基于腫瘤全域的常規MRI參數直方圖分析對彌漫大B淋巴瘤與膠質母細胞瘤的鑒別

韓 亮，苗延巍，董俊伊，李曉欣，劉楊穎秋，田詩云，王微微，郭 妍，宋清偉，劉愛連

（1.大連醫科大學附屬第一醫院，遼寧 大連 116011；2.通用電氣藥業，遼寧 沈陽 110000）

顱內彌漫大B淋巴瘤（Large B cell lymphoma，LYM）和膠質母細胞瘤（Glioblastoma，GBM）兩種惡性腫瘤嚴重威脅著人類的健康，兩者在治療方案上具有明顯不同，LYM主要以放療和化療為主，而GBM則以手術切除為主，術后輔以放化療，因此為避免不必要的損失與傷害，術前做出準確的影像學診斷對病人臨床治療及改善預后有重要的價值。

一般而言，在MRI上，LYM與GBM表現典型時，依據病變發生部位、形態、信號、強化方式等影像學表現，可以較好的在術前區別二者。但是，當GBM表現不典型時，兩者的鑒別比較困難，僅僅基于影像的視覺分析難以達到滿意的結果。

直方圖分析是一種基于像素分布的圖像分析方法，屬于紋理分析的一種，通過多種參數反映圖像像素灰度值變化規律及其分布模式，如偏度、峰度等，通過提取出這些圖像特征的參數，從多方面反映腫瘤的異質性[1]，能夠分析獲得更多肉眼無法觀察的信息，從而更加敏感地反映機體組織的細微變化，獲得對臨床疾病診斷、治療有用的定量信息，其在腫瘤診斷及預后中有很大的優勢。Murayama等[2]研究表明MR動態磁敏感和動態對比增強直方圖分析鑒別LYM與GBM有一定價值。但是，目前基于常規MRI序列的直方圖分析鑒別這兩種病變的相關報道較少。 因此，本研究基于 MRI T1WI、T2WI、T1WI增強圖像，采用直方圖分析LYM與GBM，通過對兩種腫瘤紋理的分析來提高二者的鑒別。

1 材料與方法

1.1 研究對象

在大連醫科大學附屬第一醫院醫學影像存儲與傳輸系統（Picture archiving and communication systems，PACS）上選擇2010年1月—2017年3月進行術前MRI掃描，并經手術后病理證實的LYM及GBM患者共36例，術后組織學診斷依據WHO 2007版標準。LYM 16例，其中男9例，女7例，年齡41～83 歲，平均（57.9±10.1）歲。 GBM 20 例，其中男 10例，女 10 例，年齡 30～81 歲，平均（57.8±11.8）歲。

1.2 數據采集

本研究采用美國GE Signa HDxt 1.5T MRI掃描儀，患者取仰臥位，采用標準頭線圈。掃描序列如下：快速自旋回波序列（FSE）T1WI軸位、快速自旋回波序列 （FSE）T2WI軸位、T2液體衰減反轉恢復序列（T2FLAIR），最后行T1WI增強掃描，依次采用三維結構像掃描（3D BRAVO）及FSE T1WI軸位，增強掃描采用釓噴替酸葡甲胺（Gd－DTPA），經肘靜脈注射，劑量為 0.1 mmol/kg 體質量，注射流速 3.0 mL/s。具體掃描參數見表1。

表1 MR掃描序列及參數

1.3 圖像處理

將 T1WI、T2WI、T1WI增強圖像的 DICOM 格式數據拷貝至個人電腦，導入Omni－Kinetics軟件得到相應的信號強度圖進行后處理。由兩名放射科醫師在不知道病理及分組的情況下分別在T1WI、T2WI、T1WI增強圖像的每層圖像上沿腫瘤的邊緣手動描繪感興趣區（Region of interest，ROI），包括全部腫瘤實質部分，不避開囊變、壞死、出血區域，保證3個信號圖像的ROI范圍一致（圖1）。將所有層面的ROI累加為一個3D ROI，軟件將分別自動計算出相應強度直方圖。記錄腫瘤全域的直方圖參數，包括最小值、最大值、平均值、標準偏差、方差、平均偏差、相對偏差、偏度、峰度、均勻性、能量值、熵值、第10百分位數、第25百分位數、第50百分位數、第75百分位數、第90百分位數。

圖1 圖1a為腫瘤T2WI原始圖，圖1b為利用Omni－Kinetics軟件在T2WI圖像上描繪出腫瘤的ROI，圖1c為在T2WI圖像上各層面疊加計算出的腫瘤的3D ROI圖像（紅色）。Figure1.Figure 1a is the originalT2WImap ofthe tumor.Figure 1b is a ROI of the tumor that uses Omni－Kinetics software to depict on a T2WI map.Figure 1c is the 3D ROI image of tumor(red area)that is calculated to superimpose at all levels in the T2WI map.

應用社會科學統計軟件包 （Statistics package for social science，SPSS）22.0 版進行數據分析。 測量者間的一致性評估采用組內相關系數 （Intra－class correlation coefficients，ICC）。當數據符合正態分布且方差齊性時，以“均數±標準差”表示，應用兩獨立樣本t檢驗，不符合正態分布者以“中位數±四分位間距”表示，采用Mann－Whitney U檢驗。對于有統計學意義的直方圖參數，利用受試者操作特性曲線（Receiver operating characteristic curve，ROC）來確定各直方圖參數對于鑒別診斷LYM與GBM的效能。選取3種信號中曲線下面積 （Area under the curve，AUC）最大的參數，應用Logistic回歸分析模型將這些參數融合為聯合變量（Joint variable，JV），并利用ROC曲線來確定對二者的診斷能力。所有統計學分析均以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 T1WI、T2WI、T1WI增強直方圖參數比較

LYM與GBM的病例及直方圖見圖2，3，二者T1WI增強、T1WI、T2WI直方圖參數比較結果見表2～4。

兩名測量者間LYM與GBM的各參數的ICC值均大于0.8。根據文獻，ICC值大于0.7具有可信性[3－4]。故兩名測量者間具有較好的一致性。與GBM相比，T1WI增強信號強度直方圖參數中LYM最小值（P=0.014）、均勻性（P=0.037）高于 GBM，LYM 峰度值（P=0.039）低于 GBM。LYM 偏度值為負值，GBM偏度值為正值，且具有顯著差異性（P=0.001）。T1WI信號強度直方圖參數中LYM標準偏差 （P=0.003）、方差（P=0.003）均低于 GBM，LYM 均勻性（P=0.007）高于 GBM（P=0.007）。 T2WI信號強度直方圖參數中的 LYM 標準偏差（P=0.042）、方差（P=0.042）均低于GBM，LYM 均勻性（P=0.007）高于GBM。LYM 3 種信號直方圖曲線體素均分布較集中，曲線形態較為高尖，而GBM 3種信號直方圖曲線體素均分布較為分散，曲線形態較為平緩。

表2 LYM與GBM T1WI增強信號直方圖參數

表3 LYM與GBM T1WI信號直方圖參數

2.2 直方圖參數的ROC曲線分析

利用ROC曲線診斷結果，T1WI增強信號中以偏度0.007 8為閾值時AUC最大，對二者診斷能力最佳 （AUC=0.819），敏感性及特異性分別為 65%、87.5%。 T1WI信號中以標準偏差 78.02、方差 6 087.64為閾值時鑒別LYM與GBM的AUC最大，診斷能力最佳 （AUC=0.787、0.787）， 敏感性及特異性分別為75%、81.2%。 T2WI信號中以標準偏差 452.68、方差204 937為閾值時鑒別二者的AUC最大，診斷能力最佳 （AUC=0.70、0.70）， 敏感性及特異性分別為55%、81.2%。應用Logistic回歸分析模型將AUC最大的3個參數 （T1WI增強偏度值、T1WI標準偏差、T2WI標準偏差）融合為JV。JV以0.55為閾值時鑒別二者的 AUC最大（AUC=0.881），敏感性及特異性分別為 80%、87.5%（圖4，表5）。

表4 LYM與GBM T2WI信號直方圖參數

3 討論

LYM和GBM在影像表現上各有特點，但部分GBM表現不典型，T2WI信號表現為較均勻的等或稍高信號，壞死囊變少或無，腫瘤實質信號較均勻，與LYM影像表現類似，容易造成誤診，此時應用一些新方法去鑒別二者是很有必要的。既往研究報道磁共振彌散加權成像、磁共振灌注成像、磁共振動態磁敏感對比增強成像對LYM與高級別GBM有一定的鑒別價值[2，5－7]，但掃描過程中存在運動偽影及磁敏感偽影，有一定的局限性[8－9]。而基于像素分布的直方圖分析是一種分析參數映射的新技術，通過計算整個組織內部信號值，并分別以MR信號值以及相同信號范圍內像素值為X軸和Y軸，可用來測量ROI的平均信號值、像素數及像素數信號變化范圍，提供定量的腫瘤異質性信息[10-11]。此外，以前的研究大多使用局部畫ROI的方法，將ROI放在腫瘤有代表性的部分，這樣會存在主觀傾向的抽樣偏差[12-13]。本研究的測量區域包括了腫瘤全域，不避開壞死囊變區、出血灶以及腫瘤內血管結構，這將提供更多的腫瘤異質性的信息，可以潛在地消除數據處理過程中的采樣偏倚[14-16]。

圖3 男，48歲，右側顳葉 GBM（WHO Ⅳ級）。 圖3a～3c：分別為T2WI、T1WI、T1WI增強圖像，病灶在T1WI上表現為稍低信號，在T2WI上為等高混雜信號，增強掃描病灶明顯強化，強化不均勻。圖3d～3f：分別為 T2WI、T1WI、T1WI增強信號的直方圖，直方圖體素對比LYM直方圖分布更為分散，T1WI直方圖標準差、方差分別為91.49、8 369.85。 T2WI直方圖標準差、方差分別為 597.25、356 706。T1WI增強直方圖數值主要分布在右側，體素分布分散，直方圖曲線相對LYM曲線表現平緩，偏度值及峰度值分別為1.04、3.61。Figure 3.A 48－year－old male with GBM in the right temporal lobe.Figure 3a～3c are T2WI,T1WI and enhanced T1WI images respectively.The lesion is of low signal intensity on T1WI,mixed equal and high signal intensity on T2WI.The lesion shows intense but inhomogeneous enhancement following contrast administration.Figure 3d～3f are histograms of T2WI,T1WI and enhanced T1WI imaging respectively.The voxel of the histogram of glioblastoma is distributed more disperse than the LYM histogram.The standard deviation and variance of T2WI signal are 597.25 and 356 706.The standard deviation and variance of T1WI signal are 91.49 and 8 369.85.The histogram of T1WI enhancement is distributed on the right,and voxel distribution is dispersed.The histogram curve of GBM is gentler than the LYM curve.The skewness and kurtosis are 1.04 and 3.61,respectively.

表5 T1WI、T2WI、T1WI增強信號強度直方圖參數對LYM與GBM鑒別診斷的效能

圖4 聯合變量－ROC曲線示JV值、T1WI增強信號直方圖偏度值、T1WI和 T2WI標準偏差 AUC 分別為 0.881、0.819、0.787、0.70。Figure 4.The joint variable－ROC curve shows that the AUC of JV value,skewness of contrasted T1WI signal histogram,standard deviation of T1WI and T2WI signal are 0.881,0.819,0.787,0.70,respectively.

目前應用直方圖鑒別LYM與GBM的研究較少，Kunimatsu等[17]探討了GBM與原發性中樞神經系統LYM之間基于T1WI增強磁共振圖像的紋理特征的差異，研究得出熵、中位數、灰度游程矩陣、非均勻性和運行率有助于鑒別診斷兩種腫瘤。Murayama等[2]利用基于動態磁化率對比與動態增強磁共振成像的直方圖分析鑒別LYM與高級別GBM，血管微環境的直方圖分析可用于中樞神經系統淋巴瘤（CNSL）和高級別GBM之間的定量鑒別分析。

本研究發現，基于常規T1WI增強的兩種腫瘤實質強化部分的峰度值和偏度值存在顯著差異。偏度和峰度是描述直方圖曲線分布的參數，可以較好的反應腫瘤的異質性[12，16，18]。偏度是指圖像直方分布的不對稱程度，負值說明左偏，分布不對稱趨向于較小值，更多的體素集中在低值區；而向右偏移表明分布不對稱趨向于較大值。負偏度絕對值越大，分布形態越偏離正態分布。本研究中，LYM偏度值偏向于負值，而GBM偏度值偏向于正值，LYM偏度的絕對值略大于GBM，筆者認為LYM的強化程度低于GBM的強化程度，所以LYM的體素值分布于低值區。峰度反映的是圖像灰度分布在接近均值時的大致狀態，用以判斷圖像的灰度分布是否非常集中于平均灰度附近，峰態越小，表示越集中，反之表示越分散。本研究中GBM峰度高于LYM，曲線體素分布分散，表明其灰度分布不均勻，而LYM峰態低，體素分布集中，灰度分布相對均勻，強化相對均勻。由于GBM的強化機制是腫瘤本身新生血管多，且腫瘤間質內的血管內皮細胞和血管平滑肌細胞明顯增生，血管灌注量增加，所以強化明顯，相對應其偏度值高，而且GBM生長速度快，內部容易發生囊變、壞死、出血等，增強掃描多不均勻，所以其峰度相對高。而LYM是乏血供腫瘤，腫瘤細胞的浸潤導致血管內皮受損，繼而破壞了血－腦脊液屏障，增強掃描時對比劑由血管內滲透到組織的細胞外間隙，導致病變組織明顯、均勻強化[19]，所以其偏度、峰度值相對低。偏度值與腫瘤的惡性程度和預后評估有一定的關聯性。Meyer等[20]做了利用常規MRI序列直方圖參數預測原發性CNSL的組織病理學特征的研究，結果發現T1WI直方圖參數中偏度值與Ki-67顯著相關，而Ki-67是一種用于臨床評價多種腫瘤增殖潛能的標志物[21]，關于LYM，Ki-67的表達與總生存率之間有很強的關聯性[22]，說明偏度值與腫瘤預后相關。GBM的最小值低于LYM，且存在顯著差異，這可能與GBM分化程度不一，強化程度不同，從低級別至高級別都有分布有關，所以強化最弱的區域弱于LYM。而T1WI增強信號中以偏度0.007 8為閾值時AUC最大，診斷能力最佳，其敏感性及特異性分別為65%、87.5%。

標準差、方差是用于評價數據離散程度的參數[23]。本研究中T1WI、T2WI信號的標準偏差與方差存在顯著差異，GBM的標準偏差、方差均高于LYM，隨著標準差的增大，大部分數據偏離平均值，表示病變不均勻。由于GBM的成分復雜、不均勻，而LYM細胞大小較一致、胞質和水分少、核大及染色質顆粒粗、網狀纖維結構豐富[24]，所以其內鈣化、出血及囊變十分少見，故實質部分較均勻，因此GBM標準差及方差高。均勻性反映的是腫瘤ROI內的異質性程度，數值越大，表明ROI內灰階強度值分布越均勻，或者說數值范圍越小，異質性程度越小，本研究結果表明T1WI、T2WI、T1WI增強3種信號強度的直方圖中LYM的均勻性均大于高級別GBM，說明LYM的灰階數值范圍小，而GBM的范圍相對大，GBM的異質性相對于LYM更明顯，提示瘤內存在更多的出血、囊變或壞死，這與LYM和GBM的病理以及生物學特性相符合。目前，孫振國等[25]用紋理分析鑒別原發性腦LYM與高級別GBM，其熵值、異質性參數結合常規MRI平掃和增強表現，對鑒別原發性腦LYM與高級別GBM具有一定的臨床應用價值。本研究為鑒別兩種腫瘤提供了更多的參數。利用聯合T1WI增強偏度值、T1WI標準偏差、T2WI標準偏差得到的JV，鑒別兩種腫瘤的ROC曲線的AUC均大于任何單一T1WI、T2WI、T1WI增強直方圖參數，診斷效能較好，AUC為0.881，敏感性及特異性分別為80%、87.5%，表明聯合應用3種信號的直方圖參數有更佳的診斷效能。

本研究存在一定的局限性，首先由于中樞神經系統LYM相對少見，本研究樣本量相對較少。第二，本研究沒有包括病灶的水腫區域，GBM不論級別均屬浸潤性生長的腫瘤，GBM細胞與白質纖維高度的親和性在腫瘤生物學行為上表現為腫瘤沿白質纖維的擴散[26]，故在瘤周水腫及水腫外區域組織結構的改變不僅是水腫，同時存在腫瘤細胞的浸潤[27]，雖然GBM屬浸潤性生長腫瘤，但以浸潤血管為主，對血腦屏障造成破壞為其主要改變，其對周圍白質纖維以推移改變為主，浸潤較少，周圍水腫為不同程度的血管源性水腫[28]，瘤周水腫可能對兩種腫瘤的鑒別有一定價值，以后可以進一步深入研究。第三，本研究屬于回顧性研究，術后組織學診斷依據2007年WHO標準，而2016年WHO已經發布了新的中樞神經系統分類簡述[29]，增加了分子學分型，在今后的研究中需要更多分子學特征來進行進一步研究。

基于腫瘤全域ROI T1WI、T2WI及T1WI增強信號強度直方圖可以為LYM與GBM之間的鑒別提供更多信息，T1WI增強信號中偏度、均勻性以及T1WI、T2WI信號中標準偏差、方差具有良好的診斷價值，聯合應用T1WI增強、T1WI、T2WI直方圖參數可提高對二者的鑒別診斷能力。