基于体素内不相干运动的扩散加权成像在乳腺肿瘤中的应用进展

2018-01-02 09:55:25 浏览24 作者

 

作者:孙瑞红,尹化斌,复旦大学附属上海市第五人民医院放射科

 

乳腺癌是我国女性最常见的恶性肿瘤,患病率逐年上升。乳腺X线摄影是目前乳腺疾病首选的筛查方法,可以显示乳腺内肿块和细小钙化,但对于致密型乳腺诊断敏感度较低。DWI可观察活体水分子扩散运动变化,ADC值可协助鉴别乳腺良、恶性病变。然而在活体组织中,组织信号强度并不随b值呈单指数线性衰减,低b值时DWI信号衰减与微循环灌注相关,ADC值不能真实反映体素内水分子的扩散特征。体素内不相干运动(intra voxelincoherent motion,IVIM)是一种可反映体素内水分子扩散和微循环灌注效应的功能成像方法,基于双指数模型理论,比传统DWI更有优势。笔者主要就IVIM在乳腺肿瘤中的应用进展进行综述。

 

1.IVIM的基本原理

 

IVIM理论通过双指数模型拟合得出组织扩散和微循环血流灌注参数,由Le Bihan等于1986年首次提出。计算公式为Sb/S0=fexp[-b(D+D*)]+(1-f)exp(-bD)。其中Sb、S0分别为b≠0和b=0时的信号强度;D为单纯扩散系数(单位为mm2/s),代表体素内单纯的水分子扩散效应;D*为假性扩散系数(单位为mm2/s),代表微循环灌注的扩散效应;f为灌注分数,代表体素内微循环灌注效应占总体扩散效应的容积比率。

 

2.正常乳腺的IVIM表现

 

正常乳腺组织分子扩散相对不受限,通常表现为较高的ADC值和D值。一般认为正常乳腺是低灌注器官,血容量分数为1.9%。然而,不同学者对血流灌注效应的观点不一。Tamura等对8名健康志愿者行IVIM检查,发现正常乳腺组织信号强度与b值呈单指数线性衰减,并不存在血流灌注效应。Bokacheva等取0~600 s/mm2内多个b值成像进行分析,得到了相似的观点。而Liu等发现,正常乳腺组织、乳腺良性病变和乳腺癌信号均呈非线性双指数衰减,认为微循环灌注在正常乳腺组织中是一个不可忽略的因素。

 

3.IVIM在乳腺肿瘤中的应用

 

(1)鉴别乳腺良、恶性肿瘤病变:乳腺恶性肿瘤细胞异常增殖,细胞密度增加,细胞外间隙减小;同时细胞膜通透性降低,都会引起组织扩散受限。Wang等对48例乳腺肿块患者同时行常规DWI、IVIM及增强MRI扫描,发现与ADC值比较,D值、f值的诊断效能更高,其中D值诊断的ROC下面积(area under roc curve,AUC)最大(0.980),D值鉴别良、恶性肿瘤的敏感度、特异度和准确度分别为93.55%、100.00%和96.36%;此外,联合应用D值和时间信号强度曲线(time-signal intensity curve,TIC),诊断的AUC 可达0.990。因此,研究者认为IVIM比传统DWI和增强MRI能更好地鉴别乳腺良、恶性肿块。Liu等对36例乳腺癌(36个病灶)和20例乳腺良性病变(23个病灶)患者行IVIM检查,发现乳腺良、恶性病变间的D值、f值和D*值差异有统计学意义,与Liu等的结果相符。

 

此外,Liu等还发现,与动态增强MRI参数,包括容量转移常数(Ktrans)、速率常数(Kep)和血管外细胞外间隙容积比(Ve)相比,D值的诊断效能更高,AUC最大(0.917),且IVIM参数可反映肿瘤血流灌注特征。Bokacheva等与Liu等的结论相似,认为联合应用f和D值比ADC值具有更高的诊断效能。由此可见,在鉴别乳腺良、恶性肿瘤方面,IVIM比传统DWI更具优势。

 

(2)协助诊断乳腺导管内原位癌(ductal carcinoma insitu,DCIS):DCIS是乳腺浸润性癌的前驱病变,是一种乳腺导管上皮细胞恶性克隆性增生的异质性疾病,光学显微镜下可见肿瘤尚未突破基膜和浸润周围间质。DCIS起病隐匿,多数患者缺乏典型临床症状,多以自查发现肿块或乳腺X线摄影发现钙化灶就诊。然而对于非钙化、非肿块及多中心病灶,乳腺X线摄影及超声的价值有限,MRI技术更有优势。Cho等发现,DCIS组患者的D值、ADC值均高于浸润性乳腺癌组或两者混合组,差异有统计学意义。Yuan等发现,IVIM对诊断DCIS有一定价值,但研究中的样本量较少(仅包含4例DCIS),有待于进一步加大样本证实结论。

 

(3)判断乳腺浸润性导管癌(invasive ductal carcinoma,IDC)组织学分级及预后评估:IDC组织学分级主要根据腺管结构、核的多形性及核分裂数分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。肿瘤大小、组织学分级和腋窝淋巴结转移情况常用于预测乳腺肿瘤的生物学行为和预后。但是金标准乳腺活组织检查是侵入性操作技术,存在取材受限、不宜重复的缺点。DWI是目前唯一能无创检测活体内水分子微观运动的成像技术,不需要使用外源性对比剂,可间接反映细胞微观结构和病理生理情况。

 

理论上,IDC组织学级别越高,肿瘤细胞密度增高,核异型性增多,细胞外间隙越小,细胞生物膜限制增加,组织扩散受限也愈加明显。Razek等在b=200、400 s/mm2条件下行DWI检查,发现更低的ADC值与直径较大肿瘤、腋窝淋巴结转移阳性、高级别IDC显著相关,认为ADC值是评价高侵袭性乳腺癌的重要参数。在ADC值与肿瘤级别和肿瘤大小的相关程度上,Kim等与Razek等的结果不同。对于ADC值评价IDC组织学级别的作用不同学者观点并不统一。Lee等对72例(82个病灶,其中13个Ⅰ级IDC、33个Ⅱ级IDC、36个Ⅲ级IDC)乳腺癌患者行IVIM检查,发现低级别组(Ⅰ、Ⅱ级IDC)和高级别组(Ⅲ级IDC)间D值第75百分位数差异有统计学意义。

 

以上结果提示IVIM可能对判断IDC病理级别有一定价值,但目前相关研究较少,结论不统一,仍需进一步探索。近年来,免疫组织化学因子如雌激素受体(estrogen receptor,ER)、孕激素受体(progesterone receptor,PR)、人类表皮生长因子受体2(human epidermal receptor 2,HER⁃2)和细胞增殖抗原标记物(Ki-67)逐渐成为评估肿瘤预后的热点。Cho等在一项采用IVIM参数分布直方图分析乳腺癌异质性(主要研究肿瘤亚型、预后因子)的回顾性研究中发现,D*值、f值和激素表达状态显著相关,其中ER与D*值、f值呈负相关,PR则与之呈正相关,可能与ER表达下调血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)表达水平而抑制肿瘤血管生成有关。

 

Lee等认为,ER阳性表达组D值第50百分位数、第75百分位数、第90百分位数低于ER 阴性组,差异有统计学意义(P 值分别为0.044、0.024、0.045);两组间第10百分位数、第25百分位数差异无统计学意义,推测产生这种差异的原因与直方图分析包括整个肿瘤体积以及肿瘤内信号强度不均匀有关。D值第75百分位数与Ki-67呈负相关,推测可能与增高的细胞密度抑制组织扩散相关。以上结果提示,IVIM参数直方图对乳腺癌预后评估可以提供更多的信息,可能具有更大的价值。

 

(4)评估乳腺癌新辅助化疗(neoadjuvant chemotherapy,NAC)疗效:NAC已成为局部进展期乳腺癌的标准治疗方式,可以缩小肿瘤体积,降低肿瘤分期,增加保乳手术机会,提高患者生存率。Gilles等首次应用MRI评价乳腺癌患者化疗疗效,此后又有学者对DWI评价NAC效果的价值进行了研究。有效治疗后,细胞膜的完整性及通透性破坏,细胞密度降低,细胞外间隙增加,水分子扩散受限减轻,D值升高;肿瘤残存或进展时,细胞密度增高,D值降低。有学者尝试应用IVIM评价NAC早期疗效。Che等对28例局部进展期乳腺癌患者在初始及第2化疗周期后均行12个b值(0~1 000 s/mm2)DWI检查,观察初始及第2化疗周期治疗后D、D*、f值变化,分别以ΔD、ΔD*、Δf表示,结果显示,治疗有效组与无效组比较,ΔD、Δf差异有统计学意义,ΔD*差异无统计学意义;治疗有效组D值、f值均高于治疗前,D* 值和肿瘤体积均小于治疗前;以ΔD=- 0.163×10-3mm2/s为阈值,评价乳腺癌NAC效果的敏感度、特异度、阳性预测值、阴性预测值分别为100.0%、73.7%、64.3%、100.0%。Pieper等发现,IVIM评价乳腺癌肝转移患者的放射性栓塞效果有一定价值。由此可见,IVIM相关参数可作为评价乳腺癌早期治疗效果的指标。

 

4.IVIM应用于乳腺与其他器官的价值比较

 

IVIM技术已经应用于中枢神经系统肝脏、肾脏、胰腺、前列腺、宫颈癌、卵巢癌等方面。IVIM在乳腺肿瘤的应用中具有重要价值,在鉴别肿瘤良恶性、判断病理分级及评价疗效方面,优于传统DWI,IVIM应用于其他器官肿瘤所得结论与乳腺一致。多b值DWI广泛应用于其他器官,可用于评价肝纤维化、肾功能损害程度等。D*、f值有助于鉴别正常胰腺组织、慢性胰腺炎和胰腺恶性肿瘤,提示IVIM对某些炎性病变的诊断有一定价值。

 

目前,IVIM在乳腺中的应用尚处于起步阶段,主要局限于肿瘤病变,在今后的研究中可进一步拓宽范围。IVIM可量化组织扩散和血流灌注,与肝脏和肾脏相比,乳腺是乏血供器官,IVIM灌注参数(D*、f值)鉴别乳腺肿瘤的价值不如肝脏和肾脏肿瘤。五、总结与展望基于双指数模型的IVIM,无需注射对比剂,采用多b值DWI成像,可定量评价组织扩散和微循环血流灌注两种效应,弥补了传统DWI的不足。IVIM相关参数在乳腺良恶性肿瘤的检出、定性、疗效评价及预后评估等方面优于ADC值,具有更大的应用价值。此外,IVIM对IDC组织学分级亦有一定价值,但目前相关研究不多,有待于进一步证实结论。b值是IVIM的重要扫描参数,但是b值大小和数量的选择尚无统一标准,是目前研究的热点。年龄和月经周期不同时期激素的改变均可能影响乳腺组织扩散,降低所得参数的准确性,是今后研究中需要控制的干扰因素。相信随着研究不断深入以及序列设置的规范化,IVIM在乳腺肿瘤领域应用前景广阔。

 

来源:孙瑞红, 尹化斌. 基于体素内不相干运动的扩散加权成像在乳腺肿瘤中的应用进展[J]. 中华放射学杂志, 2017, 51(8).