多种数学模型扩散加权成像在骨肿瘤及肿瘤样变鉴别诊断中的应用

摘要

背景和目的
　　近年来，骨肿瘤及肿瘤样变的发病率呈逐渐上升趋势，且发病年龄不断年轻化，其高峰年龄为15～19岁，其中儿童期（＜15岁）恶性骨肿瘤占小儿所有恶性肿瘤的比例高达6％，患者的生活质量受到严重影响，生命甚至受到威胁。由于恶性骨肿瘤和良性骨肿瘤及肿瘤样变的处理方式截然不同，因此早期诊断并鉴别骨肿瘤性病变的良恶性对于制定适宜的治疗方案、恰当的手术方法以及预后评估都非常重要。由于肿瘤内部的不均质性以及样本取材部位的差异均可导致病理结果的不同，而影像学检查在骨肿瘤及肿瘤样变的鉴别诊断、肿瘤分期评估以及肿瘤疗效观察和术后随访等方面均具有重要意义。
　　目前，已有许多磁共振技术应用于骨肌系统疾病的研究之中，除了常规磁共振平扫和传统的钆(Gd-DTPA)对比剂增强序列外，还包括扩散加权成像（diffusionweightedimaging，DWI）、磁敏感加权成像(susceptibilityweightedimaging，SWI)、磁共振波谱(magneticresonancespectroscopy,MRS)、扩散张量成像（diffusiontensorimaging，DTI）等高级磁共振成像技术。但迄今为止，上述技术均存在各自的不足，组织病理学检查仍为骨肿瘤良恶性鉴别的“金标准”，故需探索良恶性骨肿瘤鉴别的无创性MRI新方法。
　　磁共振扩散加权成像利用活体生物组织中水分子的随机位移运动（即布朗运动）进行无创性成像。因DWI对细胞密度、脂肪细胞和骨髓细胞的相对含量、水含量和骨髓灌注均有较高的敏感度，已被越来越多地应用于骨髓病变的评估。以往常采用单b值DWI的单指数模型(mono-exponentialmodel)和所获得的表观扩散系数（apparentdiffusioncoefficient，ADC）值对骨肿瘤进行分析，但由于单指数模型的ADC值整合了活体生物组织中真实扩散和假性灌注两方面的信息，使其反映的组织扩散特征受到了毛细血管内微循环影响。近年来提出的多b值DWI双指数衰减模型，即体素内不相干运动成像(intravoxelincoherentmotion，IVIM)，将生物组织真实的水分子扩散和毛细血管内的微循环灌注分离开来，同时反应出生物组织的细胞构成以及灌注方面信息，使测量数据更接近生物组织实际扩散值。多b值DWI另一个数学模型为拉伸指数模型，其通过描述体素内水分子的分布扩散指数（distributeddiffusioncoefficient,DDC）和扩散异质性指数(theheterogeneityofintravoxeldiffusion，α)，反映出更多的组织生物学特征方面的信息。
　　本课题拟通过对骨肿瘤及肿瘤样变的磁共振扩散加权成像的多种数学模型进行分析研究，探讨DWI的单指数模型、双指数模型以及拉伸指数模型在骨肿瘤及肿瘤样变的诊断和鉴别诊断中的作用。
　　材料和方法
　　纳入2012年10月至2013年12月间在郑州大学第一附属医院就诊并行磁共振检查的骨肿瘤及肿瘤样变患者76例。行MRI检查前所有病例均未行穿刺活检、放化疗或介入治疗等影响影像学表现的干预性措施，于MRI检查后一周内经穿刺活检或手术切除组织的病理学检查证实。76例骨肿瘤中良性骨肿瘤及肿瘤样病变30例，恶性骨肿瘤46例，其中男性47例，女性29例，中位年龄35.0岁（范围:4～79岁）。
　　所有病人均在美国GE公司DiscoveryMR7503.0T超导型全身磁共振扫描仪上进行检查，依次进行常规MRI平扫、单b值DWI和多b值DWI扫描。单b值DWI采用单次激发的自旋-平面回波(spinecho-echoplannerimaging，SE-EPI)序列行横轴位扫描，b值取0，800s/mm2。扫描同时获得对应的表观扩散系数（apparentdiffusioncoefficient，ADC）图。多b值DWI选取由0到800s/ram2的12个不同b值进行轴位扫描(0，30，50，100，150，200，300，400，500，600，700，800s/mm2)，通过后处理软件分别对数据进行双指数模型和拉伸指数模型的计算。双指数模型得到真实扩散系数（truediffusioncoefficient，D）、假性扩散系数(pseudo-diffusioncoefficient,D*)和灌注分数（fractionofperfusion，f）三个参数。拉伸指数模型生成扩散分布指数(distributeddiffusioncoefficient，DDC)和扩散异质性指数(waterdiffusionheterogeneityindex，α)两个参数。通过在良恶性骨肿瘤及肿瘤样变的实质区域选取感兴趣区(ROI)比较DWI各指数模型中各个参数在良恶性鉴别中的价值。以患者自身正常骨髓腔作为对照，来定量分析水分子的扩散变化。
　　应用SPSS17.0统计分析软件对数据进行分析。计量资料以(x)±s表示;P＜0.05为差异有统计学意义。对良性骨肿瘤及肿瘤样变组和恶性骨肿瘤组各参数值与患者自身正常骨髓腔各参数值，采用配对t检验进行均数的两两比较;对良性骨肿瘤及肿瘤样变组和恶性骨肿瘤组各参数值，采用两独立样本t检验进行均数的比较。
　　利用受试者工作特性(receiveroperatorcharacteristic，ROC)曲线评价单指数模型、双指数模型和拉伸指数模型各参数值的诊断效能和最佳诊断阈值。
　　结果
　　1、骨肿瘤及肿瘤样变中的ADC、D和DDC值均有显著统计学意义，且恶性骨肿瘤的ADC、D和DDC值低于良性骨肿瘤及肿瘤样病变。在对良恶性骨肿瘤及肿瘤样变的鉴别诊断中，D*、f和α值均无统计学意义。但病变组织与正常组织间α值具有统计学意义，初步阐明α值可敏感反映组织异质性。
　　2、在良恶性骨肿瘤及肿瘤样变中，单指数模型ADC值显著大于双指数模型D值(P＜0.001)。
　　3、ADC和DDC之间的Pearson相关系数在良恶性骨肿瘤及肿瘤样变中分别为:r=0.741(P＜0.05)和r=0.708(P＜0.001)。D和DDC为:r=0.647(P＜0.05)和r=0.546(P＜0.05)。α和DDC间无明显相关性。
　　4、在良恶性骨肿瘤的鉴别中，ADC、D和DDC值的ROC曲线下面积分别为0.708、0.867、0.815。ADC、D和DDC鉴别诊断良恶性骨肿瘤的最佳阈值分别为1.30×10-3mm2/s、0.84×10-3mm2/s、1.05×10-3mm2/s。根据此阈值，计算ADC、D和DDC判断良恶性骨肿瘤的特异度分别为65.0％、75.0％、60.0％，敏感度分别是75.0％、91.7％、91.7％。
　　结论
　　1、DWI单指数模型、双指数模型以及拉伸指数模型可对良恶性骨肿瘤及肿瘤样变的鉴别提供重要的定量依据。
　　2、双指数模型D和拉伸指数模型DDC具有较高的诊断敏感性，且D诊断效能最高。
　　3、在骨肿瘤及肿瘤样变的良恶性鉴别中，双指数模型、拉伸指数模型DWI优于传统单指数模型DWI。

目录

声明

摘要

缩略词表

前言

材料和方法

1 临床资料

2 磁共振检查使用的仪器和设备

3 磁共振扫描技术及扫描参数

4 DWI图像后处理

5 统计方法

结果

1 骨肿瘤及肿瘤样变的病理结果

2 通过DWI单指数、双指数以及拉伸指数模型获得的各参数值在骨肿瘤及肿瘤样变良恶性鉴别诊断的价值

3 ADC与D的关系

4 Pearson相关性分析

5 各模型参数值诊断效能评价

讨论

1 磁共振扩散加权成像(DWI)概述

2 DWI单指数模型鉴别诊断骨肿瘤及肿瘤样变良恶性

3 DWI双指数模型鉴别诊断骨肿瘤及肿瘤样变良恶性

4 DWI拉伸指数模型鉴别诊断骨肿瘤及肿瘤样变良恶性

5 DWI单指数、双指数和拉伸指数模型各参数值诊断肿瘤良恶性的ROC曲线

6 研究中所存在的不足

结论

参考文献

附图

综述

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢