彌散張量成像纖維示蹤技術聯合T2WI診斷前列腺癌外周帶包膜外侵犯的價值

賈通宇，常 驍，張曉晶，龐月文，宋 濤解放軍總醫院第一醫學中心 泌尿外科，北京 0085；解放軍總醫院第一醫學中心 放射科，北京 0085；北京中醫藥大學東直門醫院，北京 00007

前列腺癌根治性切除術已成為局限性前列腺癌的最常見治療手段，在達到腫瘤切除這一目標的同時，勃起功能及尿控的保留也十分重要。而環繞在前列腺周圍的呈網狀結構的神經束，尤其是位于外周帶與直腸組成的夾角區域[經典的前列腺周圍血管神經束(neurovascular bundle，NVB)結構]，包含了控制陰莖海綿體勃起的副交感神經[1]。各種保留前列腺周圍NVB的術式能夠顯著提高術后勃起功能的恢復，而是否選擇保留前列腺周圍NVB術式則取決于前列腺癌是否有包膜外侵犯(extra-capsular extension，ECE)[2-3]。由于前列腺癌大多位于外周帶，且前列腺周圍神經束也主要分布于前列腺外周帶、直腸與恥骨直腸肌形成的三角區域內，故術前對于外周帶ECE的診斷將直接影響患者的治療及預后[4-5]。目前，前列腺癌外周帶ECE的診斷主要依靠T2WI序列的形態學指標，即外周帶腫瘤與包膜的關系[6-7]。在經驗豐富的影像科醫生閱片的情況下會有較高的特異性，但敏感度偏低，且不同水平醫生間的診斷一致性較低[8]。隨著MRI技術的發展，出現了很多功能影像學技術，如彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術，DTI能夠反映水分子在三維空間內的彌散狀況，可3D重建神經纖維的走行，是目前唯一能無創顯示大腦白質纖維走行的技術[9]。DTI也被用于顯示前列腺周圍神經束并獲得了良好的三維圖像[10-11]。已有研究證實，在中樞及外周神經系統中，腫瘤侵犯神經纖維會使DTI參數發生改變，因此其可以用于術前預測及手術規劃[12-13]，并且有研究表明DTI參數對前列腺癌ECE有診斷價值[14]。本研究聯合T2WI的形態學指標與DTI的功能學指標，以前列腺癌病理大切片為金標準，評估其預測前列腺癌外周帶ECE的價值。

對象和方法

1 研究對象 2018年12月- 2019年8月連續納入在解放軍總醫院第一醫學中心就診的前列腺癌患者。納入標準：前列腺穿刺陽性的局限性前列腺癌。排除標準：術前內分泌治療；MRI絕對禁忌證或拒絕簽署知情同意書；前列腺穿刺術后出血；前列腺癌發生轉移。本研究共納入17例患者，平均年齡65.41歲。見表1。

表1 17例患者臨床資料Tab.1 Baseline data of 17 patients

2 術前MRI檢查 患者簽署知情同意書后行3.0T MRI檢查及DTI序列。檢查前適度充盈膀胱。采用3.0T MR單元(美國GE Discovery 750型)以及32通道腹部線圈掃描。MRI常規行橫斷面、冠狀面、矢狀面和軸面FR FSE T2WI掃描，TR 6 627.00 ms，TE 115.1 ms，FOV 200 mm×200 mm，矩 陣288×288，層厚3 mm。三維DTI行軸面自旋平面回波成像序列掃描，TR 3 000.00 ms，FOV 180 mm×180 mm，矩陣130×128，b=0、800 s/mm2，掃描中心、層厚和間距與T2WI相同。術前DTI與RP平均間隔為8(1 ～ 80) d，術前DTI與穿刺平均間隔為31(17 ～ 45) d。

3 手術及病理大切片 患者常規行機器人輔助前列腺癌根治性切除術，行保留神經術式11/17(64.7%)，盆腔淋巴結清掃11/17(64.7%)。前列腺病理大切片制作參考文獻[15-16]報道的方式：將前列腺標本置于甲醛溶液固定24 h以上，在垂直于尿道的方向做冠狀切面(厚度3 ～ 4 mm)，將據膀胱頸口3 mm、前列腺中部、據尿道口3 mm三個層面做大切片處理，這三個平面分別代表了前列腺尖部、中部、基底部。切片做HE染色。將準備做大切片組織置于全封閉自動組織脫水機中脫水，后置于大切片包埋盒包埋。采用輪轉式切片機(leica 2235)進行切片，用定制的7.5 cm×5.5 cm載玻片漂片，常規HE染色。由1名工作20年的病理科醫生進行評估。

4 圖像分析 為了與術后病理大切片平面相匹配，首先使用3D Slicer軟件(v.4.10.0)的Transforms模塊將待評估影像平面與尿道垂直。1)T2WI的形態學評估：由1名工作超過10年的影像科醫生在不知道病理結果的情況下應用PI-RADS v2系統評估前列腺癌外周帶ECE，同時應用患者其他序列(包括DWI、DCE等)判斷癌灶。影像科醫生根據PI-RADS評分分別在據膀胱頸口3 mm、前列腺中部、據尿道口3 mm三個層面(與病理大切片相對應)對雙側外周帶EPE情況進行分級：1分，腫瘤與前列腺包膜有清楚界限；2分，腫瘤臨近包膜但未使其變形；3分，腫瘤緊貼包膜并使包膜不規則；4分，腫瘤凸出，使包膜變形或消失；5分，明顯包膜外侵犯。分數≥3分被認定為有包膜外侵犯[6]。2)DTI的功能學評估：同1名醫生應用3D Slicer軟件及纖維束示蹤算法對前列腺外周帶包膜外組織DTI序列作纖維束成像。參考文獻[13，17]報道的軟件設定值：角度閾值45°，各向異性分數(fractional anisotropy，FA)閾值0.15，最小纖維長度閾值5 mm。具體方法：首先將DTI圖像與T2WI圖像融合。在融合圖像上，與T2WI和病理大切片對應的三個層面，分別繪制左右側外周帶包膜外組織的興趣區(region of interest，ROI)(圖1A)，用軟件對ROI進行重建，并計算區域內纖維數量、纖維密度、ROI的平均FA及平均彌散率(mean diffusivity，MD)(圖1B)。

圖 1 前列腺癌T2WI和DTI融合圖像上繪制雙側外周帶ROI (A)及纖維示蹤(B)Fig.1 Delineating bilateral peripheral zone ROI in a prostate cancer T2WI/DTI on hybrid image (A) and tractographic reconstruction (B)

5 統計學方法 采用SPSS19.0軟件進行基本的診斷數據計算及ROC曲線繪制。計算PI-RADS評分診斷前列腺癌外周帶ECE的敏感度、特異性、陽性預測值(positive predictive value，PPV)、陰性預測值(negative predictive value，NPV)。繪制DTI四個參數(纖維數量、纖維密度、平均FA和平均彌散率診斷前列腺癌外周帶ECE的ROC曲線，得出具有診斷價值的參數并計算cut-off值。將這些參數的cut-off值聯合T2WI診斷外周帶ECE的敏感度、特異性、PPV、NPV。采用R語言統計模塊(http：//www.R-project.org)及EmpowerStats軟件進行logistic回歸預測模型的計算，將上述得到的參數與PI-RADS評分納入logistic模型，得出方程，繪制ROC曲線，評估其診斷效能。

結 果

1 病理大切片 17例患者共得到51個前列腺大切片，左右等分后得到102個研究對象，其中前列腺外周帶ECE為16個(15.8%)。

2 PI-RADS評分診斷ECE 在102側前列腺外周帶中，PI-RADS評分≥3分有23個(22.6%)，這部分被認為有外周帶ECE。診斷敏感度為69%，特異性為86%，PPV為48%，NPV為94%(表2)。

表2 T2WI診斷前列腺癌外周帶ECE的PI-RADS評分及敏感度、特異性、PPV和NPVTab.2 PI-RADS score of peripheral zone ECE of prostatic cancer based on T2WI images and its sensitivity,specificity,PPV,NPV

3 DTI參數診斷 ECE以病理大切片診斷外周帶ECE組為陽性樣本(n=16)，以病理大切片診斷外周帶ECE組為陰性樣本(n=86)，再將DTI四個參數FA、MD、纖維密度、纖維數量水平劃分成7 ～ 10個組段，建立ROC曲線診斷分析模型。經ROC分析知，FA、MD、纖維密度、纖維數量的AUC值分別為0.805、0.664、0.576和0.580，FA值具有較高的對前列腺癌外周帶ECE的預測價值，ROCAUC在0.70以上(cut-off值為0.301)。在其理論閾值點處，敏感度和特異性為94%和74%，ROC分析曲線見圖2。

圖 2 DTI參數診斷外周帶ECE的ROC曲線Fig.2 ROC curves of DTI parameters in determining the peripheral zone ECE

圖 3 T2WI和DTI評估前列腺癌右側外周帶ECE A：病理大切片顯示右側外周帶ECE(箭頭區域為右側外周帶ECE區域，右下角圖像為放大圖像，可見腫瘤組織侵出前列腺包膜)；B：PIRADS評分為2分,未能診斷出右側外周帶ECE； C：DTI與T2WI融合圖像上繪制ROI； D：纖維束重建后得到FA= 0.265，小于0.301，考慮右側外周帶ECE，與病理金標準結果一致Fig.3 T2WI and DTI in assessment of right peripheral zone ECE of prostate cancer A:Pathological section shows right peripheral zone ECE (The arrow points the region of ECE,which is demonstrated by high magnification on the bottom right corner)； B:The PI-RADS score is 2 points,which doesn't indicate ECE； C:Delineating of ROI in the T2WI/DTI hybrid image；D:The FA is 0.265 and less than 0.301,which is in line with the pathological result

4 DTI參數與T2WI聯合診斷ECE 利用FA的cut-off值與PI-RADS評分并聯診斷ECE的敏感度為100%，特異性60%，PPV為100%，NPV為93%。在T2WI形態學指標基礎上，聯合DTI參數的cut-off值使得敏感度從69%升高至100%，但使特異性下降，從86%下降至60%。兩者聯合能診斷出更多的前列腺癌外周帶ECE(圖3)。

5 預測模型 模型設計：建立非條件logistic回歸預測模型，以本研究資料為樣本，以病理學金標準為應變量，賦值1=前列腺癌外周帶ECE陽性，0=前列腺癌外周帶ECE陰性。以PI-RADS評分、FA值為自變量。模型策略：考慮到樣本量尤其是陽性樣本量較少，本研究主要目的是評估DTI指標與T2WI序列聯合對前列腺癌外周帶ECE的診斷價值，故將影響作用已知的年齡、PSA、Gleason評分等指標剔除，不納入回歸。回歸過程采用逐步后退法，以進行自變量的選擇和剔除，設定α剔除=0.10，α入選=0.05。AUC可信區間與顯著性檢驗采用非參數的重復采樣方法(Bootstrap resampling times=500)，最佳閾值取敏感度+特異性最大的分界值。預測模型：logit(病理)=3.376+1.553*PI.RADS-28.711*MEANFA。模型的診斷效能：敏感度為88%，特異性為90%，PPV為61%，NPV為97%，ROC曲線下面積為0.932(圖4)。在T2WI形態學指標基礎上，我們的預測模型使得敏感度及特異性均升高，分別從69%和86%提高至88%和90%，準確度為89%。

圖 4 PI-RADS評分、 FA聯合診斷前列腺癌外周帶ECE的logistic回歸模型的ROC曲線Fig.4 ROC curve of logistic regression model for assessing peripheral zone extra-capsular extension of prostate cancer by the combination of PI-RADS score and FA

討 論

在局限性前列腺癌中，有無ECE至關重要，前列腺癌伴ECE往往提示預后較差，且術前ECE的診斷也會影響手術方式的選擇(是否保留盆內臟神經)。而腫瘤多數發生于外周帶，控制陰莖海綿體勃起的神經束也主要分布于前列腺癌外周帶、直腸及恥骨直腸肌構成的區域內，即經典的NVB概念[1]。目前，術前對于前列腺癌外周帶ECE診斷主要依靠T2WI的形態學指標，診斷的準確度與醫生的經驗有關[6]。隨著功能性影像技術的出現，前列腺癌的診斷有了提升，但對于ECE的診斷依然不理想。DTI作為一種無創MRI技術，有兩個反映組織本身性質的參數—FA和MD。FA代表了水分子彌散的程度大小，接近于1的組織是有方向性、規則性的組織，如神經白質纖維；MD表示水分子彌散大小，反映三維空間組織的彌散狀況，與方向沒有關系，MD越大，組織內的自由水分子含量越高[12]。前列腺癌外周帶、直腸和恥骨直腸肌構成的軟組織區域由神經束、血管及脂肪構成，而外周帶腫瘤的侵犯可能會改變這部分組織的空間結構。已有研究證實，在中樞神經系統中，腫瘤侵犯白質纖維會使FA升高、MD減低[13]。基于此，我們假設DTI的參數也可能會反映前列腺外周帶包膜外組織受到腫瘤侵犯。

本研究采用前列腺病理學大切片作為金標準，可以與MRI平面作1∶1精準對照，可提高研究結果的可靠性[16]。利用PI-RADS評分診斷前列腺癌外周帶ECE，我們得到的特異性較高，敏感度較低，類似于以往文獻結論[6]。在DTI定量分析階段，我們主要計算了四個參數：FA、MD、纖維數量和纖維密度。由于DTI的其他參數，如相對各向異性、容積比指數和垂直彌散率等與這四個參數類似，故沒有做額外計算。在描繪左右側外周帶包膜外組織ROI后，我們利用3D Slicer軟件計算了感興趣區內的FA和MD均值，這優于以往采用三點取值或隨機選點的研究[14]。在研究對象的選擇方面，為了發揮病理大切片可與MRI平面配對的優勢，本研究沒有以患者為單位，而是以每個平面的單側包膜外組織為單位。在DTI參數定量分析階段，本研究得出的敏感度較高，但特異性較低。我們分析特異性較低的原因可能是一些前列腺炎或穿刺后導致的炎癥等也會使包膜外組織結構發生改變，從而影像DTI參數。當DTI參數的cut-off值聯合T2WI時，使其敏感度增加，但特異性有所降低。為了完全發揮DTI高敏感度、T2WI高特異性的優勢，本研究又作了線性回歸預測模型，得到了更好的結果。

本研究的主要局限性：1)PI-RADS評分與DTI后處理中ROI描繪都依賴醫生經驗，本研究缺乏重復性試驗，結果也需要進一步的大樣本驗證。2)盡管利用3D Slicer軟件對MRI進行了處理，使掃描平面與病理切片匹配，但會有手術破壞前列腺組織以及組織脫水體積改變的情況存在，故無法做到和病理大切片完全匹配。3)本研究預測模型僅以FA和PI-RADS評分為參數，沒有納入血清前列腺特異性抗原、前列腺穿刺等，進一步納入這些參數也許能得出更好的預測模型。

綜上所述，我們的研究結果證實DTI序列及纖維束示蹤技術診斷前列腺癌外周帶ECE的敏感度較高。DTI功能學指標的高敏感度與T2-WI形態學指標的高特異度可以優勢互補，兩者結合是一種術前無創評估前列腺癌外周帶ECE的方式。