膀胱癌ss-EPI-、RESOLVE-和iShim-DWI图像质量的对比

王一倩，朱育婷，罗敏

膀胱癌是泌尿系统最常见的恶性肿瘤，根据肿瘤是否侵及固有肌层分为非肌层浸润性和肌层浸润性膀胱癌，前者主要通过经尿道膀胱肿瘤切除术进行治疗，而后者预后差，最有效的治疗方式是根治性膀胱切除术，因此术前评估膀胱癌肌层浸润与否的准确性直接影响患者的治疗和预后[1]。MRI已被广泛用于膀胱癌的诊断和局部分期，其成像质量会影响放射科医师对膀胱癌病灶的检出和肿瘤是否侵犯肌层的判断，因此优化扫描参数以获得良好图像是检测和评估病变的关键。

DWI具有良好的对比度分辨率和反映恶性组织中水分子扩散受限的能力，评估膀胱癌分期的准确性高。目前临床常规DWI序列采用单次激发平面回波成像(single-shot echo-planar imaging,ss-EPI)技术，该序列扫描速度快，但对磁场不均匀特别敏感，极易产生伪影，尤其是磁敏感伪影(通常来自相邻肠道内的气体)[2]，导致图像的几何失真，限制其识别肿瘤侵犯肌层的能力，而且可影响到对小病灶的检出，从而降低诊断准确性[3]。因此，需要改进DWI扫描序列来改善图像质量，提高对膀胱癌的诊断效能，这对于膀胱癌患者选择最佳的治疗策略至关重要。近年来出现了一些新的技术，如采用多次激发分段读出(readout segmentation of long variable echo-trains,RESOLVE)技术的高分辨DWI序列，它可以将k空间轨迹在读出方向上分成多个部分，提高空间分辨率并减少磁化率引起的伪影和T2*模糊[2,4]；另一种采用单层动态匀场(integrated slice-specific dynamic shimming,iShim)技术的DWI序列，在扫描过程中可以实时、逐层的动态优化匀场，减少因场强不均匀导致的图像模糊，从而提高DWI质量[5]。本研究通过是对比分析膀胱癌患者术前3.0T MRI检查中ss-EPI-DWI、RESOLVE-DWI和iShim-DWI的图像质量，旨在探讨iShim-DWI在膀胱癌术前诊断中的应用价值。

材料与方法

本研究方案经本院医学伦理委员会批准(K2020-03-115)。本研究系回顾性分析，无需患者签署知情同意书。

1.临床资料

选取2019年11月-2021年4月在福建省立医院经手术病理证实的膀胱癌患者。纳入标准：①临床资料完整，经病理证实为膀胱癌；②术前行MRI检查，扫描序列包括ss-EPI-DWI、RESOLVE-DWI和iShim-DWI；③MRI检查前未进行任何相关治疗。排除标准：患有严重慢性消耗性疾病、严重泌尿系统合并症或其它原因(如膀胱充盈不佳、盆腔金属假体或植入物伪影等)使患者无法配合MRI检查，图像质量欠佳。

最终纳入97例膀胱癌患者，男86例(88.66%)，女11例(11.34%)，年龄20～88岁，平均(64.12±11.97)岁。其中，58例单发，39例多发，在MRI上共发现224个肿瘤病灶。以肿瘤最大直径1.0 cm为临界值[10,14]，145个病灶的直径≥1.0 cm，中位数为2.2 cm(上、下四分位数间距1.5～3.4 cm)；79个病灶的直径<1.0 cm，中位数为0.6 cm(上、下四分位数间距0.5～0.7 cm)。术后病理结果：尿路上皮癌95例，腺癌和小细胞癌各1例。97例中，共51例有明确的肌层浸润情况的评估结果，其中30例(58.8%)有肌层浸润，21例(41.2%)无肌层浸润；其余46例病理检查仅提示了肿瘤组织的分化程度，故未被纳入3种DWI序列鉴别肿瘤肌层浸润的统计样本中。

2.MRI检查方法

嘱患者于MRI检查前6 h排便，减少肠道气体干扰。检查前40 min排空尿液后，饮水400～800 mL，使膀胱适度充盈。

使用Siemens Magnetom Prisma 3.0T磁共振扫描仪，32通道集成脊柱线圈和18通道体线圈。患者取仰卧位，MR平扫序列包括横轴面、矢状面和冠状面T2WI以及横轴面T1WI、ss-EPI-DWI、RESOLVE-DWI和iShim-DWI，随后行横轴面、矢状面和冠状面DCE-MRI扫描。

DWI扫描均采用并行采集技术GRAPPA(generalized autocalibrating partially parallel acquisitions)，加速因子为2，其它扫描参数如下。

①ss-EPI-DWI： TR 7000 ms，TE 50 ms，视野240 mm×211 mm，矩阵100×88，层厚3.5 mm，层间距0.0 mm，b值为50、600和1200 s/mm2(激励次数分别为2、3、4)，带宽2272 Hz/Px，采集时间3 min 44 s;②RESOLVE-DWI：TR 3210 ms，TE 41 ms，视野240 mm×211 mm，矩阵100×88，层厚3.5 mm，层间距0.0 mm，b值为50、600和1200 s/mm2(激励次数均为1)，带宽2272 Hz/Px，采集时间3 min 22 s；③iShim-DWI：TR 3700 ms，TE 48 ms，视野 240 mm×211 mm，矩阵100×88，层厚3.5 mm，层间距0.0 mm，b值50/600/1200 s/mm2，Average分别为4、8、10，采集带宽2272 Hz/Px，采集时间1 min 31 s。

3.图像分析

将所有图像传输至Siemens Syngo.via后处理工作站，由两位主治及以上放射科医师(分别具有9年和5年腹部影像诊断经验)采用双盲法对97例膀胱癌患者的3种DWI序列的图像质量独立进行定性和定量评估，同时评估肿瘤是否侵犯膀胱固有肌层。分析步骤：随机抽取每例膀胱癌患者3个序列中的任一序列编入第1组，以同样方法抽取另一个序列编入第2组，最后一个序列自动编入第3组，观察者每次仅评估一组图像，每2组图像之间间隔2～4周进行阅片以减少评估之间的相互干扰[6]。

定性分析主要包括图像质量评分和肿瘤对肌层的侵犯情况。首先，使用李克特量表对DWI图像质量进行评估，评分内容包括解剖细节、图像失真、病变显著性、伪影和整体图像质量，每个项目均采用5级评分法[4-12]。①解剖细节：1分=非常差，膀胱轮廓和边缘无法识别；2分=差，膀胱轮廓和边缘模糊；3分=一般，膀胱轮廓较清楚、但边缘模糊；4分=良好，膀胱轮廓清楚、边缘清晰；5分=好，膀胱轮廓光滑锐利。②图像失真：1分=极重度，噪声非常多；2分=重度，噪声多；3分=中度，噪声中等；4分=轻度，噪声少；5分=无，无噪声。③病变显著性：1分=不可识别；2分=轻微的信号差异(与尿液信号相比)；3分=中等信号差异；4分=明显的信号差异；5分=明显的信号差异且病灶边缘清晰。④伪影：1分=极重度，病灶或膀胱严重扭曲；2分=重度，病灶大部分显示不清；3分=中度，病灶小部分显示不清；4分=轻度，不影响病灶；5分=无，病灶显示清晰。⑤整体图像质量：1分=非常差，无法诊断；2分=差，图像很模糊；3分=一般，图像稍模糊；4分=良好，图像较清晰；5分=好，图像清晰。

为了评估观察者组内评分的一致性，每位观察者在首次评分结束后2～3个月内随机抽取每组中1/4的样本进行重新评分[13]。

然后，对肿瘤侵犯肌层的情况进行评估。每位观察者在三组图像中根据膀胱影像报告和数据系统(Vesical Imaging Reporting and DataSystem,VI-RADS)分别评分(1～5分)[14]，对于每个患者，只考虑VI-RADS评分最高的病灶，假设VI-RADS≥3分为临界值来定义肌层浸润性膀胱癌，意见分歧通过共同协商来解决[13]。

图1 患者,男，67岁，膀胱左后壁非浸润性高级别尿路上皮癌。三种DWI序列图像质量主观评价指标(解剖细节、图像失真、病变显著性、伪影和整体图像质量)的评分示例。a)ss-EPI-DWI，显示病灶侵犯肌层，膀胱左、右侧壁及后壁可见伪影(箭)，5项指标的评分依次为3、4、4、3和3分；b)RESOLVE-DWI，疑有病灶侵犯邻近肌层，膀胱右侧壁可见伪影(箭)，5项指标的评分依次为2、4、4、4和3分；c)iShim-DWI，显示病灶未累及肌层(箭)，5项指标的评分依次为4、5、5、5和5分。

定量评估：参考T2WI和DCE-MRI图像，选择病灶最大层面，在iShim-DWI(b=1200 s/mm2)图像上确定病灶的边界并勾画ROI，然后将ROI复制到相同层面、相同位置的ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI及ADC图像上，ROI面积为8～30 mm2，多发膀胱癌患者取最大病灶，ROI勾画时应注意避开肿瘤蒂、坏死、囊变和出血区。测量和记录膀胱癌的信号强度(SIBC)和ADC值、正常膀胱壁(远离病灶处)的信号强度(SIBW)、背景组织(肌肉)信号强度的标准差(SD肌肉)，每个指标每位观察者测量3次取平均值，再取两位观察者测量值的平均值作为最终数据用于后续分析[7,10-11,15]。计算信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)：

(1)

(2)

4.统计学分析

使用SPSS 26.0和MedCalc 20.0软件进行统计分析。定量资料中符合正态分布者采用均值±标准差描述，非正态分布者采用中位数和四分位数间距进行描述。对两位观察者组间和组内评分的一致性采用Kappa检验，Kappa值≤0.20为一致性差； 0.21～0.40为一般；0.41～0.60为中等；0.61～0.80为良好；0.81～1.00为好。三种DWI序列的图像质量的各项定性指标评分(采用观察者组内一致性较高者的评分)的比较采用Friedman M秩和检验，各项定量评价指标值的比较采用单因素方差分析和SNK-q检验。以最终组织病理学检查结果作为参考标准，采用卡方检验和受试者工作特征(ROC)曲线评估3种DWI序列对膀胱癌肌层浸润的诊断效能，计算曲线下面积(AUC)及其95% CI。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.观察者组间和组内评分一致性比较

两位观察者评估三种DWI序列在解剖细节、图像失真、病变显著性、伪影和整体图像质量的中位数基本一致，ss-EPI-DWI的5项指标的得分依次为4、4、5、4和4分，RESOLVE-DWI依次为3、4、4、4和3分，iShim-DWI依次为4、5、5、5和5分，3个序列的总分分别为21、18和24分。两位观察者对三种DWI序列图像质量评分的组间一致性的Kappa检验结果见表1。五项指标的评分结果为良好～好且均具有统计学意义(Kappa均≥0.75，P均<0.001)。

图像质量各项主观评分结果的观察者组内一致性均为好(观察者1的Kappa≥0.87，观察者2的Kappa≥0.83，P均<0.001)。

表1 两位观察者对3个DWI序列图像质量评分的组间一致性

2.图像质量定性分析

三个DWI序列图像质量的5项定性指标的评分及其组间比较结果见表2。在解剖细节和病变显著性方面，iShim-DWI与ss-EPI-DWI评分的差异均无统计学意义(P>0.05)，但两者的评分均高于RESOLVE-DWI(P<0.001)。其它3个指标，iShim-DWI的评分均高于ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI，差异均具有统计学意义(P<0.001)。IShim-DWI的5项指标的总分高于ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI(图1)，差异均具有统计学意义(P<0.001)。

3.图像质量的定量评估

三种DWI序列图像质量的定量评价及其组间比较结果见表3。膀胱癌的SNR和CNR在三种DWI序列之间的总体差异均有统计学意义(P<0.001)，iShim-DWI的SNR和CNR均高于ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI(图2)，差异均有统计学意义(P<0.001)。三种序列之间膀胱癌的ADC值的差异无统计学意义(P=0.841，图2、3)。

表2 ss-EPI-DWI、RESOLVE-DWI和iShim-DWI图像质量评分的比较

表3 三种DWI序列图像质量定量指标的比较

图2 患者,男，70岁，膀胱前壁浸润性高级别尿路上皮癌。三种DWI图像SNR、CNR的对比。a)ss-EPI-DWI，示病灶累及肌层(箭)，病灶的SNR和CNR分别为103.73和81.19；b)RESOLVE-DWI，示病灶累及肌层，病灶的SNR和CNR分别为75.00和38.63；c)iShim-DWI，清晰显示病灶累及肌层，病灶的SNR和CNR分别136.70和119.00；d)T2WI显示病灶向膀胱腔内生长； e)ss-EPI-ADC图，病灶的ADC值为0.78×10-3mm2/s；f)RESOLVE-ADC图，病灶的ADC值为0.78×10-3mm2/s；g)iShim-ADC图，病灶的ADC值为0.79×10-3mm2/s；h)DCE-MRI显示病灶处及其邻近膀胱壁的黏膜层和肌层呈早期明显强化(箭)。

4.对不同大小肿瘤检出能力的比较

对145个直径≥1.0 cm的膀胱癌病灶，3种DWI序列均能显示，敏感性均为100%。在直径<1.0 cm的79个病灶中，5例多发性膀胱癌患者中共有5个直径≤0.5 cm的病灶，在iShim-DWI图像上可显示，但在ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI序列上显示不清；其它病灶在3种DWI序列均能显示；iShim-DWI的敏感度为100%，ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI的敏感度为93.7%。

5.DWI对膀胱癌肌层浸润的诊断效能

IShim-DWI、ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI对51例膀胱癌肌层浸润的诊断效能指标值见表4和图4。IShim-DWI诊断膀胱癌肌层浸润的AUC高于ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI，差异均有统计学意义(P=0.017、0.012)；ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI诊断膀胱癌肌层浸润的AUC的差异无统计学意义(P=0.874)。

表4 三种DWI序列评估膀胱癌肌层浸润的效能

讨 论

膀胱癌的临床治疗方式主要取决于病灶是否侵犯肌层，MRI图像质量会影响到对肿瘤是否侵犯肌层的判断，因此优化扫描参数以获得良好成像质量是诊断准确的关键。Panebianco等[14]创建的VI-RADS的评分内容主要由T2WI、DWI和DCE-MRI三部分组成，其中DWI序列起主导作用，因为它能鉴别黏膜下层与炎症或纤维化，可减少DCE-MRI或T2WI诊断肌层浸润的假阳性[16]。因此优化DWI序列、改善成像质量，可以提高术前诊断膀胱癌肌层浸润的准确性。

图3 患者,男，73岁，膀胱右后壁非浸润性低级别乳头状尿路上皮癌。a)ss-EPI-DWI，示病灶呈高信号，其前方可见伪影(箭)； b)RESOLVE-DWI，示病灶边缘模糊；c)iShim-DWI，示病灶呈高信号(箭)，边缘相对较清楚；d)ss-EPI-ADC图，病灶的ADC值为1.15×10-3mm2/s，尿液信号不均匀；e)RESOLVE-ADC图，病灶的ADC值为1.10×10-3mm2/s，尿液信号不均匀；f)iShim-ADC图，病灶的ADC值为1.15×10-3mm2/s，尿液信号均匀。

图4 三种DWI序列诊断膀胱癌肌层浸润的ROC曲线，以iShim-DWI的AUC最大。

由于ss-EPI-DWI有强磁化率伪影和几何失真等局限性，增加了对较小病灶的检出难度，有时无法确定肿瘤边缘是否侵及膀胱肌层，从而影响膀胱癌术前分期的准确性[10]。我们的研究表明对直径≥1.0 cm的病灶ss-EPI-DWI均能清晰显示，但对部分直径<1.0 cm的病灶显示不佳，与文献报道相符合[10]。而且，ss-EPI-DWI诊断膀胱癌侵犯肌层的敏感度为83.3%，略低于其它两种序列(均为86.7%)。

适度的膀胱充盈有利于膀胱病变的良好显示，是MRI检查成功的关键。由于膀胱位于前下腹、邻近前腹壁，可能受到呼吸运动及邻近肠管蠕动及气体的干扰，且膀胱本身的蠕动及尿液流动也可以导致磁场不均匀、较低的图像分辨率和严重变形[8]。IShim-DWI通过优化主磁场B0均匀性，在采集每层图像时达到最优场强，减少失相位，降低局部磁敏感伪影和减少图像失真，从而可改善图像变形问题[4,8,15]，使得采集的图像具有更好的SNR和CNR。本研究中，iShim-DWI的SNR和CNR分别为80.30±31.39、54.52±27.84，高于其它两种DWI序列(P均<0.001)。图像分辨率的提高有利于检出更多较小(<1.0 cm)的病灶。在甲状腺、直肠和心脏等部位的研究中已经证实iShim-DWI具有图像质量好、失真、伪影少和临床应用价值高等特点[5,7,15,17]。我们的研究得出同样的结果，iShim-DWI序列能提供相对较好的图像质量，且在不影响图像质量的情况下缩短了扫描时间。

与ss-EPI-DWI相比，RESOLVE-DWI具有能较好地降低磁化率伪影的特点，但在我们的研究中，其成像质量相对较低，这与Li等[10]对膀胱成像的研究结果一致，但与对脑、直肠和乳腺等器官的研究结果相反[3,11-12]。这是因为该序列采用RESOLVE技术，通过分割回波链、增加读出段数，可以减少相位误差的累积，失真程度会随着读出时间的增加而减轻，其最大的缺点就是读出段数的增加会显著延长扫描时间[18-19]，达到理论上的高质量图像需要很长的扫描时间，考虑到膀胱癌患者一般年龄较大，在膀胱充盈良好的情况下无法长时间配合检查，本研究调整其它扫描参数将采集时间缩短[10]，导致本组中大部分病例的图像分辨率较低，对部分<1.0 cm的病灶显示不清。因此不建议使用缩短扫描时间的RESOLVE-DWI进行膀胱肿瘤的检查。

本研究中定性和定量分析结果表明，iShim-DWI的图像质量良好。观察者对DWI图像质量评分的组间及组内一致性较好，表明评分的可信度高。在解剖细节和病变显著性方面，iShim-DWI与ss-EPI-DWI之间的评分差异虽无统计学意义(P>0.05)，但两者均高于RESOLVE-DWI(P<0.001)，而且iShim-DWI在图像失真、伪影和整体图像质量评分及总分方面均高于ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI(P均<0.001)。iShim-DWI图像上膀胱解剖结构和病灶均能比较清晰的辨认，图像失真和伪影相对较少，整体图像质量相对较好。测量ADC值可以鉴别肿瘤的良恶性、预测肿瘤分级以及观察肿瘤的化疗反应，本研究中3种DWI序列上测得的病灶ADC值无统计学差异(P>0.05)，这表明iShim技术对ADC值的测量无明显影响，与之前的研究结果一致[9,11,12]。IShim-DWI图像分辨率的提高使得在评估肿瘤肌层侵袭性时的符合率得到提高，本研究中iShim-DWI对膀胱癌肌层浸润的诊断符合率(90.2%)高于ss-EPI-DWI和RESOLVE-DWI(均为80.4%)，且AUC也高于后2者(0.910 vs. 0.798或0.790，P均<0.05)，表明此序列有助于区分浅表性肿瘤(pT1)和侵袭性肿瘤(≥pT2)，有利于临床选择合适的治疗方案。

本研究主要通过对3种DWI序列的图像质量进行定性和定量评估，发现iShim-DWI可通过改良扫描参数提高图像质量，在不影响膀胱癌病变检出的情况下，能更清晰地显示肌层浸润情况，且缩短了采集时间。本研究中使用3个b值(50、600和1200 s/mm2)，高b值DWI图像上尿液信号被完全抑制，病灶和边缘可以清晰显示，Li等[10]的研究中使用2个b值(0和1000 s/mm2)，发现高b值DWI图像上尿液信号抑制不彻底，可能会掩盖病变。所以，在我们的研究中，iShim-DWI区分浅表和浸润性肿瘤的敏感度、特异度和符合率稍高(分别为86.7% vs. 84.0%、95.2% vs. 93.3%和90.2% vs. 89.1%)。

本研究有一定的局限性：首先，本研究为单中心回顾性研究，可能存在病例选择偏倚；其次，图像定量指标为人工测量，由于膀胱壁较薄和病灶大小不同，部分ROI面积较小，增加了采样误差的可能性，但我们采用多次测量取平均值的方法以尽量减少测量偏倚。

综上所述，与ss-EPI-DWI、RESOLVE-DWI相比，iShim-DWI在有效检出膀胱癌的同时可较好地显示肌层浸润情况，有利于指导临床选择合适的治疗方案，且扫描时间短、患者易于接受。