基于3D動脈自旋標記成像的紋理分析法在腦膠質瘤分級中的初步研究

鄧達標，毛家驥，汪文勝，沈君，成麗娜，李松濤，吳靜

世界衛生組織(World Health Organization，WHO)將膠質瘤分為Ⅰ～Ⅳ級，膠質瘤的準確分級對于制訂治療方案、監測治療效果及評估預后均至關重要。3D動脈自旋標記(3D arterial spin labeling，3D-ASL)是一種無創的功能磁共振成像技術，它無需引入外源性對比劑，能夠以自身血液作為內源性對比劑監測腫瘤血流灌注，間接反映腫瘤微血管生成。研究表明，3D-ASL的腦血流量(relative cerebral blood flow，CBF)平均值能夠為膠質瘤分級提供參考信息[1-3]。腫瘤異常灌注往往說明具有高度異質性，而常規3D-ASL的CBF值為特定標記時間測量的特定的平均值，所以單純CBF的平均值尚不能真正準確地反映腫瘤的灌注特征，腫瘤的灌注異質性與膠質瘤分級的關系仍有待闡明。紋理分析能夠從圖像中深度提取大量由低到高維度的、反映圖像異質性的紋理參數，其在多個腫瘤的分級中已展現出巨大應用價值[4-8]，但目前3D-ASL圖像紋理分析在膠質瘤分級中的應用仍鮮見報道。因此，本研究擬探討基于3D-ASL圖像的紋理分析在膠質瘤分級中的應用價值。

1 材料與方法

1.1 研究對象

自2016年1月至2018年6月，連續收集在我院行術前常規MRI檢查且行3D-ASL檢查，并經手術病理證實的107例膠質瘤患者，納入標準：(1)術后病理學診斷依據《WHO 2016版中樞神經系統腫瘤分類》；(2) MRI掃描前未行手術、穿刺活檢或放化療。26例被排除：(1) 3D-ASL原始數據不完整(3例)；(2) ASL信噪比低(3例)；(3)膠質瘤絕大部分囊變(3例)；(4)膠質瘤在ASL圖像上難以勾畫清楚病灶邊界17例(17例)。最終納入本研究患者共81例，男54例，女27例，年齡4～79歲，平均(38.69±18.70)歲，分為低級別膠質瘤組(Ⅰ～Ⅱ級)和高級別膠質瘤組(Ⅲ～Ⅳ)，其中低級別膠質瘤31例，年齡4～66歲，平均(35.61±17.41)歲，男16例，女15例。其中毛細胞星形細胞瘤(Ⅰ級) 4例，少突膠質細胞瘤(Ⅱ級) 6例，多形性黃色星形細胞瘤(Ⅱ級) 3例，肥胖型星形細胞瘤(Ⅱ級) 2例，彌漫型星形細胞瘤(Ⅱ級)16例。高級別膠質瘤50例，年齡4～79歲，平均(40.60±19.38)歲，男38例，女12例。其中間變性星形細胞瘤(Ⅲ級) 10例，間變性多形黃色星形細胞瘤(Ⅲ級) 1例，間變性少突膠質細胞瘤(Ⅲ級) 1例，膠質母細胞瘤(Ⅳ級)31例，彌漫中線膠質瘤(Ⅳ級) 6例，膠質肉瘤(Ⅳ級) 1例。

1.2 磁共振掃描方法

美國GE HDxt 3.0 T超導型磁共振成像設備，標準八通道相控陣頭部線圈。常規行T1WI、T2WI、T2 FLAIR、增強T1WI及3D ASL掃描。液體衰減反轉恢復序列(FLAIR序列)獲取T1 FLAIR及T2 FLAIR，FSE序列獲取T2WI。成像參數：T1WI：TR 1900 ms，TE 24 ms，TI 780 ms；T2WI：TR 4480 ms，TE 120 ms；T2 FLAIR：TR 9480 ms，TE 120 ms，TI 2300 ms；FOV 240 mm×240 mm，矩陣256×256，掃描層厚5.5 mm，間隔1.0 mm，激勵次數(NEX)1次。3D-ASL序列：TR 4599 ms，TE 9.8 ms，層厚4 mm，NEX 3次，FOV 240 mm×240 mm，矩陣512×512，延遲時間1525 ms。MRI增強掃描包括T1WI的橫軸面、矢狀面及冠狀面掃描。對比劑采用釓噴替酸葡甲胺(Gd-DTPA)，劑量：0.2 mL/kg體重。手動注射。

1.3 感興趣區畫取及圖像分割

將所有患者的ASL圖像利用GE ADW4.6后處理工作站進行處理，獲得CBF灰度圖，然后以DICOM格式導入Omni-Kinetics軟件(GE healthcare，Life-Science，China)進行感興趣區(region of interest) 畫取、圖像分割與紋理分析。

ROI選取：參照文獻[4，9-11]的方法，由1名熟悉神經影像的影像科醫師在不知道病理結果的情況下進行ROI畫取。參照T1WI、T2WI FLAIR及T1WI增強圖像，選擇ASL圖像上腫瘤實質及瘤周水腫的最大層面，分別勾畫出腫瘤實質ROI及瘤周水腫ROI，ROI不包括壞死、囊變、出血區域。在瘤周水腫研究，81例中有13例(6例低級別膠質瘤，7例高級別膠質瘤)因瘤周水腫輕微，難以在ASL圖像上勾畫出邊界而排除，最終納入68例(25例低級別膠質瘤，43例高級別膠質瘤)納入研究。圖像分割：ROI畫取完成后，由OK軟件進行自動圖像分割。

1.4 圖像紋理分析

采用Omni-Kinetics軟件對分割后的圖像進行一階直方圖紋理分析及二階灰度共生矩陣(Gray-Level Cooccurrence Matrix，GLCM)紋理分析，生成以下紋理參數。

(1)直方圖參數：包括最小值(min intensity)、最大值(max intensity)、中位值(median intensity)、均值(mean value)、標準差(standard deviation)、方差(variance)、體積數(volume count)、體素值和(voxel value sum)、值域(rang)、均方根(root mean square，RMS)、平均差(mean deviation)、相對偏差(relative deviation)、偏度(skewness)、峰度(kurtosis)、均勻性(uniformity)、能量(energy)、熵(entropy)、百分位數(quantiles)(5，10，25，50，75，90，95)。(2)灰度共生矩陣參數(gray-level co-occurrence matrix，GLCM)：總頻率(total frequency)、能量(GLCM energy)、熵(GLCM entropy)、慣性(inertia)、相關性(correlation)、逆差矩(inverse difference moment)、集群陰影(cluster shade)，集群顯著性(cluster prominence)。

圖1 男，21歲，左側額葉彌漫性星形細胞瘤(WHO Ⅱ級)。A：軸位T1WI增強示左側額葉腫瘤未見明顯強化；B：T2 FLAIR示腫瘤呈稍高至高信號，瘤周可見輕度水腫信號影；C：CBF圖示腫瘤呈稍高灌注；D、E分別為腫瘤實質及瘤周水腫的CBF直方圖，示圖像中心左偏。腫瘤實質CBF直方圖均勻度及能量分別為0.77，4.23×10-2，瘤周水腫CBF直方圖最小值為35Fig. 1 Male, 21 years old, left frontal lobe diffuse astrocytoma (WHO Ⅱ). A: Axial contrasted T1WI shows no signi ficant enhancement of the tumor. B: T2 FLAIR shows mild hyperintensity of the tumor and mild edema around the tumor. C: CBF shows slightly hyper-perfusion of the tumor. D and E: the tumor parenchyma and peritumoral edema of CBF histogram, shows the center of image shift to the left. The uniformity and energy of CBF histogram of tumor parenchyma are 0.77, 4.23×10-2,respectively, and the min-intensity of CBF histogram of peritumoral edema is 35.

表1 低級別膠質瘤組和高級別膠質瘤組患者腫瘤實質紋理特征參數的比較結果Tab. 1 Comparison of texture parameters of tumor parenchyma between low- and high-grade glioma group

圖2 男，64歲，左側額葉膠質母細胞瘤(WHO Ⅳ級)。A：軸位T1WI增強示左側額葉腫瘤呈環狀不均勻明顯強化；B：T2 FLAIR示腫瘤呈稍高信號，中央壞死區呈低信號，瘤周可見明顯水腫信號影；C：CBF圖示腫瘤呈高灌注；D：腫瘤實質的CBF直方圖，示圖像中心明顯右偏，均勻度及能量分別為0.67，1.07×10-2；E：為瘤周水腫的CBF直方圖，示圖像中心左偏，最小值為10Fig. 2 Male, 64 years old, left frontal lobe glioblastoma (WHO Ⅳ). A: Axial contrasted T1WI shows markedly circular heterogeneous enhancement. B: T2 FLAIR shows mild hyperintensity of the tumor and hypointensity in the central necrotic area, obvious edema around the tumor. C: CBF shows hyper-perfusion of the tumor.D: CBF histogram of tumor parenchyma, shows the center of image shift to the right obviously, uniformity and energy are 0.67,1.07×10-2, respectively. E: CBF histogram of peritumoral edema, shows the center of image shift to the left, the min-intensity is 10.

表2 低級別膠質瘤組和高級別膠質瘤組患者瘤周水腫紋理特征參數的比較結果Tab. 2 Comparison of texture parameters of peritumoral edema between low- and high-grade glioma group

圖3 腫瘤實質的ROC曲線，均勻性和能量曲線下面積分別為0.71、0.72，，均值曲線下面積為0.68，聯合均勻性及能量曲線下面積為0.73 圖4 瘤瘤周水腫的ROC曲線，最小值和均值的曲下面積分別為0.72、0.67Fig. 3 The ROC curve of tumor parenchyma. The AUC of uniformity and energy were 0.71 and 0.72, respectively.The AUC of mean value was 0.68. The AUC of the union of uniformity and energy was 0.73. Fig. 4 The ROC curve of peritumoral edema. The AUC of min intensity and mean value were 0.72 and 0.67, respectively.

表3 鑒別高、低級別膠質瘤的紋理參數的ROC曲線分析Tab. 3 Analysis of ROC of texture parameters for identifying high- and low-grade gliomas

1.5 統計學方法

采用SPSS 22.0軟件進行相關數據統計分析，運用Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗對數據進行正態性檢驗及Levene檢驗對數據進行方差齊性檢驗。正態分布數據用x±s表示，非正態分布數據用M(P25，P75)表示。采用獨立樣本t檢驗(滿足正態性和方差齊性檢驗的情況下)或Mann-Whitney U檢驗(不滿足正態性及方差齊性時)比較低級別與高級別膠質瘤ASL圖像的紋理參數。對于有統計學意義的紋理參數，通過MedCal軟件(version 18.2.1，Ostend，Belgium; http://www.medcalc.org)繪制受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線確定鑒別低級別膠質瘤和高級別膠質瘤的最佳臨界值，并計算各個參數的鑒別效能(敏感度、特異度、陽性預測值、陰性預測值)，與CBF均值對比。P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 腫瘤實質

低級別膠質瘤組和高級別膠質瘤組腫瘤實質的紋理參數差異有統計學意義的有21個(表1)。本研究中， 低級別膠質瘤CBF直方圖的圖像中心向左偏，而高級別膠質瘤則明顯向右偏，兩者均可見多個波峰(圖1，2)。

2.2 瘤周水腫

低級別膠質瘤組和高級別膠質瘤組瘤周水腫的紋理參數差異有統計學意義的有19個(表2)。本研究中， 低級別膠質瘤CBF直方圖的圖像中心向左偏，可見雙峰改變，而高級別膠質瘤向左偏較低級別膠質瘤明顯，可見一個波峰(圖1，2)。

2.3 紋理參數的診斷效能分析

利用ROC曲線分別分析腫瘤實質和瘤周水腫中得出的差異有意義的紋理參數，并把曲線下面積(area under curve，AUC)＞0.7的紋理參數與CBF均值作比較(表3；圖3，4)。

3 討論

本研究分別對膠質瘤的腫瘤實質和瘤周水腫進行術前3D-ASL圖像進行紋理分析，生成多種視覺不能獲得的高緯度圖像信息，評估腫瘤灌注的異質性，以提高3D-ASL鑒別高、低級別膠質瘤的能力，為膠質瘤的分級提供更多有用的信息。本研究發現高、低級別膠質瘤的腫瘤實質和瘤周水腫3D-ASL圖像有多個紋理參數差異有統計學意義(P＜0.05)，可用來幫助鑒別低級別與高級別膠質瘤，其中腫瘤實質中均質性、能量參數和瘤周水腫中最小值參數表現出較好的診斷效能。

3.1 CBF紋理分析在腫瘤實質的應用

均勻性反映的是圖像灰度分布的異質性。能量反映圖像紋理的灰度變化穩定程度。均勻性與能量的值越大均表明異質性越低。本研究結果顯示，高級別膠質瘤實質成分均勻性及能量均低于低級別膠質瘤，差異具有統計學意義(P＜0.05)，表明高級別膠質瘤實質成分具有更大的異質性和復雜性，與其惡性程度高、預后差的生物學行為特點相符合。既往有針對動態對比增強 MRI紋理分析的研究指出均勻性對膠質瘤分級具有良好的診斷效能，與我們的研究結果有一定相似性[12]。此外，國內外較多類似的研究說明均勻性和能量有助于鑒別腫瘤的異質性[10，13-14]。本研究結果顯示，均勻性及能量在鑒別高、低級別膠質瘤診斷效能最佳，兩者與均值的診斷效能相仿，而聯合均勻性和能量的診斷效能分析中，敏感度為64.52%，均優于單一紋理參數及平均值。本研究中均勻性及能量參數的敏感度出現偏低，筆者推測：同級別腫瘤內腫瘤細胞活躍程度及增殖不盡相同，部分高或低級別腫瘤的影像表現與相對應級別的典型影像表現并不相符，故對均勻性及能量參數的敏感度有所影響。因此聯合均勻性和能量參數能提高高、低級別膠質瘤的鑒別診斷能力，有希望成為良好的影像學指標，為臨床提供有用的輔助信息。

3.2 CBF紋理分析在瘤周水腫的應用

最小值是指圖像體素的最小值。本研究結果顯示，低級別膠質瘤的最小值大于高級別膠質瘤的最小值，差異具有統計學意義(P＜0.05)，筆者推測：一方面高級別膠質瘤因血腦屏障破壞，造成瘤周血管源性水腫使正常腦組織微血管灌注能力降低，另一方面高級別膠質瘤瘤周浸潤程度更明顯，白質纖維受到破壞[15-16]。目前基于ASL圖像對瘤周水腫進行紋理分析的研究鮮見，需要更多的研究證實這一推斷。在本研究結果中，最小值在鑒別高、低級別膠質瘤瘤周水腫診斷效能比均值的診斷效能要好，這表明最小值在高、低級別膠質瘤瘤周水腫鑒別診斷的能力較高，為更多有關瘤周水腫的紋理分析的研究提供一個有價值的參考指標。但最小值參數的特異度偏低，可能與本研究把高級別膠質瘤遠瘤周水腫也作為感興趣區有關。

3.3 局限性

本研究存在幾點不足之處：(1)分組不均，低級別組患者數量遠較高級別患者數量少，考慮主要是受到腫瘤發病率的影響；(2)腫瘤切除術后，只有部分腫瘤組織送病理檢查，影像表現與病理結果不能真正一一對比分析；(3)本研究僅選取了腫瘤實質最大層面及瘤周水腫最大層面分析其特征，未作全瘤紋理分析，理論上全瘤分析的效能會高于目前研究的結果。

3.4 結論

基于ASL圖像紋理分析法可以為評估膠質瘤異質性提供相對可靠及客觀的量化信息，有望提高影像學在高、低級別膠質瘤的鑒別診斷的能力，為臨床治療方案的制訂提供有用的輔助信息。

利益沖突：無。