECE组为阳性样本(n=16)，以病理大切片诊断外周带ECE组为阴性样本(n=86)，再将DTI四个参数FA、MD、纤维密度、纤维数量水平划分成7 ～ 10个组段，建立ROC曲线诊断分析模型。经ROC分析知，FA、MD、纤维密度、纤维数量的AUC值分别为0.805、0.664、0.576和0.580，FA值具有较高的对前列腺癌外周带ECE的预测价值，ROCAUC在0.70以上(cut-off值为0.301)。在其理论阈值点处，敏感度和特异性为94%和74%，ROC分析曲线见图2。

图 2 DTI参数诊断外周带ECE的ROC曲线Fig.2 ROC curves of DTI parameters in determining the peripheral zone ECE

图 3 T2WI和DTI评估前列腺癌右侧外周带ECE A：病理大切片显示右侧外周带ECE(箭头区域为右侧外周带ECE区域，右下角图像为放大图像，可见肿瘤组织侵出前列腺包膜)；B：PIRADS评分为2分,未能诊断出右侧外周带ECE； C：DTI与T2WI融合图像上绘制ROI； D：纤维束重建后得到FA= 0.265，小于0.301，考虑右侧外周带ECE，与病理金标准结果一致Fig.3 T2WI and DTI in assessment of right peripheral zone ECE of prostate cancer A:Pathological section shows right peripheral zone ECE (The arrow points the region of ECE,which is demonstrated by high magnification on the bottom right corner)； B:The PI-RADS score is 2 points,which doesn't indicate ECE； C:Delineating of ROI in the T2WI/DTI hybrid image；D:The FA is 0.265 and less than 0.301,which is in line with the pathological result

4 DTI参数与T2WI联合诊断ECE 利用FA的cut-off值与PI-RADS评分并联诊断ECE的敏感度为100%，特异性60%，PPV为100%，NPV为93%。在T2WI形态学指标基础上，联合DTI参数的cut-off值使得敏感度从69%升高至100%，但使特异性下降，从86%下降至60%。两者联合能诊断出更多的前列腺癌外周带ECE(图3)。

5 预测模型 模型设计：建立非条件logistic回归预测模型，以本研究资料为样本，以病理学金标准为应变量，赋值1=前列腺癌外周带ECE阳性，0=前列腺癌外周带ECE阴性。以PI-RADS评分、FA值为自变量。模型策略：考虑到样本量尤其是阳性样本量较少，本研究主要目的是评估DTI指标与T2WI序列联合对前列腺癌外周带ECE的诊断价值，故将影响作用已知的年龄、PSA、Gleason评分等指标剔除，不纳入回归。回归过程采用逐步后退法，以进行自变量的选择和剔除，设定α剔除=0.10，α入选=0.05。AUC可信区间与显著性检验采用非参数的重复采样方法(Bootstrap resampling times=500)，最佳阈值取敏感度+特异性最大的分界值。预测模型：logit(病理)=3.376+1.553*PI.RADS-28.711*MEANFA。模型的诊断效能：敏感度为88%，特异性为90%，PPV为61%，NPV为97%，ROC曲线下面积为0.932(图4)。在T2WI形态学指标基础上，我们的预测模型使得敏感度及特异性均升高，分别从69%和86%提高至88%和90%，准确度为89%。

图 4 PI-RADS评分、 FA联合诊断前列腺癌外周带ECE的logistic回归模型的ROC曲线Fig.4 ROC curve of logistic regression model for assessing peripheral zone extra-capsular extension of prostate cancer by the combination of PI-RADS score and FA

讨 论

在局限性前列腺癌中，有无ECE至关重要，前列腺癌伴ECE往往提示预后较差，且术前ECE的诊断也会影响手术方式的选择(是否保留盆内脏神经)。而肿瘤多数发生于外周带，控制阴茎海绵体勃起的神经束也主要分布于前列腺癌外周带、直肠及耻骨直肠肌构成的区域内，即经典的NVB概念[1]。目前，术前对于前列腺癌外周带ECE诊断主要依靠T2WI的形态学指标，诊断的准确度与医生的经验有关[6]。随着功能性影像技术的出现，前列腺癌的诊断有了提升，但对于ECE的诊断依然不理想。DTI作为一种无创MRI技术，有两个反映组织本身性质的参数—FA和MD。FA代表了水分子弥散的程度大小，接近于1的组织是有方向性、规则性的组织，如神经白质纤维；MD表示水分子弥散大小，反映三维空间组织的弥散状况，与方向没有关系，MD越大，组织内的自由水分子含量越高[12]。前列腺癌外周带、直肠和耻骨直肠肌构成的软组织区域由神经束、血管及脂肪构成，而外周带肿瘤的侵犯可能会改变这部分组织的空间结构。已有研究证实，在中枢神经系统中，肿瘤侵犯白质纤维会使FA升高、MD减低[13]。基于此，我们假设DTI的参数也可能会反映前列腺外周带包膜外组织受到肿瘤侵犯。

本研究采用前列腺病理学大切片作为金标准，可以与MRI平面作1∶1精准对照，可提高研究结果的可靠性[16]。利用PI-RADS评分诊断前列腺癌外周带ECE，我们得到的特异性较高，敏感度较低，类似于以往文献结论[6]。在DTI定量分析阶段，我们主要计算了四个参数：FA、MD、纤维数量和纤维密度。由于DTI的其他参数，如相对各向异性、容积比指数和垂直弥散率等与这四个参数类似，故没有做额外计算。在描绘左右侧外周带包膜外组织ROI后，我们利用3D Slicer软件计算了感兴趣区内的FA和MD均值，这优于以往采用三点取值或随机选点的研究[14]。在研究对象的选择方面，为了发挥病理大切片可与MRI平面配对的优势，本研究没有以患者为单位，而是以每个平面的单侧包膜外组织为单位。在DTI参数定量分析阶段，本研究得出的敏感度较高，但特异性较低。我们分析特异性较低的原因可能是一些前列腺炎或穿刺后导致的炎症等也会使包膜外组织结构发生改变，从而影像DTI参数。当DTI参数的cut-off值联合T2WI时，使其敏感度增加，但特异性有所降低。为了完全发挥DTI高敏感度、T2WI高特异性的优势，本研究又作了线性回归预测模型，得到了更好的结果。

本研究的主要局限性：1)PI-RADS评分与DTI后处理中ROI描绘都依赖医生经验，本研究缺乏重复性试验，结果也需要进一步的大样本验证。2)尽管利用3D Slicer软件对MRI进行了处理，使扫描平面与病理切片匹配，但会有手术破坏前列腺组织以及组织脱水体积改变的情况存在，故无法做到和病理大切片完全匹配。3)本研究预测模型仅以FA和PI-RADS评分为参数，没有纳入血清前列腺特异性抗原、前列腺穿刺等，进一步纳入这些参数也许能得出更好的预测模型。

综上所述，我们的研究结果证实DTI序列及纤维束示踪技术诊断前列腺癌外周带ECE的敏感度较高。DTI功能学指标的高敏感度与T2-WI形态学指标的高特异度可以优势互补，两者结合是一种术前无创评估前列腺癌外周带ECE的方式。