高級磁共振成像技術在腦星形細胞瘤分級診斷中的應用進展

胡 平 葉立果 江洪祥 徐 陽綜述 陳謙學審校

2016 版WHO 中樞神經系統腫瘤分類標準首次將分子遺傳學標志物應用于中樞系神經統腫瘤的分類與分型，其中星形細胞腫瘤分為級彌漫性星形細胞瘤（WHO分級Ⅱ級）、間變性星形細胞瘤（WHO分級Ⅲ級）和原發性膠質母細胞瘤（WHO 分級Ⅳ級），可進一步分為異檸檬酸脫氫酶突變型、野生型和未分類型[1，2]。隨著分子病理學和腫瘤代謝組學的不斷發展，腦腫瘤的神經影像已從既往單純的形態學水平過渡到灌注、功能和代謝的分子水平。當前高級磁共振成像技術正是基于分子水平應用于腦腫瘤的研究，如氫質子磁共振波譜（proton magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS），彌散加權成像（diffusion weight imaging，DWI），彌 散 張 量 成 像（diffusion tensor imaging，DTI），動態對比增強磁共振成 像（dynamic contrast enhancement MRI，DCEMRI），動態磁敏感對比磁共振成像（dynamic susceptibility contrast-enhanced MRI，DSC-MRI），動脈自旋標記（arterial spin labeling，ASL）。這影像技術對于神經膠質瘤的診斷、分級、治療、預后評估等至關重要。本文就高級磁共振成像技術在星形細胞瘤分級診斷中的應用進行綜述。

1 1H-MRS

1.1 成像原理 當前廣泛應用于MRS 研究的原子核為1H，因其自然豐度和旋磁比高，所以臨床應用較為廣泛。1H-MRS 通過化學位移作用來檢測病灶區域的能量代謝，通過計算波峰下各代謝物比值，描述相關代謝物的變化[3，4]，反映腫瘤瘤區和正常組織區域的生化代謝差異。

1.21H-MRS 常見的代謝物1H-MRS 應用于腦腫瘤最常用的代謝物有N-乙酰天門冬氨酸（N-acetyl aspartate，NAA）、膽堿（Choline，Cho）、肌酸（Creatine，Cr）、乳酸（lactate，Lac）、肌醇（myoinosital，MI）等。

1.2.1 NAA 波峰位于2.02 ppm 處，存在于神經元胞體和突觸中，由線粒體產生，是神經元的標記物。其含量直觀反映神經元的密度和活性，含量減少表示神經元丟失或機能受損。

1.2.2 Cho 波峰位于3.2 ppm 處，存在于神經元和膠質細胞中，包括磷脂膽堿、磷脂酰膽堿和磷酸甘油膽堿。腦膠質瘤細胞增殖迅速，并參與細胞膜轉運增加，Cho升高。

1.2.3 Cr 波峰位于3.0 ppm 處，存在于神經元內，包括Cr和磷酸肌酸，參與體內能量代謝。腦腫瘤細胞生化代謝加快，所需能量較大，Cr會升高。

1.2.4 Lac 兩峰分別位于1.33 ppm 和4.1 ppm 處。Lac 的積累發生于糖酵解，因此，腦腫瘤缺氧狀態可引起Lac升高。

1.2.5 MI 波峰位于3.56 ppm、4.06 ppm，位于星形膠質細胞中，起滲透壓和細胞容積的維持作用。

1.31H-MRS 在星形細胞瘤分級診斷的作用Wang等[3]一項涉及1 228例的薈萃分析表明，使用Cho/Cr、Cho/NAA 和NAA/Cr 比值對辨別腦膠質瘤的級別具有重要意義。Lin 等[4]定量分析顯示，不同級別膠質瘤Cho/Cr和Cho/NAA比值具有顯著性差異，而NAA/Cr 比值無明顯差異。因此，腫瘤區代謝物比值的變化反映腫瘤的生物學行為，在指導星形細胞瘤分級中具有顯著的臨床價值。

2 DWI

2.1 成像原理 水分子微觀運動是DWI 成像的基礎。利用水分子的布朗運動，對水分子自由擴散進行測量和成像。目前，DWI 測量水分子自由擴散的常用參數為表觀彌散系數（apparent diffusion coefficient，ADC），特征性反映待檢組織不同方向（同一平面）水分子自由彌散的速率與范圍[5]。腦腫瘤惡性程度升高，水分子擴散的阻力越大，其擴散的速率和范圍越小，即ADC值下降越明顯。

2.2 DWI在星形細胞瘤的分級診斷中的作用Yamasaki 等[6]回顧性分析275 例腦腫瘤病人DWI 測定的ADC 值，發現不同級別星形細胞瘤ADC 值有差異。Qin 等[7]研究也表明ADC 值有助于區分星形細胞瘤級別，而DWI 聯合DSC 的相關參數的診斷效能最大。

3 DTI

3.1 成像原理DTI 以DWI 成像原理為基礎，對水分子微觀運動過渡到三維形式的分析，通過測量組水分子彌散的速率、范圍和方向。DTI 常用的參數為部分各向異性（fractional anisotropy，FA）、球面各項異性（spherical anisotropy，CS）等，最常用FA 取值0～1，1表示最大各向異性的彌散[8]。

3.2 DTI 在星形細胞瘤的分級診斷的作用Raja 等[9]

研究表明DTI和DKI 參數可以實現自動分級膠質瘤的巨大潛力，特別區分星形細胞瘤。Jolapara 等[10]發現高級別星形細胞瘤的平均最大FA 值高于低級別星形細胞瘤，而高級別星形細胞瘤的平均最小CS值低于低級別星形細胞瘤。這提示DTI 相關指標（例如最大FA 和最小CS）可幫助星形細胞瘤進行分級診斷。

4 DCE-MRI

4.1 成像原理DCE-MRI 是基于弛豫度變化的灌注技術。Tofts 等[11]提出的雙室血流動力學模型，可將選定的感興趣區分別分為血管內間隙和血管外細胞外間隙（extravascular extracellular space，EES）。由于腫瘤新生血管較多，其血管通透性高，注入的造影劑很快分布到血管內及EES，因此縮短了T1弛豫時間，增加了T1信號。該技術常用參數包括：體積轉移常數（Ktrans），后流速度（kep），EES容積分數（Ve）。

4.2 DCE-MRI 在星形細胞瘤的分級診斷中的作用Zhao 等[12]研究表明，每個階段的Ktrans、kep 和Ve 值均與星形細胞瘤和少突膠質細胞瘤病理分級相關。這提示膠質瘤腫瘤實體Ktrans和周圍組織水腫的參數可用于準確地區分膠質瘤。Jia等[13]研究表明除Ⅲ級與Ⅳ級星形細胞瘤外，不同級別星形細胞瘤的Ktrans 值和Ve 值均存在顯著差異，特別是Ktrans 和Ve 的臨界值星形細胞瘤級別具有良好的靈敏度和特異度。

5 DSC-MRI

5.1 成像原理DSC-MRI 為最常用的磁共振灌注技術，其基于造影劑推注第一次通過毛細血管床期間的磁化率變化，可以估計相對腦血容量（relative cerebral blood volume，rCBV），顯示膠質瘤新血管生成的組織病理學結果，間接反映膠質瘤惡性程度[14]。

5.2 DSC-MRI 在星形細胞瘤的分級診斷中的作用Mangla 等[15]研究發現星形細胞瘤rCBV 值與無進展生存期呈現顯著負相關。提示DSC-MRI 對星形細胞瘤組織病理學分級有臨床意義。

6 ASL

6.1 成像原理ASL 是另一種磁共振灌注加權成像，不需要外部造影劑，通過使用磁性標記的動脈血水分子作為內源性示蹤劑，就可以很好地評估組織的血流灌注。在標記好的水分子到達成像層面后，對信號進行快速采集，得到標記像，然后對其余同一層面未使用射頻脈沖的水分子進行信號采集，得到控制像，兩者相減，得到灌注像[16]。

ASL 的參數為腦血流量（cerebral blood flow，CBF）、CBV。膠質瘤在生長的過程中，伴隨著腫瘤血管的增生。ASL 技術可以測量腫瘤血流（tumor blood flow，TBF）。

6.2 ASL在星形細胞瘤的分級診斷中的作用Morana等[17]研究表明低級別和高級別星形細胞瘤DSC 和ASL 存在顯著差異，所有參數在預測腫瘤分級方面具有相似的性能。因此，用1.5 T掃描儀執行的標準化脈沖式ASL 可提供與小兒星形細胞瘤的DSCMRI 相當的結果，并可區分星形細胞瘤的級別。Khashbat 等[18]研究表明，與低級別星形細胞瘤相比，高級別星形細胞瘤顯示出更高的絕對TBF。TBF 比率診斷準確度較高，而絕對TBF 的準確性較低。在常規MRI 表現不明確的情況下，ASL 灌注成像的參數，尤其是TBF比率，有助于區分星形細胞瘤級別。

綜上所述，高級磁共振成像技術有助于指導星形細胞瘤分級診斷，有助于精準評估星形細胞瘤，有助于手術方案的制定以及預測手術治療效果，有助于病人的預后評估和隨訪。在精準醫療的背景下，磁共振影像組學這一快速發展的學科，正在與腫瘤病理分子學、代謝組學、基因組學等學科融合發展。隨著相關技術的革新，尤其是人工智能技術的發展，未來的磁共振影像將更好地服務于膠質瘤的診斷、分級、治療、預后評估等。