磁共振DKI成像预测直肠癌TN分期、分化和脉管侵犯的应用价值

段书峰， 郁晓路， 冯 峰*

1.南通市肿瘤医院影像科，南通 226001 2.海军军医大学护理系，上海 200433

2018年全球癌症统计报告[1]显示，结直肠癌的发病率及死亡率位于第三位及第二位，男性发病率高于女性，发达国家的发病率高于不发达国家。2015中国癌症统计数据[2]显示：中国结直肠癌的发病率及死亡率在所有恶性肿瘤中均为第五位，大部分人发现时已是中晚期。随着当今社会发展，我国结直肠癌的发病率呈持续上升态势，年轻群体的发病率也逐年提高[3]。直肠癌的治疗方案需要综合临床病理及预后等多种因素，其中最重要的指标包括肿瘤的TN分期[4]、周围脉管侵犯情况[5]、病理分化程度[6]及年龄是否大于70岁等[7]。

近年来，MRI被越来越多地应用于直肠癌患者的检查，其中功能性MRI成像能间接反映活体组织生物学行为，有助于肿瘤的疗效评价及预后。磁共振扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging, DKI)是基于扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)技术进一步拓展而来的。近年来DKI技术在脑卒中、脑胶质瘤、帕金森综合征等脑部疾病及肝脏疾病、子宫内膜癌、鼻咽癌、前列腺癌等诊断方面取得了初步效果[8-12]，但在直肠癌方面的应用较少，因此本研究主要探讨磁共振DKI成像在直肠癌术前诊断中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2017年11月至2019年11月南通市肿瘤医院收治的43例直肠癌患者，收集患者的病理及临床资料，其中男性34例，女性9例。纳入标准：(1)术前均经消化道内镜活检病理证实；(2)患者无远处转移，可行手术治疗；(3)术前常规行盆腔MRI平扫、动态增强扫描及多b值DWI扫描，且图像可满足诊断要求；(4)行手术切除并行病理检查。排除标准：(1)术后证实病理为黏液腺癌及其他非腺癌患者；(2)术前进行过新辅助放化疗的患者；(3)术后病理未进行分化程度描述；(4)图像质量不佳，不能用于诊断。本研究经南通市肿瘤医院伦理委员会审核批准(通肿伦审2019-026)，所有患者均知情并签署知情同意书。

1.2 MR机器选择、扫描方法及参数 所有受试者均采用3.0 T磁共振扫描仪(Siemens VERIO；西门子公司，德国)，4通道相控阵体线圈。扫描中心位于耻骨联合上2 cm处，术前禁食6 h，训练患者呼吸气，以减少盆腔脏器移动伪影。

常规MRI扫描，定位于矢状面，TSE T2WI：TR 4 440 ms，TE 107 ms，层厚3 mm，间隔0.6 mm，FOV 180 mm×180 mm，矩阵384×180，激励次数4；横轴面TSE T2WI：TR 2 100 ms，TE 64 ms，层厚3 mm，间隔0.6 mm，FOV 180 mm×160 mm，矩阵384×320，激励次数4；冠状位TSE T2WI：TR 3 500 ms，TE 103 ms，层厚3 mm，间隔0.6 mm，FOV 180 mm×180 mm，矩阵320×180，激励次数4。

多b值DWI检查采用单次激发平面回波(SS EPI)序列轴面成像，扫描参数：TR 5 000 ms，TE 78 ms，层厚5 mm，间隔1 mm，FOV 380 mm×180 mm，矩阵192×120，DKI b值取0、500、1 000、1 500、2 000、2 500 s/mm2，激励次数1～4次。病灶MR连续增强扫描层面垂直于病灶长轴，增强扫描T1-vibe序列：TR 3.41 ms，TE 1.3 ms，层厚3 mm，间距0.6 mm，FOV 380 mm×210 mm，矩阵320×224，激励次数1。

1.3 术后病理及临床数据统计 术后标本由具有10年临床工作经验的病理诊断医师进行取材及分析。病理指标主要包括肿瘤TN分期、肿瘤分化程度、周围脉管侵犯及淋巴结转移情况。

依据2017版结直肠癌诊疗规范[2]，肿瘤T分期分为4期，肿瘤N分期分为3期。根据WHO 2010版结直肠癌组织学分级标准[13]，依照显微镜下肿瘤的腺样结构的多少及腺管形态特征分为3级。

周围脉管侵犯的判定标准：显微镜下送检组织的小动、静脉或淋巴管的管壁受到肿瘤细胞浸润及破坏，或直接发现管腔内瘤栓。

1.4 图像分析与数据采集 所有常规MRI图像均由2名具有10年影像诊断经验的医师独立进行TNM分期，且阅片者均不知晓患者的病理结果。当出现较大分歧时，经共同讨论得出结果。另将患者的DKI序列图像导入DKE软件进行数据处理分析。ROI选取方式遵循以下原则：选取肿瘤最大层面且面积尽量大，参考T2WI平扫高清扫描图像及弥散图像，选取实性成分最明显区域，同时避开出血、坏死、囊变及其内大血管组织(图1A)。选取合适的感兴趣区域(region of interest, ROI)，所有ROI均为人工绘制。对同一患者在不同时间测量3次，取其平均值。通过软件计算DKI参数值，包括MD值和MK值(图1B、1C)。

图1 典型病例的MRI特征

2 结 果

2.1 一般资料分析 共43例患者纳入本研究，其中男性34例，女性9例，年龄50～85岁。T1期4例、T2期8例、T3期13例、T4期18例；N0期26例、N1期10例、N2期7例；高分化腺癌(Ⅰ级)5例，中分化腺癌(Ⅱ级)31例、低分化腺癌(Ⅲ级)7例；根据肿瘤是否突破肌层，分为早期组(T1+T2)12例，晚期组(T3+T4)31例；有脉管侵犯者11例，无脉管侵犯32例。

2.2 磁共振DKI各参数在肿瘤T分期间比较

2.2.1 不同T分期患者各参数比较 结果(表1)显示：MK在各组患者间差异均有统计学意义(P<0.05)。MD值在各组间差异无统计学意义。

2.2.2 T1+T2与T3+T4分期患者各参数比较 结果(表2)表明：MK值在两组间差异有统计学意义(P<0.001)，MD值差异无统计学意义。

表1 不同T分期患者各参数比较

*P<0.05与T1期相比；△P<0.05与T2期相比

表2 T1+T2与T3+T4分期患者各参数比较

2.2.3 MK值对T分期的ROC曲线 结果(图2)表明：MK值在诊断T分期的AUC为0.849，且MK诊断T分期的阈值为0.564时，灵敏度为83.9%、特异度为83.3%。

图2 MK值对T分期的ROC曲线分析

2.3 磁共振DKI各参数在病理分级间比较 不同病理分级患者MK、MD经单因素方差分析结果(表3)显示，各组患者间差异均有统计学意义(P<0.05)。

表3 不同病理分级患者各参数比较

2.4 DKI参数在有无脉管侵犯患者间比较

2.4.1 有无脉管侵犯患者间各参数比较 结果(表4)显示：有脉管侵犯患者MK值明显高于无脉管侵犯患者，差异有统计学意义(P<0.05)。MD值组间差异无统计学意义。

表4 有无脉管侵犯患者各参数比较

2.4.2 MK值对脉管侵犯的ROC曲线 结果(图3)表明：MK值对脉管侵犯的ROC曲线的AUC为0.810，诊断脉管侵犯的阈值为0.772时，灵敏度为81.8%，特异度为68.7%。

图3 MK对脉管侵犯的ROC曲线

2.5 DKI参数在直肠癌有无淋巴结转移患者间比较 结果(表5)显示：有淋巴结转移的患者MK高于无淋巴结转移患者，有淋巴结转移患者MD低于无淋巴结转移患者，差异有统计学意义(P<0.05)。

表5 有无淋巴结转移患者间各参数比较

结果(图4)表明：MK+MD联合诊断淋巴结转移的价值最高。MK+MD诊断淋巴结转移的阈值对应的灵敏度为82.4%、特异度为76.9%。

图4 不同参数对淋巴结转移的ROC曲线

3 讨 论

术前直肠癌准确的分期及分级对临床治疗方案选择及患者预后具有重要指导意义。DKI采用的非高斯分布模型，能更好地反映高b值下组织内水分子的实际扩散分布情况，体现水分子扩散的受限程度及不均质性，从而更好地反映组织内部复杂的微观结构。谢辉等[14]分别采用DKI和DWI定量参数评估直肠癌组织学特性，经比较发现，DKI能反映直肠癌组织结构的复杂性,其定量参数MD和MK比DWI的定量参数ADC对直肠癌组织结构的复杂性更敏感。然而DKI对直肠癌病理分期的诊断价值尚未得到临床验证，还需要结合病理基础开展更进一步的研究。另外，胡飞翔等[15]在一项研究中对DKI和DWI成像预测及评价直肠癌新辅助放化疗后病理完全缓解(pCR)的应用价值进行比较发现，DKI的MK参数特异度高于DWI，提示DKI可用于直肠癌患者在新辅助放化疗的疗效评价。本研究主要观察DKI在直肠腺癌中的应用价值。

3.1 DKI各参数在直肠癌术前T分期中比较 本研究显示，MK值在直肠癌各T分期的差异具有统计学意义，这与张玉娟等[16]的研究结果类似，表明MK值可作为潜在的生物学指标应用于直肠癌术前分期中。究其原因，随着直肠癌T分期的增加，肿瘤病灶相对更大，肿瘤微血管组织等结构更复杂，细胞内密度更紧密，肿瘤向外浸润程度更深，瘤内可出现坏死囊变导致密度更加不均匀，其内微观结构更复杂。因此，中晚期直肠癌的肿瘤组织显微结构较早期更为复杂和不均匀。组织的微观结构越复杂，水分子偏离高斯分布越明显，MK值越高。所以临床上对早中期(T1+T2)患者多采用全直肠系膜切除术(total mesorectal excision, TME)，对于局部晚期(T3+T4)患者一般先行新辅助化疗，然后再行手术。本研究发现，T3+T4组的MK值高于T1+T2组，具有统计学意义。表明当临床仅凭高分辨MRI对T1+T2及T3+T4分期患者鉴别困难时，MK值有一定的提示意义。本研究尚显示MD值在T分期各组之间差异无统计学意义。这是因为理论上随着T分期增加，病灶体积更大，恶性程度更高，细胞更密集，MD值会降低；但实际上随着病灶增大，病灶内常出现坏死、出血及囊性变，进而导致MD值升高。这种病理变化过程导致MD值诊断价值有限。

3.2 DKI参数在病理分级之间的比较 直肠癌的预后与肿瘤分化程度密切相关[17]，因此，术前评估肿瘤的分化程度在选择治疗方案及评估预后中有重要作用。有研究[18]表明，应用DKI进行肿瘤分化程度的研究具有可操作性，认为DKI可用来评价组织内部微观结构的复杂性。本研究显示MK与病理分级正相关，MD与病理分级负相关。直肠癌低分化的病理特征主要表现为周围组织解剖结构的浸润，细胞的增多、坏死、出血、内皮细胞增殖；其分化强度越低，肿瘤细胞所形成的腺体样结构越多，异型性越明显，肿瘤的异质性就越大。而高分化肿瘤病理学特征表现为肿瘤密度更均匀，细胞密度更低。所以低分化直肠癌比高分化直肠癌的肿瘤微环境更加复杂；肿瘤组织内部微环境越复杂，水分子扩散受限的程度就越严重，MD值就越低；同时水分子发生非高斯运动的情况更多，偏离高斯运动的程度可能越大，MK值越高[19]。

3.3 DKI参数在有无脉管侵犯之间的比较 直肠脉管有无侵犯是直肠癌患者的重要预后因素[20-21]。有脉管侵犯的患者，说明肿瘤已经发生转移。有研究[20-21]表明，有脉管内癌栓的直肠癌患者生存率明显低于无脉管癌栓患者。本研究显示，脉管有侵犯的情况下肿瘤病灶MK值更大，差异有统计学意义，这与王锦锦等[22]研究结果类似。使用ROC曲线分析，MK诊断脉管侵犯的阈值为0.772，此时对应的灵敏度为81.8%、特异度为68.7%。MK值主要反映组织的复杂性，有脉管侵犯的患者恶性程度更高，分化程度可能更低；肿瘤内部出现大量不成熟新生血管，细胞体积更大、形态多样，细胞排列更紧密，内部结构更复杂，肿瘤内异质性更明显，MK值就越高。MD参数无明显差异，可能由于本研究入组有脉管侵犯的病例较少，导致统计结果误差较大，有待后续较大样本量的进一步研究。

3.4 DKI参数对是否有淋巴结转移的直肠癌的分析 实际工作中淋巴结转移的诊断准确率较低，常规磁共振有时难以区分炎性增生淋巴结及转移性淋巴结。有时即使MRI结果阴性，却不能排除淋巴结内的微转移[23]。本研究结果表明有淋巴结转移的直肠癌患者，MK值更高，MD值更低，其差异有统计学意义，此研究结果与Yamada等[11]及Yu等[24]类似，ROC曲线分析显示MK、MD联合使用时拥有最大的曲线下面积，诊断效能高，这表明有淋巴结转移直肠癌患者的病灶内水分子弥散受限程度及内部异质性较无淋巴结转移者更明显。一种可能的解释是，与侵袭性较弱的直肠肿瘤相比，侵袭性较强的直肠肿瘤(有淋巴结转移)的细胞大小和形状有着更明显的差异。在侵袭性较强的肿瘤组织中，细胞数量的增加通常会导致组织内屏障增多，扰乱细胞内外的正常平衡，从而限制了水的扩散，细胞内的微结构更复杂，更不均匀。本研究通过直接测量直肠癌病灶生物学特性间接反映淋巴结转移情况。

本研究存在一定局限性：病例数较少；b值选取不同及测量者之间有差异；采用单层ROI勾画而非肿瘤全体积参数分析，不能充分反映肿瘤的异质性而出现偏倚现象。

综上所述，DKI参数MK值可辅助诊断直肠癌T分期。MK值、MD与病理分级分别呈正、负相关性，可预测直肠癌病理分化程度。DKI参数MK值可用来预测直肠癌周围脉管是否有侵犯。DKI参数MK、MD值可辅助诊断直肠癌是否发生淋巴结转移，MK、MD联合时具有更好的诊断效能。