DWI单指数和双指数模型在肺癌与肺炎鉴别诊断中的应用价值

耿广 侯桂英 李臻 吴新娟 郭海荣 康若琛 李雯 纪俊雨 张莹 孙梅花

随着我国肺癌发病率的不断升高，对于肺癌的早期发现与诊断成为研究热点[1,2]。MRI检查中的弥散加权成像(DWI)序列，作为现今惟一可在活体检测水分子弥散运动的检查方法，近年来受到越来越多的关注[3,4]。很多学者将DWI检查应用于肺部良恶性病变的鉴别诊断[5-7]，而笔者所见有关肺癌与肺炎鉴别诊断的DWI研究却鲜有报道。本研究拟评价单指数与IVIM模型DWI在肺癌与肺炎鉴别诊断中的应用价值，以期提高放疗靶区定位的准确度和肺穿活检的阳性率，报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2018年4月至2019年4月就诊于我院的肺癌与肺炎患者，最终纳入53例患者，其中男41例，女12例；年龄19～72岁，平均年龄(57.5±12.5)岁。按照病理类型分为肺癌组与肺炎组，其中肺癌组共28例，包括腺癌12例，鳞癌6例，小细胞癌7例，其他3例。肺炎组共25例，7例有明确病理结果(支气管镜或肺穿活检)，余18例经抗炎治疗后1个月内病变明显吸收。

1.2 纳入与排除标准

1.2.1 纳入标准：①CT显示病变包含直径>3 cm的实性区域(团块或实变)；②所有患者在治疗前接受肺部MRI检查；③肺癌患者有明确病理结果(经肺穿、支气管镜或手术)，肺炎患者需经临床确诊且1个月内复查CT病变明显吸收。

1.2.2 排除标准：①年龄较大或病情较重不能耐受MRI检查者；②肺部MRI检查图像有较多运动或磁敏感伪影，影响数据测量者。

1.3 仪器与方法 采用我院1.5T 磁共振扫描仪(Magnetom avanto,Siemens healthcare,Germany)进行肺部MRI检查，使用体部8通道表面线圈。在一次检查中完成T1WI、T2WI与DWI扫描。T1WI与T2WI采取吸气末屏气扫描，T1WI扫描参数：TR 189 ms，TE 9 ms，FOV 33 cm，矩阵256×256，层厚4 mm，层间隔1.5 mm；T2WI扫描参数：TR2 200 ms，TE 90 ms，FOV 33 cm，矩阵320×320，层厚4 mm，层间隔1.5 mm。DWI采用单次激发自旋回波-平面回波成像序列(spin echo-echo planar imaging,SE-EPI),在自由呼吸状态下由导航回波法的呼吸触发采集图像。b值分别取0、25、50、100、150、200、400、600、800和1 000 s/mm2，TR 4 000 ms，TE 48.9 ms，FOV 33 cm，矩阵128×128，层厚4 mm，层间隔1.5 mm。

1.4 图像分析与测量 将所有患者的DWI图像以DICOM格式从西门子后处理工作站导出至个人电脑，用FireVoxel软件(纽约大学，NY，USA)进行图像分析。参考T1WI与T2WI图像，在各b值的DWI图像中选取3个连续的病变最大横截面，手工勾画ROI，范围尽可能包含病变实性成分，且不包括坏死、囊变、出血区。首先以单指数模型对b=0 s/mm2和1 000 s/mm2图像进行计算，得到ADC值，公式为：S(b)=S0exp(-bADC)。再以IVIM模型(体素内不相干运动模型，或双指数模型)对所有b值的DWI图像进行计算，得到纯扩散系数D，灌注相关扩散系数D*和灌注分数f，公式为：S(b)/S0=(1-f)exp(-bD)+fexp[-b(D+D*)]，其中S(b)为该b值DWI图像的信号强度，S0为b=0s/mm2时的信号强度。两种模型测量中ROI区域的勾画尽量保持一致，ROI区域的勾画与测量由2名放射科医师(分别有8、10年MRI诊断经验)协商完成，测量3次取平均值。

2 结果

2.1 肺癌与肺炎组间各参数比较 肺癌组的ADC值与D值均低于肺炎组(P<0.05)；肺癌与肺炎组间D*值与f值差异均无统计学意义(P>0.05)。见表1。

表1 肺癌与肺炎组间单指数与双指数模型相关参数比较

2.2 各肺癌亚型组间参数比较 ADC值、D值、D*值与f值在腺癌、鳞癌、小细胞癌与其他组间差异均无统计学意义(P>0.05)。见表2。

表2 各肺癌亚型间参数比较

2.3 ADC值与D值诊断效能比较 当ADC值阈值为1.44×10-3mm2/s时，其在肺癌与肺炎组间鉴别诊断的敏感性为75.0%，特异度为76.0%，准确度为75.4%，ROC曲线下面积(AUC)为0.760；当D值阈值为1.23×10-3mm2/s时，其在肺癌与肺炎组间鉴别诊断的敏感性为75.0%，特异度为92.0%，准确度为88.0%，AUC为0.880，D值在肺癌与肺炎组间鉴别诊断效能高于ADC值。见表3，图1。

表3 单指数与双指数模型相关参数诊断效能比较

图1 ADC与D值的ROC曲线

3 讨论

肺癌是我国现今发病率、病死率第一的恶性肿瘤[8]，对肺癌的早期诊断及个体化精准治疗日益成为研究热点。影像学在肺癌的诊治中发挥着不可替代的重要作用，近年来MRI技术发展迅速，磁场梯度的增高及单次激发平面回波成像(EPI)等快速扫描序列的引入使得MRI的检查时间不断缩短，图像质量不断提高，从而使肺部MRI成为可能。肺癌，尤其是中心型肺癌常导致支气管管腔的狭窄、闭塞，并伴有远端的阻塞性肺炎，二者在CT上难以区分，对肺癌放疗定位中靶区的勾画及肺部穿刺活检中的定位均造成一定困扰，可导致放疗靶区范围过大及穿刺活检的假阴性结果。如能在MRI尤其是DWI图像中准确划分肺癌与肺炎的范围和边界，将显著提高放疗靶区定位的准确度和肺穿活检的阳性率。

IVIM模型(体素内不相干运动模型，或双指数模型)综合考虑了水分子的弥散与毛细血管内微循环灌注两种过程，其使用双指数曲线拟合得到纯扩散系数D值、灌注相关扩散系数D*值及灌注分数f值，可将水分子扩散与毛细血管微循环灌注区别开来，有助于反映病变的真实扩散情况[9]。当b值较低时，微循环灌注在ADC值中所占的比例较大，随着b值的不断加大，微循环灌注所占比例逐渐减小，当灌注对扩散信号的影响可以忽略不计时，ADC值主要反映组织中真实的水分子扩散。与高b值相比，低b值时测量的稳定性和可重复性较差，有学者建议取多个低b值以降低测量误差和提高信噪比[10]。故本研究取10个b值，其中6个b值≤200 mm2/s，以保证测量的准确性和可重复性。

DWI的扫描方式包括屏气扫描，呼吸门控触发扫描和自由呼吸扫描三种。而自由呼吸扫描患者耐受性更高，且有多项研究已证明，自由呼吸法在体部DWI检查中的可用性[7,11,12]。故本研究采用自由呼吸法进行DWI检查，得到的图像信噪比可以满足诊断要求。

本研究得出，肺癌组的ADC值与D值均低于肺炎组(P<0.05)，且在肺癌与肺炎的鉴别中，D值的诊断效能要高于ADC值(AUC分别为0.884和0.760)。有研究得到类似结果，如王晓华等[13]利用体素内不相干运动模型(IVIM)来鉴别肺部良恶性病变，发现肺部恶性病变的D值要明显低于肺部良性病变。周舒畅等[14]同时以单指数模型与IVIM模型研究肺结节性质，得出肺部恶性结节的standard ADC值(ADC值)与slow ADC 值(D值)均显著低于肺部良性结节，当联合应用standard ADC值与slow ADC 值诊断肺结节时，其诊断效能最高，灵敏度、特异度与准确度分别为：97.4%、75.0%和92.2%；fast ADC值(D*值)变异度较大，故诊断价值有限，而良恶性结节间F值(f值)差异无统计学意义(P>0.05)。

本研究中肺癌组D*值的轻度增高可能与肺癌中不成熟血管的生成有关，其血流速度较快且毛细血管网分布范围、长度较大。但是D*对运动很敏感，所以在自由呼吸状态下D*值噪声增加，测量结果不准确。许多研究指出，因为D*值标准差较大，数据稳定性及可重复性较差，且严重依赖于SNR水平，故现阶段该参数尚不适合应用于临床[13,15,16]。

f值指微循环灌注占组织扩散的比例，主要受微循环灌注血流量的影响。尽管有少数研究(如Deng等[10,17])得出肺部炎性病变(或感染性肉芽肿)的f值要显著高于肺癌,但大多数研究认为肺部良恶性病变间的f值无显著差异，造成这种测量差异的原因尚不明确，可能与各研究中恶性肿瘤ROI的选取方法不同有关，而肺部恶性肿瘤内部血供分布极不均匀，边缘区肿瘤生长活跃、血供丰富；而中心区呈相对缺血缺氧状态，甚至可发生血管坏死。Jiang等[18]专门测量了肺癌IVIM检查中各参数的短期(0.5～1 h)可重复性，得出ADC、D、D*和f值的测量误差分别为:31%、34%、170%和130%，且病变的位置、大小、分布均会影响测量结果。可以看出D*与f值测量误差极大，尚不适合应于应用于临床。

对于不同病理亚型肺癌的IVIM研究较少，彭琴等[19]一项对105例肺癌患者的研究得出，腺癌组的ADC与f值均高于鳞癌组和小细胞组(P<0.05),而鳞癌组和小细胞组间ADC与f值差异无统计学意义(P>0.05)。与腺癌相比，小细胞肺癌与鳞癌肿瘤细胞排列更加紧密，细胞外间隙较小，可能是产生ADC值差异的原因。本研究因纳入肺癌病例较少，肺癌各病理亚型间的各IVIM参数均无显著差异。

本研究的不足：(1)纳入病例数较少，尤其是肺癌病例(28例)，故肺癌亚型组间各参数无统计学差异，该结论尚需较大样本量临床试验进一步验证；(2)b值的选取，目前对于单、双指数模型DWI检查中b值的数量与数值选择尚无统一标准，选择不同的b值可能会影响最终的测量结果；(3)本研究采用自由呼吸法进行肺部DWI检查，有少量邻近膈顶的病变由于呼吸运动幅度较大，导致图像错配，可能导致测量结果的偏差。

DWI单指数模型和IVIM模型可用于肺癌与肺炎的鉴别诊断，其中肺癌组的ADC与D值均显著低于肺炎组，且D值的诊断效能更高；D*和f值因为变异较大，故诊断价值有限。