MR弥散加权成像对无精子症患者睾丸无创性诊断的价值

张进华, 蔡威

(华中科技大学 同济医学院 附属同济医院 放射科,湖北 武汉 430030)

不孕不育症影响着全球约7 000万人,世界卫生组织估计,全世界约9%的夫妇都遭受不孕症的困扰,而男性因素占据了不孕不育夫妇50%的比例。无精子症在男性不育患者中占比约5%～10%,是男性不育患者最严重的临床表现[1-2]。

无精子症定义为射精后精液中没有精子,经2次以上精液高倍离心后镜检沉渣均没有发现精子,同时需排除逆行射精和不射精的状况。临床上将无精子症分为两大类:梗阻性无精症(obstructive azoospermia, OA)和非梗阻性无精症(nonobstructive azoospermia, NOA)。OA是由于精子排出通道出现了阻塞,包括睾丸内、附睾、输精管、射精管等部位出现了梗阻。NOA主要是患者存在睾丸生精功能障碍,不产生/只产生极少量精子。由于两种类型无精症患者病因不同,治疗方式也完全不同。OA患者主要是通过手术恢复输精管道的通畅性来治疗,少部分患者通过睾丸/附睾穿刺抽吸获得精子,而NOA患者主要通过显微切割睾丸提取精子(microdissection testicular sperm extraction, mTESE)手段来寻找睾丸中可能残存的少量精子。因此,术前对无精子症患者类型进行鉴别诊断对指导手术方式十分重要。

无精子症的类型鉴别诊断是一个复杂的过程,需要结合患者病史和临床体格检查,及精浆生化、性激素及遗传学检查等实验室指标,同时需要借助影像学检查发现可能存在的梗阻部位。对于少数难以做出鉴别诊断的无精症患者,还需要睾丸穿刺活检进行明确诊断[3]。寻找一个高效且无创性的无精症的鉴别诊断方法,是目前临床研究的热点。

磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)作为一种无创性的检查方式,是辅助性腺及其导管成像的首选方法,相较于超声检查,MRI具有更优越的软组织对比度和多平面显示能力,且有更好的可重复性,能很好地对梗阻部位进行定位和定性诊断[4]。最近已有应用多模型MRI弥散加权成像对无精症进行鉴别诊断的研究,并且具有很高的诊断准确性[5]。但是此类研究需要复杂的图像后处理及参数拟合的过程,要耗费大量的时间,因此,其临床应用存在局限性。本研究旨在通过对磁共振弥散加权成像(diffusion-weighted imaging, DWI)的扩散敏感因子(b值)的探究,寻找诊断准确性更高的手段来对无精症患者做出鉴别诊断。

1 材料与方法

1.1 临床资料

在2017年9月至2023年3月期间,前瞻性地收集了146例无精子症患者,年龄22～40岁,平均年龄30岁。纳入标准:①因不育症至我院就诊的患者;②依据两次独立的精液离心沉淀样本确诊为无精子症;③临床确诊为梗阻性/非梗阻性无精症患者[6]。排除标准:①射精后尿液分析诊断为逆行射精的患者;②存在睾丸结节等实质性病灶;③年龄大于40岁的患者[7];④Y染色体AZFa或AZFb区缺失的患者[8];⑤未经治疗的特发性促性腺功能减退症患者[9]。本研究获到了华中科技大学同济医学院附属同济医院伦理委员会的批准(审批号:TJ-IRB20230782),每位患者均签署了知情同意书。

1.2 MRI检查方案

所有患者均采用3T MRI (MAGNETOM Skyra; Siemens Healthcare, Erlangen, Germany)进行扫描,使用18通道体线圈、32通道脊柱线圈进行阴囊部MRI检查。

扫描的序列和参数如下:轴位DWI序列采用单次激发平面回波成像脉冲序列(single shot echo planar imaging, SS-EPI),扫描参数为:TR / TE 5 300/78 ms,层厚3 mm,层间距0 mm,FOV 220×176 mm2,矩阵 90×90,b值(激励次数):0(1),50(2),100(3),500(3),1 000(5),1 500(5),2 000(7),2 500(7)和3 000(7),一共采集9个b值,采集时间是7 min 9 s。

1.3 数据处理

睾丸的感兴趣区域(regions of interest, ROI)由1位有9年腹部MRI诊断经验的放射科医生于3T MRI勾选自动生成的ADC参数图中进行勾画。ROI在ITK-SNAP软件里沿睾丸每一层的睾丸外边界内手动勾画出来(图1),然后保存并复制到相应b值的弥散加权图上来获取每个b值图像ROI的均值。同时每两个b值之间生成的ADC参数值 (ADC50-0,ADC100-0,ADC500-0,ADC1 000-0,ADC1 500-0,ADC2 000-0,ADC2 500-0,ADC3 000-0) 由以下公式进行计算:

ADC=ln(S1/S2)/(b2-b1)

A:沿睾丸其中一层外边界内手动勾画ROI。B:保存为nii.gz格式的ROI,需要复制到对应层面不同b值的弥散加权图上。A:The ROI is manually delineated along the outer boundary of one layer of the testis. B:ROI is saved as NII. GZ format and needs to be copied to the corresponding level of different b values of the diffusion-weighted graph.图1 29岁OA患者MRI自动生成的ADC参数图Figure 1 A 29-year-old patient with obstructive azoospermia has an auto-generated ADC map on MRI

其中b1和b2代表扩散敏感因子数值,其中b1为低值,b2为高值,如ADC50-0中b1为0,b2为50;S1和S2是对应b值时的同一勾画部位的组织信号强度。

1.4 统计学分析

不同b值的ADC值符合正态分布的以平均值±标准差表示;不符合正态分布的参数值以中位数(四分位数间距)表示。采用Kolmogorov-Smirnov检验评估各参数分布的正态性;当两组患者睾丸相应参数值符合正态分布时,采用独立样本t检验,比较两组患者不同b值的ADC值差异。对不服从正态分布的参数值,采用Mann-WhitneyU检验。采用受试者操作特性(receiver operating characteristic, ROC)分析,来计算区分两组患者的不同参数的临界值。计算曲线下面积(area under the curve, AUC)评价不同b值的诊断效能。另外,用DeLong检验来评价不同b值对应ADC参数间ROC曲线的差异。

采用SPSS软件26.0版(SPSS Inc,Chicago,IL)和MedCalc软件15.8版进行统计分析,P<0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者临床特征

本研究中61例为OA患者,年龄22～37岁,平均30岁;85例为NOA患者,年龄24～40岁;平均30.2岁。61例OA患者临床特征如下:睾丸梗阻患者1例;附睾梗阻患者35例;输精管梗阻患者17例;射精管梗阻患者5例;一侧附睾梗阻,另一侧输精管梗阻患者1例;一侧附睾梗阻,另一侧射精管梗阻患者2例。85例NOA患者临床特征如下:特发性NOA患者46例;Y染色体AZFc区缺失的NOA患者7例;染色体为47XXY的NOA患者16例;腮腺炎/睾丸炎病史的NOA患者13例;青春期隐睾下降固定病史的NOA患者2例;前纵隔精原细胞瘤经放化疗治疗的NOA患者1例。

2.2 两组患者睾丸ADC值的比较

分别比较OA组122个睾丸与NOA组170个睾丸。首先对数据进行正态性检验,ADC50-0,ADC500-0,ADC1 000-0,ADC1 500-0,ADC2 000-0,ADC2 500-0,ADC3 000-0均不符合正态分布。ADC50-0,ADC100-0,ADC500-0,ADC1000-0,ADC1 500-0,ADC2 000-0,ADC2 500-0,ADC3 000-0的ADC值之间差异均有显著统计学意义,且OA组的ADC值显著低于NOA组(P<0.001),见表1。OA和NOA患者睾丸ADC参数图的代表见图2和图3示例。

A-H:分别为ADC50-0、ADC100-0、ADC500-0、ADC1 000-0、ADC1 500-0、ADC2 000-0、ADC2 500-0和ADC3 000-0利用色彩条状图显示的参数值。所有背景ADC图为b = 0的ADC图。ADC单位为10-6 mm2/s。A-H: Show the parameter values corresponding to ADC50-0, ADC100-0, ADC500-0, ADC1 000-0, ADC1 500-0, ADC2 000-0, ADC2 500-0 and ADC3 000-0 utilizing color bar, respectively. All background ADC maps are the ADC maps with b = 0. ADC units are 10-6 mm2/s.图2 29岁OA患者睾丸ADC参数图Figure 2 Testicular ADC parameter maps in a 29-year-old OA patient

A-H:分别为ADC50-0、ADC100-0、ADC500-0、ADC1 000-0、ADC1 500-0、ADC2 000-0、ADC2 500-0和ADC3 000-0利用色彩条状图显示的参数值。所有背景ADC图为b = 0的ADC图。ADC单位为10-6 mm2/s。A-H: Show the parameter values corresponding to ADC50-0, ADC100-0, ADC500-0, ADC1 000-0, ADC1 500-0, ADC2 000-0, ADC2 500-0 and ADC3 000-0 utilizing color bar, respectively. All background ADC maps are the ADC maps with b = 0. ADC units are 10-6 mm2/s.图3 34岁NOA患者睾丸ADC参数图Figure 3 Testicular ADC parameter maps in a 34-year-old NOA patient

表1 OA组与NOA组在不同b值图像中ADC值的分析结果Table 1 Results of the analysis of ADC values in different b-value images between OA and NOA groups M(P25,P75)

2.3 两组患者ROC分析

在不同b值图像ADC值的ROC分析结果见表2。

表2 不同b值DWI图像的ADC值的ROC分析结果Table 2 ROC analysis of ADC values of DWI images with different b values

2.4 不同b值DWI图像的ADC值的ROC曲线差异

ADC3 000-0具有最高的诊断准确性,AUC为0.973,同时ADC3 000-0的AUC值显著高于ADC50-0(P<0.001)、ADC500-0(P<0.001)、ADC1 000-0(P<0.001)、ADC1 500-0(P<0.01)、ADC2 000-0(P<0.01)、ADC2 500-0的AUC值(P<0.05),见表3、图4。

表3 ROC曲线下的成对样本区域差异Table 3 Regional differences in paired samples under the ROC curve

图4 不同b值DWI图像ADC值的ROC分析Figure 4 The ROC analysis of ADC values of DWI images with different b values

3 讨论

无精子症是男性不育最严重的临床表现,分为OA与NOA两大类,两者的治疗方式截然不同。目前睾丸穿刺诊断仍然是判断OA与NOA的金标准,但此为有创性的诊断方式,且存在一定的假阳性。研究一种无创性、高效能的无精症诊断方法是临床关注的热点。既往的研究已经证实了功能性多参数核磁共振在无精症诊断中的价值[5],但是这些参数的获得需要复杂的图像后处理技术,因此要耗费大量时间和人力物力。DWI作为一项常用功能性核磁共振技术,不同b值序列可以对病变做出定位和定性诊断,在扫描的同时勾选自动生成ADC参数图,相较以往复杂的图像后处理技术,可以节省大量的时间。本研究比较了OA和NOA患者在DWI不同b值下ADC值的差异以及各参数值的诊断准确性,以评估不同b值的临床实用价值。DWI是MRI中的一个主要功能参数。DWI序列通过获取由它们的b值描述的一组原生图像来生成,每个b值表示该序列特有的扩散MR梯度的强度。通过将数据与描述水在组织中运动的模型进行拟合,建立了ADC参数图。通过对ADC参数图感兴趣区域(regions of interest,ROI)的勾画,可以得到相应的ADC参数值。ADC参数值是一个反应水分子扩散运动的参数,其与组织细胞密度和细胞外间隙相关[10-11]。DWI技术是泌尿生殖成像的一个重大进步,在女性骨盆病变和男性前列腺癌的临床决策中发挥着核心作用,目前在肾脏成像、膀胱和睾丸病变的诊断中有着很好的应用前景。

睾丸主要是由高度盘旋的曲精小管构成的复杂网状空间结构,周围以致密的结缔组织以及间质组织(间质细胞、血管以及淋巴管)填充[12]。睾丸中水的扩散受到了以上复杂结构,尤其是占睾丸绝大部分的曲精小管的影响。本研究发现在mTESE术中NOA患者的曲精小管几乎都是纤细、透明的,与正常睾丸较粗、乳白色的曲精小管形成鲜明对比。在NOA患者mTESE术后曲精小管病理切片中,观察到了曲精小管中各级生精细胞的减少或缺失。本研究的结果显示,NOA患者ADC50-0、ADC100-0、ADC500-0、ADC1 000-0、ADC1 500-0、ADC2 000-0、ADC2 500-0和ADC3 000-0的ADC值均显著高于OA组,可能与NOA患者曲精小管中各级生精细胞的减少或缺失所导致的细胞密度减低、细胞外间隙增加及水扩散运动受到的阻碍减少,从而使得ADC值较高有关。

b值1 000以上的扩散加权序列称为高b值DWI序列,多项研究已证明其在前列腺癌的诊断中优于传统低b值DWI序列[13-15]。最近研究发现,高b值的DKI序列的衍生参数值对无精症的诊断准确性显著高于b值为0～1 000的单指数的ADC值[5]。因此,推测使用更高的b值会对诊断性能产生积极影响,虽然会以更低的信噪比和图像质量降低为代价。本研究的结果显示,ADC3 000-0具有最高的诊断准确性,AUC为0.973,且ADC3 000-0的AUC值显著高于ADC50-0、ADC500-0、ADC1 000-0、ADC1 500-0、ADC2 000-0和ADC2 500-0的AUC值,说明更高的b值在无精症鉴别诊断中确实更有临床价值。在临床工作中,除常规T2WI序列扫描可以发现可能的梗阻部位外,增加b值为0,3 000的DWI序列扫描,还能得到相应的ADC参数图并计算ADC参数值,以便对无精症的类型进行高效能鉴别。

本研究不足之处在于样本量较少,后续需要持续性跟进收集相关病例,并加强多中心合作;同时,有部分OA患者由于经体格检查发现了附睾存在梗阻,未能完成性激素的检查,后续会严格按照临床研究方案,结合性激素等临床指标,更全面地开展深入研究。

综上所述,不同b值的DWI序列所产生的ADC值均能高效地对OA与NOA患者做出鉴别,其中ADC3 000-0具有显著优于其他b值的ADC参数的诊断效能。b值为3 000的DWI序列,可以无创和高效地对无精症患者进行术前类型鉴别,避免不必要的睾丸穿刺和减少繁琐的诊断流程,为临床无精症的决策提供帮助。

作者贡献声明

张进华:评估影像,撰写论文与修改论文;蔡威:提出研究思路、设计实验、临床数据收集、患者扫描、图像后处理、统计分析、论文撰写与修改论文。

利益冲突声明

本研究未受到企业、公司等第三方资助,不存在潜在利益冲突。