0 引言

       原发性肝细胞癌（hepatocellular carcinoma, HCC）是肝内最常见的原发性恶性肿瘤，在中国发病率高，预后差，其术后5年的复发率高达60%~70%。病理分级是影响预后的独立预测因子之一，但取得病理结果需要进行手术或穿刺等有创检查，在术前采用无创性检查方法预测病理分级对临床治疗方案的选择及预后的评估至关重要。

       酰胺质子转移加权（amide proton transfer weighted, APTw）成像是一种基于化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer, CEST）成像的新型分子MRI技术，可以无创地检测位于3.5 ppm处酰胺质子与水的非对称性磁化转移率（magnetization transfer ratio asymmetry, MTRasym），进而从分子水平反映组织细胞内游离蛋白质及多肽的浓度特性及交换环境（包括pH值，温度等）^[1]。近年来，随着MRI技术的发展，APTw成像逐渐被用于预测恶性肿瘤如脑胶质瘤^{[2, 3]}、子宫内膜癌^{[3, 4, 5]}、宫颈癌^[6]、直肠癌^{[7, 8]}及乳腺癌^[9]的病理分级、治疗疗效及预后等，研究发现APTw高信号与恶性肿瘤组织病理学赋值、细胞数、增殖指数呈显著正相关，可以提高肿瘤复发预测的敏感性和特异性。

       由于受呼吸运动及心脏搏动的影响，APTw成像在肝脏扫描中的应用受到限制，尽管近年来APTw成像在肝脏的临床应用逐渐增多，尤其是用于预测肝癌病理分级的报道^{[10, 11]}，但以往的研究均采用二维扫描，得到的都是单层图像^{[12, 13]}，而HCC是异质性很强的恶性肿瘤，单层图像测得的APTw值难以反映整个肿瘤的组织学分级。而且2D-APTw成像容易受呼吸运动、心脏搏动、大血管的影响，成功率不高，本研究采用的三维酰胺质子转移加权（three-dimensions amide proton transfer weighted, 3D-APTw）成像技术，扫描范围大，可以在一定程度上减少呼吸运动对结果的影响，机器硬件及软件也进行了一些改进，扫描成功率较二维成像有所提高^{[14, 15]}，并且可以大范围、多层面进行数值测量，能更全面反映HCC的肿瘤组织异质性，更准确预测HCC的病理分级。因此，本研究旨在探讨3D-APTw值在评估HCC病理分级中的价值。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经河北医科大学第四医院伦理委员会批准，批准文号：2020KY238，全体受试者均签署了知情同意书。于2020年10月至2023年4月前瞻性招募临床怀疑或诊断HCC患者共150例。纳入标准：（1）CT或临床怀疑或诊断原发性HCC；（2）既往未进行介入、放化疗；（3）病灶≥2 cm；（4）非弥漫性病变。排除标准：（1）未手术切除（n=48）或术后病理非HCC（n=29）；（2）图像质量差，APTw图像病变区域出现超过50%的信号缺失或高信号伪影（n=30）。107例患者被排除后最终纳入43例患者，男33例，女10例，年龄19~75（60.53±1.73）岁。

1.2 检查方法

       所有患者在MRI检查前禁食6~8 h。使用配置16通道相控阵体部线圈的3.0 T MR（Philips Ingenia CX，飞利浦，荷兰）设备进行扫描。常规肝脏MRI均采用横断位扫描，包括T1WI、T2WI和弥散加权成像（diffusion-weighted imaging, DWI）（b值=1200 s/mm²）序列，各序列扫描参数详见表1。3D-APTw成像采用SPIR方式抑脂，多次激发快速自旋回波序列采集，饱和方案使用双源交替的高斯波饱和脉冲。扫描范围包括整个肿瘤，如肿瘤直径>5 cm则将扫描范围中心线选取在T2WI横断面肿瘤最大层面，如有两个以上病变则选最大的病变进行APTw扫描，平均采集次数（number of signal acquisitions, NSA）为3，成像采集时间约7 min。扫描前训练患者呼吸，嘱患者在自由呼吸状态下尽量保证呼吸均匀，机器响时处于呼气末状态。机器自动生成经过Dixon生成的B0图，并自动校正B0不均匀。扫描机自动重建肝脏APTw图像。

       APTw扫描结束后，采集多期动态增强图像。按0.2 mL/kg经肘静脉注入钆特酸葡胺（佳迪显，江苏恒瑞，批号：H20153167），后追加生理盐水10 mL，注射速率均为3 mL/s，监测主动脉，采集双动脉期、静脉期及延迟期图像。

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表1  MRI各扫描序列参数
Tab. 1  Details of MRI imaging parameters

1.3 图像处理与数据测量

       在后处理工作站上（Philips Interllispace Portal 7.0.6 Patch）将患者的T2WI图像及APTw图像进行融合，工作站自动进行图像配准，得到融合后3D-APTw图。由两名经验丰富的放射科副主任医师（分别从事腹部影像诊断10年和5年）运用双盲法进行数据测量。

       将T2WI图像作为解剖学参考，在3D-APTw图像逐层沿肿瘤边缘手动勾画感兴趣区（region of interest, ROI），参照T1WI及增强图像避开大面积的坏死、钙化、出血或大血管等，避开病变边缘区域及大片状异常高信号的伪影。将所有层面的肿瘤APTw值的平均值作为HCC的APTw值。在远离肿瘤的正常肝实质手动选取面积为100~200 mm²的圆形ROI，避免大血管及大面积伪影，测量三次取平均值。由两名高年资病理学医师共同完成病理诊断，病理分级采用Edmondson-Steiner四级（Ⅰ~Ⅳ）分级方法，其中Ⅰ、Ⅱ级纳入低级别组，Ⅲ、Ⅳ级纳入高级别组。

1.4 统计学方法

       使用SPSS 25.0（IBM Corporation, USA）和MedCalc 15.0（https://www.medcalc.org/）软件对数据进行分析。采用组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）对两名医师所测数据进行一致性分析。采用Shapiro-Wilk检验分析APTw值的正态性，符合正态分布者以均数±标准差的形式表示，采用独立样本t检验分析组间差异；不符合正态分布者以M（Q1，Q3）表示，采用Mann-Whitney U非参数检验分析组间差异。使用受试者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）曲线评估APTw值的诊断效能，计算曲线下面积（area under the curve, AUC）、阈值及其敏感度和特异度。采用Spearman相关分析，评估APTw与HCC的组织学分级之间的相关性。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料及测量结果一致性检验

       本研究共纳入43例HCC患者，男33例，女10例，其中低级别组25例，高级别组18例，共计46个病灶。肿瘤大小平均值为（6.47±0.64）cm，范围为2~16 cm。两位医师测量的肿瘤及肝实质APTw值的组内相关系数分别为0.93（95% CI：0.86~0.97）及0.84（95% CI：0.70~0.92）。

2.2 低级别和高级别HCC的APTw值及其鉴别效能

       低级别和高级别HCC两组中，肿瘤及肝实质的APTw值测量结果显示，低级别HCC组肿瘤的APTw值低于高级别HCC组（Z=-2.15，P=0.03），差异具有统计学意义。两组间肝实质APTw值差异无统计学意义（Z=-1.19，P=0.24）。详细见表2、图1, 2, 3。

       进一步进行ROC曲线分析得出APTw值鉴别高级别与低级别HCC的AUC为0.69（95% CI：0.53~0.82），Z=0.39，P=0.02，最佳阈值为1.85%时，敏感度和特异度分别为90.00%和42.31%（图4）。

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图1  男，75岁，低级别肝细胞癌（Ⅰ级）。1A：T1WI示肝右叶见低信号肿物；1B：T2WI示病变呈稍高信号；1C：轴位弥散加权成像（DWI；b=1200 s/mm²）示病变呈高信号；1D：动脉期明显强化；1E：
Fig. 1  A 75-year-old male with low-grade hepatocellular carcinoma (Ⅰ grade). 1A: The T1WI shows low signal mass are seen in the right lobe of liver; 1B: The T2WI shows higher signal mass; 1C: The axial diffusion-weighted imaging (DWI; b=1200 s/mm²) shows high signal; 1D: The arterial image shows significantly enhanced; 1E:The venous image shows a relative equal signal; 1F: The pseudo colored map of amide proton transfer (APTw) is fused with T2 imaging, APT value is 1.70%; 1G: The pathological image (HE ×200) shows Ⅰ grade of hepatocellular carcinoma.

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图2  男，72岁，高级别肝细胞癌（Ⅲ级）。2A：压脂T1WI示肝左叶见低信号肿物；2B：T2WI示病变呈稍高信号；2C：轴位弥散加权成像（DWI；b=1200 s/mm²）示病变呈高信号；2D：动脉期肿物明显
Fig. 2  A 72-year-old male with high grade hepatocellular carcinoma (Ⅲ grade). 2A: The T1WI shows low signal mass are seen in the left lobe of liver; 2B: The T2WI shows higher signal mass; 2C: The axial diffusion-weighted imaging (DWI; b=1200 s/mm² ) shows high signal; 2D: The arterial image shows significantly enhanced; 2E: The venous image showsa relative equal signal; 2F:The pseudo colored map of amide proton transfer (APTw) is fused with T2 imaging, APT value is 3.10%; 2G: The pathological image (HE ×200) shows Ⅲ grade of hepatocellular carcinoma.

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图3  低、高级别肝细胞癌之间APTw值的箱式图。
图4  APTw鉴别低、高级别肝细胞癌的ROC曲线。
图5  Ⅰ级至Ⅳ级肝细胞癌的APTw值的箱式图。APTw：酰胺质子转移成像；ROC受试者工作特征；AUC：曲线下面积；CI：置信区间。
Fig. 3  Box diagram of APTw values between low-and high grade hepatocellular carcinoma.
Fig. 4  The ROC curves of APTw value to differentiate low grade and high grade hepatocellular carcinoma.
Fig. 5  Box diagram of APTw values between Ⅰ grade to Ⅳ grade hepatocellular carcinoma. APTw: amide proton transfer-weighted; ROC: receiver operating characteristic; AUC: area under the curve; CI: confidence interval.

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表2  低级别肝细胞癌与高级别肝细胞癌APTw值比较
Tab. 2  Comparison of APTw values for different histological grades of hepatocellular carcinoma

2.3 APTw值与病理分级的相关性分析

       Spearman相关性分析结果显示APTw值与HCC病理分级呈正相关，相关系数r=0.43，P=0.003（图5）。

3 讨论

       本研究首次探讨了3D-APTw图像在术前预测HCC病理分级中的价值，结果显示高级别HCC的APTw值高于低级别HCC，两者间差异存在统计学意义。HCC的APTw值与肿瘤病理分级存在中度正相关，提示APTw值在术前预测HCC的组织学分级有较好价值。

3.1 APTw成像的基本原理

       APTw成像是一种基于化学饱和转移发展起来的新型分子成像技术，可以无创地检测酰胺质子与水分子之间的交换过程，揭示细胞代谢和病理生理信息^[16]。酰胺质子大多存在于游离的蛋白质和多肽中，富含酰胺基质子的蛋白质不仅是细胞结构的组成部分，而且是细胞功能的执行者。APTw发出一定频率的脉冲对其进行饱和性标记，周围组织中自由水的氢质子与被饱和的酰胺质子进行化学交换，进而使周围组织中自由水的信号也被饱和，自由水的信号因此而降低，通过检测饱和前后自由水信号强度的变化来间接反映组织中酰胺质子的含量和交换率，从而反映出细胞组织蛋白质和多肽等大分子物质代谢信息，在一定程度上反映出组织的病理生理信息^{[17, 18]}。

3.2 APTw成像在HCC病理分级中的价值

       APTw技术已应用于多种肿瘤术前分级的预测，结果显示恶性肿瘤病理级别越高，APTw值越高，其原理为随着肿瘤病理级别的增高，肿瘤细胞增殖活跃，游离蛋白质和多肽明显增加，APTw信号升高^{[19, 20]}。本研究结果显示HCC的APTw值明显高于肝实质，且高级别HCC患者的APTw值高于低级别HCC患者，这与以往的研究结果一致。上述结果的病理基础有以下几点：首先，高级别HCC较低级别HCC其肿瘤细胞增殖更快，细胞密度更高，从而产生更多的细胞内游离蛋白和多肽，酰胺质子浓度升高，与水质子交换速率增快，APTw值升高；其次，高级别HCC细胞核异型性增加，可以使肿瘤细胞内大分子物质和疏水性细胞膜之间的交换加快，从而促进游离蛋白及多肽的释放^{[17, 21]}；最后，高级别的HCC更容易发生缺血缺氧性坏死，组织坏死过程中会向周围释放蛋白及多肽，导致内源性蛋白含量增加。

       以往的研究多采用二维扫描，仅能获得单层图像，随着技术及硬件的发展，3D-APTw成像逐渐应用于临床，扫描范围大，可以测量多层图像的数据^{[22, 23]}，本研究首次将3D-APTw技术应用于HCC的检查，测量结果为扫描范围内各层面肿瘤APTw值的平均值，能更准确地反映整个肿瘤APTw及其异质性，这也是本研究的创新点。

       本研究得出基于3D扫描得到的APTw值鉴别高级别及低级别HCC的阈值为1.85%，其AUC值为0.69，敏感度及特异度分别为90.00%和42.31%，相比于之前的研究敏感度有所提高，但特异度低于之前的研究^{[12, 13]}，分析原因可能有以下几点：第一，以往的研究是单层面进行数据测量，而本研究扫描范围大，取多个层面的APTw值的平均数作为肿瘤的APTW值。第二，APTw图像容易受血管、液体及呼吸运动的影响从而产生信号缺失或高信号伪影，剔除了一些信号缺失及高信号伪影区域较大的病例，可能造成入组病例的偏倚。另外有研究表明间歇性屏气较自由呼吸可以提高肾脏3D-APTw的图像质量^[24]，由此可见呼吸模式可能在一定程度上会影响数据的准确性。第三，虽然我们划取ROI时避开了出血、坏死区，但信号缺失及高信号伪影区仍然会对数据测量准确性造成一定的影响，这也是造成特异度低的原因。第四，所用的设备厂家不同，扫描参数有所不同，也会在一定程度上影响最终的结果。APTw值鉴别高级别及低级别HCC的敏感度较高，但是诊断效能及特异度还有待于进一步提升，表明APTw成像是预测HCC组织学分级的一种有前景的技术，但需要进一步挖掘其临床应用价值。

       由于本研究中Ⅰ级和Ⅳ级病例数少，因此没有对4个病理分级亚组间APTw值差异性进行统计学分析，但是相关性分析结果显示APTw值与HCC病理分级呈中等程度正相关，随着病理分级的增高，肿瘤的APTw值逐渐升高的趋势，这与其他研究一致^{[25, 26]}。相关系数越大表明随肿瘤病理分级增高APTw升高的相关性越强^{[27, 28]}，本研究的结果表明HCC的APTw值与肿瘤组织学分级之间的相关性较好，可以更好地预测HCC病理分级。

3.3 局限性及展望

       （1）总样本量相对较少，大部分为Ⅱ级和Ⅲ级病例，Ⅰ级和Ⅳ级病例数少，可能对结果的准确性造成一定影响，并且未能比较4组病理级别间APTw的差异；（2）APTw序列对微小病变显示欠佳，因此纳入研究的均是病灶直径≥2 cm的患者，最终结果可能会存在一定的偏倚；（3）APTw图像的分辨率较差；（4）没有纳入HCC的常规MRI增强特征，未分析Ki-67指数级微血管密度等病理特征。未来我们将继续扩大样本量，将APTw与详细的病理信息及MRI增强特征进行结合来提供更可靠的研究结果。

4 结论

       综上所述，3D-APTw成像可用于鉴别低级别和高级别HCC，作为一种新型的无创生物标志物在术前预测HCC病理分级中有一定的价值，可以帮助HCC诊断和临床治疗策略。