合成MRI聯合彌散加權成像評估膠質瘤級別及腫瘤細胞增殖活性

葛 鑫，劉光耀，甘鐵軍，張 靜*

(1.蘭州大學第二臨床醫學院，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州大學第二醫院磁共振科，甘肅 蘭州 730030)

膠質瘤是顱內最常見原發性腫瘤，約占所有顱內腫瘤的80%[1]。2016年WHO腦腫瘤分類標準將膠質瘤分為4級，級別越高則惡性程度越高，對各級腫瘤的治療方式也不盡相同[2]。Ki-67是與細胞增殖相關的抗原，常用Ki-67標記指數(Ki-67 label index,Ki-67 LI)代表腫瘤細胞增殖活性，其與腫瘤復發及預后關系密切。彌散加權成像(diffusion weighted imaging,DWI)定量參數表觀彌散系數(apparent diffusion coefficient,ADC)可評估組織中水分子的布朗運動，已用于診斷膠質瘤及鑒別診斷[3]。合成MRI是新興MR定量技術，基于快速自旋回波(fast spin echo,FSE)的多延遲飽和多回波(muti-delay muti-echo,MDME)序列，通過一次數據采集即可得到10種不同對比度的圖像和5種弛豫定量圖譜[4-5]，現已用于研究兒童腦發育[6]、成人白質老化[7]及診斷輕微型肝性腦病[8]等顱腦疾病。本研究觀察合成MRI聯合DWI鑒別高、低級別膠質瘤及評估腫瘤細胞增殖活性的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2020年8月—2021年7月蘭州大學第二醫院69例經病理證實的膠質瘤患者，男39例、女30例，年齡4～76歲、平均(45.0±16.7)歲；其中27例低級別(Ⅱ級)膠質瘤(low-grade glioma,LGG)，42例高級別(Ⅲ、Ⅳ級)膠質瘤(high-grade glioma,HGG)。納入標準：①經術后病理或立體定向活檢確診膠質瘤并接受手術切除；②術前2周內接受常規平掃及增強MRI、DWI和合成MRI；③術前未接受放射、化學等抗腫瘤治療。排除標準：①合并其他腦部腫瘤；②圖像偽影較嚴重，無法測量數據。

1.2 儀器與方法 采用GE Signa Premier 3.0T MR儀，48通道相控陣頭頸聯合線圈行顱腦掃描。先采集頭部平掃T1WI，之后采用高壓注射器經肘靜脈以4 ml/s流率推注釓雙胺(0.5 mmol/ml，0.1 mmol/kg體質量)，并立即以相同流率跟注20 ml生理鹽水，采集增強T1WI；掃描參數：TR 2 531 ms，TE 36.9 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩陣288×192，層數20，層厚5 mm，層間距1 mm，掃描時長1 min 29 s。以多激發平面回波成像采集基于復合靈敏度的編碼DWI，參數：b值=0、1 000 s/mm2，TR 3 921 ms，TE 78.1 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩陣160×166，層數20，層厚5 mm，層間距1 mm，NEX 2，掃描時長1 min 11 s。最后行合成MRI，以MDME FSE序列采集圖像，參數：TR 4 214 ms，TE 21.6 ms，FOV 24 cm×18 cm，矩陣320×256，層數20，層厚5 mm，層間距1 mm，掃描時長3 min 39 s。

1.3 圖像分析 于GE AW4.7工作站以READView軟件處理數據。由分別具有4年及15年神經影像學診斷經驗的住院醫師、副主任醫師各1名采用盲法分析圖像，參考合成T2-液體衰減反轉恢復序列(fluid attenuated inversion recovery,FLAIR)和增強T1WI在增強T1WI上腫瘤實質明顯均勻強化處勾畫3個大小相同(15～35 mm2)的ROI，視病變范圍及形態選擇其大小；如病變無明顯強化，則避開囊變、壞死、出血、鈣化等區域，于合成T2-FLAIR顯示的高信號區域勾畫ROI。將ROI復制到T1map、T2map、質子密度(proton density,PD)map和ADC map上，分別獲得T1值、T2值、PD和ADC，取2名醫師所測均值作為最終結果。

1.4 病理學分析 采用免疫組織化學方法檢測腫瘤Ki-67，在高倍鏡下隨機選取10個視野計算Ki-67 LI：Ki-67 LI=陽性細胞數/全部細胞數。

1.5 統計學分析 采用SPSS 26.0和MedCalc v20.0.4統計分析軟件。以組內相關系數(intra-class correlation coefficient,ICC)評價2名醫師所測數據的一致性，ICC>0.75表示一致性良好。以±s表示符合正態分布的計量資料，采用獨立樣本t檢驗進行比較；以中位數(上下四分位數)表示不符合者，行Mann-WhitneyU檢驗。采用二元logistic回歸分析建立合成MRI與DWI聯合模型，以受試者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲線評估各參數與聯合模型鑒別LGG與HGG的效能；以DeLong檢驗比較曲線下面積(area under the curve,AUC)。采用Spearman檢驗分析合成MRI、DWI參數值與Ki-67 LI的相關性：|r|>0.7為強相關，0.4≤|r|≤0.7為中等相關，|r|<0.4為弱相關。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2名醫師所測各參數的一致性均良好，T1值、T2值、PD和ADC的ICC分別為0.91、0.93、0.92和0.93。

2.1 合成MRI及DWI各參數值 LGG T1值及PD低于HGG(P均<0.001)，而ADC高于HGG(P均<0.001)，二者T2值差異無統計學意義(P=0.328)。見表1及圖1、2。

圖1 患者女，44歲，LGG(WHO Ⅱ級) A.顱腦軸位T2-FLAIR圖示左側額葉病變呈混雜高信號；B.顱腦軸位DWI示病變呈混雜等-低信號；C～E.分別為T1 map、T2 map及PD map，T1值、T2值、PD及ADC分別為1 402.77 ms、152.69 ms、82.88 pu及1.31×10-3 mm2/s (箭示病灶，圈示ROI)

表1 LGG與HGG合成MRI和DWI參數比較

2.2 各參數鑒別LGG與HGG的效能 各單一參數中，ADC鑒別LGG與HGG的AUC為0.901，高于T1值(0.862)和PD(0.848)(Z=0.66、0.82，P均>0.05)。聯合T1值+PD+ADC的AUC(0.988)高于單一T1值、PD及ADC(Z<0.01、<0.01、=0.01，P均<0.05)。見表2、圖3。

圖3 T1值、PD、ADC及三者聯合鑒別LGG與HGG的ROC曲線

表2 T1值、PD、ADC及三者聯合鑒別LGG與HGG效能

2.3 相關性分析 腫瘤ADC與Ki-67 LI呈中等負相關(r=-0.617，P<0.001)，T1值、PD與Ki-67 LI呈中等正相關(r=0.441、0.437，P均<0.001)，T2值與Ki-67 LI未見明顯相關性(r=-0.044，P=0.719)。

3 討論

合成MRI在通過相應圖像后處理得到合成T1WI、T2WI及T2-FLAIR等不同對比度圖像的同時可獲得T1、T2及PD等定量圖譜。T1、T2及PD代表物質固有的磁屬性，其數值不受場強或參數影響，可在一定程度上間接反映組織內部細微結構特征的變化[9-10]。

既往研究[11]發現，T1平均值可鑒別乳腺良、惡性占位病變。T1是縱向弛豫時間。射頻脈沖激發氫質子、使之達到高能態后，一旦關閉射頻脈沖，高能態氫質子向周圍釋放能量，并回到低能態。上述過程中可能出現兩種情況：①氫質子與周圍環境中的分子拉莫爾頻率相同，能量釋放快可于短時間內回到低能態，即T1較短；②氫質子與周圍環境中的分子拉莫爾頻率相差較大，能量釋放慢，需要較長時間方能回到低能態，即T1較長。HGG異質性較高，腫瘤組織所含氫質子與周圍環境中的分子的拉莫爾頻率相差較大，能量釋放較慢，這可能是其T1值大于LGG的原因。目前術前根據T2值診斷膠質瘤的研究較少。KERN等[12]分析30例膠質瘤的傳統T2 mapping，發現WHO Ⅱ級與Ⅲ級膠質瘤之間T2值差異無統計學意義。本研究得到相同結果，提示T2值用于分級診斷膠質瘤的價值有待進一步觀察。已有研究[13]認為侵犯腸壁外靜脈的直腸癌的PD能量值和偏度值均高于未侵犯者，且PD能量值和偏度值用于評估直腸癌壁外靜脈侵犯的效能均較高。本研究結果顯示，HGG的PD高于LGG(P<0.001)，提示膠質瘤的PD越高，其組織學分級越差。

圖2 患者男，69歲，HGG(WHO Ⅳ級) A.顱腦增強軸位T1WI示左側額葉病變呈明顯不均勻強化；B.顱腦軸位DWI示病變實性部分呈混雜高信號；C～E.分別為T1 map、T2 map及PD map，T1值、T2值、PD及ADC分別為1 662.85 ms、133.24 ms、86.01 pu及0.85×10-3 mm2/s (箭示病灶，圈示ROI)

根據DWI所示ADC可量化組織中自由水分子的彌散受限程度，有助于評估膠質瘤級別。本研究發現HGG的ADC明顯低于LGG，與既往文獻[3,14]報道相符；這是由于腫瘤惡性程度越高，則細胞增殖越快、細胞越密集、細胞外間隙越小，水分子活動越受限而ADC越低。

作為神經系統常規MR序列，DWI具有較高的魯棒性。本研究ROC曲線分析結果顯示，以腫瘤ADC鑒別LGG與HGG的AUC高于合成MRI衍生參數T1值和PD，且具有較高敏感度和特異度；而合成MRI單一參數的特異度較低，分析原因，可能因不同級別膠質瘤弛豫值存在一定重疊，故未能全面反映瘤細胞的微環境特征。聯合應用多技術、多參數可為精準診斷提供更加全方位、高精度的信息。本研究建立的T1值+PD+ADC聯合模型鑒別LGG與HGG的效能(AUC=0.988)均高于單一參數，且特異度達100%。

McSHEEHY等[15]報道，化學治療可使腫瘤細胞減少、T1值降低，且二者呈正相關；由此推測，腫瘤T1值越高，則腫瘤細胞增殖活性越強。本研究結果顯示，膠質瘤PD與其Ki-67 LI呈中等正相關，ADC與Ki-67 LI呈中等負相關，即Ki-67 LI越高，腫瘤細胞生長越活躍，細胞密度較大，ADC越低。

綜上所述，合成MRI聯合DWI可無創鑒別高、低級別膠質瘤及評估腫瘤細胞增殖活性。但本研究樣本量較小，尤其LGG，且為單中心研究，未行外部驗證；合成MRI有5種弛豫定量參數，本研究未涉及弛豫率R1(1/T1)和R2(1/T2)，且未分析增強后各定量值，有待進一步完善。