IVIM對膠質瘤分級的診斷價值及與Ki-67標記指數的相關性研究

常天靜，沈慧聰*，俞梅美，葛穎，張揚，張哲，季楠

腦膠質瘤是顱內最常見的原發腫瘤，根據2016 年WHO 腫瘤分類，腦膠質瘤被分為低級別膠質瘤(low-grade glioms，LGG)和高級別膠質瘤(high-grade glioms，HGG)兩類，低級別膠質瘤包括WHO 分級Ⅰ級和Ⅱ級，高級別膠質瘤包括WHO分級Ⅲ級和Ⅳ級，不同級別膠質瘤治療手段及預后有較大差異。Ki-67標記指數(Ki-67 labeling index，Ki-67 LI)是一種與細胞增殖相關的抗原，是評價腫瘤細胞增殖活性最可靠、最常用的方法［1］，并且與腫瘤復發及患者的預后密切相關［2］。體素內不相干運動(intravoxel incoherent motion，IVIM)成像屬于磁共振功能成像序列，能夠區分腫瘤組織內部水分子擴散和局部微循環導致的灌注效應，無需注入對比劑即可獲得腫瘤區域的灌注信息。目前，IVIM 在膠質瘤中主要應用于腫瘤的鑒別診斷、術前腫瘤的分級、判斷復發、評估預后等方面［3-4］，但是關于IVIM 所得數據中對預測膠質瘤級別效能最高的功能參數指標仍有爭議，并且與Ki-67標記指數的相關研究較少，相關病理機制證據尚欠充分，本研究旨在探討IVIM 定量參數對膠質瘤術前分級的價值及與Ki-67標記指數的相關性。

1 材料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2018 年1 月至2019 年7 月首都醫科大學附屬北京天壇醫院經手術病理證實為膠質瘤的63 例患者(男43 例，女20 例)，年齡16～74(47±13)歲，其中低級別膠質瘤30 例，高級別膠質瘤33 例。納入標準：(1)經病理學證實為膠質瘤，并進行免疫組化分析；(2)患者術前常規行MRI 平掃及增強檢查、IVIM 序列掃描；(3)術前無放療、化療史。排除標準：圖像質量差，偽影嚴重，影響參數測量。研究設計及方案已獲得首都醫科大學附屬北京天壇醫院倫理委員會批準，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 圖像采集

MRI數據采集均使用GE 3.0 T (Discovery MR750)磁共振機及32通道相控陣頭線圈。IVIM掃描和平掃、增強掃描在相同環境下進行。T1WI 增強掃描參數：TR 1750 ms，TE 24 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩陣320×256，層 厚 5 mm；IVIM 掃 描 參 數：TR 3000 ms，TE 72 ms，FOV 25.6 cm×25.6 cm，矩陣128×128，層厚5 mm，激勵次數分別為4、2、2、3、3、4、4、6、6、8、8、10、10、12，共選取14個b值，分別為：0、25、50、75、100、150、200、400、600、800、1000、1200、1500、2000 s/mm2。

1.3 定量參數測量及腫瘤分割

利用GE ADW4.6工作站的Functool MADC軟件進行IVIM 數據處理。結合T2 FLAIR 和T1 增強圖像，由兩名經驗豐富的放射科醫生在ROI 區域勾畫IVIM 的ROI(大小20～30 mm2)，ROI 盡量選擇腫瘤實性部分，避開腫瘤內出血、壞死及囊變的區域，同時在對側正常腦白質區放置同樣大小的ROI。獲得腫瘤區域及對照側正常白質內的ADC、假擴散系數(pseudodiffusion coefficient，D*)、純 水 擴 散 系 數(pure water diffusion coefficient，D) 及 灌 注 分 數(perfusion fraction value，f)等參數，為減少測量誤差，測量3次，取ROI測量的平均值得到ADC、D、D*、f參數。為減少由掃描儀和患者個體差異造成的影響［5］，將測得的病灶區域IVIM 參數除以對稱位置正常腦白質區所測參數，得到校正后的參數值，包括相對表觀擴散系數(relative ADC，rADC)、相對假擴散系 數(relative D*，rD*)、相 對 純 水 擴 散 系 數(relative D，rD)及相對灌注分數(relative f，rf)。

1.4 統計學方法

采用SPSS 25.0軟件對數據進行統計分析，結果使用平均值±標準差表示，通過測試檢驗數據的正態性。校正參數定量分析應用組內相關系數(intraclass correlation coefficient，ICC)，定量評估2 名觀察者所測數據間的一致性，ICC 值＞0.75 時表示信度良好。分別對低、高級別膠質瘤患者的年齡及影像學指標進行Kolmogorov-Smimov 正態性檢驗，符合正態分布的資料應用獨立樣本t 檢驗，對不符合正態分布資料則應用非參數檢驗(Mann-Whitney 檢驗)，組間存在顯著性差異的影像學參數，繪制ROC 曲線，檢測其敏感度、特異度及閾值。應用Spearman 相關性分析進行IVIM 各參數值與Ki-67標記指數之間的相關性分析。均以P＜0.05代表差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 觀察者間一致性分析

兩觀察者之間測量所得各個參數一致性良好，其中rD 的 觀 察 者 間ICC 值 為0.924(95% CI：0.824～0.958)；rD*的觀察者間ICC值為0.923(95% CI：0.845～0.955)；rf 的觀察者間ICC 值為0.887(95% CI：0.808～0.915)。

2.2 IVIM各參數與膠質瘤級別

rADC 值、rD 值及rf 值在兩組間差異具有統計學意義(表1，圖1)，rD*值在兩組間無顯著差異。

2.3 IVIM各參數鑒別膠質瘤級別的效能比較

rADC 值、rD 值及rf 值的ROC 曲線下面積分別為0.912、0.911、0.714(P 均＜0.05)，其中rADC 的診斷效能最高，特異度為93.3%，敏感度為75.8%(表2，圖2)。

圖1 女，45歲，高級別間變星形細胞瘤(WHO III級)。A：軸位T2WI；B：軸位增強T1WI；C：軸位ADC圖；D：D偽彩圖Fig.1 A 45 years old female with high grade anaplastic astrocytoma(WHO grade III).A:Axial T2WI;B:Axial enhanced T1WI;C:Axial ADC map;D:The D map.

圖2 腫瘤組織IVIM定量參數的ROC曲線Fig.2 ROC curve of tumor tissue rADC,rD,rf

表1 高、低級別膠質瘤的參數測量結果(±s)Tab.1 Parameter measurement results of the low-grade and high-grade glioma(±s)

表1 高、低級別膠質瘤的參數測量結果(±s)Tab.1 Parameter measurement results of the low-grade and high-grade glioma(±s)

類別低級別膠質瘤高級別膠質瘤P值rADC 2.04±0.67 1.13±0.34＜0.01 rD 2.11±0.72 1.12±0.38＜0.01 rD*1.13±0.36 1.32±0.58 0.139 rf 1.98±0.81 1.48±0.60＜0.01

表2 IVIM各參數鑒別診斷高、低級別膠質瘤的效能比較Tab.2 Comparison of the effcacy of IVIM parameters indifferential diagnosis of low-grade and high-grade glioma

表3 膠質瘤IVIM各參數與Ki-67標記指數的相關性Tab.3 Correlation between IVIM parameters and Ki-67 in glioma

2.4 Ki-67標記指數與膠質瘤級別相關性

高級別膠質瘤組平均Ki-67 標記指數(30.37±14.90)%明顯高于低級別膠質瘤組(7.86±4.07)%，兩組間差異有統計學意義(P＜0.01)，且與級別呈明顯正相關(r=0.788，P＜0.01)。

2.5 IVIM各參數與Ki-67標記指數相關性

rADC、rD 與Ki-67 標記指數存在較強的負相關性，rD*與Ki-67 標記指數存在低度相關性，rf 與Ki-67標記指數不具有明顯相關性。見表3。

3 討論

3.1 IVIM原理及臨床意義

磁共振擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)的物理基礎是布朗運動，而在活體組織內，水分子的擴散運動受到多種因素的影響，如細胞膜、基底膜、軸突走形等膜結構的分布、核漿比以及大分子物質如蛋白質的分布等［6-7］。

1988 年，Le Bihan 等［8］首次提出體素內不相干運動磁共振成像這一概念，多b 值的IVIM 依據雙指數模型擴散加權成像，可獲得常用的與擴散及灌注相關的4個參數ADC、D*、D及f。

ADC值和D值代表組織中細胞密度和水分子布朗運動，其與細胞內外間隙、細胞密度等密切相關［9-11］。本研究中，高級別膠質瘤的rADC 值較低級別膠質瘤高，二者之間的差異具有統計學意義(P＜0.01)，與既往研究［12］觀點一致，提示隨著組織病理級別的增高，腦膠質瘤細胞增殖速度加快，核分裂異常，導致細胞密度較大，細胞周圍間隙縮小，水分子的擴散運動受限，使腫瘤組織ADC值逐漸降低。高級別膠質瘤組rD值低于低級別組，與既往研究［13-14］相符，提示rD 值所代表水分子單純擴散活動程度隨著腫瘤細胞惡性程度的增高而受限明顯，可能原因為腫瘤細胞異型性更加明顯，細胞密度增高，引起細胞外間隙縮小，水分子擴散活動受限。高級別組的rf 值較低級別組低，與Lin 等［15］的結果類似，原因可能為f 值與血流灌注有關，而腫瘤組織灌注水平間接反映了血管化程度。膠質瘤的特點的新生血管是膠質瘤病理學分級的一個重要指標，惡性程度較高的腫瘤細胞生長速度快，新生血管的功能及結構異常，因此正常的具有灌注功能的血管比例降低，導致f 值減低，其他可能的原因包括IVIM-DWI選取參數不同及腫瘤結構的差異等。D*值表示的是由血液微循環導致的假擴散系數，代表體素內微循環的不相干運動，D*值受腦腫瘤微血管密度的影響。兩組間的rD*值沒有顯著性差異，可能是由于D*值對噪聲敏感性較高，受到心臟周期的影響，導致再現性較差。

f 值為灌注分數，表示局部微循環所導致的灌注效應在整體的擴散效應中的容積比率。Togao等［3］研究結果顯示，IVIM 參數中鑒別高低級別腦膠質瘤的診斷效能以f 值最大。Hu 等［16］報道診斷效能最大的是D 值。本研究結果顯示，IVIM-DWI 參數中，rADC值、rD 值及rf 值均可用于鑒別膠質瘤等級，其中rADC 值診斷效能最高，特異度為93.3%，敏感度75.8%，這與既往研究結果不同，這種差異的存在可能是由于b 值選取數量及分布不同，Togao 等［3］研究使用13 個b 值(0、10、20、30、50、80、100、200、300、400、600、800、1000 s/mm2)，Hu 等［16］使用13 個b 值(0、30、50、100、200、300、500、800、1000、1500、2000、3000、3500 s/mm2)。臨床實踐中，b取值較低時，DWI圖像質量較好，但ADC值的準確性較差，且b值較低時，相比較擴散因素，灌注因素對組織信號衰減的影響更大［17］，這可能與Togao等［3］研究中f值診斷效能優于D及ADC值有關。b取值較高時，ADC值測量更為準確，但圖像的信噪比下降，會直接影響DWI圖像質量，這時需要通過增加激勵次數來提高信噪比。既往研究表明，當b值＜200 s/mm2且大于4個時可以更加準確地反映灌注信息［18-19］，本研究采用了14個b值兼顧了高、低b值的個數，以盡量準確反映腫瘤病理生理微環境。

3.2 Ki-67標記指數與IVIM參數及膠質瘤分級

Ki-67 標記指數是增殖期細胞特異性表達的核抗原，是一種與細胞周期相關的細胞核蛋白，其數值的高低與膠質瘤的分級、預后密切相關［20-21］。高級別組Ki-67標記指數明顯大于低級別組，兩組間差異具有統計學意義，且與級別呈明顯正相關，反映了高級別腦膠質瘤增殖活性更強，與既往報道一致［22］。

既往研究［23］表明，IVIM 參數中ADC 值與Ki-67 標記指數存在較強負相關性，本研究結果中rADC 與rD值與Ki-67標記指數呈中度負相關，與既往研究結果基本一致，提示隨著Ki-67 標記指數的增高，腫瘤的增殖速度明顯增快，而伴隨腫瘤細胞密度增高，正常細胞外間隙縮小，導致水分子擴散運動受到限制，因此反映擴散的相關參數（ADC 值、D 值）越小。rD*值與Ki-67 標記指數具有微弱負相關性，推測原因可能與其敏感性、與心動周期的依賴性及選取b值的個數有關。rf值與Ki-67標記指數不具有相關性，可能原因包括膠質瘤發生發展過程中，新生血管導致血容量增加，但是血管不成熟導致有效灌注減少，伴隨Ki-67 標記指數升高，膠質瘤級別增加，新生血管增多，兩種作用相互抵消導致二者之間不具有相關性，同時，可能與膠質瘤異質性、取材部位［21］等原因相關。

綜上所述，IVIM 各參數中，rADC 值、rD 值、rf 值及Ki-67標記指數在高、低級別膠質瘤組間差異具有統計學意義，可以有效地對膠質瘤進行術前分級，有利于患者個體化治療方案的確定及預測患者預后情況。rADC 值及rD 值與Ki-67 標記指數的相關性提示IVIM 可以作為預測腫瘤增殖及復發的有效影像學標志，其中rADC值診斷效能最高。

3.3 研究的局限和不足

關于IVIM 序列b 值的選取尚無定論，難以確定最佳b 值的大小及個數，可以通過增加b 值個數的方式來得到更準確的結果；ROI 的畫取與腫瘤病理標本的切片區域并非完全對應，導致測量帶來的誤差，還需要更多研究進一步證實與Ki-67 標記指數等相關病理指標的關系。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。