定量磁共振灌注成像用于評價直腸癌的微血管灌注及滲透性*

肖曉娟，　盧寶蘭，　楊心悅，　王　影，　劉旭斌，　翟鳳儀，　余深平△

(中山大學附屬第一醫院 1影像科， 2病理科，廣東 廣州 510080)

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定量磁共振灌注成像用于評價直腸癌的微血管灌注及滲透性*

肖曉娟1，盧寶蘭1，楊心悅1，王影1，劉旭斌2，翟鳳儀1，余深平1△

(中山大學附屬第一醫院1影像科，2病理科，廣東 廣州 510080)

[摘要]目的： 采用定量磁共振(MR)灌注成像測定直腸癌的各灌注參數，以探究MR灌注成像在評價腫瘤局部微血管灌注量及滲透性方面的應用價值。方法: 回顧性分析行直腸動態對比增強磁共振(DCE-MRI)掃描的直腸癌患者38例。計算腫瘤和正常腸壁感興趣區(ROI)灌注參數 [對比劑容積轉換常數(Ktrans)、血漿與血管外細胞外間隙(EES) 間的速率常數(Kep)、單位體積組織的EES 容量(Ve)及初始強化曲線下面積(iAUC)]的平均值，并對腫瘤與正常腸壁、黏液腺癌與非黏液腺癌、不同分化程度及是否伴淋巴結轉移的患者各灌注參數值進行比較分析。結果: 直腸癌的各灌注參數均較正常腸壁高，差異具有統計學意義(P<0.01)。直腸黏液腺癌較非黏液腺癌的Ktrans值低(P<0.05)。不同分化程度、伴有或不伴有淋巴結轉移直腸癌患者的Ktrans、Kep及Ve差異無統計學意義，伴有淋巴結轉移的直腸癌iAUC較不伴者低。結論: 定量MR灌注成像驗證了直腸癌較正常腸壁局部微血管灌注及滲透性的改變，并可用于鑒別黏液腺癌與非黏液腺癌的組織學分型，具有一定的診斷應用價值。但是僅根據腫瘤的灌注值來判斷腫瘤的分化程度及淋巴結轉移尚不可靠。

[關鍵詞]直腸癌； 磁共振灌注成像； 微血管灌注； 滲透性

直腸癌的腸壁外侵襲、淋巴結轉移、血行轉移及放化療效果均與腫瘤微血管情況密切相關，因此評估腫瘤血管對直腸癌的術前分期及預后評價具有重要意義[1]。傳統的腫瘤血管評價方法包括微血管密度計數、免疫染色、反轉錄聚合酶鏈反應(reverse transcription polymerase chain reaction, RT-PCR)等，但都屬于有創性檢查，且耗時、不可重復[2]。基于動態對比增強掃描及TISSUE4D后處理技術的定量磁共振(magnetic resonance，MR)灌注成像為近年來應用較先進的一種磁共振功能成像技術，具有高時間分辨率、多參數定量評價的優點，可通過血漿與血管外細胞外間隙(extravascular extracellular space，EES)間的對比劑容積轉換常數(volume transfer constant，Ktrans)、血漿與EES 間的速率常數(rate constant of back flux，Kep)和單位體積組織的EES 容量(ex-travascular extracellular space fractional volume，Ve)的值無創地反映腫瘤的微循環情況[3]，已有研究將其用于放化療的效果預測及監測，但結論不盡相同[4-5]。本研究擬采用該定量MR成像技術對直腸癌的各灌注參數進行療前測定，以探究其局部微血管灌注及滲透性的改變及病理生理學基礎，以期為未來的進一步臨床應用提供參考。

材料和方法

1研究對象

收集中山大學附屬第一醫院2014年11月～2015年6月間38例行直腸高分辨MRI及動態對比增強磁共振成像(dynamic contrast-enhanced MRI，DCE-MRI)掃描的直腸癌患者資料。其中男22 例，女16 例，平均年齡(57.0±11.2)歲。患者納入標準為：(1)檢查前經腸鏡病理活檢明確為直腸癌；(2)檢查前未接受放、化療等輔助治療；(3)檢查后行手術治療且取得最終病理結果。所有受檢者均自愿接受直腸MRI 檢查并簽署知情同意書。

2MR掃描設備及檢查方法

采用Magnetom Verio 3.0 T (Siemens)超導型MR 成像儀，并選擇體部相控陣線圈。MRI掃描方案包括：(1)常規直腸高分辨矢狀、冠狀、正交軸位T2WI及正交軸位T1WI掃描。(2)正交軸位DCE-MRI掃描。首先，采用T1-vibe序列行3D雙翻轉角(2°和15°)掃描計算T1值，掃描參數為TR 5.08 ms，TE 1.74 ms，FOV 260 mm×260 mm，層厚3.60 mm，體素1.9 mm×1.4 mm×3.6 mm；然后，采用T1WI-3D-twist序列行DCE-MRI掃描，5期動態掃描后由高壓注射器經肘靜脈團注對比劑Gd-DTPA(廣州康臣公司)，注射劑量0.1 mmol/kg，流速為3 mL/s，注射對比劑后以同樣速度注射0.9%生理鹽水25 mL，共行75期不間斷動態掃描；掃描參數為TR 4.83 ms，TE 1.87 ms，層厚3.60 mm，FOV 260 mm×260 mm，體素2.0 mm×1.4 mm×3.6 mm，翻轉角12°。(3)常規正交軸位T1WI及3D-vibe-T1WI增強掃描。

3資料分析

3.1DCE-MRI圖像及數據處理采用磁共振后處理工作站(Syngo MultiModality Workplace, VE40A； Siemens)的Tissue 4D軟件對DCE-MRI圖像進行后處理，具體步驟如下：(1)利用Tissue 4D軟件對平掃及DCE-MRI所得灌注圖像進行同層面校準；(2)于腫瘤區、正常腸壁(結合常規高分辨T2WI及增強掃描確定腫瘤的邊緣，選取距離腫瘤邊緣至少2 cm以外的腸壁作為正常腸壁)及鄰近肌肉(腫瘤鄰近的正常閉孔內肌或臀大肌)分別選定2個、1個和1個感興趣區(region of interest，ROI)，生成時間-強化曲線(time-relative enhancement curve)，如圖1A～C所示；(3)選取容積計算范圍(volume of interest，VOI)，選擇原則為范圍內包含腫瘤全部、部分正常腸壁及鄰近肌肉(選取原則如前文所述)，且須避開膀胱；(4)根據VOI內血流特點選擇合適的動脈輸入函數(arterial input function，AIF)模型，方法為依次試匹配軟件內的“Fast”、“Intermediate”和“Slow”模型，卡方值最小的提示模型匹配最好，然后選擇該模型并隨即計算獲得VOI的各灌注值(圖1D～F)；(5)選擇ROI并獲得灌注指標Ktrans、Kep、Ve和初始強化曲線下面積(initial area under curve，iAUC)值(圖1G～I)。共選取12個ROI，第1～3個選取腫瘤的3個最大層面，第4～6個選取步驟(4)所顯示的灌注值最高的區域，第7～9個選取正常腸壁，第10～12個選取鄰近肌肉。以上ROI的選擇均結合T2WI平掃圖像考慮。(6)保存后處理圖像并記錄參數值。

Figure 1.Quantitative perfusion analysis of a 42-year-old woman diagnosed with rectal cancer. A, B: ROIs of the carcinoma, normal rectal wall and adjacent muscle; C: time-relative enhancement curves of the 4 selected ROIs; D～F: drawing the volume of interest for calculation and modeling with color; G～I: perfusion parameters of the drawn ROIs were presented.

圖1直腸癌定量MR灌注成像分析示例圖

3.2病理資料分析直腸癌依據腺管形態學特征及腺樣結構的多少分為高分化癌、中分化癌和低分化癌。95%以上的腫瘤組織顯示腺樣結構者可定為高分化腺癌(Ⅰ級)，50%～95%定為中分化腺癌(Ⅱ級)，5%～50%定為低分化腺癌(Ⅲ級)，5%以下的定為未分化癌(Ⅳ級)[6]。因黏液腺癌的臨床治療及預后與非黏液腺癌不同，本研究將納入病例的組織學類型分為黏液腺癌和非黏液腺癌(包括管狀腺癌、乳頭狀癌等)2組。本研究中1例患者經病理證實伴有雙側卵巢種植轉移，1例CT診斷肺轉移但無病理證實，其余36例患者均未發現遠處轉移。

4統計學處理

應用SPSS 20.0 統計軟件進行分析。灌注指標Ktrans、Kep、Ve和iAUC值均采用均數±標準差(mean±SD)表示。腫瘤與正常腸壁的比較采用配對t檢驗；黏液腺癌與非黏液腺癌、低分化與中高分化、伴有淋巴結轉移和不伴淋巴結轉移的直腸癌灌注值的比較采用兩獨立樣本t檢驗；若前述分析數據正態性檢驗P<0.10，則采用對應的秩和檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

結果

1直腸癌與正常腸壁的灌注值測量結果及比較

38例直腸癌(114個ROI)與正常腸壁的平均灌注值測量結果顯示，腫瘤的各項灌注參數值明顯低于正常腸壁(P<0.01)，見表1。

表1直腸癌與正常腸壁的灌注值比較

Table 1.Perfusion parameters of rectal cancer and normal rectal wall (Mean±SD.n=38)

PerfusionparameterRectalcancerNormalrectalwallPKtrans(min-1)0.24±0.130.09±0.050.000Kep(min-1)0.82±0.470.64±0.500.007Ve0.36±0.100.22±0.090.000iAUC(mmol·L-1·s)5.17±5.072.10±2.040.000

2直腸癌組織學類型與灌注值的關系

本組病例中8例黏液腺癌與30例非黏液腺癌的灌注值比較，Ktrans值較低，差異有統計學意義；兩組間Kep、Ve及iAUC差異不顯著，見表2。

表2黏液腺癌與非黏液腺癌的灌注值比較

Table 2.Perfusion parameters of mucinous and nonmucinous rectal cancer (Mean±SD)

PerfusionparameterMucinousrectalcancer(n=8)Nonmucinousrectalcancer(n=30)PKtrans(min-1)0.16±0.580.26±0.140.015Kep(min-1)0.82±0.750.81±0.380.964Ve0.32±0.080.37±0.110.194iAUC(mmol·L-1·s)4.02±1.805.47±5.620.235

3直腸癌病理分化程度對直腸癌灌注值的影響

腫瘤分化程度方面，本研究38例直腸癌患者中有高分化1例，中分化27例，低分化10例，將中高分化合并與低分化組的灌注值進行比較，結果顯示中高分化組與低分化組的各灌注指標的差異均無統計學意義，見表3。

表3不同分化程度直腸癌的灌注值比較

Table 3.Perfusion parameters of poorly and moderately-to-well differentiated rectal cancer (Mean±SD)

PerfusionparameterPoorlydifferentiatedrectalcancer(n=10)Moderately-to-welldifferentiatedrectalcancer(n=28)PKtrans(min-1)0.33±0.130.45±0.360.33Kep(min-1)0.90±0.680.79±0.380.53Ve0.33±0.070.37±0.110.19iAUC(mmoL·L-1·s)3.76±1.785.66±5.760.13

4伴有淋巴結轉移和不伴淋巴結轉移的直腸癌灌注值的比較

本組病例經病理證實伴有和不伴有淋巴結轉移的直腸癌患者分別有17和21例。兩組患者的灌注值僅iAUC的差異有統計學意義，結果顯示不伴淋巴結轉移的直腸癌iAUC值高于伴有淋巴結轉移的直腸癌；但兩組間Ktrans、Kep和Ve差異無統計學意義，見表4。

討論

腫瘤的生長依賴于血管生成，如果沒有血管系統，腫瘤組織會處于停滯、靜止狀態，在新血管生成后腫瘤則可呈指數倍生長，并向周圍組織侵襲和出現遠處轉移[7]。因此，了解腫瘤的微血管灌注情況對于直腸癌的生物學特性及預后評估具有重要價值。本研究所采用的DCE-MRI即可通過小分子對比劑在組織內的運動情況間接、無創地反映腫瘤的微血管灌注環境。當靜脈團注對比劑后，對比劑到達腫瘤處的毛細血管床進而很快滲漏至EES。DCE-MRI所得參數Ktrans描述的是對比劑經血管內皮轉運至EES的速率，其大小可評價局部的血管灌注量及血管的滲透面積；因為對比劑不能進入細胞內，EES內分布與循環的對比劑量Ve就可以反映EES的大小；一段時間后，對比劑開始從EES回流至相應血管內，回流的速度即灌注參數Kep，Kep的大小很大程度受毛細血管滲透性的影響。此外，本研究納入了半定量模型的灌注參數iAUC，因為其不受灌注參數模型的影響，可以整體反映感興趣區的血流量情況[3]。

表4伴和不伴淋巴結轉移的直腸癌灌注值比較

Table 4.Perfusion parameters of rectal cancer with or without lymph node metastasis (Mean±SD)

PerfusionparameterWithlymphnodemetastasis(n=17)Withoutlymphnodemetastasis(n=21)PKtrans(min-1)0.22±0.090.26±0.160.38Kep(min-1)0.79±0.580.83±0.370.78Ve0.38±0.090.35±0.110.45iAUC(mmol·L-1·s)3.27±1.786.71±6.290.03

本研究結果顯示直腸癌的Ktrans、Kep、Ve及iAUC值均高于正常直腸腸壁。其中，直腸癌Ktrans和Kep值增高與目前報道的Yao等[8]及Kim等[2]的研究結果一致，因為腫瘤新生血管的結構及功能發育不完善，相較正常血管通常具有更高的滲透性和血流量，所以導致了Ktrans及Kep值的增高，同理iAUC也相應增高。但Ve的研究結果各異，Yao等[8]的結果與本文一致認為直腸癌的Ve值較正常腸壁高，而Kim等[2]的研究得出直腸癌與正常腸壁的并無差異，Janssen等[9]利用CT灌注則得出直腸癌與正常腸壁的Ve值接近。已有研究表明，腫瘤的EES會增大以滿足需求量增加的氧和營養物質[3]，本研究的結論符合該腫瘤血管的特點。出現前述研究結果差異的原因可能為Janssen等所使用CT灌注的采集時間較短，不能全面反映對比劑的滲透情況，所得EES的值并不準確；而Kim等的研究掃描時間夠長，同樣出現了陰性結果，他們提出的解釋為EES還可能受多種因素如細胞密度、組織缺氧情況等的影響。

直腸黏液腺癌屬于直腸癌的一種組織學分型，發生率約占結直腸癌的5～15%。研究發現其新輔助放化療效果更不理想且預后較非黏液腺癌差[10]。因此，術前發現直腸癌是否屬于黏液腺癌有助于患者合理選擇新輔助放化療并評估預后。本研究結果顯示直腸黏液腺癌的Ktrans值低于非黏液腺癌，這與Oberholzer等[11]的結論相符，其病理生理學原理為黏液腺癌在細胞外形成較大的黏液湖，限制了血管內外的小分子運動，并導致了腫瘤毛細血管滲透面積的減小，從而使Ktrans值減小。黏液腺癌與非黏液腺癌在其它灌注指標方面及腫瘤分化程度的各個灌注值并無顯著差異，但是目前關于粘液腺癌與非黏液腺癌的灌注值評價研究很少。在評價腫瘤分化程度方面，本文結果提示低分化與中高分化的直腸腺癌在灌注值方面并無差異。國內外有數篇研究亦就此進行了比較，但結論不一[2, 8, 12]，因受局部腫瘤綜合狀況的影響，研究間差異較大，是否能根據灌注值來預估腫瘤的分化程度尚需進一步大樣本的研究得出更可靠的證據。

淋巴結的術前評價是直腸癌的另一項重要評估內容，Langman等[13]的最新研究發現約1/3左右的直腸癌轉移淋巴結直徑<3 mm，超過一半的直腸癌轉移淋巴結≤5 mm，因此，單純依靠淋巴結的形態來判斷轉移有一定局限性，有研究提出是否可以利用功能成像來評估淋巴結轉移。Yao等[8]的研究指出直腸癌是否伴有淋巴結轉移與Ktrans相關，但未給出2組Ktrans的具體數值。然而，本研究結果顯示伴有和不伴有淋巴結轉移的直腸癌Ktrans、Kep及Ve均無差異，伴有淋巴結轉移的直腸癌iAUC較不伴者低。因為淋巴結轉移受病程長短、病理分化程度等多方面因素的影響，僅依靠對腫瘤本身的灌注參數來預測淋巴結轉移的價值有待進一步探討。

綜上所述，本研究通過DCE-MRI定量灌注驗證了直腸癌較正常腸壁微血管灌注及滲透性的改變，并發現直腸黏液腺癌的Ktrans值較非黏液腺癌低，說明了DCE-MRI定量灌注在無創反映腫瘤微循環情況方面的作用。但是，是否能僅根據腫瘤的灌注值來判斷腫瘤的分化程度及淋巴結轉移尚需進一步研究。

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(責任編輯： 林白霜， 羅森)

Quantitative perfusion parameters of dynamic contrast-enhanced magne-tic resonance imaging in patients with rectal cancer: estimation of the microvascular perfusion and permeabilityXIAO Xiao-juan1, LU Bao-lan1, YANG Xin-yue1, WANG Ying1, LIU Xu-bin2, ZHAI Feng-yi1, YU Shen-ping1

(1DepartmentofRadiology,2DepartmentofPathology,TheFirstAffiliatedHospital,SunYat-senUniversity,Guangzhou510080,China.E-mail:ethan_yu@sina.com)

[ABSTRACT]AIM: To investigate the perfusion parameters using dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging (DCE-MRI) in rectal cancer patients so as to explore its potential value in estimating the microvascular condition including perfusion and permeability. METHODS: The data of 38 rectal cancer patients examined with DCE-MRI was retrospectively analyzed. The perfusion parameters of carcinoma and normal rectal wall in each case were calculated, including volume transfer constant (Ktrans), rate constant of back flux (Kep), extravascular extracellular space fractional volume (Ve) and initial area under curve (iAUC). The mean values of tumor and normal rectal wall, mucinous and nonmucinous carcinoma, poorly and moderately-to-well differentiated carcinoma, case with or without lymph node metastasis were compared. RESULTS: All the parameters of rectal cancer were higher than normal rectal wall (P<0.01). No significant difference was found between poorly and moderately-to-well differentiated carcinoma in terms of Ktrans, Kepand Ve, neither was the case with or without lymph node metastasis. The cases with lymph node metastasis had lower iAUC than those without (P<0.05). CONCLUSION: Quantitative perfusion DCE-MRI answered the microvascular perfusion and permeability change of rectal cancer compared with normal rectal wall, besides it could be used to distinguish between mucinous and nonmucinous carcinoma, which demonstrated its value in the evaluation of rectal cancer. However, it should not be recommended to predict the degrees of tumor cell differentiation and lymph node metastasis just according to the perfusion parameters.

[KEY WORDS]Rectal cancer; Magnetic resonance perfusion imaging; Microvascular perfusion; Permeability

通訊作者△Tel: 0594-6923115; E-mail: xueleiwu@163.com

[收稿日期]2015- 06- 05[修回日期] 2015- 10- 14

[文章編號]1000- 4718(2015)12- 2169- 07

doi:10.3969/j.issn.1000- 4718.2015.12.009

[中圖分類號]R735.3+7

[文獻標志碼]A