直腸癌術(shù)前擴(kuò)散加權(quán)成像層面及感興趣區(qū)的選擇對(duì)ADC值一致性及重復(fù)性的影響

孫軼群，顧雅佳，童 彤，信 超，彭衛(wèi)軍

1. 復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射診斷科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032；

2. 上海影像醫(yī)學(xué)研究所，上海200032

直腸癌術(shù)前擴(kuò)散加權(quán)成像層面及感興趣區(qū)的選擇對(duì)ADC值一致性及重復(fù)性的影響

孫軼群1,2，顧雅佳1，童 彤1，信 超1，彭衛(wèi)軍1

1. 復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射診斷科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032；

2. 上海影像醫(yī)學(xué)研究所，上海200032

背景與目的：擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)定量參數(shù)即表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)的一致性及可重復(fù)性是眾多研究關(guān)注的重點(diǎn)。既往研究結(jié)果顯示b值、感興趣區(qū)(region of interest，ROI)的選擇等因素對(duì)ADC值一致性及可重復(fù)性均有一定影響。本研究將探討直腸癌術(shù)前DWI層面及ROI的選擇對(duì)ADC值一致性及重復(fù)性的影響。方法：回顧性分析80例病理證實(shí)為直腸腺癌的患者資料，此組患者均行直腸MR及DWI檢查。2名不同年資的醫(yī)師分別在ADC圖像上采用腫瘤中心法及輪廓法勾畫ROI，層面選擇了腫瘤最大層、腫瘤最大層及其上下兩層及腫瘤全層三種方法。其中腫瘤輪廓法采用手動(dòng)勾畫模式，盡量沿腫瘤輪廓勾畫ROI。腫瘤中心法使用圓形ROI工具，腫瘤實(shí)性部分盡可能圈入而避開病變內(nèi)壞死或囊變區(qū)。兩名醫(yī)師用三種層面和兩種ROI放置法間隔2周進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。使用ANOVA法比較不同層面之間ADC值差異，配對(duì)t檢驗(yàn)比較兩種ROI之間ADC值差異。計(jì)算組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(interclass correlation coefficient，ICC)，并分別比較同一醫(yī)師前后兩次及兩名醫(yī)師之間測(cè)量值的可重復(fù)性(Bland-Altman法)。結(jié)果：將三種層面法測(cè)得ADC值進(jìn)行兩兩比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。相同層面的情況下，腫瘤輪廓法測(cè)得ADC值均大于腫瘤中心法，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。選擇腫瘤全層-腫瘤中心法及輪廓法測(cè)量ADC值，組內(nèi)及組間一致性可達(dá)到0.931、0.803和0.913、0.822。醫(yī)師1前后兩次分別采用腫瘤中心法及腫瘤輪廓法測(cè)定ADC值，測(cè)得的ADC值95%一致性區(qū)間為(-0.089 3～0.083 1)×10-3mm2/s(P:Mean=0,P＞0.05)，(-0.066 8～0.096 3)×10-3mm2/s(P:Mean=0，P＜0.05)；醫(yī)師1與醫(yī)師2使用采用腫瘤中心法及腫瘤輪廓法測(cè)定ADC值，測(cè)得的ADC值95%一致性區(qū)間為(-0.127 5～0.141 6)×10-3mm2/s(P:Mean=0，P＞0.05)，(-0.112 0～0.150 2)×10-3mm2/s(P:Mean=0，P＜0.05)。Bland-Altman散點(diǎn)圖顯示，腫瘤中心法較輪廓法在同一醫(yī)師前后兩次間及兩名醫(yī)師間重復(fù)測(cè)量一致性區(qū)間小，重復(fù)性好。結(jié)論：不同層面選擇對(duì)直腸癌ADC值影響不大；而輪廓法測(cè)得ADC值大于中心法。腫瘤全層-腫瘤輪廓法及中心法測(cè)得ADC值一致性均較高。但腫瘤全層-中心法重復(fù)性稍好且操作簡便；而腫瘤全層-輪廓法重復(fù)性較中心法稍差，但能反映腫瘤整體情況。

直腸癌；擴(kuò)散加權(quán)成像；表觀擴(kuò)散系數(shù)；感興趣區(qū)

擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)是一種MR功能成像技術(shù)，可通過測(cè)量表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)反映活體組織中水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從細(xì)胞及分子水平了解病變內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，包括細(xì)胞密度、細(xì)胞膜完整性及壞死等［1-5］。許多研究不僅證實(shí)ADC值與直腸癌分化程度、腫瘤細(xì)胞增殖及活性密切相關(guān)［6-10］，而且對(duì)于評(píng)價(jià)直腸癌惡性程度、監(jiān)測(cè)療效也具有重要的臨床意義［11-13］。DWI定量參數(shù)的可重復(fù)性是臨床關(guān)注的重點(diǎn)，既往研究結(jié)果顯示，掃描序列、b值及感興趣區(qū)(region of interest，ROI)的選擇等因素對(duì)ADC值測(cè)量的重復(fù)性均有一定影響［14-16］，尤其是惡性腫瘤組織異質(zhì)性的特性，使得ROI的選擇成為影響ADC值的重要因素。為了確保ADC值結(jié)果可靠性高，即具有較高的可重復(fù)性，此次研究采用 3.0 T MR對(duì)直腸癌患者術(shù)前行DWI序列掃描，旨在探討不同層面及不同ROI的選取對(duì)ADC值一致性及重復(fù)性的影響。

1 資料和方法

1.1 一般資料

符合以下標(biāo)準(zhǔn)的患者納入研究。納入標(biāo)準(zhǔn)：① 2016年2月—2016年11月經(jīng)復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院病理證實(shí)為直腸腺癌的患者；② 患者均接受直腸MR檢查，包括DWI序列；③ 患者在直腸MR檢查前未接受過任何針對(duì)腫瘤的治療；④ 患者在接受直腸MR檢查后2周內(nèi)接受手術(shù)治療。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 腫瘤體積過小，在DWI及ADC圖像上腫瘤信號(hào)不明顯；② 圖像質(zhì)量不佳。此次共有80例患者納入研究，其中男性45例、女性35例；年齡30～83歲，中位年齡60歲。T1-4期分別有3、34、42及1例患者，T4期患者因腸梗阻直接行手術(shù)治療。

1.2 掃描方法

MR掃描前患者盡量排空內(nèi)容物，未經(jīng)藥物抑制腸道蠕動(dòng)，未使用腸道對(duì)比劑。SIEMENS(德國Healthcare公司，MAGNETOM Skyra)3.0 MR進(jìn)行掃描，使用相控陣表面線圈完成圖像采集，患者仰臥位，腳先進(jìn)。主要掃描序列包括常規(guī)T1WI、薄層T2WI序列以及DWI序列，以上均為軸位序列。主要掃描參數(shù)見表1。

表1 直腸MR主要序列參數(shù)Tab. 1 Main sequence parameters of rectal MR

1.3 圖像處理及分析

將掃描原始圖像傳至SIEMENS后處理工作站，由2名影像專業(yè)醫(yī)師(一名醫(yī)師從事直腸影像研究4年即醫(yī)師1，一名醫(yī)師從事直腸影像研究10年即醫(yī)師2)在不知病理結(jié)果的情況下，獨(dú)立應(yīng)用SIEMENS后處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理和測(cè)量分析。參照薄層T2WI圖像，選擇ADC圖腫瘤低信號(hào)區(qū)域進(jìn)行勾畫，ROI采用以下2種：

圖 1 ROI勾畫方式Fig. 1 ROI protocols

① 中心法：使用圓形ROI工具，并盡可能圈入腫瘤但避開病變內(nèi)壞死或囊變區(qū)；② 輪廓法：采用手動(dòng)勾畫模式，盡量沿著腫瘤的輪廓勾畫ROI，避開肉眼可辨的腸管內(nèi)氣體或液體(圖1)。放置兩種ROI的層面又分為3種［12-13］：腫瘤最大層面、腫瘤最大層面及其上下兩層即“三層面”、以及腫瘤全部層面，后兩種層面最終ADC為幾個(gè)層面測(cè)量的平均值。每名醫(yī)師間隔2周重復(fù)測(cè)量，每人前后各6組共12組數(shù)據(jù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

不同層面選取法所得ADC值(參與統(tǒng)計(jì)的ADC值為兩個(gè)醫(yī)師前后兩次所測(cè)ADC值的平均值)的比較使用ANOVA分析。醫(yī)師1、2使用相同的層面選取法但不同ROI勾畫法測(cè)量所得ADC值(參與統(tǒng)計(jì)的ADC值為兩個(gè)醫(yī)師前后兩次所測(cè)ADC值的平均值)的比較使用配對(duì)t檢驗(yàn)。兩名醫(yī)師及同一醫(yī)師前后兩次測(cè)量的ADC值一致性用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)評(píng)價(jià)，ICC為0.00～0.20為一致性差，0.21～0.40為一致性一般，0.41～0.60為一致性中等，0.61～0.80為一致性良好，0.81～1.00為一致性好。使用Bland-Altman方法評(píng)價(jià)測(cè)量值的可重復(fù)，計(jì)算差值的95%CI。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。使用MedCalc 11.5.0和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 不同層面測(cè)得腫瘤ADC值的比較

將三種層面測(cè)得ADC值兩兩比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05，表2)。

2.2 不同ROI測(cè)得腫瘤ADC值的比較

同一種層面情況下，ROI輪廓法測(cè)定的ADC值均大于腫瘤中心法的測(cè)量值，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05，表3)。

2.3 ADC值的一致性

兩名醫(yī)師使用不同層面及不同ROI勾畫法對(duì)直腸癌ADC值進(jìn)行測(cè)量，每名醫(yī)師間隔2周重復(fù)測(cè)量，每人前后各6組共12組數(shù)據(jù)。腫瘤全部層面的一致性均較其他兩種層面好，其中腫瘤中心法及輪廓法的組內(nèi)及組間一致性可達(dá)到0.931、0.803和0.913、0.822(表4)。

2.4 ADC值的重復(fù)性

醫(yī)師1前后兩次分別采用腫瘤中心法及腫瘤輪廓法測(cè)定ADC值，測(cè)得的ADC值95%一致性區(qū)間為 (-0.089 3～0.083 1)×10-3mm2/s(P：Mean=0，P＞0.05)，(-0.066 8～0.096 3)×10-3mm2/s (P＜0.05，表5)，Bland-Altman散點(diǎn)圖顯示腫瘤中心法較輪廓法在同一醫(yī)師前后兩次間測(cè)量的ADC值更集中，重復(fù)性好(圖2)。

醫(yī)師1與醫(yī)師2采用腫瘤中心法及腫瘤輪廓法測(cè)定ADC值，測(cè)得的ADC值95%一致性區(qū)間為(-0.127 5～0.141 6)×10-3mm2/s(P：Mean=0，P＞0.05)，(-0.112 0～0.150 2)×10-3mm2/s(P＜0.05)，Bland-Altman散點(diǎn)圖顯示腫瘤中心法較輪廓法在不同醫(yī)師間測(cè)量的ADC值更集中，重復(fù)性好(圖3)。

表 2 不同層面選取法測(cè)得腫瘤ADC值的比較Tab. 2 Comparison of three different slices for ADC values

表 2 不同層面選取法測(cè)得腫瘤ADC值的比較Tab. 2 Comparison of three different slices for ADC values

Item Center ROI (10-3 mm2/s) Outline ROI (10-3 mm2/s)Reader 1 Reader 2 Reader 1 Reader 2 One slice 0.684±0.116 0.666±0.118 0.704±0.100 0.694±0.113"Three slices" 0.688±0.112 0.678±0.103 0.706±0.101 0.694±0.116 Whole slices 0.686±0.113 0.678±0.102 0.708±0.102 0.695±0.116 POneslice vs PThreeslices 0.817 0.481 0.878 0.998 POneslice vs PWholeslices 0.908 0.510 0.785 0.973 PThreeslices vs PWholeslices 0.908 0.963 0.905 0.971

表 3 不同 ROI選取方法測(cè)得的腫瘤ADC值的比較Tab. 3 Comparison of center and outline ROI for ADC values

表 3 不同 ROI選取方法測(cè)得的腫瘤ADC值的比較Tab. 3 Comparison of center and outline ROI for ADC values

Slice protocol ROI Reader 1 (10-3 mm2/s) Reader 2 (10-3 mm2/s)One slice Center ROI 0.684±0.116 0.666±0.118 Outline ROI 0.704±0.100 0.694±0.113 P value 0.030 0.001"Three slices" Center ROI 0.688±0.112 0.678±0.103 Outline ROI 0.706±0.101 0.694±0.116 P value 0.040 0.006 Whole slices Center ROI 0.686±0.113 0.678±0.102 Outline ROI 0.708±0.102 0.695±0.116 P value 0.031 0.002

表 4 觀察者ADC值的一致性Tab. 4 Intraclass correlation coefficients between the repetitions of one reader, two readers about the ADC values

表 5 同一醫(yī)師前后兩次及兩名醫(yī)師對(duì)直腸癌患者采用腫瘤全層-中心法及輪廓法測(cè)得ADC值差值Tab. 5 Compare the difference values of ADC between whole slices-center ROI and the whole slices-outline ROI

圖 2 同一觀察者前后兩次測(cè)得ADC的重復(fù)性Fig. 2 Interobserver variability for fi rst and second measurements(the same reader) by the different ROI protocols

圖 3 兩名觀察者測(cè)得ADC的重復(fù)性Fig. 3 Interobserver variability for two readers’ measurement by the different ROI protocols

3 討 論

DWI在直腸癌定性和新輔助治療療效評(píng)估中有非常重要的價(jià)值，但仍存在一些焦點(diǎn)問題。如目前較多學(xué)者認(rèn)為，ADC對(duì)預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)直腸癌治療反應(yīng)有臨床意義，但各研究ADC值的診斷界值不同［17-18］，原因可能是ADC值的測(cè)定受外界因素干擾，如b值的選擇、醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)及ROI的畫法(大小、數(shù)目及位置等)等［14-16］。隨著DWI在臨床中角色越來越重要，因此ADC值的測(cè)量方法亟待組織多中心研究加以規(guī)范。為提高本團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果可信度，也為了使研究結(jié)果在各研究平臺(tái)和研究團(tuán)隊(duì)之間進(jìn)行比較，本研究重點(diǎn)評(píng)價(jià)直腸癌術(shù)前ADC值測(cè)量一致性及可重復(fù)性，盡量將測(cè)量方式標(biāo)準(zhǔn)化以減少其對(duì)研究結(jié)果的影響。

直腸癌ADC值測(cè)量層面的選擇，大部分研究中使用以下幾種：腫瘤最大層面、腫瘤最大層面及其相鄰的上下兩層(小于等于3層)及腫瘤全層。ROI的勾畫方式多為：固定ROI大小法即選取相同面積大小的圓形ROI，避開病變內(nèi)壞死或囊變區(qū)域；腫瘤中心法：使用圓形ROI工具，腫瘤實(shí)性部分盡可能圈入而避開病變內(nèi)壞死或囊變區(qū)；腫瘤輪廓法即采用手動(dòng)勾畫模式，盡可能沿著腫瘤的輪廓勾畫ROI。此次研究中，筆者使用了以上3種層面選擇方式?？紤]到固定ROI大小法難以推廣，原因在于放置多少個(gè)像素的類圓形ROI比較合理及對(duì)于小于此ROI大小的直腸腫瘤如何處理不確定。結(jié)合臨床可操作性，因此本研究中ROI勾畫方式使用了腫瘤中心法及腫瘤輪廓法，該方法操作靈活且ROI大小視腫瘤本身情況而定。

本研究結(jié)果顯示層面選擇不同，測(cè)所得的ADC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，提示層面選擇對(duì)ADC值影響較小，Lambregts等［14］研究結(jié)果顯示，全腫瘤容積測(cè)量與單層面測(cè)量的ADC值間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，也支持本次研究結(jié)果。兩名醫(yī)師采用輪廓法所得ADC值均高于中心法。分析原因在于：中心法ROI內(nèi)腫瘤病灶更偏實(shí)性，囊變壞死區(qū)少，病灶單位體積內(nèi)腫瘤細(xì)胞更多，ADC值較低［19-20］；輪廓法則將所選擇層面的所有腫瘤信號(hào)都圈入在內(nèi)，更能反映影像尚不足以顯示出來的細(xì)小灶性壞死等改變，當(dāng)然腫瘤邊緣區(qū)域的部分容積效應(yīng)影響也會(huì)使輪廓法測(cè)得的ADC值偏高。

此外本研究結(jié)果顯示，使用腫瘤全部層面-腫瘤中心法及輪廓法，對(duì)于同一觀察者不同時(shí)間所測(cè)結(jié)果及不同觀察者所測(cè)的ADC值間一致性好(ICC大于0.8)，與Lambregts等［14］報(bào)道相似，該研究也認(rèn)為全腫瘤容積測(cè)量ADC值一致性好。相比較單個(gè)層面和三個(gè)層面的選擇會(huì)產(chǎn)生選擇性偏倚不同，腫瘤全部層面的勾畫會(huì)使層面選擇的偏倚降低，因此會(huì)有較好的一致性。Bland-Altman散點(diǎn)圖顯示，同一醫(yī)師前后兩次及不同醫(yī)師間腫瘤中心法測(cè)量ADC值的重復(fù)性均高于輪廓法，且腫瘤中心法操作簡單節(jié)省時(shí)間，因此該方法最容易在臨床上推廣使用。腫瘤輪廓法盡可能的沿著腫瘤輪廓進(jìn)行ROI的勾畫，最能反映腫瘤整體信息，但重復(fù)性較中心法稍差；并且工作量大、耗時(shí)長。考慮到臨床工作實(shí)際情況且綜合以上分析結(jié)果，筆者推薦使用腫瘤全層-中心法ROI測(cè)量直腸癌患者ADC值。

本研究有一定局限性：① 僅考慮到層面選擇及ROI勾畫對(duì)ADC值一致性及重復(fù)性的影響，未涉及其他因素的影響；② 對(duì)手術(shù)患者勾畫ROI，未對(duì)新輔助治療的直腸癌患者勾畫測(cè)量；③ 患者樣本量不足夠大，未能聯(lián)合多家單位進(jìn)行多中心研究；④ 腫瘤體積較小即僅顯示1～2個(gè)層面，此時(shí)“三層面”及“全部層面”可能為一層或兩層。

綜上所示，不同層面所得直腸癌ADC值無明顯差異，中心法測(cè)得ADC值低于輪廓法。而腫瘤全層-腫瘤輪廓法及中心法測(cè)得ADC值一致性高。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，腫瘤中心法重復(fù)性較輪廓法稍好并且操作簡便；腫瘤輪廓法最能反映腫瘤整體情況但繁瑣耗時(shí)，筆者推薦使用前者。在臨床操作過程中各位醫(yī)師可根據(jù)研究需要及工作情況靈活選擇。

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ADC value of rectal cancer at DWI: effect of slice protocol and region of interest on measurement consistency of parameters

SUN Yiqun1,2, GU Yajia1,TONG Tong1, XIN Chao1, PENG Weijun1(1.Department of Diagnostic Radiology, Fudan University Shanghai Cancer Center; Department of Oncology,Shanghai Medical College, Fudan University, Shanghai 200032, China; 2.Shanghai Institute of Medical Imaging, Shanghai 200032, China)

GU Yajia E-mail: cjr.guyajia@vip.163.com

Background and purpose:The apparent diffusion coefficient (ADC) values are the quantitative parameters of diffusion weighted imaging (DWI) which are influenced by many factors, such as b values and region of interest (ROI), and have become the concerns of research. Our study aimed to determine the measurement consistency of ADC in rectal cancer based on different ROIs.Methods:Eighty patients with histologically proven rectal cancer were examined using echo-planar DW MRI values (b value=800 s/mm2). ADC values were measured on ADC map.Mean tumor ADCs were measured according to three distinct slice protocols: ‘whole-slices’,‘single-slice of largest tumor’ and ‘tumor parts of largest independent tumor-containing slices and two adjacent slices’. The freehand ROI was drawn along the border of the high signal of the tumor on the b=800 images to cover the entire tumor area of each slice. Another ROI was drawn using circle tool to cover the entire tumor solid parts as large as possible. After 2 weeks of repeating the measurement between the two physicians. Differences in ADC values were measured using one-way ANOVA. The two protocols were compared for differences in ADC values using paired t-test. We calculated intra- and inter-observer variability using intraclass correlation coefficient (ICC) and Bland-Altman plot.Results:No signi fi cant difference was observed by ROIs for three distinct slice protocols (P＞0.05). The ADC values obtained by ROIs for the outlined were higher than the ADC values obtained by ROIs for the center analysis (P＜0.05). Intraand inter-observer ICC were 0.931, 0.803; 0.913, 0.822 by whole-slices-center and outline ROI respectively. The intraobserver 95% limits of consistency of ADC values were (-0.089 3 to 0.083 1)×10-3mm2/ s (P: Mean=0, P＞0.05), (-0.066 8 to 0.096 3)×10-3mm2/s (P＜0.05) with center and outline ROI, respectively. The inter-observer 95% limits of consistency of perfusion parameters were (-0.127 5 to 0.141 6)×10-3mm2/s (P＞0.05), (-0.112 0 to 0.150 2)×10-3mm2/s (P＜0.05) with center and outline ROI, respectively. Bland-Altman plot showed that whole-slices-center ROI could provide more reproducible and stable results.Conclusion:There was no statistically significant difference among three distinct slice protocols analysis of ADC values in rectal cancer. ADC values by whole-slices-center ROI protocol appropriately improved intra- and inter-observer consistency and could provide more reproducible and stable results with less time. ADC values by whole-slices-outlined ROI protocol appropriately indicated the overall situation, but needed more time.

Rectal cancer; Diffusion weighted imaging; Apparent diffusion coefficient; Region of interest

10.19401/j.cnki.1007-3639.2017.10.007

R735.3+7

A

1007-3639(2017)10-0801-08

國家自然科學(xué)基金(81501437)。

顧雅佳 E-mail：cjr.guyajia@vip.163.com

2017-05-12

2017-08-18)