合成MRI联合IVIM模型对宫颈鳞癌及CINⅢ的诊断价值.pdf

研究论著RESEARCH WORK75中国医疗设备 2023年第38卷 09期 VOL.38 No.09合成MRI联合IVIM模型对宫颈鳞癌及CIN 的诊断价值汤倩1,2，周柒柒2，陈文2，刘薇音3，徐霖21.湖北民族大学附属民大医院 放射影像科，湖北 恩施 445012；2.湖北医药学院附属十堰市太和医院 医学影像中心，湖北 十堰 442000；3.GE医疗中国 磁共振科研部，北京 100176摘 要 目的 探讨合成MRI中的相关定量参数联合体素内不相干运动（Intravoxel Incoherent Motion，IVIM）成像相关参数对宫颈鳞癌及宫颈上皮内瘤变（Cervical Intraepithelial Neoplasia，CIN）的鉴别诊断价值。方法 前瞻性选取2021年512月于我院接受MRI及IVIM检查的35例女性宫颈鳞癌患者（宫颈鳞癌组）以及35例CIN 患者（CIN 组）。通过后处理技术得到合成MRI序列中的纵向弛豫时间（T1）、横向弛豫时间（T2）、质子密度（Proton Density，PD）以及IVIM成像中的慢扩散系数（D）、快扩散系数（D*）和灌注分数（f）。比较宫颈鳞癌组与CIN 组的影像特征差异，绘制受试者工作特征曲线，计算各参数的曲线下面积（Area Under Curve，AUC），评估各参数值在鉴别诊断宫颈鳞癌及CIN 中的效能，并比较其效能差异。结果 宫颈鳞癌组的T2值以及PD值均高于CIN 组，其差异具有统计学意义（P0.05）。宫颈鳞癌组的D值、f值低于CIN 组，差异具有统计学意义（P0.05）。合成MRI中T2值诊断效能最高（AUC=0.812）、IVIM成像中f值诊断效能最高（AUC=0.889），合成MRI参数与D值、f值联合，其诊断效能均提高，其中T2与f值联合诊断效能达最高（AUC=0.956）。结论 合成MRI序列中的T2值和IVIM成像中f值诊断敏感度和特异性较高，两者联合诊断效能更高，有助于提高对宫颈鳞癌及CIN 的鉴别诊断效能。关键词 宫颈鳞癌；宫颈上皮内瘤变；体素内不相干运动；合成MRI；诊断效能Diagnostic Value of Synthetic MRI Combined with IVIM Model inCervical Squamous Carcinoma and CIN TANG Qian1,2,ZHOU Qiqi2,CHEN Wen2,LIU Weiyin3,XU Lin21.Department of Radiology,University Hospital of Hubei University for Nationalities,Enshi Hubei 445012,China;2.Medical Imaging Center,Taihe Hospital Affiliated Hospital of Hubei University of Medicine,Shiyan Hubei 442000,China;3.Department of Magnetic Resonance Research,GE Healthcare,Beijing 100176,ChinaAbstract:Objective To investigate the diagnostic value of relevant quantitative parameters in synthetic MRI combined with intravoxel incoherent motion(IVIM)imaging in cervical squamous carcinoma and cervical intraepithelial neoplasia(CIN).Methods A total of 35 female patients with cervical squamous carcinoma(cervical squamous carcinoma group)and 35 patients with CIN (CIN group)who underwent MRI and IVIM in our hospital from May to December 2021 were prospectively selected.Post-processing techniques were used to obtain longitudinal relaxation time(T1),transverse relaxation time(T2),proton density(PD)in synthetic MRI sequences,and slow diffusion coefficient(D),fast diffusion coefficient(D*)and perfusion fraction(f)in IVIM imaging.The differences in image features between the cervical squamous carcinoma group and CIN group were compared,the receiver operating characteristic curve was drawn,and the area under curve(AUC)of each parameter was calculated to evaluate the efficacy of each parameter value in the differential diagnosis of cervical squamous carcinoma and CIN,and compare the efficacy differences.Results The T2 value and PD value of cervical squamous carcinoma group were significantly higher than those of CIN group,and the differences were statistically significant(P0.05).The D value and f value of cervical squamous carcinoma group were lower than those of CIN group,the differences were statistically significant(P1 cm2。CIN 组纳入标准：经宫颈细胞学检查确认为 CIN 的患者，且无其他不可控的合并症及无 MRI 扫描禁忌证。宫颈鳞癌组及 CIN 组患者排除标准：患者合并有其他不可控的合并症或恶性肿瘤；有相关 MRI 扫描禁忌证的患者；临床病理资料不完善。本研究经十堰市太和医院医学伦理委员会批准（2022KS013）。1.2 检查方法所有患者均采用 voyager MR750 1.5 T MRI（GE，美国）、8 通道腹部相控线圈进行扫描。扫描前 30 min，嘱患者适当排空膀胱，以减少肠道蠕动伪影及尿液电解质伪影。所有患者取仰卧位、胸式呼吸，扫描范围：自髂前上棘至耻骨联合下缘，以覆盖整个子宫。扫描序列：常规轴位 T1WI、T2WI，及矢状位 T2WI；MAGiC序列；IVIM 序列，共选取 5 个 b 值（0、100、400、800、1500 s/mm2），扫描时间 4 min。具体扫描参数如表 1 所示。表1 MRI序列及IVIM序列参数序列TR/msTE/ms激励次数FOV/mm2层厚（间隔）/mm轴位T1WI5108.023203205.0（1.0）轴位T2WI358585.043203205.0（1.0）矢状位T2WI 566768.043003005.0（1.0）MAGiC序列 4280 14.4/86.522602604.0（0.0）IVIM序列400071.612202204.0（0.0）注：IVIM：体素内不相干运动；TR：重复时间；TE：恢复时间；FOV：视野。1.3 图像分析将所有患者的合成 MRI 图像传输至 MAGiC 专用后处理软件进行处理，生成 T1 mapping、T2 mapping 和 PD共 3 组定量序列。并将 IVIM 序列所得的图像传至 GE AW 4.6 工作站，经后处理后分别得到慢扩散系数（D）、快扩散系数（D*）、灌注分数（f）值；宫颈鳞癌组的感兴趣区域（Region of Interest，ROI）勾画如下：由两位至少有 10 年腹部诊断放射经验的影像科医生采用双盲法在 Image J 软件上先以平扫的 T2轴位、矢状位及DWI 图像确定病变的位置、大小、范围和边界；通过 Image J 软件手动勾画肿瘤实体部分的轮廓作为 ROI，并在勾画过程中避开血管，肿瘤出血、坏死区域。同时将该 ROI 复制在同一患者的合成 MRI 图像及 IVIM 模型中。经测量，勾画的 ROI 面积约为 0.501.00 cm2。CIN 组的 ROI 勾画方式同宫颈鳞癌组，即同样以 T2轴位信号稍异常的层面及 DWI 图像为参照对象（若没有明显异常信号层面，则选取宫颈最大层面），通过 Image J软件手动勾画最大异常层面，同一患者勾画 3 次，取平均值，ROI 大小同宫颈鳞癌组，保持在 0.501.00 cm2范围内。并将该 ROI 同步复制在同一患者的合成 MRI 图像及 IVIM 模型中。1.4 统计学分析使用 SPSS 26.0 进行统计学分析，通过 Kolmogorov-Smirnov 检验数据是否符合正态分布，符合正态分布的用x-s表示，且组间比较采用独立样本 t 检验；不符合正态分布的资料使用 Mann-Whitney U 检验，以 P0.05为差异有统计学意义。应用 logistic 回归联合多参数绘制受试者工作特征（Receiver Operating Characteristic，收稿日期：2023-03-16基金项目：十堰市科学技术局引导性科研项目（21Y39）。通信作者：徐霖，主任医师，主要研究方向为腹部疾病的MRI诊断。通信作者邮箱：研究论著RESEARCH WORK77中国医疗设备 2023年第38卷 09期 VOL.38 No.09ROC）曲线，并计算 ROC 曲线下面积（Area Under Curve，AUC），以评价各合成 MRI 定量参数以及 IVIM参数在宫颈鳞癌与 CIN 中的鉴别诊断作用，并通过最大约登指数确定敏感度和特异性，且找到各自鉴别宫颈良恶性病变的最佳临界值。2 结果2.1 合成MRI在宫颈鳞癌组及CIN 组中的参数统计结果 通过对合成 MRI 技术提供的相关定量标测参数图（T1 Mapping、T2 Mapping、PD）进行统计学分析，发现宫颈鳞癌组的 T2值、PD 值均显著高于 CIN 组的 T2值、PD 值，其差异具有统计学意义（P0.05），见表 2。表2 CIN 组与宫颈鳞癌组的合成MRI参数结果（x-s）组别PD/puT1/msT2/msCIN 组78.033.51 1061.65139.9888.1317.40宫颈鳞癌组 80.613.52 1128.35121.77110.0616.24t值-2.84-1.97-5.05P值0.0010.0540.001 注：CIN：宫颈上皮内瘤变；PD：质子密度；T1：纵向弛豫时间；T2：横向弛豫时间。2.2 IVIM成像在宫颈鳞癌组及CIN 组中的参数统计结果 宫颈鳞癌组的 D 值、f 值低于 CIN 组的 D 值、f 值，差异具有统计学意义（P0.05），见表 3。表3 CIN 组与宫颈鳞癌组的IVIM参数结果比较（x-s）组别D/（103 mm2/s）D*/（10-3 mm2/s）f/%CIN 组0.6510.090.8010.4050.006.69宫颈鳞癌组0.490.110.820.9435.189.27t值5.82-0.147.10P值0.0010.8900.001 注：CIN：宫颈上皮内瘤变；D：慢扩散系数；D*：快扩散系数；f：灌注分数。2.3 诊断效能 经 合 成 MRI 技 术 相 关 参 数 诊 断，T2、PD 值 在鉴别诊断宫颈鳞癌组和 CIN 组的 ROC 曲线结果显示，AUC 分别为 0.812、0.697，（P0.05）。当选取T2=88.80 ms 为诊断阈值时，其敏感度和特异性分别为100%、58.1%，当选取 PD=77.50 pu（pu 为单位体素内氢质子密度）为诊断阈值时，其敏感度和特异性分别为 87.1%、51.6%。经 IVIM 技术诊断，宫颈鳞癌组和CIN 组的 D 值和 f 值的 AUC 分别为：0.862、0.889,（P0.05）。选取 D=0.50 10-3 mm2/s 为诊断阈值时，敏感度和特异性分别为 100.0%、61.3%；选取 f=40.47%为诊断阈值时，敏感度和特异性分别为 100.0%、77.4%。当将合成 MRI 相关参数（T2、PD）与 IVIM 参数（D、f）进行联合分析时，发现 T2值、PD 值联合 D 值、f 值均提高了诊断效能。其中T2与f值联合诊断效能达最高，其 AUC 为 0.956。其余各参数的 ROC 曲线信息如图 1、表 4 所示。合成 MRI 及 IVIM 参数在宫颈鳞癌患者中所生成的相关伪彩图，见图 2。表4 合成MRI和IVIM各项参数鉴别诊断宫颈鳞癌和 CIN 的效能参数AUC（95%CI）值截断值敏感度/%特异性%PD/pu0.697（0.5640.829）0.001 77.5087.151.6T2/ms0.812（0.7030.921）0.001 88.80 100.0 58.1D/（10-3mm2/s）0.862（0.7690.954）0.001 0.50100.0 61.3f/%0.889（0.8000.977）0.001 40.47 100.0 77.4PD+D0.892（0.8080.976）0.001-96.880.6PD+f0.916（0.8480.984）0.001-87.183.9T2+D0.916（0.8500.981）0.001-83.983.9T2+f0.956（0.9111.000）0.001-96.883.9 注：AUC：曲线下面积；PD：质子密度；T2：横向弛豫时间；D：慢扩散系数；f：灌注分数。3 讨论与结论3.1 合成MRI对宫颈鳞癌及CIN 的诊断效能本研究讨论了合成 MRI 技术提供的相关定量参数图在宫颈鳞癌及 CIN 诊断中的可行性。在本研究中，比较了合成 MRI 的 3 种不同定量参数图（T1 Mapping、T2 Mapping、PD）分别对宫颈鳞癌和 CIN 的鉴别效能。发现合成 MRI 中的 PD、T2值可鉴别宫颈鳞癌与 CIN，其中宫颈鳞癌组的 T2值及 PD 值均显著高于 CIN 组的 T2值及 PD 值。本研究首次报道了宫颈鳞癌组与 CIN 组的 T2值与 PD 值在 1.5 T MRI 中的差异，当选取 PD=77.50 pu 为诊断阈值时，其敏感度和特异性分别为 87.1%、51.6%。证实了 PD 值在鉴别宫图1 合成MRI序列及IVIM各参数单独及联合鉴别诊断宫颈鳞癌与CIN 的 ROC 曲线图注：PD：质子密度；T2：横向弛豫时间；D：慢扩散系数；f：灌注分数。研究论著RESEARCH WORK78中国医疗设备 2023年第38卷 09期 VOL.38 No.09颈鳞癌与 CIN 中，其效能虽不及 T2值，但仍具备一定的诊断效能。Arita 等16也发现前列腺癌骨转移灶的PD 值明显高于其他非活动性病灶；Gracien 等17在对脑部多发硬化症的研究中也发现，由于多发硬化症患者的脑组织在微结构水平上被间质液体取代，故在整个大脑皮层和所有皮质区 PD 值显著增加，以上研究均证实了 PD 值的变化与组织结构损伤具有密切联系。而本研究也得出了同样的结果：宫颈鳞癌组的 PD 值与 CIN 组不同。原因可能是 PD 又称质子密度加权成像，其参数主要提供组织中水分含量的相关信息，故对水肿以及组织结构损伤非常敏感17-18。由于宫颈鳞癌患者的宫颈组织结构受到恶性肿瘤细胞的侵袭程度远远大于 CIN 患者19，故其内部结构受到损伤的程度也高于 CIN 患者20，但由于 CIN 属于高危癌前病变，其细胞层面已经发生了细微的变化，故虽宫颈鳞癌患者的 PD 值高于 CIN 患者，但二者之间的差异较小。此外，研究T2 Mapping 在宫颈鳞癌及 CIN 中的价值时发现，宫颈鳞癌中的 T2值明显高于 CIN 的宫颈组织（P0.001），这与 Li 等21在宫颈鳞癌中的研究结果类似。宫颈鳞癌的 T2值较 CIN 宫颈组织高可能是由肿瘤的微观结构特征决定的：人体内的水可分为自由水和结合水，其中自由水由于其分子较小，具有较长的横向弛豫时间，故T2值较大21。恶性肿瘤组织的细胞密度较高22-23，较CIN 的宫颈组织细胞增殖更快，且癌组织往往伴有细胞坏死，大分子物质被释放到细胞周围的空间17，由于细胞坏死，多数细胞被分解，其原本细胞内的结合水部分转变成了游离水分布于肿瘤细胞周围空间，致使 T2值增大。而对于 CIN 的宫颈组织，几乎很少有细胞坏死部分，细胞内水分子大多以结合水形式存在于细胞中，故导致 T2值低于肿瘤细胞。此外，本研究发现 T1值在宫颈鳞癌与 CIN 之间无显著差异，原因可能是 T1值表示原子核在 B0 方向恢复到热力学平衡的速度24，该值取决于周围分子的进动频率，De 等25的研究显示：癌组织间质与 CIN 患者相比，其表达无明显差异。故有可能导致 T1值无法准确区分宫颈鳞癌与 CIN。综上，虽然本文研究结果显示 PD、T2值可以鉴别宫颈鳞癌与CIN，但二者单独用于诊断的效能却有限。3.2 IVIM成像对宫颈鳞癌及CIN 的诊断价值IVIM 成像基于 DWI 成像发展而来，可以同时显示肿瘤区域的扩散与微循环，使得可以同时使用多个b 值和双指数曲线来分析肿瘤中的纯水扩散和微循环灌注11。在本研究中，宫颈鳞癌组的 D、f 值均低于 CIN 组的 D、f 值，而二者之间的 D*值则无明显差异。原因是因为 IVIM 中的 D 值是排除低 b 值灌注成分，代表着肿瘤中纯水分子扩散的特性，细胞的间隙越大则其扩散越快，D 值就越大26-27。但由于宫颈鳞癌组织相较于 CIN 的宫颈组织而言，细胞异形性明显、体积增大，因此在显微镜下细胞显示更为密集，细胞外间隙减少，细胞外水分子活动受限明显28，表现为 D 值减低。而 f 值代表宫颈肿瘤微循环灌注在 DWI 信号衰减中所占的比例。虽然理论上肿瘤组织代谢增高、血流灌注丰富，f 值会增高29，但由于 f 值反映血流灌注成分在总体扩散效应中所占的百分比30，而宫颈鳞癌细胞排列紧密，间质压力增加，会导致病灶内毛细血管血流量减少31、f 值降低。这与李志森等30 以及程楠等32的研究结果相同。在本研究中发现 D*无法准确区分宫颈鳞癌与 CIN，原因可能是 D*值的稳定性及测量重复性差，使 D*值的测量存在偏差，故导致结果存在一定争议。3.3 合成MRI联合IVIM模型对宫颈鳞癌与CIN 的鉴别诊断价值本文首次将合成 MRI 技术与 IVIM 技术联合起来应用于宫颈鳞癌与 CIN 的诊疗。当将合成 MRI 相关参数（T2、PD）与 IVIM 参数（D、f）进行联合分析时，发现 T2值、PD 值联合 D 值、f 值的诊断效能均远远高于单个参数的诊断效能。其中，T2与 f 值联合诊断效能达最高，其 ROC 曲线下面积达 0.956。原因可能是合成MRI 技术可以提供多种定量信息，而 IVIM 技术则可以图2 合成MRI及IVIM参数生成的伪彩图注：患者，女，55岁，B期宫颈鳞癌。a.轴位T1 mapping伪彩图；b.轴位T2 mapping伪彩图；c.轴位质子加权图像（PD）伪彩图；d.慢扩散系数（D）伪彩图；e.快扩散系数（D*）伪彩图；f.灌注分数（f）伪彩图。箭头所指为病灶。研究论著RESEARCH WORK79中国医疗设备 2023年第38卷 09期 VOL.38 No.09更好地从分子、细胞水平反映不同组织的微观代谢变化。将两种技术进行联合诊断时，可以各自发挥不同的优势，从而弥补单个技术的不足之处。此外，在本研究中，T2与 f 值联合诊断的 ROC 曲线下面积高达 0.956，这为今后对于宫颈鳞癌及 CIN 的鉴别诊断，提供了一个新的诊疗思路。本文研究仍存在一定的局限性：样本量相对较小，在纳入样本时仅选择了部分宫颈鳞癌患者与 CIN 患者进行对照；由于 CIN 患者的影像学表现并不十分明显，虽然在勾画其 ROI 时已经尽量选择多层勾画后取平均值，但仍有可能存在一定误差。故在以后的研究中，有必要进行更大样本量的进一步研究，以确定合成 MRI联合 IVIM 模型在鉴别宫颈鳞癌及 CIN 中的稳健性和相关性。综上，本文研究初步表明：合成 MRI 相关参数（T2、PD）与 IVIM 参数在对宫颈鳞癌及 CIN 进行联合鉴别诊断时，诊断效能均远远大于单个参数的诊断效能。其中，T2与 f 值联合诊断效能达最高，具有良好的临床应用前景。参考文献1 Sung H,Ferlay J,Siegel RL,et al.Global cancer statistics 2020:GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countriesJ.CA Cancer J Clin,2021,71(3):209-249.2 Tian J,Wang J,Chi Y,et al.Expression of GMFB in high-grade cervical intraepithelial neoplasia and its role in cervical cancerJ.Comput Math Methods Med,2022:7784921.3 Warntjes JB,Leinhard OD,West J,et al.Rapid magnetic resonance quantification on the brain:optimization for clinical usageJ.Magn Reson Med,2008,60(2):320-329.4 Hagiwara A,Hori M,Cohen-Adad J,et al.Linearity,bias,intrascanner repeatability,and interscanner reproducibility of quantitative multidynamic multiecho sequence for rapid simultaneous relaxometry at 3 T:a validation study with a standardized phantom and healthy controlsJ.Invest Radiol,2019,54(1):39-47.5 Cui Y,Han S,Liu M,et al.Diagnosis and grading of prostate cancer by relaxation maps from synthetic MRIJ.J Magn 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