磁敏感加權成像及體素內不相干運動成像在腦膠質瘤術前分級中的應用研究

杜常月，苗 娜，齊旭紅，董衛敏，于 洋，溫智勇

國家電網公司北京電力醫院放射科，北京 100073

腦膠質瘤是常見的中樞神經系統腫瘤，按照世界衛生組織（World Health Organization，WHO）的標準，腦膠質瘤可分為4級，其中Ⅰ、Ⅱ級為低級別膠質瘤，Ⅲ、Ⅳ級為高級別膠質瘤［1］。因為臨床治療策略和愈后可能有很大的不同，所以術前評估腫瘤的級別有重要的臨床價值。

磁敏感加權成像（susceptibility weighted imaging，SWI）可以顯示微小靜脈和微出血，通過半定量評估腫瘤內磁敏感信號強度（intratumoral susceptibility signal intensity，ITSS）［2］，評價腫瘤血管的發生及出血情況，對膠質瘤分級有重要的臨床意義。擴散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）可以反映腫瘤內水分子的擴散運動，在Le Bihan等［3-4］提出的體素內不相干運動（intravoxel incoherent motion，IVIM）理論中，水分子的微觀運動包括毛細血管灌注和單純水分子的擴散。這種雙指數模型描述擴散運動，要比單指數模型更接近真實情況，從而為臨床術前評估腫瘤的情況提供有力依據。目前IVIM在中樞系統、乳腺、腹部、骨髓及骨關節等方面均有應用［5-9］。

目前，單獨應用SWI或IVIM對腦膠質瘤進行術前分級在國內外已有一些研究，但是對比及聯合兩者的研究報道不多。本研究通過在3.0T磁共振（magnetic resonance，MR）掃描儀上應用這兩種技術，探討其在膠質瘤術前分級中的臨床價值。

1 資料和方法

1.1 資料

本研究為前瞻性研究。選取2016年5月—2018年2月于國家電網公司北京電力醫院就診，并經術后病理學檢查證實的膠質瘤患者104例。其中男性57例，女性47例，年齡12～71歲，中位年齡約47.3歲。低級別膠質瘤患者（Ⅱ級）33例，高級別（Ⅲ級和Ⅳ級）71例，均于術前完成了頭顱MR平掃、SWI及IVIM序列的掃描，并進行了增強掃描，所得圖像較清晰。

納入標準：① 能夠配合完成常規MR平掃、增強掃描、SWI及IVIM成像；② 檢查前未行任何放化療措施和手術；③ 膠質瘤完全實性或實性為主（腫瘤實性成分≥2/3）；④ 簽署知情同意書。

排除標準：① 腫瘤為完全囊性；② 嬰兒、孕婦、急診患者、患有精神及認知疾病的患者等。

1.2 方法

采用GE Discovery 750W 3.0T MR掃描儀及24通道頭顱表面線圈?；颊呷⊙雠P位，頭先進。掃描序列：① 常規MR平掃，軸位T1WI［重復時間（repetition time，TR）為2 087.4 ms，回波時間（echo time，TE）為24.0 ms］、軸位T2WI（TR 5 281.0 ms，TE 104.0 ms）、軸位T2液體衰減反轉恢復序列（fluid-attenuated inversion recovery，FLAIR）（TR 9 000.0 ms，TE 95.0 ms），視野24 cm×24 cm，層厚5.0 mm，層間距1.5 mm。② IVIM成像，視野24 cm×24 cm，矩陣130×160，層厚5.0 mm，層間距1.5 mm，b值分別為0、25、50、75、100、150、200、400、600、800、1 000、1 500、2 000、3 000 s/mm2。③ SWI采用Ax T2加權血管成像（T2-star weighted angiography，SWAN）序列（TR 38.3 ms，TE 22.9 ms），翻轉角（flip angle，FA）為15°，視野24 cm×21.6 cm，矩陣352×288，層厚2.0 mm，無層間距，激勵次數（number of excitations，NEX）為0.69。④ T1WI序列的軸位、矢狀位及冠狀位增強掃描。

1.3 數據分析

將圖像載入GE ADW 4.6工作站，采用Reformat及Functool軟件進行后處理，分別計數和測量腫瘤實質區域的ITSS和IVIM參數值。

通過后處理獲得SWI的最小密度投影圖（minimum intensity projection，MinIP）和相位圖，結合軸位T1WI、T2WI及增強圖像，確定腫瘤實質區域。在SWI MinIP圖上對腫瘤實質區域范圍內可見的低信號線性或點狀易感病灶進行計數評分，其中微出血為類圓形直徑＜5 mm低信號灶，腫瘤范圍內連續出現的迂曲低信號為病理性血管。由于鈣化在校正的相位圖上表現為高信號，而微血管和微出血表現為低信號，故利用校正的相位圖可以剔除鈣化。通過Park等［2］提出的半定量分析方法，ITSS評分為以下幾個等級：0分為沒有ITSS；1分為1～5個點狀或細線性ITSS；2分為6～10個點狀或細線性ITSS；3分為11個或更多的點狀或細線性ITSS。

通過在軸位T1WI、T2WI及增強圖像上觀察病變的大小和范圍，分別在IVIM各參數［快速表觀擴散系數（fast apparent diffusion coefficient，fast ADC）、慢速表觀擴散系數（slow apparent diffusion coefficient，slow ADC）、灌注分數f值及單指數模型參數標準表觀擴散系數（standard apparent diffusion coefficient，standard ADC）］的偽彩圖上于病變實質區取3個感興趣區（region of interest，ROI）進行測量，盡量選擇實質區強化最顯著的區域，保證大小一致，若遇到出血、壞死及囊變等區域時應避開。然后取這3個ROI的平均值。當腫瘤無明顯強化時，與T2WI及T2 FLAIR圖像對照，選取病變范圍最大層面實質區測量。為避免誤差，ROI的大小控制在30～60 mm2。

SWI及IVIM的區域范圍均限定在腫瘤實質所在區域，所有數據均由3位醫師操作取最終平均值所得。當意見不一致時，通過討論得出結果。

1.4 統計學處理

應用SPSS 24.0軟件進行統計學分析，對ITSS評分值采用非參數Mann-Whitney U檢驗進行統計分析，對IVIM各參數采用兩獨立樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。利用受試者工作特征（receiver operator characteristic，ROC）曲線評估各參數對膠質瘤分級的診斷效能。

2 結 果

2.1 SWI及IVIM各參數

腦膠質瘤SWI和IVIM各參數圖像見圖1～2，高、低級別膠質瘤組ITSS評分值結果見表1。

圖1 男性，32歲，左側額葉少突膠質細胞瘤（WHO Ⅱ級）A：SWI MinIP圖，ITSS評分值為1；B：體素內微循環灌注系數（fast ADC）圖；C：體素內真性水分子擴散系數（slow ADC）圖；D：體素內灌注分數（f值）圖；E：體素內標準的ADC（standard ADC）圖

圖2 男性，65歲，右側顳葉膠質母細胞瘤（WHO Ⅳ級）A：SWI MinIP圖，ITSS評分值為3；B：體素內微循環灌注系數（fast ADC）圖；C：體素內真性水分子擴散系數（slow ADC）圖；D：體素內灌注分數（f值）圖；E：體素內標準的ADC（standard ADC）圖

表1 高、低級別腦膠質瘤組ITSS評分結果（n）

統計學分析結果表明，高級別膠質瘤組的ITSS值高于低級別膠質瘤組，差異有統計學意義（P＜0.01）。高級別腦膠質瘤組的fast ADC、slow ADC、standard ADC及f值分別為（31.2±12.1）×10-3、（0.46±0.22）×10-3、（0.92±0.22）×10-3mm2/s和0.48±0.13，而低級別腦膠質瘤組的fast ADC、slow ADC、standard ADC及f值分別為（14.0±6.9）×10-3、（0.88±0.24）×10-3、（1.08±0.25）×10-3mm2/s和0.29±0.13。其中高級別腦膠質瘤組的fast ADC值及f值均高于低級別腦膠質瘤組，差異有統計學意義（P＜0.05）；高級別膠質瘤組的slow ADC值、standard ADC值均低于低級別膠質瘤組，差異有統計學意義（P＜0.05）。

2.2 ROC曲線分析

在高、低級別膠質瘤組的分級中，SWI模型曲線下面積（area und curve，AUC）為0.86，綜合IVIM各參數的AUC為0.97，聯合兩種技術的AUC為0.98（圖3）。根據約登指數最大，得出SWI的靈敏度為78.9%，特異度為87.9%。IVIM所得各參數fast ADC、slow ADC、standard ADC及f值的AUC分別為0.901、0.900、0.682及0.867，根據約登指數最大確定各參數的最佳診斷界值、診斷靈敏度及特異度（表2）。聯合SWI及IVIM鑒別高低級別膠質瘤的靈敏度和特異度分別為100%及91.5%。

表2 擴散加權成像單指數模型、IVIM模型鑒別高低級別腦膠質瘤的診斷效能

圖3 SWI模型及IVIM模型對腦膠質瘤分級診斷ROC曲線圖

3 討 論

3.1 SWI對膠質瘤分級的評價

組織間的磁敏感差異是SWI的成像基礎，T2加權梯度回波序列是SWI的序列基礎。不同組織間的磁敏感差異在足夠長的TE下產生不同步的信號差異，經過后處理將幅值圖和相位圖融合，進而形成對比。靜脈內的脫氧血紅蛋白及出血代謝產物由于快速自旋失相位導致信號缺失，在SWI圖像上表現為顯著的低信號［10］。

病理性血管生成是腫瘤生長的基礎，惡性膠質瘤的迅速增長依賴于血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的高表達，伴有Ki-67增殖指數升高［11］，其中VEGF可刺激不成熟的腫瘤血管快速生成，所以侵襲性腫瘤常有不成熟的血管結構和多發微出血的情況。微小血管由于部分容積效應，在常規的掃描序列中很難顯示，而SWI可以敏感地顯示微小血管和微出血。

本研究結果顯示，高級別膠質瘤組的ITSS評分值顯著高于低級別腦膠質瘤組。此結果提示高級別膠質瘤內的新生血管更豐富、更容易出現出血情況。這與Xu等［12］的研究結果相似，即SWI可以幫助進行腦膠質瘤的分級。同時，本研究中大部分在SWI中發現的瘤內出血，在常規序列中不能被發現，這不僅說明SWI對微出血的顯示更加敏感，還提示膠質瘤的出血病灶多為微小出血。然而，與以往多數研究不同的是，本研究中低級別膠質瘤組中有22例瘤體內存在易感性病灶，其中2例ITSS評分值為3。通過觀察發現，這2例的瘤灶范圍比較大，分析原因可能是腫瘤范圍比較大而引起的血管生成相對豐富；或者是新生血管比較迂曲密集引起缺氧，導致脫氧血紅蛋白的產生；也可能是腫瘤血管發育不成熟易出血；或是與瘤內微小血管的病變有關。以往也有病理學研究表明，低級別膠質瘤中有12.5%可檢測到出血［13］。高級別膠質瘤組中大部分具有較高的ITSS值，但是有3例的ITSS評分值為0。分析原因可能是腫瘤內血管生成的速度及瘤細胞浸潤程度不夠顯著；或者是由于其他血管的血流代償導致缺氧情況的減少；也可能是微小血管的生成及微小出血超出了3.0T MRI的分辨率。由于目前尚未有顯示微小血管及微出血的其他成像手段，所以仍需深入探究瘤內血管的特征，來進一步解釋這種現象。

3.2 IVIM對膠質瘤分級的評價

常規DWI的ADC值采用單指數模型進行計算，由于受擴散和灌注的雙重影響，所以結果不準確。但是IVIM采用雙指數模型可以分離這兩種效應。IVIM的雙指數模型公式為Sb/S0=（1-f）exp（-bD）+fexp［-b（D*+D）］［3］，其中b為擴散敏感梯度因子，Sb、S0分別代表b取某個b值（b≠0）及b＝0時的信號強度。D為真性擴散系數（即slow ADC），反映純水分子擴散；D*為假性擴散系數（即fast ADC），反映灌注相關的擴散系數；f是灌注分數，反映微循環灌注形成的假性擴散在IVIM中所占的比例。當b＜200 s/mm2時，微循環灌注效應占顯著地位；b值越高，對水分子擴散運動越敏感。IVIM參數需要較大范圍的b值進行擬合計算，盡管b值越多，數據越準確，但受采集時間的限制，目前臨床應用中b值以10個左右為宜［14］，本研究采用14個b值（7個低b值、7個高b值）進行IVIM掃描。

本研究結果顯示，高級別膠質瘤組的fast ADC及f值均高于低級別腦膠質瘤組，而slow ADC值、standard ADC值均低于低級別腦膠質瘤組，差異均有統計學意義。這與Bisdas等［15］和Bai等［16］的研究結果部分類似，提示高級別膠質瘤的灌注比低級別更加豐富。其原因可能是高級別膠質瘤新生血管豐富且結構異常，血管內皮細胞發育不完善、血管通透性強，導致對比劑滲出增加。同時可能存在動靜脈交通，引起灌注短路。而且，高級別膠質瘤的病變細胞排列可能更加緊密，細胞外的空間體積相對減少，水分子運動受限更加顯著［17］。另外，本研究顯示standard ADC值的AUC（0.682）、靈敏度（66.7%）和特異度（63.4%）均為最小，而且各組standard ADC均高于slow ADC。這進一步證實單指數模型standard ADC值（包含了水分子的擴散和血液的微循環兩部分）較真實的水分子擴散ADC值偏高，DWI單指數模型的診斷效能低于雙指數模型IVIM。在IVIM模型中fast ADC值的AUC（0.901）和特異度（87.9%）最高，slow ADC值的靈敏度（90.9%）最高，兩者擁有更高的診斷效能。這為以后的臨床工作提供了重要的參考價值。

3.3 綜合探討兩種技術對腦膠質瘤分級的評價

本研究結果表明，SWI及IVIM對膠質瘤分級均有臨床意義，而且IVIM模型的AUC、靈敏度和特異度均高于SWI。聯合兩種技術能進一步反映腫瘤的侵襲性、血管生成情況，推測病理學類型，獲得更高的診斷效能。隨著IVIM及SWI影像質量和參數可重復性的提高，其科研及臨床應用前景也將會更加廣闊。