DKI定量參數與直腸腺癌病理學預后因素的相關性研究

楊 帆，陳 剛

1.武漢一脈陽光醫學影像診斷中心，湖北 武漢 430000；

2.武警湖北省總隊醫院醫學影像科，湖北 武漢 430061

直腸腺癌是胃腸道常見的惡性腫瘤，發病率逐年升高，患者確診時大多處于中晚期。目前新輔助放化療和手術切除是治療直腸腺癌的有效方法［1］，主要是針對腫瘤原發灶、局部復發和遠處轉移。相關影響因素包括性別、年齡、腫瘤部位、病理學分級、浸潤深度（T分期）、淋巴結轉移（N分期）、淋巴管血管侵犯或血管外侵犯等［2-4］。因此，早期精準的診斷和臨床分期對于直腸腺癌的治療是十分重要的。評估術前分期的方法包括超聲內鏡、計算機體層成像和功能磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI），其中功能MRI具有簡單、無創、多參數、多序列和多方位的成像優勢，能夠精準預測腫瘤浸潤深度和淋巴結轉移情況，已成為直腸腺癌定性診斷和分期的常規檢查［3-5］。彌散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）是檢測活體組織內非高斯分布水分子彌散運動的一種無創性的MRI功能成像技術。通過峰度系數（K值）和彌散系數（D值）等定量參數量化分子彌散偏離高斯分布的程度，能較好地反映組織微觀結構，主要在直腸癌中進行術前分期和療效評估［6-8］。然而，目前基于DKI定量參數直方圖分析與直腸腺癌病理預后因素的相關性研究較少［4］。

本研究擬探討DKI定量參數（D和K值）和表觀彌散系數（apparent diffusion coefficient，ADC）直方圖參數與直腸腺癌病理學預后因素（腫瘤浸潤程度、淋巴結轉移、病理學分級、TNM分期）的相關性，以期為臨床直腸腺癌的治療方案選擇及療效評估提供參考。

1 資料和方法

1.1 研究對象

選擇2015年1月—2018年12月武警湖北省總隊醫院收治的直腸腺癌患者126例進行回顧性研究。126例患者中，男性73例，女性53例；＜60歲患者65例，≥60歲患者61例。納入標準：① 患者術前均行MRI和DKI序列檢查；② MRI檢查前未行新輔助放化療；③ 術后病理學檢查證實為直腸腺癌。排除標準：① DKI圖像質量無法達到質量標準；② MRI檢查與手術時間間隔兩周以上。本研究通過武警湖北省總隊醫院倫理委員會批準，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 MRI和DKI檢查及圖像、數據分析

檢查前囑患者清淡飲食，排空大小便。檢查時患者取仰臥位，囑患者平靜呼吸。采用德國Siemens公司的MAGNETOM Avanto 1.5 T MRI儀對整個腫瘤進行掃描，先行矢狀位快速自旋回波T2加權成像（T2-weighted imaging，T2WI）序列，再行軸位高分辨率T2WI序列、軸位多b值DKI掃描（b=0、200、500、1 000、1 500和2 000 s/mm2）、軸位T1加權成像（T1-weighted imaging，T1WI）及軸位T2WI脂肪抑制精確頻率反轉恢復（spectral presaturation attenuated inversion recovery，SPAIR）序列。DKI序列參數：重復時間為6 000 ms，回波時間為80 ms，激勵次數為2，矩陣為104×130，視野為26 cm，層厚為3 mm，層間距為0 mm，彌散敏感梯度方向數為3。

掃描結束后，在FireVoxel圖像軟件上進行分析，采用三維全腫瘤體積法，在每個層面勾畫腫瘤輪廓，多層融合后獲得腫瘤灶的三維感興趣區（region of interest，ROI），包含腫瘤壞死、囊變區及出血部位。根據FireVoxel軟件上彌散峰度模型及彌散加權成像單指數模型計算出定量參數（D值和K值）及ADC值，利用MATLAB和SPSS 21.0軟件對DKI定量參數（D和K值）及ADC值進行直方圖分析，得到相應的定量參數的平均值、偏度和峰度值。

1.3 臨床分期及觀察指標

依據第8版美國癌癥聯合委員會（American Joint Committee on Cancer，AJCC）腫瘤分期標準［9］，根據腫瘤侵犯黏膜下層和固有肌層的范圍進行分期（T分期），分為早期組（pT1-2）和晚期組（pT3-4）；根據淋巴結是否轉移，分為淋巴結轉移組（pN+）和無淋巴結轉移組（pN0）；根據腫瘤分化程度分為低級別組（G1-2）和高級別組（G3）；臨床分期分為Ⅰ～Ⅳ期，比較不同T分期、N分期、病理學分級和臨床分期組間各定量參數（D、K和ADC值）直方圖，利用受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線分析各定量參數對直腸腺癌淋巴結轉移的診斷價值。

1.4 統計學處理

采用SPSS 21.0軟件對數據進行分析，計數資料采用n%表示，計量資料采用±s表示（正態分布資料）和M（Q1，Q3）表示（非正態分布資料），組間差異采用獨立樣本t檢驗或非參數檢驗（Mann-WhitneyU檢驗）。不同臨床分期（Ⅰ～Ⅳ期）的腫瘤DKI定量參數值組間差異采用單因素方差分析（one-way ANOVA）或Kruskal-WallisH檢驗，組間兩兩比較采用LSD法。采用Spearman相關性分析評價直腸腺癌DKI定量參數值與腫瘤不同病理學因素的相關性，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 患者臨床病理學分析

根據腫瘤部位、T分期、N分期、病理學分級、臨床分期（Ⅰ～Ⅳ期）對126例患者進行病理學分析，具體結果見表1。

表1 患者一般臨床病理學資料

2.2 不同T分期直腸腺癌患者D、K和ADC值直方圖分析

直腸腺癌晚期組（pT3-4期）患者與早期組（pT1-2期）患者相比，D平均值和ADC平均值明顯降低，K平均值明顯升高，差異有統計學意義（P=0.001，P＜0.001，P＜0.001）；D平均值和ADC平均值與直腸腺癌T分期呈負相關（r=-0.220，P=0.025；r=-0.412，P=0.010）；不同T分期直腸腺癌患者間各直方圖的偏度及峰度值差異無統計學意義（P＞0.05，表2）。

表2 不同T分期直腸腺癌患者各參數直方圖結果比較

2.3 不同N分期直腸腺癌患者D、K和ADC值直方圖分析

直腸腺癌淋巴結轉移組（pN+）與無淋巴結轉移組（pN0）相比，D平均值和ADC平均值降低，K平均值升高，差異有統計學意義（P=0.005，P=0.039，P＜0.001）；D平均值和ADC平均值與直腸腺癌N分期呈負相關（r=-0.279，P=0.021；r=-0.316，P=0.008）；不同N分期直腸腺癌患者各直方圖的偏度及峰度值差異無統計學意義（P＞0.05，表3）。

表3 不同N分期直腸腺癌患者各參數直方圖結果比較

2.4 不同病理學分級直腸腺癌患者D、K和ADC值直方圖分析

直腸腺癌不同病理學分級中，高級別組（G3）K平均值高于低級別組（G1-2），差異有統計學意義（P=0.014）；不同病理學級別的直腸腺癌患者D平均值和ADC平均值間差異無統計學意義（P＞0.05）；K平均值與直腸腺癌病理學分級呈正相關（r=0.240，P=0.016）；不同病理學分級直腸腺癌患者各直方圖的偏度及峰度值差異無統計學意義（P＞0.05，表4）。

表4 不同病理學分級直腸腺癌患者各參數直方圖結果比較

2.5 不同臨床分期直腸腺癌患者D、K和ADC值直方圖分析

直腸腺癌不同臨床分期中，隨著臨床分期增高（Ⅰ～Ⅳ期）D平均值降低（P＜0.001），且D平均值與臨床分期呈負相關（r=-0.280，P=0.005）。

其他參數（K平均值、ADC平均值及各直方圖的偏度及峰度值）隨著臨床分期增加，組間并無差異，各直方圖參數與直腸腺癌臨床分期無明顯相關性（P＞0.05，表5）。

表5 不同臨床分期直腸腺癌患者各參數直方圖結果比較

2.6 各定量參數值對直腸腺癌患者淋巴結轉移的診斷價值

126例直腸腺癌患者中，淋巴結轉移患者44例，利用ROC曲線進行分析，定量參數D、K和ADC值對直腸腺癌患者淋巴結轉移有診斷價值，其曲線下面積（area under curve，AUC）分別為0.658、0.698、0.641，其中K值在預測直腸腺癌淋巴結轉移診斷價值最大，其AUC最大［0.698（0.586～0.808）］。

定量參數D、K和ADC值的靈敏度分別為0.668、0.718、0.654，特異度分別為0.702、0.705、0.638（表6，圖1）。

表6 定量參數D、K和ADC值對直腸腺癌患者淋巴結轉移的診斷價值分析

圖1 各定量參數值對直腸腺癌患者淋巴結轉移的ROC曲線

3 討 論

常規彌散加權成像是水分子以非高斯分布運動為基礎，可通過ADC值對細胞間隙的水分子彌散運動進行無創性定量分析［2，5］。與彌散加權成像相比，DKI的峰度系數K值可量化水分子彌散與非高斯分布的真實偏差，反映直腸腺癌組織結構特點的復雜性，其中采用全腫瘤輪廓法的直方圖較傳統的ROC曲線分析，能夠更全面地反映直腸腺癌的病理學特征變化［2，6，10］。在DKI定量參數中，K值反映水分子彌散的受限程度，D值是非高斯分布校正后的ADC值，而水分子彌散非高斯分布越受限，K值越大，D值降低，可精準地反映水分子在腫瘤組織的彌散程度［11-13］。

近年來，DKI模型在人體成像中的應用受到了越來越多的關注。不少研究［2，4，11-12］使用全腫瘤體積測量法進行DKI參數測定，發現DKI衍生的D值、K值及ADC值與直腸癌病理學預后因素顯著相關，包括腫瘤浸潤級別、淋巴結狀態、組織學分級和臨床分期。因此，基于DKI的直方圖相關參數可作為預測直腸癌腫瘤侵襲性的非侵入性影像學有效指標。既往研究［14-16］提示，在晚期直腸腺癌中，腫瘤浸潤深度大，細胞增殖快，細胞新生血管多，而腫瘤微觀結構更為不均質和復雜，可限制水分子彌散，可表現為D值和ADC值下降，K值升高。在本研究中，T分期較高的患者中，D值和ADC值顯著下降，K平均值明顯升高，D平均值和ADC平均值與直腸腺癌T分期呈負相關，與既往研究［3-4，14-16］存在一致性，提示較低的D值和ADC值、較高的K值與腫瘤病理學不良預后相關，這些指標可反映腫瘤組織輪廓的侵襲性特征和腫瘤復雜的微觀結構特征，考慮在侵襲性較高的直腸癌中，細胞密度的增加、腺體形成百分比增加及核多形性的顯著變化與腫瘤微觀結構水平上組織復雜性增加相關，導致水分子彌散明顯受限，引起K值較高，D值和ADC值下降［4，11，17-18］。

準確判斷淋巴結是否轉移在直腸腺癌的臨床病理學分期、指導精準治療及預后評估等方面有著重要作用［19］。在本研究中，淋巴結轉移組D平均值和ADC平均值降低，K平均值升高，且D平均值和ADC平均值與直腸腺癌N分期呈負相關，考慮直腸腺癌周圍腫瘤細胞密度高，新生血管反應，腫瘤浸潤引起周圍淋巴管血管產生纖維增生，導致腫瘤及周圍結構復雜，水分子彌散引起各參數值的變化。在本研究中，ROC曲線分析顯示DKI定量參數（D值、K值和ADC值）可能是判斷直腸腺癌淋巴結轉移的重要指標。通過對直方圖D、K和ADC的綜合分析，研究發現K值的特異度最高，AUC最高，這與其他研究［2，6，17，20-22］結果存在一致性。亦有些研究［4］報道，K值判斷腫瘤淋巴結轉移的靈敏度和特異度并不存在顯著差異。這些研究報道的不一致可能是由于相對較小的患者群體和不平衡的人口分布所致；另一個原因可能是測量技術的差異，例如全腫瘤體積ROI法并非傳統的ROI測量法，這些因素均可導致不同的結果。

在既往研究［2，4］中已證實在高度惡性腫瘤患者中發現較高的K值，較低的D值和ADC值。在本研究中也發現了類似的結果，定量參數K值升高與病理組織學級別較高的腫瘤相關，以及與腫瘤淋巴結轉移顯著正相關。可能與高級別腫瘤結構復雜，分化程度低，病灶易囊性壞死，病灶彌散受限有關［2，6-7］。另外，在本研究中，隨著臨床分期增高（Ⅰ～Ⅳ期）D平均值降低，且D平均值與臨床分期呈負相關，考慮為在高臨床分期的直腸腺癌患者中，腫瘤細胞排列緊密、細胞浸潤深度大，細胞內外水分子高度受限，引起相應DKI參數值變化。因此，本研究中DKI定量參數值在直腸癌病理學分級、臨床分期及預后判斷中發揮著重要作用。

本研究也存在一定的局限性。首先，本研究是一項回顧性研究，可能存在一定的選擇偏倚，對于部分局部進展期直腸癌患者由于接受新輔助放化療后被排除在外，研究人群有所受限。其次，由于研究的樣本量尚小，可能出現部分群體人口分布不平衡現象，研究的結果適用性受限。因此，為了進一步驗證本研究的結果，今后有必要進行更大規模的前瞻性多中心隊列研究。第三，本研究未分析DKI參數與直腸癌免疫組織化學特征（如Ki-67增殖指數等指標）的相關性，將一些免疫組織化學特征納入危險分層分析中顯然是必要的。

綜上所述，本研究表明使用全腫瘤體積法測量的直方圖分析DKI相關參數指標對直腸腺癌患者病理學分級程度具有較高的診斷價值。腫瘤侵襲度越高，D值和ADC值明顯下降，K值明顯升高，且各DKI定量參數（D值、ADC值和K值）對直腸腺癌淋巴結轉移有一定預測價值，特別是K參數，與直腸癌高病理學分級相關。今后需進一步研究以確定DKI指標在臨床實踐中是否可作為預測直腸癌病理學侵襲性的有效影像學生物標志物。