3D-ASL和APT成像鑒別高級別腦膠質瘤與腦轉移瘤的臨床應用

李雙紅,陳玲,張金環,朱里,鐵超恩,李濤

腦高級別膠質瘤(high-grade gliomas,HGG)的發病率為5.8/10萬,其5年病死率在全身腫瘤中僅次于胰腺癌和肺癌[1]。而惡性腫瘤患者中腦轉移瘤(metastatic tumors,MT)的發生率為9%～40%[2],多繼發于肺癌、乳腺癌和直腸癌等,其中單發者約占所有轉移瘤的50%[3]。這兩種類型的腦腫瘤在常規MRI序列上通常具有相似的影像學表現(均表現為腫塊樣病變呈不均勻強化,周圍常伴廣泛水腫),導致臨床上約40%以上的病例術前定性診斷錯誤[4]。因此,目前臨床上采用常規影像學方法來區分這兩類腫瘤仍具有挑戰性。隨著功能和分子影像學的發展,已有不少研究者對MR波譜成像、DWI、灌注加權成像和酰胺質子轉移成像等MRI新技術在區分這兩類腫瘤中的應用價值進行了探討[3-7]。其中,三維動脈自旋標記(arterial spin labeling,ASL)成像是一種利用水分子作為內在示蹤劑的灌注成像技術,可用于評價腫瘤的腦血流量和微血管增殖情況;酰胺質子轉移(amide proton transfer,APT)成像是一種基于化學交換飽和轉移的新型分子MRI技術,能反映腦腫瘤細胞增殖過程中蛋白質合成和過表達的情況。近年來,已有國內外學者采用3D-ASL或APT技術鑒別高級別膠質瘤、淋巴瘤和轉移瘤等[4-7],但是目前聯合兩種技術進行診斷的文獻報道很少。本研究通過比較3D-ASL與APT技術在鑒別HGG及MT中的診斷價值,旨在進一步提高對腦腫瘤的影像診斷水平。

材料與方法

1.一般資料

回顧性將2021年6月-2022年10月在柳州市工人醫院經手術病理證實或經臨床確診為腦高級別膠質瘤或腦轉移瘤的35例患者納入本研究,其中,HGG 17例(膠質母細胞瘤13例、間變性星形細胞瘤4例),MT 18例(原發腫瘤分別為肺癌14例、乳腺癌2例、肝癌和腎癌各1例)?；颊吣挲g7～76歲,中位年齡57歲。

納入標準:①術前診斷為顱腦腫瘤,且經術后病理或臨床病史證實;②術前能配合完成常規序列、APT和3D-ASL MRI檢查,且掃描圖像清晰;③行MRI檢查前無顱腦活檢或手術史。

排除標準:①存在MRI掃描禁忌證,不能配合完成各序列MRI檢查;②圖像有嚴重運動偽影,質量不合格;③MRI顯示有腦梗死、腦損傷或MRA顯示有血管閉塞或狹窄者。

2.MRI檢查方法

使用Philips Ingenia 3.0T磁共振掃描儀和32通道頭顱線圈。各序列掃描參數如下。常規T1WI:TR 2000 ms,TE 20 ms,層厚5 mm,視野230 mm×187 mm,矩陣356×195;常規T2WI:TR 4000 ms,TE 122 ms,層厚5 mm,視野230 mm×187 mm,矩陣356×195;FLAIR序列:TR 10000 ms,TE 125 ms,層厚5 mm,視野230 mm×182 mm,矩陣308×168;APT序列:TR 5964 ms,TE 8.3 ms,視野230 mm×180 mm,矩陣128×100;3D-ASL成像:TR 4173 ms,TE 10 ms,視野240 mm×240 mm;對比增強T1WI:TR 266 ms,TE 4.6 ms,層厚5 mm,視野230 mm×181 mm,矩陣328×227。

3.圖像分析和測量

將所有掃描序列獲得的圖像導入專用后處理軟件IntelliSpacePortal10.1,由2位具有豐富診斷經驗的影像科醫師獨立進行圖像分析和數據測量。選取腫瘤所在的3個層面 手動勾畫ROI,面積約為50 mm2,取3個層面測量值的平均值作為最終測量結果。將ROI分別放置于腫瘤實質強化區(tumor parenchymal enhancement area,TPEA)及其對側鏡像正常腦白質區(contralateral mirror area of TPEA,CMATPEA)、瘤旁區(peritumoral region, PTR;定義為水腫區,若無水腫則為實質區外周<1 cm的區域為瘤旁區)及其對側鏡像正常腦白質區,測量各ROI的腦血流量(CBF),并計算腫瘤強化區和瘤旁區的相對血流量(rCBF)[5]:

rCBF腫瘤=TPEA-CBF/CMATPEA-CBF

(1)

rCBFPTR=PTR-CBF/CMAPTR-CBF

(2)

以同樣的方法獲得腫瘤強化區及瘤旁區的相對APT值(rAPT)。ROI放置原則:參考T2WI和對比增強T1WI圖像,避開腦室、腦溝、以及腫瘤內囊變和液化壞死區域。

4.統計學方法

使用SPSS 26.0軟件對數據進行統計學分析。對于符合正態分布的計量資料采用均數±標準差表示,組間比較采用獨立樣本t檢驗;對于不符合正態分布的計量資料采用用中位數(P25,P75)表示,組間比較采用曼-惠特尼U檢驗。采用受試者工作特征(ROC)曲線對各項參數及聯合模型的診斷效能進行分析,獲得鑒別兩種腫瘤的最佳閾值,并計算相應的敏感度和特異度。以P<0.05為差異具有統計學意義。

結 果

1.主要影像特征

HGG和MT的瘤內實性部分在ASL灌注成像上均表現為以高灌注為主,囊變、壞死區則表現為低灌注;HGG和MT的瘤內實性部分在APT圖像上以高信號或稍高信號(紅色或黃色)為主,囊變、壞死區則表現為紅色高信號(圖1～2)。

圖1 男,68歲,右側額葉膠質母細胞瘤(WHO Ⅳ級)。a)T2WI示病灶呈稍高信號(紅圈),周圍水腫呈高信號(黃箭);b)增強掃描示病灶呈明顯不均勻強化(黃箭);c)ASL偽彩圖像,顯示病灶呈高灌注(紅色),周圍水腫無明顯灌注增高;d)APT偽彩圖像,顯示病灶呈高信號(紅色),周圍水腫呈稍高信號(黃色)、邊界不清(黑箭)。 圖2 女,60歲,乳腺癌右側額葉腦轉移瘤。A)T2WI示病灶囊性成分呈顯著高信號(星號),實性成分呈稍高信號(紅箭),周圍水腫呈高信號(黃箭);b)增強掃描示腫瘤內囊性成分無強化,實性成分有明顯強化(黃箭);c)ASL偽彩圖示囊性成分呈低灌注(星號),實性成分呈高灌注(紅箭),周圍水腫無明顯灌注升高;d)APT偽彩圖示囊性成分呈紅色高信號(星號),實性成分呈黃色稍高信號(黑箭),周圍水腫無明顯信號增高、邊界清晰。

2.定量參數值的比較

HGG組和MT組各項定量參數值及組間比較結果見表1～2。HGG組腫瘤實質強化區的rCBF值和rAPT值的中位數均較MT組高,rCBF值在2組間的差異無統計學意義(Z=-1.27,P>0.05),rAPT值的組間差異具有統計學意義(P<0.05);HGG組瘤旁區的rCBF和rAPT的均值均較MT組高,差異均具有統計學意義(P<0.05)。

表1 兩組中腫瘤實質強化區的3D-ASL和APT參數值的比較

表2 兩組中瘤旁區的3D-ASL和APT參數值的比較

3.定量參數的診斷效能

rCBF、rAPT及兩者聯合診斷模型對兩種腫瘤的鑒別診斷效能進行ROC曲線分析,結果見圖3。瘤旁區rCBF診斷HGG的最佳閾值為0.94,所對應的AUC為0.75、敏感度為0.65、特異度為0.78。腫瘤強化區及瘤旁區的rAPT診斷HGG的最佳閾值分別為4.32和2.98,所對應的AUC分別為0.84和0.83,敏感度分別為 0.76和0.71,特異度分別為0.83和0.89。兩種檢查方式的定量參數聯合診斷時,AUC最大,為 0.87,敏感度為 0.82,特異度為0.83。

圖3 腫瘤強化區和瘤旁區各項及聯合定量參數的ROC曲線,顯示瘤旁區rCBF聯合rAPT診斷HGG的AUC較各單項參數大。

討 論

目前,常規MRI檢查序列對腦高級別膠質瘤與腦轉移瘤的鑒別仍是一個亟待解決的臨床問題,而且,兩種腫瘤的治療方案完全不同,因此在未對腫瘤進行活檢的前提下,術前無創性鑒別兩者是非常重要的。在本研究中,HGG組與MT組之間瘤內實質強化區的rCBF值的差異無統計學意義(P>0.05),這與以往的研究結果基本一致[5]。HGG的腫瘤細胞具有快速增殖的特點,使腫瘤組織內含有大量的新生血管及內皮細胞;而MT則是由原發惡性腫瘤通過血行轉移進入腦組織,如肺癌、乳腺癌多是富血供腫瘤,轉移灶常表現為與原發灶相似的灌注特點,即腦轉移瘤內亦有大量新生毛細血管,故兩種腫瘤的瘤體實質部分均表現為高灌注。此外,有文獻報道,兩種腫瘤周圍水腫區的rCBF值有顯著差異[5],與本研究結果一致。Su等[8]認為高級別膠質瘤的瘤周區域可有血管源性水腫和腫瘤浸潤等病理表現,而腦轉移瘤的瘤周區域通常僅存在血管源性水腫而無腫瘤浸潤。故我們認為兩種腫瘤瘤周水腫區域形成機制的不同導致了其瘤旁區灌注具有一定的差異,因此3D-ASL成像所獲得的瘤旁水腫區的灌注參數有助于鑒別HGG和MT。

HGG與MT的rAPT值在瘤內實質強化區是否有意義仍存在爭議。既往有學者采用APT技術鑒別HGG與MT,結果顯示HGG的瘤體強化區的rAPT值高于MT,組間差異有統計學意義[6],與本研究結果相符;但也有研究結果顯示HGG與MT之間腫瘤實質的rAPT值的差異無統計學意義[7,9]。在本研究中,HGG的在瘤內實質強化區的rAPT值高于MT,但目前對其發生機制尚不清楚。兩種腫瘤內都具有很高的細胞密度,故細胞數量的差異不是原因。Yalcin等[10]研究認為神經膠質瘤中的腫瘤細胞和基質細胞均可表達腱糖蛋白C,該蛋白的高表達與腫瘤進展有關,可促進腫瘤向周圍組織浸潤,而APT值增高與腫瘤合成代謝活躍、內源性蛋白質及多肽含量增多有關,HGG的腫瘤細胞和基質細胞內都有蛋白質的高表達,使其rAPT值較MT高,未來可能需要在影像學和組織病理學結果之間進行對照研究來進一步明確其發生機制。另外測量方式不同也可能造成數據分析結果的差異,文獻報道多選取腫瘤APT值最大層面的測量值來計算病灶的rAPT值,此法常用于腦膠質瘤的病理分級研究[11-13];而本研究中選取的是瘤體強化區來測量和計算腫瘤的rAPT值。在臨床實踐中,我們?？梢砸姷綈盒阅X腫瘤不同層面的圖像上腫瘤的APT信號高低不等,故筆者認為,在瘤體內選取多個強化區來測量APT值,取其平均值后再計算rAPT值,這樣應該能更準確地反映整個腫瘤的酰胺質子轉移情況。

HGG瘤旁區的rAPT值在較MT高,這一結果與兩者的瘤周水腫發生機制存在差異有關。有文獻報道,這兩種腫瘤的瘤周水腫區的rAPT值有顯著差異[7,9],與本研究結果基本一致。APT效應是指組織內可移動蛋白質中的酰胺質子與水質子進行交換[14]。在HGG中,腫瘤組織破壞血腦屏障,大量蛋白質從血管內滲透到細胞外,導致水腫區的蛋白含量增高;此外,王陽等[15]研究發現膠質瘤周圍水腫區內基質金屬蛋白酶和水通道蛋白較正常腦組織的表達水平升高。而MT瘤旁水腫系單純血管源性水腫,所以我們認為MT周圍水腫區的蛋白含量較HGG低,最終導致兩種腫瘤的瘤旁區的APT參數值的差異。

單一成像技術(3D-ASL或APT)獲得的定量指標單一,無法全面反映HGG和MT的病理生理學特性,故其鑒別診斷的效能可能不夠高,而兩種檢查方法聯合時,可同時反映腦腫瘤的血管密度和通透性以及酰胺質子的變化等生理學信息,并進一步評價腫瘤血管的新生和浸潤程度,故理論上而言,聯合模型的診斷效能應該優于單個參數,本研究結果亦證實了這一點:3D-ASL和與APT定量參數聯合診斷時的AUC為0.87,高于單一參數的AUC,且相應的敏感度(0.82)和特異度(0.83)均較高。

本研究存在一定的局限性:首先,樣本量較小,而且轉移瘤中原發病灶主要為肺癌,可能存在一定的樣本偏倚,更可靠的結果尚需要更大的樣本量并包括更多類型的原發腫瘤。其次,本研究中未評估HGG中O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶的甲基化狀態,有待在今后的研究中進一步探討。因Su等[16]認為APT參數可作為影像學標記物用于預測該酶在低、高級別膠質瘤中的表達情況;Jiang等[17]報道該酶未甲基化的膠質瘤具有更高、更異質性的APT加權值。

總之,3D-ASL與APT成像所獲得的定量參數(rCBF、rAPT)均有助于鑒別HGG與MT,兩者聯合應用可提高鑒別診斷的準確性。