磁共振扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）的表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）值能定量评估组织内水分子的扩散运动情况，已用于直肠癌的诊断、预后评估和新辅助治疗疗效的监测^[1,2,3]。但基于单指数模型计算出来的ADC值忽略了来自毛细血管微循环的灌注效应，不能真正地反映水分子扩散运动情况^[4]。体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）扩散加权成像采用多b值的DWI扫描，利用双指数扩散衰减模式计算出分别代表水分子扩散和微循环灌注信息的定量参数，比ADC值能更准确地反映组织内水分子的扩散运动^[4]。已广泛应用于多系统肿瘤的预后评估和疗效监测中^[5,6,7]。本研究旨在比较IVIM定量参数与ADC值在术前评估直肠腺癌不同分化程度的价值。

1　材料与方法

1.1　研究对象

       回顾性分析2016年9月至2019年8月符合以下标准的患者。纳入标准：(1)经手术病理证实为直肠腺癌；(2) MRI扫描序列包括了高分辨率T2WI和IVIM；(3)术后取得完整的病理结果，包括分化程度。排除标准：(1)术前行辅助放化疗；(2) IVIM图像上伪影较多致病变区图像变形严重；(3)特殊的病理类型，如黏液腺癌和印戒细胞癌。93例患者纳入研究，男58例，女35例，年龄38~85岁，中位年龄66岁。参照美国癌症联合会第8版^[8]的标准，93例直肠腺癌分化程度为：7例高分化腺癌，47例中分化腺癌，39例低分化腺癌。

1.2　MRI检查方法

       采用荷兰Philips Achieva TX 3.0 T超导MR扫描仪，16通道体部相控阵线圈。检查前30 min使用开塞露清洁肠道。扫描前肌注盐酸山莨菪碱10 mg。直肠MR序列包括三平面T2WI、IVIM及动态增强MRI，T2WI和IVIM参数见表1，动态增强MRI不在本研究范围内，横轴位T2WI和IVIM序列的扫描定位均垂直于矢状位病变段肠壁。IVIM序列采用单次激发平面回波成像(SE-EPI)序列，b值为0、10、20、50、100、200、500、800、1000 s/mm²，扫描时间6 min 53 s。

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表1  直肠三平面T2WI和IVIM序列参数
Tab. 1  The parameters of rectal T2WI and IVIM sequence

1.3　图像处理及分析

       IVIM序列后处理采用FireVoxel软件（New York University ，NY）。由2名分别具有3年和8年以上消化道影像诊断经验的放射科医师定位并勾画病灶，横轴位高分辨率T2WI和IVIM序列的扫描定位、层厚及层间距一致。癌灶在MR上表现为T2WI稍高信号，高b值DWI明显高信号，相应ADC图上明显低信号，2名医师参照病理报告基础上，以横轴位T2WI和ADC图为参照，在b=1000 s/mm²的每层DWI图像上手动勾画直肠高信号病灶区，ROI尽量包括肿瘤的实性部分，避开气体、出血、坏死、囊变区，最后剪切出整个肿瘤体积，并基于双指数模型的计算公式：Sb/S0=f×exp[-b×(D+D^*)]+(1-f)×exp (-b×D)，计算出真实扩散系数（D值）、灌注相关假扩散系数（D^*值）和灌注分数(f值）伪彩图（图1，图2)和数据，并由MATLAB软件计算出每个像素内的D值、D^*值和f值，并取总体平均值。ADC值采用单指数模型在飞利浦工作站上完成，参照横轴位T2WI和DWI (b=1000 s/mm²)图像，在ADC图(b=1000 s/mm²)上选取肿瘤最大层面并勾画肿瘤实性部分，计算出平均ADC值。

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图1  直肠中分化腺癌。A：横断位T2WI示直肠右侧壁肿块样增厚，肿块侵犯固有肌层，固有肌层外缘轮廓光整(白箭)；B：DWI (b=1000 s/mm²)示直肠右侧壁局限性异常高信号（白箭）；C~E分别为D值、D＊值和f值伪彩图
图2  直肠低分化腺癌。A：横断位T2WI示直肠左侧壁肿块，左侧壁固有肌层破坏中断（白箭)；B：DWI (b=1000 s/mm²)示直肠肿块局限性异常高信号（白箭）；C~E：分别为D值、D^*值和f值伪彩图
Fig. 1  Moderately differentiation grade of rectal adenocarcinoma. Transverse T2WI (A) showed a thickened mass on the right lateral wall of the rectum. The mass invaded the muscularis propria and the outer edge of the muscularis propria was smooth (white arrow). The lesion showed local high signal on DWI (b=1000 sec/mm²) (B). Figure C-E were D value, D^* value and f value pseudo-color map respectively.
Fig. 2  Poorly differentiation grade of rectal adenocarcinoma. Transverse T2WI (A) showed a thickened mass on the left lateral wall of the rectum. The mass destroied the muscularis propria (white arrow). The lesion showed local high signal on DWI (b=1000 sec/mm²) (B). Figure C—E were D value, D^* value and f value pseudo-color map respectively.

1.4　统计学分析

       采用SPSS 19.0和MedCalc 9.0软件进行统计分析，P<0.05为差异有统计学意义。计量资料以±s表示。直肠癌不同分化程度间ADC值和IVIM参数的比较时，Levene方差齐性检验若方差齐性则采用单因素方差分析，组间两两比较采用LSD法，若方差不齐，则组间两两比较采用Bonferroni法，有统计学差异的参数采用ROC分析方法评价鉴别高／中分化与低分化腺癌的诊断效能。2名医师测量IVIM数据的一致性采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）。采用Spearman相关分析比较ADC值和IVIM参数与直肠癌分化程度间的相关性(|r|<0.25为弱相关，0.25<|r|<0.5为中度相关，0.5<|r|<0.75为相关性好，|r|>0.75为强相关)^[7]。

2　结果

2.1　直肠癌不同分化程度间ADC值和IVIM各参数比较

       随着直肠癌分化程度的降低，肿瘤的ADC值和D值呈下降趋势（表2），差异具有统计学意义，组间两两比较结果为高分化与低分化和中分化与低分化间的ADC值差异具有统计学意义(P值分别为0.042和0.029)，高分化与中分化间的ADC值差异无统计学意义；高分化与中分化、高分化与低分化和中分化与低分化间的D值差异均具有统计学意义(P值分别为0.002、0.000和0.002)。随着直肠癌分化程度的降低，肿瘤的f值呈上升趋势，差异具有统计学意义，组间两两比较结果为高分化与低分化间的f值差异具有统计学意义(P=0.013)，其他两两组间比较f值差异无统计学意义。D^*值在直肠癌不同分化程度间差异无统计学意义。

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表2  直肠癌不同分化程度间ADC值和IVIM各参数比较结果(±s)
Tab. 2  The difference of ADC values and IVIM parameters among different differentiation grade of rectal adenocarcinoma (±s)

2.2　ADC值和IVIM参数鉴别高／中分化和低分化直肠癌的效能比较

       ADC值和IVIM参数中，不同分化程度间差异具有统计学意义的参数鉴别高／中分化与低分化直肠癌的效能比较见表3。D值的AUC最高，以2.465为阈值鉴别低分化直肠癌的敏感性和特异性分别为66.7％和79.6% （图3）。D值、ADC值和f值两两间的AUC差异无统计学意义。

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图3  ADC值、D值和f值鉴别高／中分化与低分化直肠腺癌的效能比较，相应AUC值见表3
Fig. 3  The comparison of diagnostic performance in distinguishing well/moderately and poorly differentiated between ADC value, D value and f value. Corresponding AUC values were shown in table 3.

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表3  ADC值和IVIM参数鉴别高／中分化vs低分化直肠癌的效能比较
Tab. 3  The diagnostic performance in distinguishing well/moderately and poorly differentiated of ADC values and IVIM parameters

2.3　ADC值和IVIM各参数与直肠癌分化程度间的相关性分析

       ADC值与直肠癌分化程度呈弱相关(|r|=0.249 ，P=0.016)，D值与直肠癌分化程度呈中度相关(|r|=0.441 ，P=0.000) ，f值与直肠癌分化程度呈弱相关(|r|=0.246 ，P=0.018)，D^*值与直肠癌分化程度间的相关性无统计学意义(|r|=0.079 ，P=0.453)。

3　讨论

       水分子扩散并非活体组织内唯一的微观运动形式，还包括毛细血管微循环。基于单指数模型计算出的ADC值包含了水分子的扩散和毛细血管的微循环，虽然已有研究显示ADC值能定量用于直肠癌的鉴别诊断，预后评估和疗效监测^[1,2]，但不能准确地反映肿瘤内的微观变化情况。IVIM成像采用双指数模型计算，能够分别得到反映组织水分子扩散的定量参数：真实扩散系数（D值），以及反映微循环灌注信息的定量参数：灌注相关假扩散系数(D^*值)和灌注分数(f值)，能够更好地描述组织内复杂的信号衰减方式^[4]。

       本结果显示直肠腺癌的ADC值和D值随肿瘤分化程度的降低呈显著下降趋势，参照我们之前对胃腺癌和组织病理学对照的研究结果^[9]，原因考虑为肿瘤从高分化至低分化，肿瘤细胞密度越来越高、细胞外间隙越来越小，自由水分子的扩散程度越来越小，导致ADC值和D值随着直肠腺癌分化程度的降低呈显著下降。我们的结果与其他研究结果一致^[10,11,12]。但也有研究显示直肠癌术前IVIM各参数在不同TNM分期之间无显著性差异^[13]，造成结果差异的原因可能与该研究样本量较少、ROI采用肿瘤最大层面勾画多个ROI取平均值有关。ROC结果显示虽然ADC值和D值鉴别高／中分化与低分化腺癌的AUC值差异无统计学意义，但D值的AUC值高于ADC值（0.726和0.639)。张琪等^[14]的研究结果显示ADC值和D值鉴别高／中分化与低分化子宫内膜癌的AUC值相近(0.825与0.805)，可能与使用的高b值(>200 s/mm²)较多有关，因为在高b值区，ADC值更多地反映的是组织的水分子扩散^[15]。与直肠癌分化程度的相关性分析结果显示D值与直肠腺癌分化程度呈中度相关，优于ADC值的弱相关，所以我们的结果提示D值较ADC值更能准确地反映直肠癌的组织特性。

       D^*值和f值均是反映组织灌注特性的参数，理论上D^*值主要反映微循环灌注中毛细血管平均长度及血管内血流速度，主要受血流速度和毛细血管几何形态影响；f值反映组织内毛细血管的丰富程度，与毛细血管血容量相关^[10]。之前的研究结果显示D^*值与肿瘤的组织病理学因素无相关性^[11,16]，我们的结果亦显示不同分化程度间的D^*值差异无统计学意义，且D^*值与直肠癌分化程度间无相关性，原因可能为D^*值包含了水分子扩散和灌注分数，另外D^*值对噪声敏感，数值相对不稳定^[17]。对于f值，不同的研究结果不同，Sun等^[18]认为在分化差的肿瘤里，肿瘤细胞生长快，血管壁分化差，导致微循环里更少的灌注，得到更低的f值，与Lu等^[6]的结果相似。但其他研究结果显示灌注参数与微血管密度相关^[12,16]，且有直肠癌的动物实验证实f值与血管计数显著相关^[19]。本结果显示f值随着直肠癌分化程度的降低，呈明显升高，且f值与直肠癌分化程度呈弱相关。我们认为f值可能受多个因素相互影响，除了微血管的解剖、血流的动力外，f值可能还包含了腺体分泌、导管内液体流动等的多种生理过程^[20]，小于200 s/mm²的不同b值选取亦会影响IVIM灌注参数的信号强度^[21]。

       本研究受到一些不利因素和局限性的影响。IVIM数据的稳定性和准确性受到b值的选取、拟合算法、ROI的勾画方式、图像信噪比、受试者心脏搏动和腺体分泌、导管内液体流动等因素的影响，我们的措施主要有：(1)检查前30 min用开塞露清洁肠道，扫描前肌注盐酸山莨菪碱，尽量减少肠道内气体和肠蠕动对图像的影响。(2)采用3.0 T扫描仪和16通道相控阵线圈，优化扫描参数尽量提高图像信噪比。(3)采用ROI勾画肿瘤体积的方法，结果显示测量IVIM数据的观察者间一致性好。(4) b值的选取是影响IVIM成像图像质量和数据准确性的重要因素之一，理论上b值越多，拟合出的结果越准确，但成像时间越长，并不适合直肠空腔脏器的应用，我们兼顾了IVIM成像对低b值和高b值的基本要求^[22]，以及整个直肠扫描序列时间，设置了9个b值的IVIM成像。本研究的局限性：(1)本研究纳入的样本量较小，特别是高分化腺癌病例；(2) IVIM的参数和ADC值的获取来自两种不同的后处理方法，虽然2名医师以横轴位T2WI和ADC图为参照，且横轴位高分辨率T2WI和IVIM序列、以及后处理得到的ADC图的扫描定位、层厚及层间距一致，使得病灶ROI勾画时尽量保持一致，数据可能仍然存在一定的偏倚；(3) b值的选取对IVIM参数存在一定影响，特别是小于200 s/mm²的b值，对b值的优化还需进一步研究。

       综上所述，IVIM序列所得参数和ADC值对鉴别不同分化程度的直肠腺癌均有较大的价值，但D值的诊断效能更高，比ADC值更能反映组织的特性。