腎及腎透明細胞癌多b值擴散成像的單雙指數擬合比較

王雪元，邢偉，胡春洪，丁玖樂，陳杰，孫軍

1.蘇州大學附屬第一醫院影像科，蘇州 215000

2.蘇州大學附屬第三醫院 (常州市第一人民醫院) 影像科，常州 213003

腎癌是最常見的腎臟占位性的惡性腫瘤，有時與乏脂性錯構瘤鑒別診斷困難。目前很多學者報道了擴散成像技術(diffusion weighted imaging，DWI)在腎臟病變方面的應用[1-2]。但是都是基于組織信號的衰減呈單指數模型。據報道，很多腹部器官或組織的多b值衰減信號受到微灌注的影響，隨著b值的增大呈非單指數函數衰減[3]。雙指數函數分析屬于最多見的一種。雖然有學者報道其在腎臟占位性病變和慢性腎病病變中的應用[3-4]，但均未有學者從統計學的角度比較說明：是否雙指數函數更適合描述腎實質和腎占位性病變的DWI信號隨b值的變化？因此，筆者回顧性分析腎透明細胞癌(clear cell renal cell carcinoma，CCRCC)患者的多b值DWI，比較腎實質和CCRCC的單指數和雙指數函數擬合度，探討更適合描述腎實質和CCRCC的DWI信號隨b值變化的數學函數模型。

1 材料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2011年7月至2012年4月在我院行MRI檢查并經病理證實的腎透明細胞癌患者32例，其中男23例，女9例，中位年齡58歲。所有患者的多b值DWI成像資料，經過仔細對比未見明顯呼吸運動偽影。

1.2 MR掃描方法

采用Siemens Verio 3.0 T超導型成像儀。所有的患者在取仰臥位，采用腹部相控線圈采集信號。MR掃描方法包括用于定位的常規序列和多b值DWI，最后行增強橫斷面T1WI掃描。常規序列包括：冠狀面和橫斷面的T2WI(采用半傅立葉采集單次激發快速自旋回波序列：TR 700 ms，TE 96 ms，層厚6.0 mm，層間距0.6 mm)；橫斷面的T1WI (快速擾相梯度回波：TR 161.0 ms，TE 2.5 ms，層厚6.0 mm，層間距0.6 mm)。7個b值 的橫斷面EPI-DWI，采用了局部斜位多層面技術實現小視野(field of view，FOV)成像，b值分別為0、200、400、600、800、1000、1200 s/mm2，TR 3100 ms，TE 76 ms，采集帶寬1158 Hz/Px，FOV 280 mm× 86 mm，矩陣216×40，回波鏈40，層數12，層厚6.0 mm，層間距0.6 mm，RF激勵類型 Low SAR，自由呼吸狀態下掃描。增強序列[2D-T1WI增強序列，掃描參數同上；對比劑使用Gd-DTPA(廣州康臣藥業有限公司生產)，用量0.2 ml/kg，注射流率為2 ml/s)。

圖1 男，70歲，右腎CCRCC。參照常規序列：等T1、等T2信號、明顯強化區(箭)，在多b= 0 s/mm2的DWI中選擇CCRCC實質區的ROI，然后復制到其他b值的DWI中Fig.1 A 70 years old man with right CCRCC.The local focus of mass manifest as isointensity on T1WI and T2WI and marked enhanced (arrow).A ROI was spotted on the diffusion images at b=0 s/mm2, and was copped to others at the same plane but with different b values.

1.3 圖像分析

所有的影像學資料由1名高年資醫師在不知研究背景的前提下分析圖像。分別在兩種組織中勾畫感興趣區(region of interesting，ROI)，分別為：(1)腫瘤實質；診斷標準：參照常規T1WI和T2WI呈等或低信號，增強后明顯強化(圖1)；(2)腎臟實質。人類腎臟具有分葉結構，分葉間可見腎柱，為了避免干擾，此研究采用腎臟皮質代表腎臟實質。根據以上標準，在DWI (b=0 s/mm2)的圖像中勾畫ROI約0.35 cm×0.35 cm～0.45 cm×0.45 cm，然后復制到同層的其他b值圖像中，分別依次記錄不同b值的DWI信號強度。

1.4 數據分析

由于正常腎實質的DWI信號強度在高b值時更容易出現信噪比不足的可能，根據以往的圖像處理經驗，將兩種組織的各b值(≤800 s/mm2，即5個b值)的DWI信號強度依次錄入到GraphPad Prism軟件包(http://www.graphpad.com)，分別采用單指數(公式1)、雙指數擬合(公式2)，得到各兩種擬合方法的擬合度定量參數R2[5]。

公式中，Sb為相應b值時的DWI信號強度，S0為b=0 s/mm2時的DWI信號強度，b為擴散因子，單位是s/mm2；Dfast、Dslow分別是快慢兩種成分的擴散系數；F分別為快慢兩種成分中快的成分所占的百分比；exp為指數函數運算。

1.5 統計學分析

各參數采用采用中位數(四分位區間)表示，同一種組織兩種擬合方法間R2的比較采用Wilcoxon檢驗；同一種擬合方法兩種組織間的R2比較采用Mann-Whitney檢驗。數據統計采用SPSS 13.0軟件分析，當P＜0.05時，認為有統計學差異。

2 結果

圖2表明，腎臟CCRCC和腎實質的DWI信號強度均隨著b值的增大而減小。經過單指數擬合，兩種組織在各b值區的DWI信號變化均不能與擬合曲線重疊。但是經過雙指數擬合后，兩種組織的DWI信號變化基本與擬合曲線重疊。

32例腫瘤實質區的多b值DWI信號衰減的單、雙指數擬合度參數R2的中位數(75%區間)分別為0.97 (0.96，1.00)和1.00 (1.00，1.00)，組間存在統計學差異(W=－253，P=0.00)；腎臟實質的多b值DWI信號衰減的單、雙指數擬合度參數R2的中位數(75%區間)分別為0.98 (0.98，0.99)和1.00(1.00，1.00)，組間存在統計學差異(W=－528，P=0.00)。單指數函數擬合在兩種組織間的R2無統計學差異(U=301.5，P=0.26)，雙指數函數擬合在兩種組織間的R2也無統計學差異(U=253.0，P=0.05)。

3 討論

腎癌是最常見的腎臟惡性腫瘤。據報道，DWI在腎癌的分型[1]，甚至是在透明細胞癌的分級中都有重要意義[6]。但是以上的研究成果都是在2個或3個b值的基礎上，按照組織的DWI呈單指數函數衰減的理論計算定量參數表觀擴散系數。其前提是這種組織的DWI信號隨b值的衰減呈現單指數函數關系[7]，但近幾年的研究發現：胸部、腹腔實質器官的DWI信號隨著b值的增加呈非單指數函數變化，其中以采用雙指數函數的分析的最為多見[8-10]。因此，本研究以腎臟透明細胞癌患者的多b值DWI資料為研究材料，在統計學層面上定量分析是否雙指數函數變化特征比單指數函數更適合描述腹部活體組織的DWI信號變化特征，為DWI間接地反映組織學本質特征奠定基礎。

圖2 腎實質和CCRCC實質區的多b值DWI信號的單、雙指數擬合。隨著b值的增大，腎實質(腎皮質)和CCRCC實質區的信號強度逐漸減小。與單指數擬合相比(左圖)，雙指數擬合(右圖)的擬合曲線(實線)與中位數連線(虛線)在各b值區的相似程度均有改善Fig.2 The fitting curves of monoexponential and biexponentials model used to multi-b DWI of renal parenchyma and CCRCC.The signal intensity of two tissues declined with increased b values.The fi tting curve of biexponential model (right) can overlap nearly the nonlinear trend of DWI with several b factors, and better than that of monoexponential model (left).

腎實質和CCRCC實質區的DWI信號隨著b值的增大而減小。在多b值DWI成像的定量分析前，首先面臨的問題是b值選擇。當b≤200 s/mm2時，DWI信號減小的更快，多數學者將其理解為微血管灌注所致[4，9-12]，而且建議在此b值區采用較小的b值間隔，但是該研究在此b值區只有200 s/mm2一個b值。即使在這樣的條件下，雙指數函數擬合度R2仍然高于單指數函數擬合，可見這種活體組織內的微血管灌注對低b值DWI的影響比較明顯。根據以往腎臟占位的DWI研究，最大b值多選擇在800 s/mm2[3]。在本研究中，當b值800 s/mm2時(圖1)，CCRCC實質區和腎實質的信號明顯高于背景信號，滿足了圖像分析的基本要求。

單指數擬合是目前最常用的擴散成像定量分析的理論。在一般條件下，2個b值即可完成ADC的計算，不僅成像時間短，而且計算過程簡單。雙指數函數分析則對數據的要求相對較高。采用GraphPad Prism軟件包進行雙指數擬合，至少需要5個b值對應的DWI信號值，所以使用雙指數函數分析的DWI的采集時間明顯增加。但是兩種方法都有一個共同點，即采用的b值越多，擬合的精度越高，得到的定量參數越準確。本研究中數據分析中恰好采用了5個b值，剛好滿足雙指數函數分析的。即使在5個b值的條件下，通過配對檢驗，雙指數擬合的擬合度參數R2仍然明顯高于單指數函數擬合。因此，有理由認為：雙指數函數的數學函數模型更代表腎實質和CCRCC實質區的DWI信號隨b值的變化特征。

腎透明細胞癌的分化程度存在差異，而且極其容易壞死，所以感興趣內可能包含微小的壞死灶。因此推斷：CCRCC的異質性比腎臟實質明顯，在理論上其擬合精度應該低于腎實質。但統計結果證明：雖然CCRCC的雙指數擬合度略低于腎實質，可是尚未達到統計學差異。推測其原因：CCRCC實質區的微小壞死灶較少，同時腫瘤的細胞的分化程度較相似，尚不足以導致明顯差異。

本研究也存在一定的不足。首先，腎臟透明細胞癌極其容易壞死，盡管我們盡量避免ROI內存在壞死，但是由于是參考常規T1WI、T2WI及CE-T1WI，仍然不能排除ROI內較小的壞死灶；其次，小b值區(≤200 s/mm2)的b值較少，一定程度上減弱了擬合的精度。

總之，雖然雙指數函數的應用前景尚不完全明朗[3]，但是雙指數函數的數學模型更適合描述腎實質和CCRCC實質區的多b值DWI信號變化特征，為進一步探討多b值DWI間接反映組織的細胞學特征奠定了基礎。

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