小视野体素不相干运动扩散加权成像技术在直肠癌诊断中的应用评价

张军，马延，孙晶，祁丽，罗松，郑玲，张龙江

结直肠癌是消化道常见的恶性肿瘤，占消化道恶性肿瘤的第二位[1]。早期发现、早期诊断以及准确的术前评估可以明显的提高患者的生存率和改善生活质量。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是目前直肠癌诊断和术前分期的主要影像检查手段，其中磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)不需注射对比剂、可以无创地反映人体组织内水分子微观扩散运动，是MRI评估直肠癌常用的序列之一[2-3]。

目前直肠MRI常用的DWI序列是单次激发平面回波成像序列(single-shot echo-planar imaging，ssEPI)，该序列易产生磁敏感伪影、图像易发生几何变形、空间分辨力较低。小视野扩散加权成像(reduced field of view diffusion weighted imaging，rFOV DWI)方法消除了化学位移伪影，提高图像的空间分辨力，有利于微小病变的检出[4]。传统DWI受毛细血管内微循环灌注因素的影响，未能准确反映水分子的真实扩散水平。体素内不相干运动扩散加权成像(intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging，IVIM-DWI)是基于传统DWI衍生出来的一项相对较新的技术，可将水分子的扩散和血流微循环灌注分离出来并量化比较，可同时获得组织扩散和灌注信息，以评估良恶性肿瘤、不同组织学类型以及不同病理级别肿瘤的扩散灌注情况，从而有助于恶性肿瘤的定性诊断和鉴别诊断[5]。

目前尚未见小视野体素不相干运动扩散加权成像(the reduced field of view intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging，rFOV IVIM-DWI)序列在直肠癌中的应用报道。本研究对比了小视野与常规视野体素不相干运动扩散加权成像(full field of view intravoxel incoherent motion，fFOV IVIM-DWI)图像质量及主要定量参数在直肠癌中的应用价值。

材料与方法

1.临床资料

收集2019年10月-2020年12月经病理证实的直肠癌患者28例，其中男18例，女10例，平均年龄(62±2)岁。所有病例均行直肠常规MR检查、rFOV IVIM-DWI、fFOV IVIM-DWI以及动态增强检查。纳入标准：①经病理证实的直肠癌患者；②检查前未接受放疗、化疗等辅助治疗；③病变未累及直肠全段；④所有患者无盆腔手术史及MRI检查的禁忌证。

2.成像序列及参数

MR检查采用GE Discovery MR750 3.0T超导磁共振仪，腹部32通道相控阵线圈。检查前两小时对患者进行灌肠准备，清除直肠内容物，防止产生伪影干扰图像质量。检查前10分钟肌肉注射山莨菪碱以减少肠道蠕动。常规序列包括：横轴面T2WI、大视野横轴面T1WI扫描、矢状面T2WI以及动态增强序列，rFOV IVIM-DWI序列(矩阵240×96，FOV 24 cm×9.6 cm，TR 6000 ms，TE Minimum)及常规IVIM-DWI序列(矩阵240×240，FOV 24 cm×24 cm，TR 6000 ms，TE Minimum)，b值为0、50、100、200、500、800、1000 s/mm2，扫描层厚4 mm，层间距1 mm，层数30。

3.图像处理及数据分析

图像的评价由2位具有10年以上工作经验的影像医师在不提供任何临床及磁共振扫描信息的情况下独立评估。DWI图像(b=1000 s/mm2)变形分数评分为4个等级[5]：1分代表图像变形很严重，不能进行临床诊断；2分代表边缘区域广泛变形或非病变区域有严重伪影，可以进行一定临床诊断；3分代表边缘轻微变形，不影响影像诊断；4分代表无变形，图像质量很好。DWI图像病灶及正常直肠肠壁及直肠系膜显示的清晰程度的评分：1分代表肿瘤呈稍高信号；2分代表肿瘤呈高信号；3分代表肿瘤呈明显高信号；4分代表肿瘤与正常组织有明确的边界。ADC图像病灶显示清晰程度的评分：1分代表肿瘤呈稍低信号；2分代表肿瘤呈低信号；3分代表肿瘤呈明显低信号；4分代表肿瘤与周边正常组织有明确的边界。

采用IVIM双指数模型后处理得出相应的ADC图、D图、D*图、f图(图1)。由2名放射医师共同协商，选取直肠肿瘤区域最大的3个层面，将ROI放置在肿瘤区域相对应的ADC图上信号减低区域。ROI的大小为60～79 mm2。所有患者的ROI由同一名放射医师确定以避免误差，ROI的确定应避开血管、出血、坏死及钙化等区域以减少定量值计算的误差，必要时可以结合T1WI、T2WI图像和增强扫描图像以保证位置的准确。肿瘤区域及正常直肠壁测量均进行3次，取其平均值(图1a、c)；同时记录两个IVIM-DWI序列(b=1000 s/mm2)直肠癌病灶与同侧臀大肌的信号强度值及其信号值标准差值(standard deviation，SD)，并通过上述公式计算直肠癌病灶的SNR及相对于臀大肌的CNR值。

图1 男，49岁，直肠腺癌，rFOV IVIM-DWI图像变形小，伪影少，病灶显示更清楚。a、b)fFOV IVIM-DWI图像；b)fFOV IVIM对应的ADC图像；c)rFOV IVIM-DWI图像；d)rFOV IVIM对应的ADC图像；e)肠镜可见肿块环管腔1/2周，表面坏死糜烂，质脆易出血；f)病理示直肠腺癌(HE，×100)。

4.统计学分析

结 果

1.IVIM-DWI图像变形分数、病灶清晰程度的主观评价及信噪比和对比噪声比的客观评价比较

对于rFOV IVIM-DWI序列上扩散图像变形分数(k=0.868)、DWI图像病灶及正常直肠肠壁及直肠系膜显示的清晰程度(k=0.914)及ADC图像病灶显示的清晰程度(k=0.909)，两位放射医师的评分一致性很好；fFOV IVIM-DWI序列的DWI图像变形分数(k=0.909)、直肠癌病灶及正常直肠肠壁及直肠系膜显示的清晰程度(k=0.715)及ADC图病灶显示的清晰程度(k=0.734)，两位放射医师的评分一致性很好或好。rFOV DWI图像及fFOV DWI图像的主观评分比较：rFOV DWI序列的DWI图像变形分数得分明显高于fFOV DWI序列(P<0.001)，rFOV DWI图像及ADC图像病灶显示清晰程度明显高于fFOV DWI序列(P≤0.001)，见表1、图1。rFOV DWI图像及fFOV DWI图像的客观评价：两个序列图像的SNR之间差异具有明显统计学意义(rFOV 8.62±3.57，fFOV 6.65±2.63，P=0.006)，两个序列图像的 CNR之间差异同样具有统计学意义(rFOV 4.41±1.86，fFOV 3.56±1.45，P=0.025)，见表2。

表1 IVIM-DWI图像的变形分数及病灶显示清晰程度的主观评价结果

表2 IVIM-DWI的图像信噪比与对比噪声比的客观评价结果

2.不同序列各参数间比较

两个序列测量所得的直肠癌肿瘤区域的平均ADC、D及f值都明显低于正常直肠肠壁的相应数值(P<0.05)；直肠癌肿瘤区域与正常直肠肠壁相比，fFOV IVIM-DWI序列测得的D*值差异没有统计学意义，而rFOV IVIM-DWI序列测得的D*差异有统计学差异，见表3。rFOV IVIM-DWI序列与fFOV IVIM-DWI序列相比，直肠癌肿瘤区域的ADC、D及f值差异无统计学意义(P>0.05)，见表4。

表3 直肠肿瘤与正常直肠壁组织 IVIM-DWI各参数结果对比

表4 直肠癌IVIM各参数结果

3.两种方法的IVIM-DWI序列诊断直肠癌的ROC曲线分析

rFOV IVIM-DWI序列ADC值诊断直肠癌的AUC为0.947(95% CI：0.852，0.989)，临界点取1.34×10-3mm2/s时，敏感度为0.893，特异度为0.964；fFOV IVIM-DWI序列ADC值诊断直肠癌的AUC为0.913(95%CI：0.807～0.972)，临界点取1.21×10-3mm2/s时，敏感度为0.929，特异度为0.75。rFOV IVIM-DWI序列D值诊断直肠癌的AUC为0.918(95%CI：0.814～0.975)，临界值取0.813×10-3mm2/s时，敏感度为0.929，特异度为0.857；fFOV IVIM-DWI序列D值诊断直肠癌的AUC为0.874(95% CI：0.758～0.948)，临界值取1.01×10-3mm2/s时，敏感度为0.679，特异度为0.929。rFOV IVIM-DWI序列f值诊断直肠癌的AUC为0.818(95%CI：0.692～0.909)，临界值取0.307时，敏感度为0.679，特异度为0.893；fFOV IVIM-DWI序列f值诊断直肠癌效能的AUC为0.789(95% CI：0.659～0.887)，临界值取0.288时，敏感度为0.786，特异度为0.893(图2)。三组参数的AUC值差异无统计学意义(P=0.499、0.496、0.733)，两种序列对直肠癌的诊断效能相当。

图2 标准ADC、D、f诊断直肠癌的ROC曲线。a)rFOV IVIM-DWI诊断直肠癌癌的ROC曲线；b)fFOV IVIM-DWI诊断直肠癌的ROC曲线。

讨 论

本研究发现rFOV IVIM-DWI图像的变形分数、显示病灶及周围解剖方面与fFOV IVIM-DWI相比，图像几何变形小、分辨力更高，病灶及解剖结构显示更加清楚。两个序列直肠癌肿瘤区域的平均ADC、D及f值都明显低于正常直肠肠壁，但在诊断效能上rFOV IVIM-DWI中标准ADC的AUC值最大(AUC=0.947)，提示rFOV IVIM-DWI在直肠癌的诊断中有更好的应用价值。

本研究中小视野多b值的扩散加权成像采用了2D选择性激发替代了传统单次激发的平面回波脉冲，180°再聚焦脉冲，同时减小相位编码方向的FOV，进而减少了k空间填充线的数目，在同样的扫描时间内大大提高了图像的空间分辨力，减少了图像伪影[4-5]。此外，采用窄带宽的180°射频脉冲选择性激发，只激发特定扫描层面中水的信号，从而抑制了脂肪信号，进一步消除了化学位移的伪影，提供了更好的解剖细节以及对病灶部位的显示，更有利于微小病灶的检出。主观评分结果显示rFOV DWI图像变形更小，病灶清晰程度更高。这与rFOV DWI减小了图像的FOV，在固定的扫描时间内提高了图像的空间分辨力，同时减少了图像变形和伪影的原理相符合[6-7]。

ADC值综合反映了细胞内外水分子的扩散运动及组织内微循环灌注水平，定量分析不同组织内水分子的扩散水平。组织微循环的血液流动与水分子的自由扩散运动一样也是无规律的运动，即所谓的“假性扩散”。 DWI的信号减低包括了细胞内外水分子的扩散信息和微循环内的血流灌注的信息，所以单指数模型计算出来的ADC值比实际值偏高。Le Bihan等[8]提出IVIM模型(即双指数模型)可将组织内两种水分子的运动区分开，为临床提供更丰富的肿瘤相关信息。其中D值代表单纯的水分子扩散信息，排除了灌注信息，得到的值比单指数模型计算的ADC值更精确。f值表示灌注分数，是由毛细血管和组织信号强度的比值决定的，f值的升高在一定程度上提示肿瘤中具有较丰富的新生血管。D*值反应了组织内毛细血管中血液的不相干运动，受到组织内平均血流速度和平均毛细血管长度影响，不同类别或不同级别的肿瘤的血管生成特点存在差异[9]。

本研究中两个序列直肠癌肿瘤区域的标准ADC值均明显低于正常直肠肠壁，这与以往研究结果一致[10]。fFOV IVIM-DWI序列由于图像变形及各种伪影的存在，致使测得的标准ADC值与真实值有所偏移；而rFOV IVIM-DWI序列由于更高的空间分辨力减少了部分容积效应的影响，测得的标准ADC值更准确。在本研究中两个序列测得的肿瘤区域ADC值差异并无统计学意义，两者的诊断效能相当，这与Kim等[11]在胰腺肿瘤中的研究结果一致。然而有研究也发现rFOV IVIM-DWI和fFOV IVIM-DWI序列得到的肿瘤ADC值差异有统计学意义[12]，这可能是因为组织的标准ADC值强烈依赖于用于成像的b值的选择；另一方面又与信噪比及部分容积效应等因素密切相关。

与ADC值的计算方式相同，本研究中IVIM模型计算得出的肿瘤区域D值均明显低于正常直肠壁的D值，这与刘晓冬等[13]的研究结果相一致。由于D值主要反映水分子的扩散信息，组织细胞越密集，细胞间缝隙越小，其间的水分子运动会受到限制。rFOV IVIM-DWI序列具有更小的图像变形和更高的空间分辨力，可以得到更准确的D值[14]。本文rFOV IVIM-DWI序列所得到的D值比fFOV IVIM-DWI序列较低，但是两者的差异并无统计学意义。

本研究结果中两个序列的肿瘤区域f值低于正常直肠肠壁的值，这与Lu等[15]的研究结果是一致的。肿瘤组织由于血管生成血供丰富，肿瘤区域的f值应高于正常组织的值[16]。本研究与之相反，可能的原因是直肠肿瘤组织细胞密度大，细胞间隙小，导致走行于组织间隙内的微血管受压，灌注水平不高。此外IVIM序列中，灌注信息的稳定性与低于200 s/mm2的b值的个数密切相关，本研究中低于200 s/mm2的b值为4个，关于f值的可重复性研究也报道不一，主要原因也是与不同研究对象和b值选取有关[17]。

本研究结果提示fFOV IVIM-DWI序列的D*在直肠癌和正常直肠壁之间比较差异无统计学意义，而rFOV IVIM-DWI序列的D*在直肠癌和正常直肠壁之间比较差异有统计学意义，这可能是由于D*更多的是反映病变区血流速度信息，其值高低与直肠癌患者的病理类型、病理分期密切有关[18]。此外，D*值受信噪比影响大，同时D*值的伪彩图中有较多的体素点为假的高值，这些误差有时不可避免，因此不同研究方法测得的D*值差异较大。

本文中采用ROC曲线分析具有统计学差异的IVIM模型的参数，rFOV IVIM-DWI序列ADC值、D值及f值的AUC高于fFOV IVIM-DWI，但是差异没有统计学意义，两者对直肠癌的诊断效能相当。但是由于rFOV IVIM-DWI消除了绝大多数的磁敏感伪影，减小了图像的几何变形及部分容积效应提高了图像质量，更利于临床疾病的诊断；定量方面可以更加准确的反映直肠癌扩散运动受限的程度及组织内微循环灌注水平[19]。

本研究尚存在一定不足之处：病例数尚较少，未进行直肠癌不同病理类型及不同分期病变各参数值对比分析。b值越多，参数评估越稳定，但考虑到扫描时间的关系，结合文献报道本研究采用了7个b值，在未来的研究中，需要在rFOV IVIM-DWI序列中应用更多b值以更好地评估IVIM所得的参数结果。

综上所述，与fFOV IVIM-DWI相比，rFOV IVIM-DWI序列能有效减少图像的变形及伪影，图像具有更高的信噪比和对比噪声比，两者对直肠癌的诊断效能相当，因此rFOV IVIM-DWI序列为直肠癌的诊断提供了一种更加有效的方法。