体素内不相干运动参数在直肠癌术前分期中的诊断效能研究

新疆医科大学附属肿瘤医院磁共振室，新疆 乌鲁木齐 830011

随着人们生活水平的不断提高，饮食结构与生活方式的变化，直肠癌的发病率逐年上升，目前直肠癌已成为中国常见的消化道恶性肿瘤之一［1-3］。外科手术切除是直肠癌首选的治疗方法，术前分期及淋巴结转移情况是外科手术选择及患者预后评价的重要依据。因此术前直肠癌的准确诊断和分期可以帮助临床医师选择最佳的治疗方案，最大限度地提高肿瘤完整切除和患者存活的概率，特别是判断出需要行新辅助放化疗和保肛手术的患者，对病变进行合理有效的治疗，以减少肿瘤复发率和提高患者生活质量，从而实现最佳的和个性化的治疗策略。

直肠内镜超声、纤维结肠镜、计算机体层成像（computed tomography，CT）和常规磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等检查是目前最常用的检查方法，但各有其优缺点［4-7］，均难以提供较为全面的功能影像学信息，因此直接影响直肠癌患者术前分期等诊断情况。体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）是用于描述体素微观运动的成像方法，可提供组织中水分子运动的定量参数，还可反映组织灌注情况，能较为真实地反映组织水分子扩散情况，可以反映组织内部结构和病理生理学变化，提高了诊断的准确度和灵敏度，目前已被广泛地应用于头颈部及盆腔部肿瘤性病变［8-11］，但关于直肠癌IVIM序列的研究报道较少。因此，本研究于2018年6月—2019年3月，对97例结直肠癌患者进行IVIM序列MRI检查，并对其中45例病理学标本进行血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）及微血管密度（microvascular density，MVD）检测，探讨IVIM序列各参数在直肠癌术前分期及淋巴结转移诊断中的应用价值。

1 资料和方法

1.1 研究对象

选取2018年6月—2019年3月于新疆医科大学附属肿瘤医院及石河子大学医学院第一附属医院接受直肠癌手术治疗的97例患者为研究对象，其中男性63例，女性34例，年龄34～88岁，平均年龄（58.2±11.4）岁。患者术前均接受3.0 T MRI直肠序列扫描，根据美国癌症联合委员会（American Joint Committee on Cancer，AJCC）和国际抗癌联盟（International Union Against Cancer，UICC）TNM委员会共同制定的《AJCC肿瘤分期手册》（第7版）诊断标准进行分期，结果为T1期5例，T2期25例，T3期53例，T4期14例。淋巴结转移53例，无淋巴结转移44例。形态学特征：隆起型29例，溃疡型58例，浸润型10例。随机选取45例患者标本进行VEGF及MVD测定。

纳入标准：① 手术后病理学诊断为直肠癌，且病理学诊断包括完整T分期及N分期；② 术前行常规MRI包括IVIM序列；③ MRI检查前未接受放化疗等抗肿瘤治疗者；④ 无MRI检查禁忌者；⑤ 同意并知情此项研究，签署知情同意书。排除标准：① 患者体内安装有心脏起搏器等金属异物者；② 有幽闭恐惧症无法完成MRI检查者；③ 经术后病理学检查证实为直肠黏液性癌或部分黏液性癌者；④ 患者依从性较差，检查所获得的影像学资料图像较差者；⑤ 有山莨菪碱使用禁忌证，如合并前列腺增生、心脏病、青光眼者；⑥同时合并其他盆腔恶性肿瘤者。

本研究经新疆医科大学附属肿瘤医院及石河子大学医学院第一附属医院伦理委员会审查通过，并且患者均已签署书面知情同意书。

1.2 IVIM序列MRI检查

患者于检查前24 h流质饮食，检查前1 h灌肠清洁。检查前15～30 min肌注东莨菪碱10 mg，以减少肠蠕动伪影对检查的干扰。检查时患者平躺，去除身上一切含有金属磁性的杂物，并嘱咐患者平静均匀小幅度呼吸，尽可能减少呼吸运动伪影。

采用美国GE公司的Singa HDxt 3.0 T磁共振扫描仪（Torso线圈）对患者进行盆腔部检查，患者取仰卧位，足先进。扫描范围包括全盆腔；扫描序列为矢状位T2加权成像（T2-weighted imaging，T2WI）、轴状位高分辨T2加权成像（high resolution T2-weighted imaging，HR-T2WI）、冠状位T2WI、轴位T1加权成像（T1 weighted-imaging，T1WI）、轴位IVIM（表1）。

表1 MRI扫描参数

1.3 图像后处理及数据测量

由具有10年以上工作经验的2名放射诊断科医师阅片并分析，IVIM序列图像传至GE工作站后，采用相应软件包进行处理得到真实扩散系数（true diffusion coefficient，D）、灌注相关扩散系数（perfusion-related diffusion coefficient，D*）及灌注分数（perfusion fraction，f）数值；在IVIM序列上选取感兴趣区（region of interest，ROI），并在各参数伪彩图相应位置自动生成参数数值。ROI选取标准：ROI根据病变范围选取圆形或不规则形，直肠癌患者选取直肠癌肿瘤的中心实质部分，尽量避开肿瘤边缘部分及中心坏死囊变区。选取病变最大层面为中心层面，连续测量3个层面，ROI使用圆圈和边缘勾勒两种方法，每种方法测量5次，去除最大值和最小值，取3次值的平均值作为测量数值，并将2名医师得出的平均值作为最后数值依据。

1.4 VEGF和MVD水平

使用免疫组织化学法对标本进行染色。VEGF判断标准：按照Volm等［12］的判断标准，采用全自动化学发光免疫分析仪测试，VEGF常表达于细胞质和细胞膜，细胞质和细胞膜同时着色呈棕黄色颗粒则为阳性细胞。VEGF表达评估：以视野细胞中着色细胞所占比例进行评分，共分为0～3分。0分，无显色剂阳性细胞数0%；1分，棕色及阳性细胞数≤25%；2分，棕色及阳性细胞数26%～50%；3分，棕褐色及阳性细胞数＞50%。阴性（-），显色与阳性细胞数评分之和为0～2分；阳性（+），显色与阳性细胞数评分之和为3～4分；强阳性（++），显色与阳性细胞数评分之和为5～6分。

MVD判断标准：按照Weider的判断标准［11］，低倍视野下扫视整个组织切片，在肿瘤浸润区域随机选6个高倍视野，计算微血管数，取平均值作为MVD。微血管判断标准：1个微血管数，与邻近肿瘤细胞、血管或其他结缔组织形成分界限清楚，呈棕黄色的阳性内皮细胞或内皮细胞簇，瘤硬化区和＞8个红细胞的血管不作为计数对象，重复计数5次。

1.5 统计学处理

采用SPSS 22.0软件进行统计学分析，定量参数统计描述采用±s。采用t检验或t′检验进行直肠癌Tl+T2和T3+T4分期之间、T2和T3期之间及直肠癌淋巴结转移与非转移之间IVIM参数（D、D*和f）的差异性分析；以病理学诊断为金标准，采用灵敏度、特异度、多因素受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线及曲线下面积（area under the curve，AUC）等指标对上述有意义的参数进行评价；利用Spearman秩相关分析D*和f值与VEGF和MVD的相关性，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 IVIM参数在直肠癌T1+T2与T3+T4期间的差异性及诊断效能

经统计分析，在不同T分期（T1+T2与T3+T4）之间，IVIM参数D、D*、f值差异均有统计学意义（P均＜0.05）；T1+T2期D值、f值均大于T3+T4期，D*值小于T3+T4期（表2）。

表2 IVIM参数在直肠癌T分期间的差异性比较

将在直肠癌T分期间差异性比较中差异有统计学意义的D、D*、f值进行单因素方差分析。结果发现，D值在T1+T2与T3+T4期中诊断效能最高，当阈值为0.862×10-3mm2/s时，AUC为0.716，阳性预测值（positive predictive value，PPV）为80.31%，阴性预测值（negative predictive value，NPV）为59.04%，灵敏度为83.15%，特异度为60.24%；其次为f值，最后为D*值（表3）。多因素logistic分析发现，IVIM参数D、D*和f值3个参数综合诊断效能最高，当阈值为0.643 mm2/s时，AUC为0.792，PPV为84.64%，NPV为62.61%，灵敏度为82.71%，特异度为65.54%（表4）。

表3 IVIM参数D、D＊及f值单因素分析结果

表4 IVIM参数D、D＊及f值多因素logistic回归分析

2.2 IVIM参数在直肠癌T2与T3期间的差异性及诊断效能

经统计分析，在不同T分期（T2与T3）之间，IVIM参数D、D*值差异均有统计学意义（P均＜0.05）；T2期D值均大于T3期，D*值小于T3期（表5）。

表5 直肠癌IVIM参数在T2、T3分期间的差异性

将在直肠癌T分期（T2与T3）间显著性检验中差异有统计学意义的D、D*值进行单因素方差分析，发现D值在T2与T3期中诊断效能最高，当阈值为0.843×10-3mm2/s时，AUC、PPV、NPV、灵敏度、特异度分别为0.723、90.20%、51.23%、62.57%和83.46%；其次为D*值（表6）。多因素logistic分析发现，IVIM参数D、D*两个参数综合诊断效能最高，当阈值为0.627 mm2/s时，AUC、PPV、NPV、灵敏度、特异度分别为0.886、92.21%、67.75%、80.33%和84.06%（表7）。

表6 D、D＊及f值单因素分析结果

表7 多因素logistic回归分析

2.3 IVIM参数在直肠癌淋巴结转移的差异性及诊断效能

经统计学分析，在直肠癌淋巴结转移及非转移患者中，IVIM参数仅D值差异有统计学意义（P＜0.05，表8）。

表8 直肠癌IVIM参数在淋巴结转移的差异性

将IVIM参数在直肠癌淋巴结转移及非转移的差异性比较中差异有统计学意义的D值进行单因素方差分析发现，D值阈值为0.782×10-3mm2/s时，AUC、PPV、NPV、灵敏度、特异度分别为0.635、67.65%、71.21%、83.37%和49.26%（表9）。

表9 D、D＊及f值单因素分析结果

2.4 IVIM参数与MVD及VEGF的相关性分析

随机选取45例患者，将其术后标本进行VEGF和MVD分析，并与IVIM参数D*、f值进行Spearman秩相关分析发现，VEGF与D*、f值之间的r为0.473、-0.432，相关系数假设检验差异有统计学意义（P均＜0.05）；而MVD与D*、f值之间的r为-0.072、0.215，相关系数假设检验差异无统计学意义（P均＞0.05，表10）。

表10 IVIM参数D＊值和 f值与VEGF和MVD的相关性分析

3 讨 论

直肠癌具有极高的发病率和病死率，直肠癌的早期诊断及准确分期是改善患者预后、延长生存期、提高患者生活质量的关键［13］。IVIM序列MRI适用于描述体素微观运动的成像方法，其参数包括D、D*和f值，不仅可提供组织中水分子运动的定量参数，还可反映组织灌注情况，能较为真实地反映组织水分子扩散情况［14］。恶性程度高的病变由于细胞增殖旺盛，细胞核增大，导致水分子扩散受限，恶性程度低的病变以及良性病变扩散受限轻或不受限，以此可以对肿瘤的恶性程度、病理学分期、淋巴结的侵犯情况进行无创性、定量的诊断。

术前准确评估直肠癌的TNM分期对于手术方法的选择具有重要意义，在本研究中，主要从IVIM参数在T1+T2期和T3+T4期之间及T2和T3期之间的差异性进行研究，原因主要在于T1、T2期患者可以直接接受手术治疗，T3、T4期患者理论上需要辅助放化疗，之后再接受手术治疗，然而在临床上T2、T3期之间区分较为困难，所以探究IVIM各参数在T2、T3期中的差异性，对于治疗方案的选择至关重要。本研究结果提示，在T1+T2期与T3+T4期之间，IVIM参数D、D*、f值均差异有统计学意义，且T1+T2期D值大于T3+T4期、T2期D值明显大于T3期，两者的结果具有一致性，且与其他肿瘤研究结果一致［15-17］；说明直肠癌患者T分期增加，直肠癌组织中扩散受限明显增加，这可能与病变组织癌变严重、血液微循环增加、肿瘤的细胞结构更为致密、排列更紊乱有关；D*主要通过对组织局部微循环血流灌注速度进行检测，以达到反映局部组织血流灌注状态的目的，本研究发现，T3+T4期患者直肠癌组织D*高于T1+T2期患者，T2期D*值明显小于T3期，差异均有统计学意义，可能是由于T分期增加，病变组织癌变严重，肿瘤细胞增殖活跃，直肠癌组织血液微循环增加所致；f值是指MRI可探测到的组织汇总毛细血管网内水分子的体积分数，与正常血管的生成具有直接关系，在本研究中，T1+T2期f值明显大于T3+T4期，T2、T3期f值差异无统计学意义，其他研究［18-19］也发现，f值变异性较大，具体原因还需结合其他部位肿瘤的研究进行进一步分析。为进一步了解IVIM参数T分期的诊断效能，本研究对相关参数进行单因素及多因素分析，结果发现，IVIM参数D、D*、f这3个参数综合诊断的AUC最大，对直肠癌的诊断效能最好；对于IVIM参数对T2、T3分期诊断效能研究发现，D、D*综合诊断对T2、T3分期诊断效能最高，由此提示在术前诊断时应综合IVIM参数D、D*、f进行综合诊断，以提高诊断效能，有助于术前评估直肠癌的恶性程度，这对临床医师对患者制订合适的治疗方案有重要的临床指导价值。

本研究进一步分析IVIM参数在直肠癌淋巴结转移与非转移情况下是否有差异，发现IVIM参数仅D值差异有统计学意义，原因可能在于肿瘤细胞转移至淋巴组织后，在淋巴结内部肿瘤细胞增殖，导致细胞密度增加、细胞间隙变窄，使淋巴液在包膜下窦中的自由移动被侵入的肿瘤细胞阻断、破坏，水分子扩散也受到限制，所以D值减小。在本研究中还发现，D*值与f值在直肠癌淋巴结转移与非转移方面差异无统计学意义，与龙玲［20］研究一致，但与Qiu等［21］研究相矛盾，因此具体D*值和f值与淋巴结内部病理学情况之间的关系还需进一步研究。

VEGF和MVD是评估肿瘤组织内血管生成情况常用的指标，通过评估肿瘤组织内血管生成情况，间接反映组织肿瘤的生长速度，同时也反映病变对周围组织的浸润、转移等生物学行为，对提示肿瘤患者预后及临床医师制订治疗方案具有重要意义［22］。因此，通过研究IVIM参数与VEGF及MVD的相关性，以寻找术前可反映以上两指标的影像学参数，对于直肠癌患者的治疗和预后至关重要。本研究通过对VEGF和MVD与IVIM参数D*、f值进行Spearman秩相关分析发现，VEGF与D*呈正相关，与f值负相关，且相关系数假设检验差异有统计学意义；出现此趋势的原因可能由于VEGF表达越高的组织，其细胞有丝分裂活动较强，肿瘤内血管新生和肿瘤本身的增长具有促进作用，血管生成越多，组织灌注越高，则D*越高；与此同时，上述过程中并未形成功能性的血管，导致f值降低。这些结果提示，可通过IVIM参数中D*、f值在一定程度上预测直肠癌组织VEGF的表达情况，为临床治疗提供依据。

综上所述，本研究通过分析IVIM参数与直肠癌分期的差异性发现，IVIM参数的综合性诊断对直肠癌分期的诊断效能较高，IVIM参数的D*、f值能在一定程度上预测直肠癌组织VEGF表达情况，为患者的治疗及预后提供临床依据。但本研究也存在样本量小、检查方法单一等不足，有可能导致研究结果存在一定的偏倚，需要进一步扩大样本量进行验证。