【跟科学家一起读文献】DCE-MRI 腹部定量篇

        在“跟科学家一起读文献”栏目中，每个月都有高级应用团队的科学家们为您推荐和解读影像诊断方面的热点和实用文献，包括CT增强、MR增强和介入等方面，为您带来更实用的诊断方法，和更权威的学术信息。点击查看上周原文“CT双低”。

本期解读科学家：徐潇

纽约大学，研究方向：DCE-MRI，软件平台客户培训，PKRC青年大讲堂

Dynamic Contrast-enhanced MR Imaging in Renal Cell Carcinoma: Reproducibility of Histogram Analysis on Pharmacokinetic Parameters

作者：Hai-yi Wang1, Zi-hua Su2, Xiao Xu3, Zhi-peng Sun4, Fei-xue Duan5, Yuan-yuan Song6, Lu Li1, Ying-wei Wang1, Xin Ma7, Ai-tao Guo8, Lin Ma1 & Hui-yi Ye1

单位：1,7,8.中国人民解放军总医院 2,3. GE医疗生命科学部 4.张家口第一医院 5.嘉峪关酒钢医院 6.平顶山煤业集团总医院

杂志：Scientific Reports

文章来源：Wang, H.-y. et al. Dynamic Contrast-enhanced MR Imaging in Renal Cell Carcinoma: Reproducibility of Histogram Analysis on Pharmacokinetic Parameters. Sci. Rep. 6, 29146; doi: 10.1038/ srep 29146 & #40; 2016& #41; ;.

Pharmacokinetic parameters derived from dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging ;DCE-MRI; have been increasingly used to evaluate the permeability of tumor vessel. Histogram metrics are a recognized promising method of quantitative MR imaging that has been recently introduced in analysis of DCE-MRI pharmacokinetic parameters in oncology due to tumor heterogeneity. In this study, 21 patients with renal cell carcinoma ; underwent paired DCE-MRI studies on a 3.0 T MR system. Extended Tofts model and population-based arterial input function were used to calculate kinetic parameters of RCC tumors. Mean value and histogram metrics & #40;Mode, Skewness and Kurtosis; of each pharmacokinetic parameter were generated automatically using ImageJ software. Intra- and interobserver reproducibility and scan–rescan reproducibility were evaluated using intra-class correlation coefficients ; and coefficient of variation ;CoV;. Our results demonstrated that the histogram method Mode, Skewness and Kurtosis; was not superior to the conventional Mean value method in reproducibility evaluation on DCE-MRI pharmacokinetic parameters;K trans & Ve; in renal cell carcinoma, especially for Skewness and Kurtosis which showed lower intra-, inter-observer and scan-rescan reproducibility than Mean value. Our findings suggest that additional studies are necessary before wide incorporation of histogram metrics in quantitative analysis of DCE-MRI pharmacokinetic parameters.

摘要

        目前动态对比剂增强扫描;已在各个体部有广泛的应用。总所周知，评估一种定量分析的方法是否能够普遍应用，最基本也是最重要的是这种分析方法是否具有可重复性;Reproducibility;和再现性;Repeatability;。本文主要阐述了DCE-MRI血流动力学定量分析在肾细胞癌的应用中，血流动力学渗透性定量参数的可重复性研究。

        直方图分析已渐渐应用于DCE-MRI对于肿瘤异质性分析的研究中。本文Population AIF获取血管输入函数曲线的方法以及Extended Tofts血流动力学模型在21位肾细胞癌患者扫描数据中定量分析获得K^trans, V_e参数的平均值& #40;Mean& #41;，通过直方图分析分别获得K^trans, V_e参数的众数& #40;Mode& #41;;，偏度&& #40;Skewness& #41; 和峰度& #40;Kurtosis& #41;，通过对比Intra-observer与Inter-observer以及同一组数据3天内以相同扫描环境与注射方案扫描两次之间的可重复性，证明血流动力学模型以及直方图分析在肾细胞癌的应用价值。

简介

        多研究表明，DCE-MRI因其精准和无创的特点，已经广泛运用与预测很多肿瘤病灶的化疗疗效评估。本文涉及的研究人员在先前的文章已证明渗透性定量分析参数K^trans, V_e平均值的可重复性是非常良好的。而肿瘤本身成分各有不同，异质性客观存在，主要原因在于肿瘤周围的细胞外基质，肿瘤内的血管再生或者肿瘤的微循环特征各不相同，这都会影响肿瘤的特性描述，疗效的评估的精确性。而直方图分析已渐渐应用于肿瘤的分期分型分级、侵袭性以及疗效的预测等等。但就目前来说，有关于直方图分析在血流动力学定量分析的可重复性的证实的相关研究非常少，本文则是一例。

方法

入组数据

        本研究一共入组21例肾细胞病人，考虑到MRI在一些局部组织扫描中会产生部分容积效应的情况，入组的数据均为直径大于1厘米的肿瘤。而为了方便可重复性的研究，入组数据均为RCC病人。

扫描方案

        每一位病人均经过两次扫描环境，注射方案相同的DCE-MRI扫描，在第一次扫描后48-72小时进行第二次扫描。病人在扫描时的体位和姿势均相同。

        DCE-MRI扫描序列：在动态增强扫描前先行多翻转角扫描用于T1 mapping计算，将图像从时间亮度信号转换为时间浓度信号以便于血流动力学模型分析。翻转角度分别为3、6、9、12、15度。动态增强采用GE Lava序列，翻转角为12度，病人屏气扫描。时间分辨率为6秒，整体扫描时间为4.4分钟。动态增强序列与多翻转角序列详情请参照文献，并保证两侧序列参数除了Flip Angle完全相同。

        在获取图像以后，研究者采用了3D非刚性运动校正的方法，在其之前研究也证明，对于胸腹部的器官，运动校正对于定量分析和可重复性的精确度提高起到非常重要的作用。

        血流动力学模型采用了Population AIF的方法获取血管输入函数曲线，Extended Tofts双室模型获取微血管渗透性参数K^trans, V_e，并勾画感兴趣区获得两参数平均值& #40;Mean& #41;，如Figure 1直方图分析中，众数，偏度及峰度均采用相同的ROI。

        可重复性分析的ROI勾画由三位资深放射学专家完成。第一位两次勾画各组数据的第一次扫描，以完成Intra-observer Reproducibility的研究。第二位和第三位专家对各组数据的第一次扫描分别勾画ROI，以完成Inter-observer Reproducibility的研究。然后再由第一位专家参照第一次扫描所勾画的ROI对各组数据第二次扫描结果勾画ROI，并尽量保证每组数据中前后两次扫描的ROI一致，已完成Scan-rescan Reproducibility研究。

         值得一提的是，在直方图分析中，Bin值得选择对于各个参数的直方图的显示和参数分析也是比较重要的，鉴于图像的空间分辨率以及微血管渗透性参数K^trans, V_e的值域，bin值均为50。

结果

        本研究统计结果证明在Agreement Analysis中直方图分析参数偏度、峰度相对于普通的平均值、众数低。在Variability Analysis中，两个参数的平均值在Intra-observer Reproducibility、Inter-observer Reproducibility和Scan-rescan Reproducibility都比偏度，峰度要更加一致。如Figure 4.

结论

        在利用直方图分析方法对肾细胞癌病人的微血管渗透性参数K^trans, V_e的Scan-rescan可重复性研究方面是没有单纯用平均值好的，主要原因可能是两次扫描还是会产生不同的扫描环境和情况，另外勾画ROI也因为实际图像存在的差异而导致误差的产生。而平均值和众数在Intra-observer Reproducibility、Inter-observer Reproducibility和Scan-rescan Reproducibility三种研究中都有相对较好的可重复性，说明即使直方图分析被广泛应用于肿瘤异质性的研究，但是可重复性方面平均值更加标准。

        值得一提的是，本文的研究中采用的动脉输入函数曲线的获取方法是Population AIF，采用了经验曲线代替了患者本身的AIF曲线。究其原因，患者本身的AIF曲线，例如Personal AIF是非常依赖于高时间分辨率的扫描，而且容易被患者的实际身体情况，ROI的选取，部分容积效应以及对比剂的流速等原因影响。而且很难在同一个病人的两次扫描中能够获得完全相同的AIF曲线。由于本研究采用的是屏气扫描的方法，在时间分辨率上是大打折扣的。鉴于以上原因，Population AIF在本研究中得到应用，很好地规避了时间分辨率因为屏气扫描的原因而下降，以及在先后两次扫描的ROI的勾画上可能产生的误差等问题。

        本研究的主要限制在于：1. 每组数据只是去了肿瘤最大横截面积那一层进行定量分析；2. 在直方图分析中仅使用了偏度和峰度两个参数作为可重复性研究；3. 仅仅使用了肾细胞癌这一种肿瘤类型。所以得到的结果也仅仅能证明在肾细胞癌的病人中相对于定量参数的平均值和众数，对于定量参数进行直方图分析以后得到的偏度和峰度应用于Intra-observer Reproducibility、Inter-observer Reproducibility和Scan-rescan Reproducibility研究，其效果是相对一般的。

查看文献原文，点击链接：

MR 19 2016 Dynamic Contrast-enhanced MR Imaging in Renal Cell Carcinoma Reproducibility of Histogram Analysis on Pharmacokinetic Parameters.pdf

Comparison of Contrast-Enhanced Isotropic 3D-GRE-T1WI Sequence versus Conventional Non-Isotropic Sequence on Preoperative Staging of Cervical Cancer

作者：Xiaoduo Yu1, Meng Lin1, Feng Ye1, Han Ouyang1*, Yan Chen1, Chunwu Zhou1, Zihua Su2

单位：1.医科院肿瘤医院 2.GE医疗生命科学部

杂志：Plos One

文章来源：PLOS ONE | DOI: 10.1371/journal.pone.0122053 March 23, 2015

Abstract

Purpose

To compare contrast-enhanced isotropic 3D-GRE-T1WI sequence vs. conventional nonisotropic sequence in terms of image quality, estimated signal-to-noise ratio & #40;eSNR& #41;, relative tumor contrast and performance of cervical cancer staging.

Methods

This retrospective study was approved by the institutional review board, and informed consent was waived. Seventy-one patients & #40;47 ± 9.4 years& #41;, with pathologically-confirmed cervical cancer underwent axial contrast-enhanced 1mm3 isotropic 3D-GRE-T1WI sequence& #40;herein referred to Isotropy& #41;,and 3-mm-thick non-isotropic sagittal and coronal sequences. Image quality score, eSNR and relative contrast between tumor to myometrium, gluteal muscle, and fat respectively, were compared between 3-mm-thick reconstructed images from Isotropy and directly scanned non-isotropic images by paired t-test. Difference in tumor staging obtained from Isotropy and combined Three-planes including reconstructed axial images, directly scanned sagittal and coronal sequence were compared by McNemar test.

Results

Both sequences showed similar image quality. Reconstructed images demonstrated higher eSNR, equal or lower relative tumor contrast compared with non-isotropic images. Compared with performing diagnosis on Three-planes, both reviewers showed higher accuracy when diagnosing vaginal invasion on Isotropy & #40;p = 0.039 and 0.003, respectively& #41;;.

Conclusion

Compared with non-isotropic sequence, 3.0T MR isotropic 3D-GRE-T1WI sequence exhibited better eSNR, providing more reliable clinical information for preoperative staging of cervical cancer.

摘要

        本研究的主要目的是对比传统Non-Isotropic序列和Isotropic 3D-GRE-T1W1序列在术前宫颈癌分级的图像质量对比。

        此回顾性研究对比了两种序列扫描方式：1. 轴状位对比剂增强1 mm³扫描的Isotropic 3D-GRE-T1W1序列（后称为Isotropy），重建了3mm层厚的冠状位和矢状位；2. 3毫米层厚non-Isotropic冠状位和矢状位，重建了轴状位图像。通过扫描子宫肌层，臀肌，脂肪对比图像质量，信噪比，肿瘤图像对比度。

        结果显示两种扫描序列均有相似的图像质量，Isotropy重建的图像有更高的eSNR和相等或较低的肿瘤图像对比度。以及相比在传统三个状位序列的扫描图像上进行诊断，研究者在Isotropy序列诊断阴道侵袭的精确度更高。

        结论表示Isotropy序列会有更好的信噪比，以及提供了更加可靠的术前宫颈癌分级临床信息。

简介

        治疗前肿瘤分集对于宫颈癌治疗方法的决策和预后是至关重要的。而3D isotropic高分辨率扫描可以提供任何角度的MPR图像，它不仅提供了更详细的解剖结构，和在病变的检测，诊断和分期更好的性能，而且简化了扫描过程。

方法

         89例病例采用子宫切除术或手术活检检查以获取金标准对照。在MR扫描10分钟之前，所有患者经肌肉注射20 mg/ml scopolamine butylbromide，以防止胃肠运动10分钟。在Isotropy序列轴状位扫描完成后，利用工作站重建了重建了3mm层厚的冠状位和矢状图像，用以对比3毫米层厚的non-Isotropic冠状位和矢状位图像。

        对于图像质量的对比，评价标准是通过两位资深影像学专家基于图像的均匀性和伪影影响的严重度评分（1分为无法接受，5分为无伪影影响）。

        对于信噪比和肿瘤图像对比度的对比，一位影像学专家随机盲审数据图像的信噪比和肿瘤图像对比度。由于现场噪音分布不均匀的问题，SNR不能直接对比，研究者利用公式“肌层感兴趣区的信号强度/标准差”进行计算。肿瘤图像对比度方面，肿瘤与周围组织的信号之间的比较是由计算相对肿瘤对比度采用的公式得到：|（A-B）| /（A+B），其中A和B是肿瘤的绝对信号强度与周围组织信号强度。

结果

      如Figure2所示，通过Isotropy重建的斜矢状位图像（C）揭示宫颈病变的边界（箭头）更清晰，提高了诊断的信心。

       如Figure4所示，Isptropy（C）对在同一层图像的子宫和阴道病变的重建使得病灶和阴道间有更加清晰的显示（箭头）。

       如Figure5所示，斜矢状位图像（B）和冠状位CPR图像（C），均由Isptrpy重建，更清晰的显示病变已蔓延至宫颈管及阴道穹窿（箭头）。

结论

       本研究结果证明，Isotropy序列相比Non-Isotropic序列，在宫颈癌MR扫描图像方面，提供了相同的图像质量和更高的信噪比，而在肿瘤图像对比度方面，重建后的Isotropy序列图像和Non-Isotropic序列有相同的表现。

       本研究也显示读片者基于Isotropy序列在诊断子宫旁侵袭情况时效果时，与其在基于传统三个状位3mm层厚轴状位重建和原始的冠状位矢状位图像的诊断效果是相似的。主要原因也是在本研究中Isotropy序列轴状位1mm层厚扫描获取的数据有更高的空间分辨率。另外，在研究者诊断肿瘤阴道侵润，基于Isotropy序列的结果也是分别优于传统序列的三个状位的诊断结果的。原因是本研究宫颈癌阴道侵润主要是一个突出的弧形结构侵犯阴道穹窿，并且Isotropy的MPR及CPR图像可以观察肿瘤与任何方向的阴道穹窿之间的关系，从而建议Isotropy的高空间分辨率可以进一步明确是否阴道病变是由于肿瘤扩展或者是肿瘤突出和压缩。而本研究选择了轴面进行3D Isotropy序列扫描是由于其相比冠状位和矢状位能更清晰更全面显示宫颈基质环、宫旁、膀胱和直肠浸润。

       所以，相比传统的non-isotropic序列，即使Isotropy只是扫描了轴状位而重建了冠状位和矢状位图像会使得这两个重建状位的图像在相对肿瘤图像对比度方面可能会有所降低，但Isotropy序列仍然表现出了更好的图像信噪比，以及相同或甚至更优秀的图像质量以及更好的肿瘤分级能力。

查看文献原文，点击链接：

MR 26 2015 Comparison of Contrast-Enhanced Isotropic 3D-GRE-T1WI Sequence versus Conventional Non-Isotropic Sequence on Preoperative Staging of Cervical Cancer.pdf

点击查看：“跟科学家一起读文献”课程目录