擴散加權成像聯合擴散峰度成像對腦膠質瘤的分級診斷及預后評估的價值

王紹凱，韓向軍，朱靜怡，趙宇，李松柏

膠質瘤是常見的原發性顱腦腫瘤，惡性程度不一，臨床治療以手術和放化療為主，準確進行膠質瘤評估和分類是制訂治療方案的關鍵。有研究發現[1]，同樣類型和級別的膠質瘤患者接受相同治療方案的預后也會有所不同，原因在于部分低級別膠質瘤雖生長緩慢，但具有去分化轉變成高級別惡性膠質瘤的生物學潛能。研究認為[2]，部分低級別膠質瘤存在一定的異質性，早期準確評估低級別膠質瘤及其生物學行為，對改善患者預后有重要意義。目前膠質瘤的準確分類需獲取組織，在術前指導治療及治療后持續監測方面存在較大難度；此外，膠質瘤有一定的空間異質性，取樣差異會給評估結果帶來較大偏倚，如何通過無創手段獲得膠質瘤的病理學和遺傳學信息成為臨床亟待解決的難題[3]。研究表明[4]，MRI對反映膠質瘤的病理特征有較大的價值，常規MRI可通過平掃結合增強掃描進行膠質瘤分級，但敏感性和特異性較低，且無法定量評估膠質瘤增殖活性。擴散加權成像（diffusion weighted imagin, DWI）與擴散峰度成像（diffusion kurtosis imaging, DKI）屬于非侵入性功能性MRI，其中DWI 可通過水分子擴散信息評估膠質瘤分級和細胞增殖活性。DKI 是非高斯擴散成像技術，DKI 的采集包括至少2 個非零b 值，每個b 值至少采集15 個非共線方向，對膠質瘤的異質性及生物學行為的評估有較大價值，可彌補DWI 的不足[5]，但目前臨床有關DWI 聯合DKI 評估腦膠質瘤預后的相關研究仍較為缺乏。本研究創新性地分析了82 例膠質瘤患者的DWI 和DKI，并通過繪制受試者工作特征曲線（receiver operating characteristic, ROC）分析了DWI 聯合DKI對預后的預測價值，現報道如下。

1 材料與方法

1.1 研究對象

回顧性分析本院2017年2月至2019年2月收治的腦膠質瘤患者病例82例，其中男42例、女40例，年齡24～62（42.43±6.12）歲。納入標準：（1）顱內原發病灶，經病理證實為膠質瘤；（2）年齡＞18歲；（3）術前2周內進行MRI檢查，至少完成臨床常規序列（平掃、DWI）和多b 值DWI、DKI 序列掃描。排除標準：（1）腫瘤實質部分過?。ㄗ畲髮用妫?5 mm2）者；（2）頭動明顯者；（3）影像數據存在錯誤或缺失者；（4）未完成隨訪者。本研究經本單位倫理委員會批準（批準文號：YDYY_kyk202204005），免除受試者知情同意。

1.2 方法

1.2.1 檢查方法

所有患者術前均采用GE Discovery LS MR 750 3.0 T超導型磁共振掃描儀進行檢查，32通道相控陣頭線圈，行常規MRI、DWI及DKI掃描。橫軸位所有序列的定位線與前后聯合線平行，掃描位置一致，范圍覆蓋全腦。常規MRI序列包括平掃+增強，用作DKI和DWI解剖參考相。常規MRI平掃矢狀位T1-液體衰減反轉恢復（fluid-attenuated inversion recovery, FLAIR）及橫軸位T1-FLAIR、T2-快速自旋回波（fast spin echo, FSE）、T2-FLAIR，增強掃描矢狀位T1-FLAIR 及橫軸位TI-FLAIR。常規DWI采用自旋平面回波脈沖序列采集，掃描參數：TR/TE 3000 ms/70 ms，激勵4次，矩陣160×160，掃描20層，層厚、層間隔及視野（field of view, FOV）分別為5 mm、1.5 mm、24 cm×24 cm，b 值為1000 s/mm2，擴散敏感梯度場施加3 個垂直方向，掃描42 s。DKI 采集：采用自旋回波平面回波成像（spin echo-echo planar imaging, SE-EPI）序列采集，掃描參數：TR/TE 6500 ms/85 ms，激勵1次，矩陣128×128，掃描43層，層厚、層間隔及FOV分別為3 mm、0 mm、25.6 cm×25.6 cm，b 值包括0、1250 s/mm2、2500 s/mm2，擴散敏感梯度場施加25 個方向，掃描時間5 min 45 s。

由2 名至少5 年臨床經驗的神經放射學主任醫師進行閱片，采取雙盲法，當意見不一致時通過討論最終達成一致意見。審閱常規MRI 圖像的矢狀位+橫軸位T1-FLAIR、橫軸位T2-FSE、橫軸位T2-FLAIR 及增強矢狀位+橫軸位T1-FLAIR 序列。分析膠質瘤病灶數量（單發和多發病灶）、信號（均勻和不均勻）、邊界（清晰和模糊）、瘤周水腫（無水腫、輕度水腫和明顯水腫）及腫瘤強化情況（腫瘤實體無強化、輕度強化和明顯強化）。通過ImageJ 軟件勾畫最大層面腫瘤邊界，計算面積后分為小面積（＜15 cm2）和大面積（≥15 cm2）。DKI 采用軟件包進行圖像后處理，DWI采用ImageJ軟件進行圖像后處理。勾畫感興趣區前對橫軸位增強T1-FLAIR、T2-FSE、T2-FLAIR序列和ADC 進行調整以匹配DKI 參數，包括平均峰度（mean kurtosis, MK）、軸向峰度（axial kurtosis, Ka）、徑向峰度（radial kurtosis, Kr）、平均擴散系數（mean diffusivity,MD）和各向異性分數（fractional anisotropy, FA）。通過ImageJ 軟件匹配各序列或參數圖在斷面上位置信息，首先橫軸位增強T1-FLAIR、T2-FSE、T2-FLAIR和ADC圖的圖像分辨率調整為240×240 以匹配DKI 序列參數圖像素；其次將橫軸位增 強T1-FLAIR、T2-FSE、T2-FLAIR 和ADC 圖 的 層 數 重 排 成43 層；后根據橫軸位增強T1-FLAIR、T2-FSE、T2-FLAIR 和ADC圖、DKI參數圖將畫布大小調整為256×256。

1.2.2 術后隨訪與預后

術后通過電話定期對膠質瘤患者進行復查及隨訪，隨訪3年，將膠質瘤患者死亡定義為事件發生。根據隨訪預后將患者分為存活組與死亡組。進行預后的單因素比較及多因素logistic回歸分析，確定預后影響因素。

1.3 統計學處理

采用SPSS 19.0 進行統計分析，計量資料用（xˉ±s）表示，多組間比較采用單因素方差分析，進一步兩兩比較采取最小顯著差異（least significant difference,LSD）t檢驗檢驗；計數資料采用χ2檢驗進行分析；采用多因素logistic 回歸分析確定預后的影響因素，繪制DWI 和DKI 參數預測預后的受試者工作特征（receiver operating characteristic,ROC）曲線，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 常規MRI掃描特征

82 例膠質瘤患者的病理結果參照《2021 版中樞神經系統腫 瘤WHO 分 類 概 述》[6]。其 中 低 級 別38 例（1 級5 例、2 級33 例）、高級別44 例（3 級21 例、4 級23 例），見圖1～3。不同級別膠質瘤的病變數量、信號、病灶面積的比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。高級別膠質瘤（3 級、4 級）的水腫及強化情況更明顯，但差異仍無統計學意義（P＞0.05）。見表1。

表1 膠質瘤的常規MRI掃描特征比較 單位：例

2.2 膠質瘤DWI參數與DKI參數

隨著膠質瘤級別的升高，ADC、MD 降低，MK、Ka、Kr 升高，差異有統計學意義（P均＜0.05）；膠質瘤級別與ADC、MD 呈明顯負相關（r=-0.336、-0.241，P=0.002、0.029），與MK、Ka、Kr 呈明顯正相關（r=0.374、0.342、0.317，P=0.001、0.002、0.004）。不同級別膠質瘤的FA 的比較，差異無統計學意義（P＞0.05），膠質瘤級別與FA 之間無明顯相關性（r=-0.195、0.173，P=0.079、0.120）。見表2。

表2 不同級別的膠質瘤DWI參數與DKI參數比較（xˉ±s）

2.3 隨訪預后

截至2021 年10 月，82 例膠質瘤患者中存活者40 例、死亡42 例。死亡組與存活組性別、年齡、MRI 信號、邊界、病灶面積的差異無統計學意義（P＞0.05）。死亡組中高級別膠質瘤、多發病變、明顯水腫、明顯強化的占比及MK、Ka、Kr 高于存活組，ADC低于存活組，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表3。

表3 不同預后患者的單因素比較

2.4 預后的多因素logistic回歸分析

以患者預后作為因變量（死亡=1、存活=0），將單因素分析中有統計學意義的變量作為自變量進行多因素logistic 回歸分析，結果顯示膠質瘤級別、瘤周水腫、腫瘤強化、ADC、MK是預后的影響因素（P＜0.05）。見表4。

表4 腦膠質瘤患者預后的多因素logistic回歸分析

2.5 MK與ADC對預后的預測價值分析

MK預測腦膠質瘤患者預后的曲線下面積為0.835（95%CI：0.690～0.961），以0.550作為截斷值時的敏感度與特異度分別為86.6%和80.5%；ADC 預測預后的曲線下面積為0.789（95%CI：0.633～0.945），以1.240作為截斷值時的敏感度與特異度分別為82.9%和76.8%；MK 聯合ADC 預測預后的曲線下面積為0.903（95%CI：0.808～0.994），敏感度與特異度分別為93.9%和85.4%（圖4）。

圖4 MK與ADC預測預后的ROC曲線。MK：平均峰度；ADC：表觀擴散系數；ROC：受試者工作特征。

3 討論

本研究對86 例膠質瘤患者進行了DWI 和DKI 掃描，獲取了ADC、MK、Ka、Kr、MD、FA 等參數，分析DWI 和DKI 對膠質瘤患者預后的預測價值，結果顯示DWI 聯合DKI 對膠質瘤預后的預測價值較高。目前認為，常規MRI 無法準確評估膠質瘤級別及膠質瘤細胞的增殖活性，MR 擴散成像可提供水分子擴散信息，但分級診斷的準確性不夠高。而DWI 對腫瘤惡性進展的細胞學改變的敏感度不足，原因在于DWI 默認生物組織內水分子擴散位移服從高斯分布，但實際上中樞神經系統組織細胞結構復雜，水分子擴散位移概率分布偏離了高斯分布，造成DWI 的準確性降低，使得常規MRI 與單一DWI 對膠質瘤的評估價值受限[7]。與DWI 相比，DKI 屬于高端非高斯擴散成像，通過水分子擴散位移概率分布偏離高斯分布的程度對膠質瘤進行評估，所測得的參數可反映組織微觀結構的不均質性和復雜性[8-9]，將DWI 與DKI 聯合用于預測膠質瘤預后可通過更全面的信息提高預測價值，顯示了DWI 聯合DKI 對膠質瘤預后較高的評估價值，這是本次研究的創新之處。

3.1 不同級別膠質瘤的DWI與DKI分析

本研究比較了不同級別膠質瘤的常規MRI 掃描特征，在病變數量、信號、病灶面積、瘤周水腫及強化方面的差異均無統計學意義（P＞0.05）；而不同級別膠質瘤的腫瘤實性區ADC、MD、MK、Ka、Kr 均有統計學意義，其中膠質瘤級別與ADC、MD 呈明顯負相關，與MK、Ka、Kr 呈明顯正相關（P＜0.05），提示DWI與DKI 在膠質瘤分級診斷中有較高的臨床價值。國外研究認為，Ka 與擴散主方向平行，可反映軸突完整性及纖維束密度；Kr 與擴散主方向垂直，可反映髓鞘完整性和軸突密度；MK 是各掃描方向峰度的均值[10-11]。作為擴散張量成像（diffusion tensor imaging, DKI）序列的延伸，DKI 可提供與組織細胞微觀結構有關的額外的峰度信息，反映組織微觀結構的不均質性和復雜性。隨著膠質瘤級別的升高，尤其是4 級膠質瘤的腫瘤實體組織內腫瘤密實，細胞數量多，細胞核大且異型性明顯，存在明顯的血管與內皮增生、壞死及出血等，腫瘤組織多不均質[12-13]。而低級別膠質瘤的均一性好，分化高，細胞大且量少，擴散屏障也更少[14]。因此，高級別膠質瘤組織的組織復雜性和不均質性更明顯，使腫瘤細胞內外水分子擴散運動受到明顯限制，造成峰度參數增高，而擴散參數減低[15-16]。也有研究認為，峰度參數可在組織細胞微觀結構改變的早期階段被峰度參數探測到，而此時ADC 可能尚未發生改變，因而ADC無法識別組織細胞微觀結構改變，這或許是峰度參數評估膠質瘤分級更有效的原因[17-19]。

3.2 不同預后膠質瘤的DWI與DKI分析

隨訪結果顯示，不同預后膠質瘤患者的膠質瘤分級、病變數量、水腫、強化情況及MK、Ka、Kr、ADC 的差異有統計學意義，進一步多因素logistic 回歸分析顯示，膠質瘤級別、瘤周水腫、腫瘤強化、ADC、MK是膠質瘤患者預后的影響因素。高級別膠質瘤組織內細胞密實，細胞間隙窄，易出現新生血管，且存在明顯的組織壞死、出血、內皮增生，上述病理改變在MRI 上形成水腫與強化等征象，則提示腫瘤惡性度高、生長迅速，侵襲力較強，因此患者生存時間縮短，預后相對低級別膠質瘤更差[20-21]。國外研究認為，腫瘤強化明顯通常意味著腫瘤生長破壞了正常的血腦屏障和正常腦組織，侵襲力強，惡性度高，生存時間縮短；而瘤周明顯水腫往往提示腫瘤組織浸潤到瘤周水腫組織內，腫瘤細胞散而廣，手術難以切除干凈，腫瘤更易復發，死亡風險更高[22-23]。ADC 反映的是腫瘤實體區水分子擴散受限情況，ADC 越低，水分子擴散受限越嚴重[24]。腫瘤組織越密、細胞越多，異型性越明顯，水分子擴散屏障越多，擴散受限也越明顯，相應的侵襲力也越強，生長越迅速，死亡風險越高[25-26]。MK 反映的是腫瘤實性區的平均峰度，對于膠質瘤而言，主要腫瘤內出現出血、內皮增生及血管生成等，細胞微觀結構內的不均質性和復雜性就會變高，造成MK 增大，同時為膠質瘤增殖活性提供了信息，這是MK 成為膠質瘤預后影響因素的主要原因[27]。繪制的ROC 曲線顯示ADC、MK 對膠質瘤的預后有較高的預測價值，且二者聯合對預后的預測價值更高，考慮與MK 可敏感地檢測出膠質瘤細胞增殖活性增高引起的細胞微觀結構變化，ADC 與MK 聯合可將腫瘤的水分子擴散情況與細胞增殖活性相結合，因此對膠質瘤預后的預測價值更高。

有研究采用MRI 多模態定量與定性分析對腦膠質瘤進行分級診斷，掃描序列包括T1WI、T2WI、T1 增強、DKI、磁敏感加權成像、動脈自旋標記、磁共振波譜，共獲得10 個定量參數，但經Fisher 逐步判別篩選，最終僅FA 和最小ADC 這兩個由DKI 獲得的參數對膠質瘤的分級診斷有一定效能[28]。DKI 是DKI 序列的延伸，除獲得上述兩項參數外，還可獲得MK、Ka、Kr等參數，較之多模態MRI 在腦膠質瘤的分級及預后評估方面有更大臨床價值。

3.3 局限性

本研究的局限性：（1）樣本量較小，且僅分析了隨訪3 年的生存情況，未對無進展生存情況及更長隨訪時間的預后進行分析，有待進一步擴大樣本量及延長隨訪時間進行探討；（2）在影像學基礎上聯合Ki-67 等血清學指標有利于提高膠質瘤預后的評估價值[29]，但本研究未能納入血清學指標，因此在DWI、DKI 基礎上聯合血清學指標是否能進一步提高膠質瘤預后的預測價值仍有待后續驗證，是后續研究的主要方向。

綜上所述，DWI 和DKI 是膠質瘤分級的有效評估方法，其中ADC與MK可將腫瘤的水分子擴散情況與細胞增殖活性相結合，二者聯合對膠質瘤患者的預后有較高的預測價值。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。