3T磁共振扩散成像非高斯模型早期预测胃肠道恶性肿瘤新辅助治疗疗效

Radiology modalities have significant value in the screening of sensitive patients with gastrointestinal tumors to neoadjuvant therapies, and achievement of personalized medicine. The project applicant studied the gastrointestinal tumors using MRI-DWI during previous research, and found there were correlations between pre-therapy and early changes of ADC values and tumor therapeutic responses. All of the three studies were published in the Journal of Radiology. However, further studies have shown that ADC values which based on Gaussian model may perform wrong judgments of the responses, because of the low soft tissue resolution caused by the heterogeneous tumor components. Our team have simulated the non-Gaussian FROC model which more approaches the real diffusion,using multi-high-b-value DWI on 3T scanners, and extracted the parameters of β and μ which reflect the organizational uniformity and diffusion distance respectively, through the derivation of the calculus.Our initial studies proved the parameters of β can better discriminate the tumor and normal tissue than ADC value.In this project, we plan to clarify the histopathological mechanism of the evolution of the FROC model parameters following the NACT of gastrointestinal tumors, and uncover the more stable parameters than ADC values in the early prediction of the response to NACT, through the interdisciplinary studies of radiology, pathology and mathematical disciplines. And finally, to provide more potentially functional parameters for the realization of personalized medicine.

影像学对筛选胃肠道肿瘤新辅助治疗敏感患者、实现个体化诊疗意义重大。本项目申请人前期利用磁共振DWI成像对胃肠道肿瘤进行研究，发现疗前ADC值和疗后早期ADC变化与肿瘤疗效存在相关性，三项研究结果均发表于Radiology杂志。然而，研究中同时发现，基于高斯模型推导的ADC值在肿瘤成分混杂时，由于组织辨识率不高而导致部分肿瘤出现疗效错判。对此，本项目团队利用3T磁共振多高b值DWI拟合出更加接近真实扩散特征的非高斯FROC模型，通过微积分推导提取出反映肿瘤组织均匀度和扩散距离的β、μ值，初步研究证实能较ADC值更好的区分肿瘤和正常组织。本项目拟在上述研究基础上，通过影像、病理和数理学科的交叉，阐明非高斯模型各参数值随胃肠道肿瘤新辅助治疗演变的病理组织学机制，挖掘较ADC值更稳定的早期预测胃肠道肿瘤新辅助治疗效果的模型参数，为肿瘤个体化诊疗的实现提供更有潜力的功能定量指标。

新辅助治疗可提高胃肠道肿瘤的治疗预后。影像学是疗效评价的主要手段，但存在体积测量一致性差、疗效转折点判断迟等不足而无法在临床得到有效应用。本项目优化胃肠道肿瘤磁共振多b 值扩散加权成像序列参数设置，构建反映肿瘤组织水分子扩散变化的高斯与非高斯模型，通过胃肠道三种常见肿瘤（胃癌86例，GIST89例, 直肠癌131例），实现对三类姑息治疗方式（胃癌-化疗，GIST-靶向治疗，直肠癌-放疗）疗效的影像学早期预测和评估。在胃癌新辅助化疗评效研究中，以疗后早期ADC值变化预测三年长期生存率，ADC值升高>15%预测长期生存，阳性预期值为83.3%；取ADC值升高率<10%预测预后不良，ADC值的阳性预期值为70.0%。胃癌FROC模型初步研究发现，联合D, β 和 μ判断Lauren分型的准确率达到86%，敏感性88%，特异性83%。DWI早期预测GIST一线靶向治疗疗效效能的研究中，以疗后两周ADC值变化率预测中期疗效，疗后2周%ΔADC值预测治疗有效的曲线下面积0.877，以%ΔADC值≥ 22%为截割点预测治疗有效，敏感性0.862，特异性0.800。联合DWI FROC模型β值和疗后早期Δ%D预测GIST二线靶向治疗疗效显示，疗后两周Δ%D值预测疗效的效能优于Δ%LD (AUC=0.725 vs. 0.580)，且联合疗前β值及疗后两周Δ%D值后预测效能进一步提高(AUC=0.843)。探索DWI多模型参数（高斯模型ADC值，IVIM模型及Stretched模型）预测直肠癌放疗后pCR的效能，疗后术前α值的绝对值及变化率区分判断pCR的准确率分别约87.8%和88.8%，明显高于其他参数，且变异系数CV值最低。本项目还分别通过3T和7T磁共振动物实验验证了胃肠道肿瘤新辅助治疗后DWI参数演变与病理组织学变化的相关性，发现FROC模型β值的下降率明显高于D值（17.5% vs. 2%），反映组织均匀度的β值较反映水分子扩散速度的D值更敏感预测出胃癌皮下移植瘤对化疗的反应性，为DWI量化参数的变化提供了病理组织学机制解释。本项目研究涵盖了基础探索和临床应用，明确了磁共振DWI功能成像在胃肠道肿瘤疗效预测和评价的应用价值并通过动物实验明确了相关机制，进一步发掘了该技术在肿瘤评效的应用潜力，为肿瘤个体化治疗的实现提供了重要参考依据。