体素内不相干运动扩散加权成像对肾癌分型的诊断价值

丁玉芹， 胡骁轶， 戴辰晨， 冒 炜， 曾蒙苏， 周建军*

1. 复旦大学附属中山医院放射科，上海市影像医学研究所，复旦大学上海医学院影像学系，上海 200032 2. 复旦大学附属中山医院泌尿外科，上海 200032

·论 著·

体素内不相干运动扩散加权成像对肾癌分型的诊断价值

丁玉芹1， 胡骁轶2， 戴辰晨1， 冒 炜1， 曾蒙苏1， 周建军1*

1. 复旦大学附属中山医院放射科，上海市影像医学研究所，复旦大学上海医学院影像学系，上海 200032 2. 复旦大学附属中山医院泌尿外科，上海 200032

目的： 探讨体素内不相干运动扩散加权成像(IVIM-DWI)对肾癌组织分型的应用价值，评价灌注相关参数(D*和f)与病灶强化百分率及微血管密度的相关性。方法： 回顾分析2013年5月至2015年3月经病理证实的52例(57个病灶)肾癌患者资料，所有患者术前均经常规磁共振和IVIM-DWI检查，其中34例(36个病灶)肾癌术后经免疫组化CD34染色评估微血管密度。采用单因素方差分析、Pearson相关分析和ROC曲线进行统计分析。结果： 透明细胞肾癌的ADC值和D值高于乳头状肾癌和嫌色细胞肾癌(P<0.01)，乳头状肾癌和嫌色细胞肾癌的ADC值和D值差异无统计学意义；透明细胞肾癌和嫌色细胞肾癌的D*值差异无统计学意义；3种肾癌亚型间f值差异均有统计学意义(P<0.05)。ADC、D、D*和f值鉴别透明和非透明细胞肾癌的ROC曲线下面积分别为0.84、0.85、0.65和0.80。D*值和f值与皮髓质期和肾实质期病灶强化百分率正相关(r值分别为0.45，0.30；0.56，0.55)；D*值和f值均与肾癌的MVD值正相关(r值分别为0.362和0.501)。结论： IVIM-DWI有助于肾癌亚型的鉴别诊断，灌注相关参数D*和f与病灶强化百分率及微血管密度具有一定的相关性。

体素内不相干运动；扩散加权成像；肾细胞癌；强化程度；微血管密度

体素内不相干运动扩散加权成像(intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging, IVIM-DWI)采用双指数模型的算法对多b值的DWI图像进行后处理，可以将微循环灌注效应从水分子扩散效应中分离出来，同时得到扩散(D)和灌注相关参数(D*和f)[1]。目前，关于IVIM-DWI在肾脏肿瘤方面的研究较少，灌注相关参数与微血管密度(microvascular density, MVD)的相关性尚不清楚。本研究旨在探讨IVIM-DWI对肾癌分型的诊断价值，同时评价灌注相关参数(D*和f)与强化程度和病灶MVD的相关性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾分析2013年5月至2015年3月期间经病理证实且术前行肾脏MRI常规及IVIM-DWI检查的52例(57个病灶)常见肾癌患者，包括透明细胞肾癌(clear cell renal cell carcinoma, ccRCC)31例(33个病灶)，乳头状肾癌(papillary renal cell carcinoma, pRCC)11例(11个病灶)，嫌色细胞肾癌(chromophobe renal cell carcinoma, chRCC)10例(13个病灶)，其中34例(36个病灶)肾癌进行CD34染色。左肾27个(47.4%)，右肾30个(52.6%)，男性39例(75%)，女性13例(25%)，年龄31～75岁，平均53岁，无症状常规体检偶然发现者46例(88.5%)，腰酸、腰痛5例，腹痛1例，行根治性肾切除31个病灶(54.4%)，部分性肾切除26个病灶(45.6%)。

1.2 肾脏MRI扫描技术 采用Siemens Aera 1.5T MR超导扫描仪进行数据采集，常规扫描序列包括：(1)梯度回波T1WI正反相位序列；(2)快速自旋回波T2WI序列；(3)3D屏气容积内插法脂肪抑制T1WI平扫和增强三期扫描。平扫之后，经肘静脉推注钆喷酸葡胺注射液(Gd-DTPA)30 mL，注射流率2 mL/s，采用care bolus自动触发采集皮髓质交界期图像，肾实质期为造影剂注射后80～90 s。

IVIM-DWI采用自由呼吸单次激发平面回波成像(single shot echo-planar imaging, SS-EPI)8个b值(b=0、25、50、80、150、300、500、800 s/mm2)采集原始图像。利用西门子工作站进行图像后处理，根据双指数模型公式[1]：Sb/S0=(1-f)×exp(-bD)+f×exp[-b(D+D*)]计算得出ADC图、D图、D*图和f图。Sb和S0分别为施加扩散敏感梯度与不施加扩散敏感梯度时的信号强度，f为灌注分数(perfusion fraction)，D*为假性扩散系数(pseudodiffusion coefficient)，D为纯扩散系数。

1.3 图像分析 由2名不知病理结果和临床相关资料的影像医师共同阅片，两者意见不统一时经协商达成一致意见。感兴趣区(region of interest, ROI)置于病灶中央层面强化显著和扩散受限的肿瘤实质区域，避开坏死、囊变、出血和钙化。根据以下公式计算病灶皮髓质期和肾实质期的强化百分率[2]，病灶强化百分率=(SI增强后-SI平扫)/SI平扫×100，其中SI代表病灶的信号值。

1.4 病理分析 通过显微镜、图像采集卡、数码相机采集数字图像，每张切片选择阳性细胞数多的3个热点视野采图，拍摄倍数为200倍，通过Image pro plus 6.0统计出微血管区所占的区域数量、面积(area)和光密度(IOD)值，计算同1张切片3个热点视野的平均微血管数量，代表MVD。

1.5 统计学处理 采用SPSS 22.0软件进行统计分析，ccRCC、pRCC和chRCC的ADC和IVIM相关参数的比较采用单因素方差分析，ccRCC和non-ccRCC的皮髓质期和肾实质期病灶强化百分率和MVD值比较采用独立样本t检验。根据Pearson相关系数r值判断D*值和f值与病灶强化百分率和MVD的相关程度：0～0.2为极弱相关；0.2～0.4为弱相关；0.4～0.6为中等相关；0.6～0.8为强相关；0.8～1.0为极强相关。采用受试者工作曲线(receiver operating characteristic, ROC)分析ADC和IVIM相关参数鉴别ccRCC和non-ccRCC的敏感性和特异性。检验水准(α)为0.05。

2 结 果

2.1 3种常见肾癌亚型ADC值和IVIM相关参数比较 ccRCC的ADC值和D值高于pRCC和chRCC(P<0.01)，pRCC和chRCC的ADC值和D值差异无统计学意义；pRCC的D*值低于ccRCC和chRCC(P<0.05)，ccRCC和chRCC的D*值差异无统计学意义；3种肾癌间的f值差异均有统计学意义(P<0.05;表1，图1、图2)。

表1 3种肾癌亚型的ADC值和IVIM相关参数比较结果

图1 左肾透明细胞癌MR及免疫组化染色

A：ADC=1.66×10-3mm2/s；B：D=1.41×10-3mm2/s；C：D*=13.73×10-3mm2/s；D：f=24.9%；E：肾实质期病灶明显强化，强化百分率为316.09%；F：CD34免疫组化图，微血管丰富(深棕色浓染)，总计180条. Original magnification: ×200 (F)

图2 右肾乳头状细胞癌MR及免疫组化染色

A：ADC=0.70×10-3mm2/s；B：D=0.61×10-3mm2/s；C：D*=10.25×10-3mm2/s；D：f=8.75%；E：皮髓质期病灶轻度强化，强化百分率为22.90%；F：CD34免疫组化图，微血管稀疏(箭头)，总计23条. Original magnification: ×200

2.2 ADC值和IVIM相关参数鉴别ccRCC和non-ccRCC的ROC曲线分析 ROC曲线分析结果显示，当确定界值D=1.36×10-3mm2/s时，鉴别ccRCC和non-ccRCC的曲线下面积(area under curve，AUC)最大(AUC=0.85)，敏感性和特异性分别为60.6%和95.8%(表2，图3)。

表2 ADC值和IVIM相关参数鉴别透明和非透明细胞肾癌的ROC曲线分析结果

图3 ADC值和IVIM相关参数鉴别透明细胞肾癌和非透明细胞肾癌的ROC曲线图

2.3D*值和f值与肾癌病灶强化百分率和MVD的相关性分析 ccRCC的皮髓质期病灶强化百分率、肾实质期病灶强化百分率和MVD值均高于non-ccRCC，两者间差异均有统计学意义(P<0.05)。D*值和f值与皮髓质期和肾实质期肾癌病灶强化百分率均正相关，r值分别为0.45、0.30；0.56、0.55(P均<0.05)；D*值和f值均与肾癌MVD值正相关，r值分别为0.362和0.501(P均<0.05，表3)。

3 讨 论

扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)通过检测活体组织内水分子的布朗运动，间接反映组织微观结构的变化，从细胞及分子水平研究疾病的病理生理状态。DWI通常采用表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)进行量化分析。然而，ADC值并不单纯地反映活体组织内水分子的扩散运动，同时也受毛细血管微循环灌注的影响。Le Bihan等[1]于1986年首先采用Levenberg-Marquardt双指数模型的算法对DWI的信号进行拟合，公式如下：Sb/S0=(1-f)×exp(-bD)+f×exp(-bD*)，Sb和S0分别为施加扩散敏感梯度与不施加扩散敏感梯度时的信号强度；f为灌注分数(perfusion fraction)，代表体素内流经毛细血管血液的容积分数；D*为假性扩散系数(pseudodiffusion coefficient)，代表体素内微循环灌注相关扩散效应，又称灌注相关扩散或快速扩散；D为扩散系数，代表体素内单纯的水分子扩散效应，又称慢速扩散。

IVIM-DWI无需使用造影剂，避免了造影剂引起肾脏系统性纤维化的风险，这对造影剂过敏和肾功能不全的肾占位患者的诊断和鉴别诊断具有重要意义。目前，关于IVIM-DWI在肾癌方面的研究不多，本研究主要探讨IVIM-DWI对肾癌分型的价值及其与多期增强强化百分率和微血管密度的相关性，为进一步临床研究提供参考。

表3 透明和非透明细胞肾癌的皮髓质期和肾实质期病灶强化百分率及MVD的比较

% enhancement =(SIpostcontrast-SIprecontrast)/SIprecontrast×100, where SI represents the signal value of the lesion with a unit of percentage;§MVD is the average number of microvessels in three hotspots, in units of a blood vessel/200 times field of vision

3.1 IVIM-DWI扩散相关参数对肾癌分型的诊断价值 DWI在局灶性肾脏病变中的应用非常广泛，在鉴别常见肾癌亚型方面具有重要价值，但各研究中心结果和结论不一致。Taouli等[3]和Sevcenco等[4]研究发现，乳头状肾癌的ADC值低于非乳头状肾癌，但是Yu等[5]研究认为，chRCC与pRCC的ADC值差异无统计学意义。Wang等[6]研究显示，当b值等于0、800 s/mm2时，ccRCC的ADC值(1.698×10-3mm2/s)高于chRCC(1.135×10-3mm2/s)，pRCC的ADC值(0.884×10-3mm2/s)最低，三者间差异均有统计学意义(P均<0.05)。本研究中，ccRCC的ADC值和D值高于pRCC和chRCC，pRCC和chRCC的ADC值和D值差异无统计学意义，与Yu等[5]研究相符，可能的病理学基础为ccRCC胞质内含有丰富的糖原，可形成假乳头结构，没有纤维血管核心，间质空间内的水分子可以相对自由地扩散，而pRCC含有纤维血管轴心，部分chRCC中央可见纤维瘢痕，同时，pRCC和chRCC的肿瘤细胞排列紧密，细胞间和细胞外的水分子扩散明显受限[7-8]。

Chandarana等[2]研究发现，ADCtotal和ADC0-400-800不能鉴别有强化和无强化的肾脏病变，但是有强化的肾脏病变的D值低于无强化的病变[(1.47±0.4)×10-3mm2/svs(2.4±0.7)×10-3mm2/s，P<0.05]。Chandarana等[9]的另一研究认为，ADC0-400-800不能鉴别ccRCC和chRCC，但ccRCC的D值高于chRCC[(1.80±0.60)×10-3mm2/svs(1.30±0.20)×10-3mm2/s，P=0.006]。李璐等[10]研究显示，血管平滑肌脂肪瘤、ccRCC和non-ccRCC的D值分别为(0.78±0.31)×10-3mm2/s、(1.83±1.56)×10-3mm2/s、(0.96±0.25)×10-3mm2/s，三者间差异均有统计学意义。以上研究结果提示，IVIM-DWI的纯扩散系数D值在肾脏病变的鉴别诊断中具有重要价值，优于ADC值，但本研究中，ADC值和D值在鉴别ccRCC和non-ccRCC方面的准确性相仿，这可能与ROI的放置、b值的选择等多种因素有关，IVIM-DWI鉴别肾脏病变的准确性有待于大样本的研究进一步证实。

3.2 IVIM-DWI灌注相关参数对肾癌组织分型的价值f代表体素内流经毛细血管血液的容积分数，D*代表体素内微循环灌注相关扩散运动，与毛细血管节段的长度和血流速度成正比[11]。本研究中，ccRCC的f值最高，pRCC的f值最低，chRCC的f值介于两者之间，三者间差异均有统计学意义，可能的病理基础为ccRCC间质内含有丰富的薄壁毛细血管，pRCC为乏血供的肿瘤，纤维血管轴心及间质内仅含有稀疏的毛细血管[10]。然而，李璐等[10]和康钦钦等[12]两项研究结果提示，f值无法鉴别ccRCC和non-ccRCC，与本研究结果不符，可能与其病例数较少、MR扫描仪器及参数选择有关。因此，IVIM-DWI灌注相关参数鉴别肾癌亚型的价值有待于大样本的研究进一步证实。

Chandarana等[2]研究发现，有强化的肾脏病变的f值高于无强化的病变[(27.9±13.9)%vs(6.1±10.1)%]，并且f值与病变最大强化率正相关(r=0.7)。Chandarana等[9]另一研究结果显示，肾癌的f值与动态增强MRI的前60 s增强曲线下面积(the curve of gadolinium concentration at 60 seconds, CIAUC60)具有明显的正相关性(r=0.82，P<0.001)。本研究中，f值与皮髓质期和肾实质期病灶强化百分率均中等相关(r分别为0.56和0.55)，提示f值一定程度上反映了肾癌的血流灌注情况。

Lee等[13]对25只皮下种植人类直肠癌细胞的裸鼠进行IVIM和病理对照研究，结果提示，D*和f与MVD强相关(r=0.782和0.749)。宋琼等[14]研究发现，肝细胞癌的D*值和f值与MVD呈中等相关(r值分别为0.480和0.483)。本研究中，肾癌的D*值和f值均与MVD值正相关，r值分别为0.362和0.501，提示IVIM-DWI灌注相关参数D*值和f值一定程度上反映了肾癌的微血管生长状态。

MVD作为肿瘤血管生成评估的金标准，可反映肿瘤诱导血管生成的能力，但MVD与ccRCC患者的预后是否相关，既往文献报道的结果并不一致。这些不同甚至相反的结果可能与研究中所选用的识别肿瘤血管的标记物以及微血管计数方式不同有关，CD34表达于分化型内皮细胞中，而CD31在分化型和未分化型内皮细胞中均有表达[15]。张艳辉等[16]采用免疫组化SP法检测149例肾癌组织中CD34和CD31的表达情况，ccRCC的CD34和CD31标记的MVD均高于non-ccRCC(P均<0.01)。本研究中，ccRCC和non-ccRCC的CD34标记的MVD分别为(120.80±44.69)和(80.38±64.15)，ccRCC的MVD高于non-ccRCC，与张艳辉等[16]结果相符，可能的原因为：(1)ccRCC中VHL基因突变导致VHL蛋白失活，缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor, HIF)升高，并激活血管内皮细胞生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)等促进血管生成的相关基因，而VEGF与MVD正相关[17]；(2)non-ccRCC肿瘤基质中新生血管密度较低，其血管内皮细胞上CD34和CD31蛋白的表达量也较低。

3.3 本研究的不足之处 pRCC和chRCC的病例数较少，未分别讨论3种常见肾癌的IVIM-DWI参数的差异；未探讨IVIM-DWI灌注相关参数与其他评价血流动力学特征的MRI技术的相关性；病理取材和影像学测量的部位很难保持一致，难免存在选择偏移。

综上所述，IVIM-DWI在帮助肾癌亚型的鉴别诊断中有价值，ADC值和D值鉴别ccRCC和non-ccRCC的准确性高于D*和f值。IVIM-DWI灌注相关参数D*值和f值与病灶强化百分率和MVD具有正相关性，能够反映肾癌的血供特点。

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[本文编辑] 廖晓瑜， 贾泽军

The diagnostic value of IVIM-DWI in subtype differentiation of renal cell carcinoma

DING Yu-qin1, HU Xiao-yi2, DAI Chen-chen1, MAO Wei1, ZENG Meng-su1, ZHOU Jian-jun1*

1. Department of Radiology, Zhongshan Hospital, Shanghai Institute of Medical Imaging, Department of Medical Imaging, Shanghai Medical College, Fudan University, Shanghai 200032, China2. Department of Urology, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China

Objective： To investigate the value of intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging (IVIM-DWI) in the classification of renal cell carcinoma (RCC), and to evaluate the correlation between the perfusion-related parameters (D*and f) and the percentage of enhanced lesion and microvascular density (MVD). Methods： The data of 57 pathologically confirmed cases of renal cell carcinoma (RCC) in 52 patients between May 2013 and March 2015 were retrospectively analyzed. All patients underwent conventional MRI and IVIM-DWI scanning. 36 cases of RCC in 34 patients underwent immunohistochemistry CD34 staining to evaluate MVD. One-way ANOVA, Pearson correlation analysis and receiver operating characteristic (ROC) curve were used for statistical analysis. Results： The ADC andDvalues of clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) were higher than those of papillary renal cell carcinoma (pRCC) and chromophobe renal cell carcinoma (chRCC,P<0.01), but there was no significant statistical difference between the ADC andDvalues of pRCC and chRCC. There was no significant statistical difference between theD*values of ccRCC and chRCC. Thefvalues of 3 subtypes of RCC were statistically different (allP<0.05). The areas under the ROC curve (AUC) of ADC,D,D*andfvalues in the differentiation between ccRCC and non-ccRCC were 0.84, 0.85, 0.65, and 0.80 respectively. TheD*andfvalues were positively correlated with the percentage of enhanced lesions in corticomedullary phase and parenchymal phase (r=0.45, 0.30; 0.56, 0.55, respectively). TheD*andfvalues were both positively correlated with the MVD value of renal cell carcinoma (r=0.362 and 0.501 respectively). Conclusions： IVIM-DWI is valuable in helping to differentiate among RCC subtypes. Perfusion-related parametersD*andfhave certain correlation with the percentage of lesion enhancement and MVD.

intravoxel incoherent motion; diffusion weighted imaging; renal cell carcinoma; degree of enhancement; microvascular density

2017-02-27 [接受日期] 2017-04-05

上海市自然科学基金(14ZR1438400).Supported by Natural Science Foundation of Shanghai(14ZR1438400).

丁玉芹，博士，住院医师. E-mail: nancydingding@126.com

*通信作者(Corresponding author). Tel: 021-64041990, E-mail: zhou.jianjun@zs-hospital.sh.cn

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20170150

R 445.2； R 737.1

A