IVIM-DWI基于肝段水平对肝纤维化患者测量的可重复性及诊断效能.pdf

312024,14(1)医师在线 第 14 卷 第 1 期论著IVIM-DWI基于肝段水平对肝纤维化患者测量的可重复性及诊断效能黄乐生，张晚春，唐嘉慧，刘天柱*（广东省中医院珠海医院影像科，广东珠海 519000）【摘要】目的 评估肝纤维化患者应用体素内不相干运动扩散加权成像（IVIM-DWI）测量的可重复性，并评估基于肝右叶肝段的IVIM-DWI 相关参数对早期及中晚期肝纤维化的诊断效能。方法 2020 年 6 月 2022 年 9 月期间招募早期肝纤维化及晚期肝纤维化患者，使用 IVIM-DWI 序列进行肝脏扫描。两名检查者基于肝右叶各段水平，应用单指数模型、双指数模型和拉伸指数模型测量相关参数数据。对获得的测量数据应用变异系数（CV）进行可重复性检验，剔除可重复性较低（CV 20%）的肝段参数后，用 Logistic 回归分析最终纳入的 IVIM-DWI 参数，计算诊断效能并描绘 ROC 曲线。结果 59 名早期肝纤维化和 38 名晚期肝纤维化患者被纳入研究。获得的数据中，D*（CV：29.25%41.47%）和DDC（CV：22.44%30.63%）的可重复性较差，而ADC（CV：5.29%9.76%）、D（9.53%13.22%）、f（CV：12.83%16.95%）和（CV：8.82%15.52%）的可重复性较好。剔除可重复性较低的参数后，Logistic 回归分析建立早期肝纤维化与晚期肝纤维化组的诊断模型并描绘 ROC 曲线，最终纳入模型的肝段水平参数为 S D 及 S f，最终回归模型的曲线下面积（AUC）为 0.857。结论 基于肝段的高可重复性，IVIM-DWI 对肝纤维化仍能获得较好的诊断效能，其中 D、f参数以及肝右叶上段S、S 在满足可重复性的前提下，可能是较稳定的肝纤维化分级诊断因素。【关键词】肝段；弥散加权成像；体素内不相干运动；肝纤维化；可重复性Repeatability and diagnostic efficacy of IVIM-DWI measurement in patients with hepatic fibrosis based on liver segment levelHUANG Le-sheng,ZHANG Wan-chun,TANG Jia-hui,et al.Department of Radiology,Guangdong Provincial Hospital of Chinese Medicine,Zhuhai,Zhuhai 519000,China.【Abstract】Objective To evaluate the repeatability of intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging(IVIM-DWI)related parameters in patients with hepatic fibrosis(HF),and to evaluate the diagnostic efficacy of IVIM-DWI related parameters based on the right hepatic segment for early and adavance hepatic fibrosis.Methods From June 2020 to September 2022,patients with early HF and advanced HF were recruited for liver scanning using IVIM-DWI.Two examiners measured and analyzed the IVIM images obtained by scanning using mono-,bi-,and stretched-exponential models based on the levels of each segment of the right liver lobe.The measurement data were tested for repeatability using a coefficient of variation(CV).After eliminating IVIM-DWI parameters with low repeatability(CV20%),binary Logistic regression was used to analyze the IVIM-DWI parameters,and the diagnostic efficiency of the included IVIM-DWI parameters was tested and the ROC curve was plotted.Results 59 patients with early HF and 38 patients with advanced HF were included in the study.Among the obtained data,the repeatability of D*(CV:29.25 41.47%)and DDC(CV:22.44 30.63%)was poor,while that of ADC(CV:5.29%9.76%),D(CV:9.53%13.22%),f(CV:12.83%16.95%)and (CV:8.82%15.52%)showed a good repeatability.After eliminating the parameters with low repeatability,Logistic regression analysis was used to establish diagnostic models of early HF and advanced HF,and the ROC curves were plotted.The final liver segment level parameters included in the models were S D and S f.The area under curve(AUC)of the final regression model was 0.857.Conclusion Based on the high repeatability of liver segments,IVIM-DWI can still obtain satisfied diagnostic efficacy for HF,and the D,f parameters,and S,S in the right liver lobe may be more stable diagnostic factors affecting diagnostic efficacy on the premise of satisfying repeatability.【Key words】Liver segment;Diffusion weighted imaging;Intravoxel incoherent motion;Hepatic fibrosis;RepeatabilityMRI 弥散加权成像（Diffusion weighted imaging，DWI）目前已经广泛应用于腹盆部脏器如肝脏1、胰腺2、肾脏3 以及前列腺4，其通过检测水分子在组织中的弥散速率，并通过量化的表观弥散系数（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）测量，从而鉴别正常及病理状态组织。体素内不相干运动（Intravoxel incoherent motion，IVIM）是一种基于单次自旋回波的 DWI 衍生技术，利用多个不同的依次递增的 b 值，能够对组织中的基金项目：珠海市医学科研项目（2220009000170）*通信作者：刘天柱，Email：322024,14(1)医师在线 第 14 卷 第 1 期论著随机水分子运动进行双组分（纯分子扩散和灌注）分析，并产生代表单纯水分子扩散运动的纯分子扩散系数（Pure molecular diffusion coefficient，D）、代 表 微 循 环灌注相关的伪扩散分数（Pseudo-diffusion fraction，D*）、代表微循环灌注相关扩散在体素内总扩散中所占比 例 的 灌 注 分 数（Yielding pure molecular diffusion coefficient，f）5-6。其后更提出了能分辨组织内水分子分布均匀性的 IVIM 补充技术拉伸指数，包括用于表示体素内水分子平均弥散率的分布弥散系数（Distributed diffusion Coefficient，DDC）和代表组织复杂程度的体素内水分子弥散异质性指数（）。IVIM 被认为是弥漫性和局灶性器质性病变的潜在标志物。尽管目前应用 IVIM对肝脏损伤的定量测量已经有系列研究，但多个研究关于肝纤维化分级诊断方面的结论不一致7-11，因此，寻求可重复性较好的且能用于早期检测、鉴别肝纤维化的 IVIM-DWI 参数指标是非常迫切的事情。本研究旨在评估从早期肝纤维化（Early Hepatic Fibrosis，EHF）及晚期肝纤维化（Advanced Hepatic Fibrosis，AHF）患者的肝右叶各段（Segment，S）测量获得的 DWI-IVIM 参数的可重复性，并基于评估结论，进一步计算 IVIM-DWI 相关参数对肝段肝纤维化分期的诊断效能。1 资料与方法1.1 一般资料本研究为前瞻性研究，获得我院机构审查委员会和伦理委员会的批准（编号BF2022-216）。于2020年6月2022年 9 月期间在我院肝病科门诊及住院部招募乙型肝炎患者，1 个月内接受肝脏活检和 MRI 检查，基于 Scheuer 评分系统12 对肝脏进行炎症分级和纤维化分期，把肝纤维化 1 期和 2 期的患者纳入 EHF 组，肝纤维化 3 期和 4 期的患者纳入 AHF 组。纳入标准：年龄 18 岁；以穿刺针活检或腹腔镜活检作为参考金标准；有明确的乙型肝炎病史。排除标准：活检后未发现肝纤维化；由于凝血功能受损或其他原因，无法完成活检；MRI 扫描显示用于测量的图像质量较差而无法纳入研究。1.2 MRI 扫描方法使用配备 16 通道腹部线圈的 MRI 扫描仪（美国 GE Discovery 750W 3.0T）。应用常规 MRI 方案，包括轴向三维正相位及反相位 T1 和 T2 加权快速自旋回波脉冲序列并呼吸门控触发的脂肪抑制。所有被试者的 DWI 方案包括采集 12 个 b 值（0、25、50、75、100、150、200、300、400、500、600 和 800 s/mm2）。在检查期间，被试者允许自由呼吸，平均重复时间（TR）为 7 000 ms，平均回波时间（TE）为 70 ms。其他参数包括：扫描厚度 6 mm，扫描间隙 1 mm，矩阵 165320，视野（FOV）340272 mm，激发次数 3 次，扫描层数 28 层。总扫描时间约 30 min，图像后处理在 GE 提供的 healthcare 6.4W 工作站上进行。1.3 图像分析使用 IVIM 数据的单指数模型、双指数模型和拉伸指数模型对 DWI 数据进行定量分析5,13。IVIM 图像的质量由一名具有 17 年腹部 MRI 诊断经验的主任医师进行评估。两名分别在腹部 MRI 诊断方面具有 10 年和 16 年经验的副主任医师作为检查者对所有合格的图像进行后处理，然后在同一个后处理工作站上独立进行研究参数的定量测量。为避免测量偏倚，两名检查者无法获得两组患者的组间分配、临床表现、实验室指标和病理结果等数据。基于 Couinaud 的肝分段法，根据门脉系统分布特点，按顺时针方向将肝脏分为 8 个肝段，在肝右叶各段（SS）放置三个不重叠的数据测量感兴趣区（Region of interest，ROI），避免任何可见血管、肝脏边界和伪影，以最小化测量误差。每个 ROI 的位置和大小（平均值 100 mm2；范围 80 120 mm2）在不同的参数图上保持相同（图 1）。通过计算三个 ROI 中的测量平均值，获得肝右叶各段（S S）的平均 ADC、D、D*、f、DDC 和 值。1.4 统计学方法使用 SPSS 26.0 进行统计分析。正态分布的计量资料用（s）表示，组间比较采用t检验，多组间比较采用方差分析；非正态分布、方差不齐的计量资料数据用中位数（四分位间距）M（P25，P75）表示；组间比较基于数据正态性及方差齐性结果采用t检验或秩和检验；计数资料用例（%）表示，组间采用2检验，检验水准=0.05，以P 0.05 为差异有统计学意义。通 过 计 算 变 异 系 数（Coefficient of variation，CV）评估 ADC 和 IVIM 的可重复性（优秀，CV 10%；良好，CV 10%20%；可接受，CV 21%30%；较差，CV 30%）。剔除 CV 20%的 IVIM-DWI 肝段参数，应用 Logistic 回归模型分析诊断效能显著的 IVIM-DWI肝段参数。对纳入的各 IVIM-DWI 肝段参数进行t检验或 Mann-Whitney U检验，评估两组 IVIM-DWI 肝段参数的数据差异，将有显著性差异的 IVIM-DWI 肝段参数用于构建回归模型，并将 IVIM-DWI 肝段参数作为自变量描绘受试者工作特征（Receiver operating characteristic，ROC）曲线，通过曲线下面积（Area under the curve，AUC）评估诊断效能，低、中、高诊断性能的AUC值分别为0.7、0.70.9和 0.9。P 0.05 为差异具有统计学意义。2 结果332024,14(1)医师在线 第 14 卷 第 1 期论著2.1 被试者特征本研究总共纳入 44 例 AHF 患者及 62 例 EHF 患者；其中，6 例 AHF 患者及 3 名 EHF 患者因图像质量差而被排除在外。最后，38 例患者纳入 AHF 组，59 例患者纳入EHF组。两组临床资料比较，差异无统计学意义（P0.05）。详见表 1。2.2 可重复性评估及影响因素分析 两组的D*（29.25%41.47%）和DDC（22.44%30.63%）可重复性较差，f（12.83%16.95%）和（8.82%15.52%）可重复性较好，ADC（5.29%9.76%）和D（9.53%13.22%）则表现为可重复性最好。详见表 2、图 2、图 3。2.2 肝纤维化诊断效能分析剔除 CV 20%的 IVIM-DWI 肝段参数后，将符合要求的 IVIM-DWI 肝段参数纳入模型构建中。应用 Mann-Whitney U检验评估不同组的参数差异，剔除无统计学差异的参数并进行平行线检验后，使用 Logistic 回归分析建立诊断回归模型。最终纳入模型的肝段水平参数为 S D及 S f，获得模型为Y=-6.061S D+0.024S f，模型的灵敏度为 84.48%，特异度为 69.23%，基于构建的表 1 两组临床资料比较项目EHF 组（n=59）AHF 组（n=38）性别 例（%）男3319女2619年龄（s，岁）43.408.0044.710.20肝炎分级（1 级/2 级/3 级/4 级）9/40/10/00/10/22/0a肝纤维化分期（1 期/2 期/3 期/4 期）29/30/0/00/0/15/23注：a6 名患者为腹腔镜肝表面钳夹活检，病理报告只报告肝纤维化分级，肝炎分级未报表 2 两组 IVIM-DWI 各参数在 S S 的 CV 值 M（P25，P75），%组别ADCDD*fDDCEHF 组（n=59）S 8.91（6.83，10.99）9.53（6.90，12.17）41.47（33.24，49.70）14.67（11.84，17.50）27.87（20.95，34.80）10.10（7.85，12.35）S 9.76（6.23，13.29）10.66（8.15，13.16）33.00（25.30，40.70）13.68（10.46，16.90）28.36（21.64，35.09）9.84（8.19，11.49）S 8.57（6.37，10.77）11.50（8.54，14.47）36.86（28.34，45.38）15.14（11.47，18.81）29.52（22.98，36.08）9.63（7.50，11.76）S 6.40（4.95，7.85）13.22（10.19，16.27）37.20（29.41，45.00）14.09（11.13，17.06）28.81（22.11，35.50）9.77（7.28，12.26）AHF 组（n=38）S 7.81（5.26，10.35）10.14（7.18，13.12）33.17（24.00，42.35）14.97（11.22，18.72）27.81（18.44，37.19）10.92（7.94，13.91）S 7.70（5.16，10.24）10.12（7.13，13.12）32.54（24.36，40.72）16.27（12.24，20.29）29.91（21.56，38.27）8.82（6.12，11.51）S 7.60（5.05，10.15）13.10（9.91，16.28）29.25（21.09，37.41）16.95（12.10，21.80）22.44（15.19，29.68）11.77（4.56，18.98）S 5.29（3.33，7.25）11.86（6.63，17.09）29.58（22.47，36.69）12.83（9.97，15.68）30.63（21.81，39.44）15.52（8.27，22.77）图 1 45 岁早期肝纤维化患者的 IVIM-DWI 及 MRI 扫描图像A I：肝右叶 S 及 S 扫描图像（A：T1WI 图像；B：T2 压脂图像；C：脂肪定量图；D：ADC 参数伪彩图；E：D 参数伪彩图；F：D*参数伪彩图；G：f参数伪彩图；H：DDC 参数伪彩图；I：参数伪彩图）J R：肝右叶 S 及 S 扫描图像（J：T1WI 图像；K：T2 压脂图像；L：脂肪定量图；M：ADC 参数伪彩图；N：D 参数伪彩图；O：D*参数伪彩图；P：f参数伪彩图；Q:DDC 参数伪彩图；R：参数伪彩图）342024,14(1)医师在线 第 14 卷 第 1 期论著ROC 曲线，回归模型的AUC为 0.857（0.784 0.930），详见图 4。3 讨论本研究结果表明，对于可重复性而言，IVIM-DWI的 ADC 和 D 在肝纤维化测量中可重复性最好，另外f和 也表现较好，而 D*和 DDC 则表现较差；而对于较好的IVIM-DWI 肝段参数的可重复性，所获得的参数依然可以建立较好的诊断效能模型。基于本研究结果及之前文献的结果，我们认为影响IVIM-DWI 相关参数自身可重复性的原因7-8,11-26，可能是由于 IVIM-DWI 图像的测量区域存在部分信号异常，这些异常的信号区域在常规 T2WI 和 T1WI 的 MRI 图像上难以观察（图 1），导致测量结果出现偏倚。关于 D*重复性较差的情况，在其他相关文章中也多有提及27-28，而 DDC 则提及不多，可能是因为目前的相关研究较少的缘故。另外，之前的肝脏 IVIM-DWI 可重复性研究主要还是在健康志愿者身上进行探讨，而在肝纤维化患者上进行的可重复性研究并不多11，这也是我们的创新点。Logistic 回归分析在诊断效能方面的结果达到中等（EHF vs.AHF：AUC=0.857），该诊断效能与之前的相关研究相仿18,22,26。在 EHF 和 AHF 的诊断模式中，D 和f呈现统计学差异，因此，我们推测 EHF 和 AHF 之间的差异可能反映肝纤维化的进一步进展而导致的灌注变化的逐步减少，这种减少可能包括肝脏总体灌注水平的减少以及局部灌注水平的相对下降，从而反映在 D 和f上。另外，S 和 S 相对 S 及 S 而言，因为在横断面的可测量面积更大，检查者更容易获得比较稳定的 ROI 观察面，因而更容易在不同的 IVIM-DWI 参数中显示出统计学差异。本研究存在一些局限性。首先，这是一项单中心研究，样本量相对较小。其次，病理数据大多数是从穿刺活检中获得的，这可能会因为慢性肝脏病变的异质性而导致偏差。综上所述，相比于肝段、肝脏炎性程度和肝纤维化程度，IVIM-DWI 的参数本身是影响 IVIM-DWI 和肝纤维化诊断研究中可重复性的最重要因素；基于可重复性较好的IVIM-DWI 参数也可以获得较好的诊断效能，且 D 和f是值得关注的 IVIM-DWI 参数，而肝右叶上段（S S）则是较稳定的肝脏测量区域。参考文献1Donato H,Frana M,Candelria I,et al.Liver MRI:From basic protocol to advanced techniquesJ.Eur J Radiol,2017,93:30-39.2Oki H,Hayashida Y,Oki H,et al.DWI findings of autoimmune pancreatitis:comparison between symptomatic and asymptomatic patientsJ.J Magn Reson Imaging,2015,41(1):125-131.3Cong X,Zhang J,Xu X,et al.Renal epithelioid angiomyolipoma:magnetic resonance imaging characteristicsJ.Abdom Radiol(NY),2018,43(10):2756-2763.4Woo S,Suh CH,Kim SY,et al.Head-To-Head Comparison Between High-and Standard-b-Value DWI for Detecting Prostate Cancer:A Systematic Review and Meta-AnalysisJ.AJR Am J Roentgenol,2018,210(1):91-100.5Le Bihan D.What can we see with IVIM MRI?J.Neuroimage,2019,187:56-67.6Szubert-Franczak AE,Naduk-Ostrowska M,Pasicz K,et al.Intravoxel incoherent motion magnetic resonance imaging:basic principles and clinical applicationsJ.Pol J Radiol,2020,85:e624-e635.7Tosun M,Onal T,Uslu H,et al.Intravoxel incoherent motion imaging for diagnosing and staging the liver fibrosis 图 2 EHF 组的变异系数小提琴图图 3 AHF 组的变异系数小提琴图图 4 两组诊断模型 ROC 曲线1-特异度灵敏度352024,14(1)医师在线 第 14 卷 第 1 期论著and inflammationJ.Abdom Radiol(NY),2020,45(1):15-23.8Sandrasegaran K,Territo P,Elkady RM,et al.Does intravoxel incoherent motion reliably stage hepatic fibrosis,steatosis,and inflammation?J.Abdom Radiol(NY),2018,43(3):600-606.9Ren H,Liu Y,Lu J,et al.Evaluating the clinical value of MRI multi-model diffusion-weighted imaging on liver fibrosis in chronic hepatitis B patientsJ.Abdom Radiol(NY),2021,46(4):1552-1561.10Li T,Che-Nordin N,Wng YXJ,et al.Intravoxel incoherent motion derived liver perfusion/diffusion readouts can be reliable biomarker for the detection of viral hepatitis B induced liver fibrosisJ.Quant Imaging Med Surg,2019,9(3):371-385.11Lee Y,Lee SS,Kim N,et al.Intravoxel incoherent motion diffusion-weighted MR imaging of the liver:effect of triggering methods on regional variability and measurement repeatability of quantitative parametersJ.Radiology,2015,274(2):405-415.12Scheuer PJ.Classification of chronic viral hepatitis:a need for reassessmentJ.Journal of 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