直肠癌体素内不相干运动MRI参数的一致性和可重复性

卢宝兰，肖晓娟，杨心悦，陈 琰，文自强，余深平*

(1.中山大学附属第一医院放射科，广东 广州 510080；2.北京大学深圳医院医学影像科，广东 深圳 518036)

DOI：10.13929/j.1003-3289.201710075

直肠位于盆腔后部，位置相对固定，受肠蠕动伪影影响较小，使MRI诊断直肠病变更具优势。MRI检查直肠癌已从常规高分辨率成像逐渐发展到多模态功能成像[1]。作为一种无创功能成像方法，体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion, IVIM)成像无需使用对比剂即可区分组织内水分子单纯扩散与微循环灌注引起的相关扩散效应[2]。b值、拟合算法、ROI的选择、TE值、SNR、受试者呼吸和心脏搏动等多种因素均可影响IVIM参数的测量结果，IVIM参数测量的准确性、一致性及可重复性仍存在争议，是临床应用和研究关注的重点[3-5]。本研究探讨不同b值组合拟合图像中测量直肠癌IVIM参数的一致性和可重复性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2015年1月—2016年12月我院经病理证实的128例直肠腺癌患者，术前均接受直肠高分辨MR和IVIM序列扫描；其中男77例，女51例，年龄32～83岁，中位年龄60岁；术前均未接受放、化疗等任何辅助治疗。所有患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Magnetom Verio 3.0T超导型MR成像仪，8通道体部相控阵线圈。检查前根据病变位置经肛门灌入适量(30～120 ml)超声耦合剂以充盈肠腔，并于开始检查前5～10 min肌内注射20 mg盐酸山莨菪碱以减少胃肠蠕动。MR扫描方案：①常规轴位T2W，TR 3 000 ms，TE 87 ms，FOV 260 mm×260 mm，层厚5 mm，体素大小0.8 mm×0.7 mm×5.0 mm，采集次数2，扫描时间2 min 56 s；②轴位、矢状位、冠状位高分辨T2WI，TR 3 000～4 000 ms，TE 77～87 ms，FOV 180 mm×180 mm，层厚3 mm，体素大小0.7 mm×0.6 mm×3.0 mm，采集次数2；③轴位T1W，TR 644 ms，TE 12 ms，FOV 180 mm×180 mm，层厚3 mm，体素大小0.6 mm×0.6 mm×3.0 mm，采集次数2，扫描时间3 min 17 s；④单次激发自旋回波平面序列IVIM，扩散敏感梯度因子b值共设定16个(0、5、10、20、30、40、60、80、100、150、200、400、600、1 000、1 500和2 000 s/mm2)，TR 3 800 ms，TE 74.4 ms，FOV 300 mm×245 mm，层厚6 mm，体素大小2.7 mm×2.7 mm×6.0 mm，采集次数2，扫描时间6 min 1 s。

1.3 图像分析 采用Diffusion Toolbox软件(Siemens公司)自动生成IVIM参数图，并拟合计算IVIM参数。选择两种b值组合(A组：0、5、10、20、30、40、60、80、100、150、200、400、600和1 000 s/mm2；B组：0、5、10、20、30、40、60、80、100、150、200、400、600、1 000、1 500和2 000 s/mm2)，拟合计算出两组IVIM参数，包括单纯扩散系数(true diffusion coefficient, D)、假性扩散系数(pseudo-diffusion coefficient, D*)和灌注分数(perfusion fraction, f)。由1名具有3年工作经验的放射科医师，于两组拟合图像中，结合常规轴位T2WI，选择肿瘤实质区最大层面及上下相邻层面，沿肿瘤轮廓手动勾画ROI，尽量避开坏死、囊变及肠腔内容物(图1)，取3个ROI的平均值作为肿瘤的各参数值。之后随机抽取40例，选择A组拟合图像，由同一观察者以上述方法重复测量肿瘤区域的D、D*和f值，2次测量时间间隔3个月。

1.4 统计学分析 采用SPSS 20.0和MedCalc Statistical Software 15.8统计分析软件。计量资料以±s表示。以配对t检验或Wilcoxon检验比较2组及同一观察者2次测量IVIM参数的差异，P<0.05为差异有统计学意义。采用组内相关系数(intra-class correlation coefficient, ICC)评价3名观察者测量参数的一致性或可重复性，ICC>0.75为一致性或可重复性良好，0.50～0.75为一致性或可重复性一般，<0.50为一致性或可重复性差。绘制Bland-Altman图分析测量参数的差异水平。

2 结果

2.1 一致性结果 2组D、D*、f值的差异均有统计学意义(P均<0.001，表1)。两组图像所测量D、D*、f值的ICC及95%置信区间分别为0.968(0.955，0.977)、0.780(0.688，0.845)和0.957(0.934，0.970)；Bland-Altman图显示差异百分比的±1.96标准差分别为(10.8%，22.4%)、(14.8%，61.9%)、(-45.3%，-10.2%)，见图2。

表1 两种b值组合图像间直肠癌各IVIM参数的比较(±s，n=128)

组别D(×10-3mm2/s)D*(×10-3mm2/s)f值A组0.89±0.0914.77±3.670.13±0.03B组0.76±0.079.87±1.700.18±0.03t/Z值9.8159.815-9.605P值<0.001<0.001<0.001

表2 同一观察者重复测量直肠癌各IVIM参数的比较(±s，n=40)

表2 同一观察者重复测量直肠癌各IVIM参数的比较(±s，n=40)

测量时间D(×10-3mm2/s)D*(×10-3mm2/s)f值第1次0.89±0.1017.38±6.200.13±0.02第2次0.90±0.0715.28±4.150.13±0.02t/Z值-1.0003.2530.780P值0.3240.0010.436

图1 IVIM参数图及ROI选择示意图 A.轴位T2WI显示肿瘤实质区最大层面； B～D.分别为同层面D、D*和f参数图

2.2 可重复性结果 同一观察者2次测量D*值差异有统计学意义(P=0.001)，D和f值差异均无统计学意义(P=0.324、0.436)，见表2。重复测量所得D、D*、f值的ICC及95%置信区间分别为0.826(0.670，0.908)、0.678(0.392，0.830)和0.910(0.830，0.952)；Bland-Altman图显示差异百分比的±1.96标准差分别为(-15.3%，12.4%)、(-39.6%，61.2%)、(-22.6%，22.9%)，见图3。

3 讨论

DWI是临床常用的检测并定量评估活体组织内水分子扩散运动的无创性方法，测得的组织信号随b值呈线性(即单指数函数)衰减。但在活体组织内，MRI测得的体素内微观平移运动包括细胞内、外水分子扩散运动及血液在毛细血管网中的灌注运动[6]，即DWI信号衰减亦受微循环血流的影响，ADC值实际反映的是扩散和灌注两个方面的共同作用。基于此，Le Bihan等[7]提出了IVIM理论，应用双指数模型和多个b值，在DWI基础上拟合计算，获得水分子D和灌注相关系数(D*、f)，从而将体素内水分子的扩散运动与微循环灌注区分开。

微循环灌注对DWI信号衰减的影响与b值大小有关。低b值(b≤200 s/mm2)时，微循环灌注对信号衰减的影响较大；而b>200 s/mm2时，微循环灌注对信号衰减的影响可忽略，主要反映细胞内、外的水分子扩散。因此，IVIM需要进行包含高b值和低b值的多个b值扫描，以分别计算相关系数[3,8]。目前对于体部IVIM的b值设定范围尚无统一标准，有研究[3]认为至少需要10个b值，为达到诊断目的和节省扫描时间的最优平衡点；低b值设定为<100～200 s/mm2为最佳[9]。在国内直肠癌相关IVIM研究[10-13]中，b值数目为8～16个；低b值均<200 s/mm2，但数目不一；最高b值范围则为1 200～3 000 s/mm2。本研究共设定11个≤200 s/mm2的低b值，并采用两种不同的b值组合(最高b值不同)计算IVIM参数，结果显示各IVIM参数差异均有统计学意义，A组(最高b值为1 000 s/mm2)图像所测量的D值大于B组(最高b值为2 000 s/mm2)。分析原因，主要在于组织水分子扩散包括细胞内和细胞外扩散，且细胞外扩散系数大于细胞内，高b值图像主要反映细胞内扩散，所以对应的平均扩散系数较低。IVIM模型计算的是灌注和扩散的比例，因此不同b值范围计算获得的f值及D*值也有所差异。本研究中，两组b值组合图像测量的D值一致性良好(ICC=0.968)，提示D值是一个相对稳定的参数[14]。本组D*和f值的一致性结果(ICC=0.780、0.957)与Zhu等[15]的研究结果相似，原因可能为本研究中低b值分布相同，仅高b值设定有差异，而灌注相关系数主要受低b值分布和数量的影响。本研究结果提示，随着b值升高，微循环灌注对DWI信号衰减的影响已基本消失。

图2 A组与B组测量各IVIM参数的Bland-Altman图 A.D值； B.D*值； C.f值 图3 同一观察者重复测量各IVIM参数的Bland-Altman图 A.D值； B.D*值； C.f值

本研究中，同一观察者重复测量所得D*值差异有统计学意义，可重复性(ICC=0.678)一般，而D值和f值差异无统计学意义，且可重复性良好(ICC=0.826、0.910)，与既往研究[16]相似，提示基于D值获得的趋势性结论具有较高参考价值，可作为疾病研究的可靠评估指标。关于f值的可重复性研究[15-16]报道不一，可能与不同研究中研究对象和设定的b值不同有关。D*值测量可重复性一般，有研究[17]认为这将导致其不能准确反映组织的灌注特性，在临床诊断及研究中的价值有限。本研究中选择肿瘤最大层面勾画ROI，相对于仅选取肿瘤中心部分区域而言，可全面反映病灶的整体情况，但同时更易受周围组织所产生的容积效应的影响，而D*值对可能导致不稳定性的因素更敏感，可能是导致D*值测量可重复性较差的原因之一。此外，本研究采用3.0T高场强MR成像仪，图像SNR较高，且在检查前肌内注射盐酸山莨菪碱以减少运动伪影的影响，有助于提高测量参数的可重复性。

综上所述，本研究两组b值组合图像间直肠癌IVIM参数的一致性良好，D值和f值可重复性良好，提示其具有较高的诊断价值，可为诊断直肠癌提供更多辅助信息；D*值可重复性一般，其在临床的应用价值有待进一步探讨。

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