体素内不相干运动成像及动态增强MRI在前列腺癌诊断及分级中的应用

徐曦，张冬，黄家喜，马孟杰，罗良平

暨南大学附属第一医院医学影像中心，广东广州 510632；

前列腺癌是男性泌尿生殖系统最常见的肿瘤之一，其发病率仅次于肺癌，我国前列腺癌的发病率和死亡率逐步上升[1]。准确的术前诊断对于临床制订治疗方案及评估预后具有重要意义。MRI是目前公认的诊断前列腺癌的最佳影像学检查方法[2]。常规T2WI、T1WI增强检查可以良好地显示富含血管的肿瘤组织，但由于前列腺整体是一个富含血供的组织，因此对前列腺癌的诊断效能低[3]。动态增强MRI（dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCEMRI）可以定量评价组织的血流灌注及通透性改变，提高前列腺癌的诊断率。体素内不相干运动成像（intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging，IVIM-DWI）是近年兴起的一项 MRI新技术，可以无创、定量地评价组织内水分子的扩散及微血管的灌注信息，为前列腺癌的诊断提供了新的视角。本研究拟探讨IVIM-DWI及DCE-MRI各定量参数鉴别诊断前列腺癌与良性前列腺增生的价值，同时根据前列腺癌的Gleason评分结果，分析各定量参数在前列腺癌不同分级中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 纳入标准：①在暨南大学第一附属医院行前列腺 MRI检查，初诊为前列腺癌或良性前列腺增生；②接受前列腺 MRI检查后于暨南大学第一附属医院行穿刺或手术病理证实为前列腺癌或前列腺增生。

排除标准：①接受前列腺MRI检查前4周内曾行前列腺穿刺或前列腺手术；②既往诊断为前列腺癌或良性前列腺增生，接受过内分泌治疗或放射治疗。

根据纳入及排除标准，于2013年6月－2015年11月纳入24例前列腺癌患者和21例良性前列腺增生患者。前列腺癌患者年龄55～88岁，平均（74±8）岁。良性前列腺增生患者年龄54～88岁，平均（70±9）岁。

Gleason评分系统以5级分类为基础，第1级1分，表示癌灶分化好，每升高1级增加1分，第5级5分，表示癌灶未分化[2]。为便于指导治疗及评估预后，依据Gleason评分将24例前列腺癌分为高危组（Gleason评分8～10分）10例、中危组（Gleason评分7分）8例、低危组（Gleason评分≤6分）6例。

1.2 MRI检查 所有纳入患者均采用GE 3.0T MR扫描仪（GE Healthcare Discovery MR 750）完成MRI检查，所有数据由8通道torsal相控阵表面线圈采集。分别于轴位、冠状位及矢状位行T2WI propeller扫描，在轴位依次行IVIM-DWI及DCE-MRI扫描，扫描参数：①T2WI propeller序列：TR 7130 ms，TE 110 ms，视野（FOV）340 mm×340 mm，矩阵352×352，层厚4 mm，层间隙0.5 mm，激励次数2次。②轴位IVIM-DWI序列：使用单次激发自旋回波成像序列，TR 2000 ms，TE 80 ms，15个不同的 b值（0、25、50、75、100、150、200、400、600、800、1000、1200、1500、2000、3000 s/mm²），预制相对应的激励次数分别为4、2、2、3、3、4、4、6、6、8、8、10、10次，FOV 340 mm×340 mm，矩阵128×160，层厚4 mm，层间隙0.5 mm，带宽250 kHz。③轴位 DCE-MRI序列：采用 LAVA-XV序列，TR 2.9 ms，TE 1.4 ms，反转角12°，进行轴位扫描，矩阵224×192，层厚4.0 mm，层间距0 mm，FOV 290 mm×290 mm，每个期相6 s，共60个期相。造影剂为马根维显，注射剂量为15 ml，注射后用生理盐水20 ml冲管，注射速度2.5 ml/s。增强扫描前行反转角分别为 3°、6°、9°、12°、15°的 FSPGR 平扫序列，用于计算DCE-MRI后处理时T1值。

1.3 图像后处理 IVIM-DWI图像后处理：根据经典双指数模型，应用GE AW 4.5后处理工作站内置软件，分析图像数据的信号衰减，计算真实的扩散系数（D）、伪扩散系数（D*）及灌注分数（f）。结合 T2WI、DWI序列及临床经直肠超声引导下穿刺病理结果或根治术后大体标本切片位置，设置相应的感兴趣区（ROI），ROI的放置应避开囊变、坏死区域及粗大的钙化结节，ROI面积尽可能大，每个病灶ROI取3个断面重复勾画3次后取平均值，见图1B。

DCE图像后处理：根据Extended Tofts模型，应用 GE AW 4.5后处理工作站 cine tool软件，对DCE-MRI图像数据进行后处理分析，得到容量转移常数（Ktrans）、速率常数（Kep）、血管外细胞外间隙容积分数（Ve）及血管空间容积分数（Vp）。结合 T2WI、DWI序列及临床经直肠超声引导下穿刺病理结果或根治术后大体标本切片位置，设置相应ROI，同时与IVIM-DWI后处理过程中的ROI层面及位置尽可能相对应。ROI放置于各分区强化明显的区域，同时应避免囊变、坏死区域及粗大的钙化结节，ROI面积尽可能大，每个病灶ROI取3个断面重复勾画3次后取平均值，见图1C。所有数据处理分析由2名经验丰富的影像科医师共同进行，意见不一致者去除。

图1 男，84岁，总前列腺特异性抗原为35.05 ng/ml，游离前列腺特异性抗原/总前列腺特异性抗原为8.06%，前列腺癌；常规T1WI、T2WI及DWI图（A）；病理证实右侧外周带底部（箭）为前列腺癌病灶。IVIM-DWI各相关参数伪彩图，病理证实ROI1为癌灶区，ROI2为良性前列腺增生区，ROI1和ROI2的表观扩散系数值分别为0.814×10-3 mm2/s、1.030×10-3 mm2/s，D值分别为0.583×10-3 mm2/s、0.675×10-3 mm2/s，D*值分别为4.630×10-3 mm2/s、3.990×10-3 mm2/s，f值分别为0.281、0.551（B）；DCE-MRI各相关参数伪彩图，ROI1和ROI2的Ktrans值分别为0.391/min、0.309/min，Kep值分别为0.866/min、0.705/min，Ve值分别为0.447、0.478，Vp值分别为0.030、0.002（C）

1.4 统计学方法 采用SPSS 13.0软件，计量资料以±s表示，前列腺癌组与良性前列腺增生组各功能MRI定量参数比较采用Wilcoxon秩和检验。前列腺癌不同Gleason评分组间各功能MRI定量参数比较采用Kruskal-WallisH检验，组间两两比较采用Wilcoxon秩和检验，P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 前列腺癌组与良性前列腺增生组各功能MRI定量参数比较 前列腺癌组Ktrans、Kep、Vp及D*值较良性前列腺增生组增大，Ve、D、f值较良性前列腺增生组减小，差异有统计学意义（P<0.05），见表1。

表1 前列腺癌组与良性前列腺增生组DCE-MRI及IVIM-MRI各定量参数比较（±s）

表1 前列腺癌组与良性前列腺增生组DCE-MRI及IVIM-MRI各定量参数比较（±s）

注：D：真实的扩散系数；D*：伪扩散系数；f：灌注分数；Ktrans：容量转移常数；Kep：速率常数；Ve：血管外细胞外间隙容积分数；Vp：血管空间容积分数

2.2 DCE-MRI、IVIM-MRI各参数鉴别前列腺癌与良性前列腺增生的诊断效能 IVIM-MRI及DCE-MRI各定量参数的诊断效能从高到低依次为：f值>D值>Kep值>D*值>Ktrans值>Vp值>Ve值，见表2及图2。

表2 DCE-MRI、IVIM-MRI各定量参数鉴别前列腺癌与良性前列腺增生的诊断效能

图2 DCE-MRI各参数Ktrans、Kep、Ve及Vp值（A）以及IVIM-MRI参数D、D*及f值（B）鉴别诊断前列腺癌与良性前列腺增生的ROC曲线

2.3 前列腺癌不同GS评分组间MRI定量参数比较前列腺癌Gleason评分低危组、中危组及高危组间D、Kep、D*、f值比较，差异有统计学意义（P<0.05），见表3。随着肿瘤Gleason评分升高，D值逐渐减小，D*值逐渐增大，而Kep值及f值呈先增大后减小的趋势。其余各参数组间趋势表现并不明显。

表3 前列腺癌Gleason评分低危组、中危组及高危组间各参数比较（±s）

表3 前列腺癌Gleason评分低危组、中危组及高危组间各参数比较（±s）

注：与低危组比较，*P<0.05；与中危组比较，#P<0.05。D：真实的扩散系数；D*：伪扩散系数；f：灌注分数；Ktrans：容量转移常数；Kep：速率常数；Ve：血管外细胞外间隙容积分数；Vp：血管空间容积分数

3 讨论

近年来随着人口的老龄化，前列腺癌的发病率呈逐年上升趋势。目前常用的影像学检查包括经直肠超声、CT和MRI。经直肠超声引导下穿刺活检是术前确诊前列腺癌的“金标准”。MRI具有很好的空间分辨率，DCE-MRI及IVIM-DWI的运用为前列腺癌的诊断及分级提供了新的视角。

DCE-MRI可以对前列腺组织内的血流动力学过程进行动态监测及量化，客观地反映组织内的微血管特性。通过Extended Tofts模型，可以得到Ktrans、Kep、Ve、Vp值。Ktrans值主要反映血管壁通透性的改变，Vp值反映组织内微血管数量的异常[4]。前列腺癌组织代谢旺盛，血流灌注丰富，其中毛细血管壁不完整，肿瘤血管具有较大的通透性，因此前列腺癌组中Ktrans、Kep及Vp值均明显高于良性前列腺增生组，与既往研究结果一致[5-6]。由于肿瘤细胞生长较快，细胞数目较多，单个体素内血管外细胞外空间明显减小，故前列腺癌组的Ve值明显低于良性前列腺增生组。

IVIM-DWI应用经典的双指数函数模型对不同b值下采集到的DWI图像进行分析，得到D、D*、f值。由于前列腺癌灶内恶性上皮细胞和腺体不规则分布并排列紧密，水分子的扩散运动受限，故D值明显减低，与既往研究结果一致[7-8]。本研究中，前列腺癌组D*值增大，而f值减小。对于D*及f值的研究结果国内外文献报道不一致[8-10]，其原因可能与采取的 b值范围及最高b值有关。在小b值下，血液的磁化占整个扩散信号衰减的主要成分，更多的小b值分布有利于D*值对微循环灌注信息的表达[11]。Pang等[12]研究发现，在最高b值均不超过750 s/mm2的情况下，前列腺癌的f值较周围正常组织增高；而当最高b值超过750 s/mm2时，前列腺癌的f值则开始减低。本研究推测，高b值下前列腺癌中f值可能受血流灌注量及血管通透性的双重影响，其减小可能与癌灶中的血管通透性异常有关[13]。由于前列腺癌中毛细血管壁不完整具有较大的通透性，血管壁对血管中水分子的屏障作用减弱，导致一部分血管内水分子的扩散运动增加。

本研究通过绘制各定量参数的ROC曲线，并计算曲线下面积比较各参数对前列腺癌的诊断效能，结果发现，IVIM-MRI各参数中D值和f值的诊断效能较高。DCE-MRI各参数中，Ktrans及Kep值的诊断效能中等，其中以Kep的诊断效能最高。Kep与Ktrans及Ve之间的关系为：Ktrans=Kep×Ve。由于肿瘤中的 Ve值普遍偏低，导致Ktrans值的变化难以体现，故Kep的敏感性更强，与Van Niekerk等[14]的研究结果一致。既往关于IVIM-DWI各参数对前列腺癌的诊断效能鲜有报道，同时由于所采用的b值范围缺乏统一的标准，难以对其进行横向比较分析。本研究中，IVIM-MRI参数D值及f值的诊断效能均明显高于DCE-MRI各定量参数，且 DCE-MRI在扫描及后处理过程中受到更多不可控因素的干扰，包括对比剂的注射速度、患者间基础血流速度的差异、输入动脉的选择等，均可能导致各定量参数的诊断效能下降。因此，IVIM-MRI各定量参数鉴别前列腺癌及良性前列腺增生更具有优势。

Gleason病理分级系统以肿瘤内腺体分化程度和肿瘤在间质中的生长方式作为标准，是目前最常用的前列腺癌病理学分级系统[10]。Pesapane等[9]研究发现，表观扩散系数值能有效鉴别低、中、高危前列腺癌，但IVIM各参数并无显著差异，其原因可能是由于在研究中所设置的b值过低。本研究增加b值范围，结果显示随Gleason评分升高，D值逐渐减小，D*值逐渐增大，而f值及Kep值呈先增大后减小的趋势。在肿瘤由早期到中期的发展过程中，随着血管通透性逐渐增加，间质液压逐渐增加，但未达到能够终止血管内外被动扩散这一过程的临界点，此时血管内与血管外处于一种压力顺差，Kep值增大。这一压力差有利于提高肿瘤组织的灌注量，此时f值主要体现灌注量的增加[15]。随着肿瘤的进展，肿瘤细胞更加密集以及微血管数量增多，导致细胞外血管外间质空间变小，间质液压亦增大到临界点，此时依靠造影剂被动扩散机制的Kep值减小。由于肿瘤血管内皮的分化程度减低，血管通透性增加，高危组中的f值也相应减低[16]。

本研究的局限性为：①可用于Gleason评分分组的样本量较少，各组间样本分布不均匀，可能导致统计结果的偏差；②部分患者通过经直肠超声穿刺活检证实为前列腺癌，相应病灶的定位很难与影像结果相吻合；③ROI的放置以横断面为基础，尽管每个病灶选取3个断面取平均值，但仍然难以避免肿瘤血管分布的异质性。

总之，IVIM-DWI及DCE-MRI各定量参数可有效鉴别前列腺癌与前列腺增生，其中IVIM-DWI更具优势。IVIM-DWI参数中D值减小、D*值增大及f值先增大后减小可提示高级别的前列腺癌。