MR彌散加權成像對無精子癥患者睪丸無創性診斷的價值

張進華, 蔡威

(華中科技大學 同濟醫學院 附屬同濟醫院 放射科,湖北 武漢 430030)

不孕不育癥影響著全球約7 000萬人,世界衛生組織估計,全世界約9%的夫婦都遭受不孕癥的困擾,而男性因素占據了不孕不育夫婦50%的比例。無精子癥在男性不育患者中占比約5%～10%,是男性不育患者最嚴重的臨床表現[1-2]。

無精子癥定義為射精后精液中沒有精子,經2次以上精液高倍離心后鏡檢沉渣均沒有發現精子,同時需排除逆行射精和不射精的狀況。臨床上將無精子癥分為兩大類:梗阻性無精癥(obstructive azoospermia, OA)和非梗阻性無精癥(nonobstructive azoospermia, NOA)。OA是由于精子排出通道出現了阻塞,包括睪丸內、附睪、輸精管、射精管等部位出現了梗阻。NOA主要是患者存在睪丸生精功能障礙,不產生/只產生極少量精子。由于兩種類型無精癥患者病因不同,治療方式也完全不同。OA患者主要是通過手術恢復輸精管道的通暢性來治療,少部分患者通過睪丸/附睪穿刺抽吸獲得精子,而NOA患者主要通過顯微切割睪丸提取精子(microdissection testicular sperm extraction, mTESE)手段來尋找睪丸中可能殘存的少量精子。因此,術前對無精子癥患者類型進行鑒別診斷對指導手術方式十分重要。

無精子癥的類型鑒別診斷是一個復雜的過程,需要結合患者病史和臨床體格檢查,及精漿生化、性激素及遺傳學檢查等實驗室指標,同時需要借助影像學檢查發現可能存在的梗阻部位。對于少數難以做出鑒別診斷的無精癥患者,還需要睪丸穿刺活檢進行明確診斷[3]。尋找一個高效且無創性的無精癥的鑒別診斷方法,是目前臨床研究的熱點。

磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)作為一種無創性的檢查方式,是輔助性腺及其導管成像的首選方法,相較于超聲檢查,MRI具有更優越的軟組織對比度和多平面顯示能力,且有更好的可重復性,能很好地對梗阻部位進行定位和定性診斷[4]。最近已有應用多模型MRI彌散加權成像對無精癥進行鑒別診斷的研究,并且具有很高的診斷準確性[5]。但是此類研究需要復雜的圖像后處理及參數擬合的過程,要耗費大量的時間,因此,其臨床應用存在局限性。本研究旨在通過對磁共振彌散加權成像(diffusion-weighted imaging, DWI)的擴散敏感因子(b值)的探究,尋找診斷準確性更高的手段來對無精癥患者做出鑒別診斷。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

在2017年9月至2023年3月期間,前瞻性地收集了146例無精子癥患者,年齡22～40歲,平均年齡30歲。納入標準:①因不育癥至我院就診的患者;②依據兩次獨立的精液離心沉淀樣本確診為無精子癥;③臨床確診為梗阻性/非梗阻性無精癥患者[6]。排除標準:①射精后尿液分析診斷為逆行射精的患者;②存在睪丸結節等實質性病灶;③年齡大于40歲的患者[7];④Y染色體AZFa或AZFb區缺失的患者[8];⑤未經治療的特發性促性腺功能減退癥患者[9]。本研究獲到了華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院倫理委員會的批準(審批號:TJ-IRB20230782),每位患者均簽署了知情同意書。

1.2 MRI檢查方案

所有患者均采用3T MRI (MAGNETOM Skyra; Siemens Healthcare, Erlangen, Germany)進行掃描,使用18通道體線圈、32通道脊柱線圈進行陰囊部MRI檢查。

掃描的序列和參數如下:軸位DWI序列采用單次激發平面回波成像脈沖序列(single shot echo planar imaging, SS-EPI),掃描參數為:TR / TE 5 300/78 ms,層厚3 mm,層間距0 mm,FOV 220×176 mm2,矩陣 90×90,b值(激勵次數):0(1),50(2),100(3),500(3),1 000(5),1 500(5),2 000(7),2 500(7)和3 000(7),一共采集9個b值,采集時間是7 min 9 s。

1.3 數據處理

睪丸的感興趣區域(regions of interest, ROI)由1位有9年腹部MRI診斷經驗的放射科醫生于3T MRI勾選自動生成的ADC參數圖中進行勾畫。ROI在ITK-SNAP軟件里沿睪丸每一層的睪丸外邊界內手動勾畫出來(圖1),然后保存并復制到相應b值的彌散加權圖上來獲取每個b值圖像ROI的均值。同時每兩個b值之間生成的ADC參數值 (ADC50-0,ADC100-0,ADC500-0,ADC1 000-0,ADC1 500-0,ADC2 000-0,ADC2 500-0,ADC3 000-0) 由以下公式進行計算:

ADC=ln(S1/S2)/(b2-b1)

A:沿睪丸其中一層外邊界內手動勾畫ROI。B:保存為nii.gz格式的ROI,需要復制到對應層面不同b值的彌散加權圖上。A:The ROI is manually delineated along the outer boundary of one layer of the testis. B:ROI is saved as NII. GZ format and needs to be copied to the corresponding level of different b values of the diffusion-weighted graph.圖1 29歲OA患者MRI自動生成的ADC參數圖Figure 1 A 29-year-old patient with obstructive azoospermia has an auto-generated ADC map on MRI

其中b1和b2代表擴散敏感因子數值,其中b1為低值,b2為高值,如ADC50-0中b1為0,b2為50;S1和S2是對應b值時的同一勾畫部位的組織信號強度。

1.4 統計學分析

不同b值的ADC值符合正態分布的以平均值±標準差表示;不符合正態分布的參數值以中位數(四分位數間距)表示。采用Kolmogorov-Smirnov檢驗評估各參數分布的正態性;當兩組患者睪丸相應參數值符合正態分布時,采用獨立樣本t檢驗,比較兩組患者不同b值的ADC值差異。對不服從正態分布的參數值,采用Mann-WhitneyU檢驗。采用受試者操作特性(receiver operating characteristic, ROC)分析,來計算區分兩組患者的不同參數的臨界值。計算曲線下面積(area under the curve, AUC)評價不同b值的診斷效能。另外,用DeLong檢驗來評價不同b值對應ADC參數間ROC曲線的差異。

采用SPSS軟件26.0版(SPSS Inc,Chicago,IL)和MedCalc軟件15.8版進行統計分析,P<0.05認為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組患者臨床特征

本研究中61例為OA患者,年齡22～37歲,平均30歲;85例為NOA患者,年齡24～40歲;平均30.2歲。61例OA患者臨床特征如下:睪丸梗阻患者1例;附睪梗阻患者35例;輸精管梗阻患者17例;射精管梗阻患者5例;一側附睪梗阻,另一側輸精管梗阻患者1例;一側附睪梗阻,另一側射精管梗阻患者2例。85例NOA患者臨床特征如下:特發性NOA患者46例;Y染色體AZFc區缺失的NOA患者7例;染色體為47XXY的NOA患者16例;腮腺炎/睪丸炎病史的NOA患者13例;青春期隱睪下降固定病史的NOA患者2例;前縱隔精原細胞瘤經放化療治療的NOA患者1例。

2.2 兩組患者睪丸ADC值的比較

分別比較OA組122個睪丸與NOA組170個睪丸。首先對數據進行正態性檢驗,ADC50-0,ADC500-0,ADC1 000-0,ADC1 500-0,ADC2 000-0,ADC2 500-0,ADC3 000-0均不符合正態分布。ADC50-0,ADC100-0,ADC500-0,ADC1000-0,ADC1 500-0,ADC2 000-0,ADC2 500-0,ADC3 000-0的ADC值之間差異均有顯著統計學意義,且OA組的ADC值顯著低于NOA組(P<0.001),見表1。OA和NOA患者睪丸ADC參數圖的代表見圖2和圖3示例。

A-H:分別為ADC50-0、ADC100-0、ADC500-0、ADC1 000-0、ADC1 500-0、ADC2 000-0、ADC2 500-0和ADC3 000-0利用色彩條狀圖顯示的參數值。所有背景ADC圖為b = 0的ADC圖。ADC單位為10-6 mm2/s。A-H: Show the parameter values corresponding to ADC50-0, ADC100-0, ADC500-0, ADC1 000-0, ADC1 500-0, ADC2 000-0, ADC2 500-0 and ADC3 000-0 utilizing color bar, respectively. All background ADC maps are the ADC maps with b = 0. ADC units are 10-6 mm2/s.圖2 29歲OA患者睪丸ADC參數圖Figure 2 Testicular ADC parameter maps in a 29-year-old OA patient

A-H:分別為ADC50-0、ADC100-0、ADC500-0、ADC1 000-0、ADC1 500-0、ADC2 000-0、ADC2 500-0和ADC3 000-0利用色彩條狀圖顯示的參數值。所有背景ADC圖為b = 0的ADC圖。ADC單位為10-6 mm2/s。A-H: Show the parameter values corresponding to ADC50-0, ADC100-0, ADC500-0, ADC1 000-0, ADC1 500-0, ADC2 000-0, ADC2 500-0 and ADC3 000-0 utilizing color bar, respectively. All background ADC maps are the ADC maps with b = 0. ADC units are 10-6 mm2/s.圖3 34歲NOA患者睪丸ADC參數圖Figure 3 Testicular ADC parameter maps in a 34-year-old NOA patient

表1 OA組與NOA組在不同b值圖像中ADC值的分析結果Table 1 Results of the analysis of ADC values in different b-value images between OA and NOA groups M(P25,P75)

2.3 兩組患者ROC分析

在不同b值圖像ADC值的ROC分析結果見表2。

表2 不同b值DWI圖像的ADC值的ROC分析結果Table 2 ROC analysis of ADC values of DWI images with different b values

2.4 不同b值DWI圖像的ADC值的ROC曲線差異

ADC3 000-0具有最高的診斷準確性,AUC為0.973,同時ADC3 000-0的AUC值顯著高于ADC50-0(P<0.001)、ADC500-0(P<0.001)、ADC1 000-0(P<0.001)、ADC1 500-0(P<0.01)、ADC2 000-0(P<0.01)、ADC2 500-0的AUC值(P<0.05),見表3、圖4。

表3 ROC曲線下的成對樣本區域差異Table 3 Regional differences in paired samples under the ROC curve

圖4 不同b值DWI圖像ADC值的ROC分析Figure 4 The ROC analysis of ADC values of DWI images with different b values

3 討論

無精子癥是男性不育最嚴重的臨床表現,分為OA與NOA兩大類,兩者的治療方式截然不同。目前睪丸穿刺診斷仍然是判斷OA與NOA的金標準,但此為有創性的診斷方式,且存在一定的假陽性。研究一種無創性、高效能的無精癥診斷方法是臨床關注的熱點。既往的研究已經證實了功能性多參數核磁共振在無精癥診斷中的價值[5],但是這些參數的獲得需要復雜的圖像后處理技術,因此要耗費大量時間和人力物力。DWI作為一項常用功能性核磁共振技術,不同b值序列可以對病變做出定位和定性診斷,在掃描的同時勾選自動生成ADC參數圖,相較以往復雜的圖像后處理技術,可以節省大量的時間。本研究比較了OA和NOA患者在DWI不同b值下ADC值的差異以及各參數值的診斷準確性,以評估不同b值的臨床實用價值。DWI是MRI中的一個主要功能參數。DWI序列通過獲取由它們的b值描述的一組原生圖像來生成,每個b值表示該序列特有的擴散MR梯度的強度。通過將數據與描述水在組織中運動的模型進行擬合,建立了ADC參數圖。通過對ADC參數圖感興趣區域(regions of interest,ROI)的勾畫,可以得到相應的ADC參數值。ADC參數值是一個反應水分子擴散運動的參數,其與組織細胞密度和細胞外間隙相關[10-11]。DWI技術是泌尿生殖成像的一個重大進步,在女性骨盆病變和男性前列腺癌的臨床決策中發揮著核心作用,目前在腎臟成像、膀胱和睪丸病變的診斷中有著很好的應用前景。

睪丸主要是由高度盤旋的曲精小管構成的復雜網狀空間結構,周圍以致密的結締組織以及間質組織(間質細胞、血管以及淋巴管)填充[12]。睪丸中水的擴散受到了以上復雜結構,尤其是占睪丸絕大部分的曲精小管的影響。本研究發現在mTESE術中NOA患者的曲精小管幾乎都是纖細、透明的,與正常睪丸較粗、乳白色的曲精小管形成鮮明對比。在NOA患者mTESE術后曲精小管病理切片中,觀察到了曲精小管中各級生精細胞的減少或缺失。本研究的結果顯示,NOA患者ADC50-0、ADC100-0、ADC500-0、ADC1 000-0、ADC1 500-0、ADC2 000-0、ADC2 500-0和ADC3 000-0的ADC值均顯著高于OA組,可能與NOA患者曲精小管中各級生精細胞的減少或缺失所導致的細胞密度減低、細胞外間隙增加及水擴散運動受到的阻礙減少,從而使得ADC值較高有關。

b值1 000以上的擴散加權序列稱為高b值DWI序列,多項研究已證明其在前列腺癌的診斷中優于傳統低b值DWI序列[13-15]。最近研究發現,高b值的DKI序列的衍生參數值對無精癥的診斷準確性顯著高于b值為0～1 000的單指數的ADC值[5]。因此,推測使用更高的b值會對診斷性能產生積極影響,雖然會以更低的信噪比和圖像質量降低為代價。本研究的結果顯示,ADC3 000-0具有最高的診斷準確性,AUC為0.973,且ADC3 000-0的AUC值顯著高于ADC50-0、ADC500-0、ADC1 000-0、ADC1 500-0、ADC2 000-0和ADC2 500-0的AUC值,說明更高的b值在無精癥鑒別診斷中確實更有臨床價值。在臨床工作中,除常規T2WI序列掃描可以發現可能的梗阻部位外,增加b值為0,3 000的DWI序列掃描,還能得到相應的ADC參數圖并計算ADC參數值,以便對無精癥的類型進行高效能鑒別。

本研究不足之處在于樣本量較少,后續需要持續性跟進收集相關病例,并加強多中心合作;同時,有部分OA患者由于經體格檢查發現了附睪存在梗阻,未能完成性激素的檢查,后續會嚴格按照臨床研究方案,結合性激素等臨床指標,更全面地開展深入研究。

綜上所述,不同b值的DWI序列所產生的ADC值均能高效地對OA與NOA患者做出鑒別,其中ADC3 000-0具有顯著優于其他b值的ADC參數的診斷效能。b值為3 000的DWI序列,可以無創和高效地對無精癥患者進行術前類型鑒別,避免不必要的睪丸穿刺和減少繁瑣的診斷流程,為臨床無精癥的決策提供幫助。

作者貢獻聲明

張進華:評估影像,撰寫論文與修改論文;蔡威:提出研究思路、設計實驗、臨床數據收集、患者掃描、圖像后處理、統計分析、論文撰寫與修改論文。

利益沖突聲明

本研究未受到企業、公司等第三方資助,不存在潛在利益沖突。