MRI彌散張量成像在腦膠質瘤診斷分級中的研究進展

王 潔 朱寶林 林志艷

1）甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000 2）興化市人民醫院，江蘇 興化 225700

2021 年第五版世界衛生組織（World Health Or?ganization，WHO）中樞神經系統腫瘤分類將中樞神經系統腫瘤分為12類，其中有一類為膠質瘤、膠質神經元腫瘤和神經元腫瘤［1］。膠質瘤的概念由VIR?CHOW 在1846 年首先提出，是一種起源于神經膠質細胞的顱內原發性腫瘤，年發病率全球范圍內都很高［2］。膠質瘤細胞的生長可沿血管間隙及神經纖維束進行，具有極強的浸潤能力。WHO將膠質瘤分為Ⅰ～Ⅳ級，其中Ⅰ、Ⅱ級為低級別膠質瘤（low grade glioma，LGG），Ⅲ、Ⅳ級為高級別膠質瘤（high grade glioma，HGG）。1994 年BASSER 等［3］首次提出了彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）的概念，其是在擴散加權成像（diffusion weighting imaging，DWI）技術的基礎上發展而來的一種功能性磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）技術。以水分子彌散的各向異性為生理基礎的DTI技術通過施加多個梯度磁場獲得組織內多個方向的水分子彌散強度信息從而定量分析水分子的彌散運動，無創性檢測腦白質纖維束的完整性，推斷腦腫瘤對白質纖維束的破壞程度、顯示腦腫瘤的侵襲范圍及其與腦白質纖維束的關系［4-5］。彌散張量纖維束成像（diffusion tensor tractography，DTT）技術是DTI 技術在腦白質纖維束研究方面的深化，可通過進行神經纖維束的三維重建直觀顯示腦腫瘤與纖維束的解剖位置關系［6］。基于腦膠質瘤侵襲性強、與瘤周正常白質纖維束界限不清的特點，DTI定量分析水分子彌散運動、直觀顯示腦白質纖維束等優勢在腦膠質瘤診斷分級中具有重要價值。

1 DTI基本原理及其參數

1.1 DTI基本原理懸浮于液體或氣體中的微粒永不停息的無規則運動稱為布朗運動。水分子在均一介質中各個方向上的擴散程度相同，稱之為各向同性擴散。而在人體組織中，水分子的擴散運動受組織溫度、細胞間隙、細胞膜生理屏障等多方面因素的影響，使其各個方向上的擴散程度存在差異，稱為各向異性擴散。在大腦白質中，神經纖維密度及其排列走向、髓鞘完整性等細微結構是水分子擴散運動的主要影響因素，且水分子沿平行于白質纖維束方向擴散時所受阻力遠小于其沿垂直于白質纖維束方向擴散時所受阻力。DTI 就是利用水分子的此種特性，通過在至少6個不同的線性方向上施加梯度磁場獲得水分子各方向的擴散程度信息并對其進行定量分析，以定量分析參數為基礎再利用計算機重建技術還可以進行白質纖維束成像，此即DTT。

1.2 DTI常用參數DTI定量研究參數是在λ1、λ2、λ3三個本征值的基礎上計算而來的。若將彌散張量看作一個橢球體，三個本征值即該橢球體三個互相垂直的主坐標軸方向上的彌散系數。其中，λ1 為平行于白質纖維束方向的彌散系數，也即最大彌散系數；λ2 和λ3 都為橫向彌散系數，又分別被稱為中級彌散系數、最低彌散系數。λ1 也被稱為軸向彌散系數（axial diffusivity，AD/DA），λ2 和λ3 的平均值代表徑向彌散系數（radial diffusivity，RD/DR）。

1.2.1 表觀擴散系數（apparent diffusion coefficient，ADC）和平均擴散率（mean diffusivity，MD）：ADC 值是DWI 最基礎的量化指標，可以反映組織內水分子的擴散情況，與水分子擴散能力成正比，ADC值的局限性在于其只可以反映梯度磁場施加方向上水分子的擴散特點。而MD值是三個本征值的平均值，也即各個方向上彌散張量的平均值，MD=（λ1＋λ2＋λ3）/3=averageADC，可以從整體上反映水分子的擴散情況，相比ADC 更加全面。ADC 值和MD 值只與水分子擴散的大小相關，而與方向無關。

1.2.2 各向異性分數（fractional anisotropy，FA）：FA值是彌散各向異性與整個彌散的比值，其數值范圍為0～1，該數值越趨向于1，說明組織內水分子的彌散運動越趨向于各向異性；該數值越趨向于0，則彌散運動越趨向于各向同性。利用FA值可以得到FA灰度及彩色編碼圖，在此基礎上再利用示蹤技術即可三維顯示相鄰體素在纖維束方向上的連接性，得到白質纖維束的三維圖像［7-8］。

2 DTI在腦膠質瘤診斷分級中的應用

2.1 DTI 定量研究參數在腦膠質瘤診斷分級中的應用

2.1.1 利用DTI定量研究參數進行腦膠質瘤診斷：多項研究結果顯示膠質瘤的ADC值大于正常腦組織而FA值小于正常腦組織。DUY等［9］發現膠質瘤瘤體和瘤周水腫帶rADC 值大于健康對照而rFA 值小于健康對照。BRAHIMAJ 等［10］研究發現，膠質瘤強化區ADC 值大于對側正常白質區而FA 值小于對側正常白質區。EL OUADIH 等［11］發現，ADC 值：膠質瘤瘤體＞瘤周＞對側正常腦白質，FA 值：膠質瘤瘤體＜瘤周＜對側正常腦白質。也有一些研究直接引入了本征值，如KUMAR 等［12］發現，λ2 值、λ3 值、MD 值、AD值、RD值：健側腦組織區＜膠質瘤實質區＜瘤周水腫區，FA值膠質瘤實質區＜瘤周水腫區＜健側腦組織區。PAPAGEORGIOU等［13］選定膠質瘤病灶區、瘤周水腫區及對側正常腦組織區，發現LGG、HGG的FA值：對側正常腦組織區＞瘤周水腫區＞膠質瘤病灶區，LGG 的MD 值、DR 值：對側正常腦組織區＜瘤周水腫區＜膠質瘤病灶區，HGG的MD值、DA值、DR值和LGG的DA值：膠質瘤病灶區和瘤周水腫區＞對側正常腦組織區。還有研究揭示了ADC值、FA值與膠質瘤病理分型之間的聯系，如TIMOCIN 等［14］發現膠質瘤患者ADC 值大于健康對照組而FA 值小于健康對照組，且ADC值：擠壓型腦膠質瘤＜浸潤型腦膠質瘤＜破壞型腦膠質瘤，FA 值：擠壓型腦膠質瘤＞浸潤型腦膠質瘤＞破壞型腦膠質瘤。

2.1.2 利用DTI定量研究參數進行腦膠質瘤分級：近年來多項研究也利用ADC 值、FA 值進行膠質瘤分級，但不同的研究對于該兩種定量參數與膠質瘤級別的關系得出了不同的結論。其中部分研究結論可以概括為ADC值隨膠質瘤級別的升高而降低，而FA值相反。ZHANG 等［15］發現，膠質瘤ADC 值：Ⅱ級＞Ⅲ級＞Ⅳ級，FA 值：Ⅱ級＜Ⅳ級。STOPA、VAM?VAKAS、TAKAHASHI 等研究發現，膠質瘤ADC 值：LGG＞HGG［16-18］，FA 值：LGG＜HGG。部分研究結果顯示ADC值與膠質瘤級別也呈負相關，但FA值與膠質瘤級別間無明確聯系。多項研究發現，膠質瘤瘤體、瘤周水腫區的相對表觀彌散系數（relative appar?ent diffusion coefficient，rADC）LGG＞HGG，但兩個區域的相對各向異性分數（relative fractional anisotropy，rFA）在高、低級別膠質瘤間差異無統計學意義［19］。LIN 等［20］發現膠質瘤瘤體、瘤周水腫區的ADC 值LGG＞HGG，但兩個區域的FA 值在高、低級別膠質瘤間差異無統計學意義。也有研究對于FA 值與膠質瘤級別間關系的描述不同于上述研究，如RAJA、LI 等發現膠質瘤FA 值LGG>HGG［21-22］。另研究發現ADC值、FA值與膠質瘤級別的關系受所選感興趣區的影響較大，如JIANG 等［23］發現膠質瘤實質區及瘤體邊緣的rADC值隨腫瘤惡性程度的增加而下降，而瘤周水腫區rADC 值LGG＜HGG，膠質瘤瘤體邊緣rFA 值LGG＜HGG，瘤周水腫區rFA 值LGG＞HGG，而膠質瘤實質區rFA值在高、低級別膠質瘤間差異無統計學意義。SHAN等［24］研究發現，膠質瘤瘤體ADC值、MD 值LGG＞HGG，而瘤周ADC 值、MD 值及膠質瘤瘤體FA值、瘤周FA值在高、低級別膠質瘤間差異無統計學意義。除上述研究中提到的定量參數，一些研究還直接利用本征值進行膠質瘤分級，如KU?MAR等［12］發現膠質瘤實質區的相對平均擴散率（rel?ative mean diffusivity，rMD）、λ 1、λ 2、λ 3 值LGG＞HGG，瘤周水腫區λ1值LGG＜HGG，而膠質瘤實質區rFA值、瘤周水腫區rFA值、瘤周水腫區rMD值在高、低級別膠質瘤間差異均無統計學意義。PAPA?GEORGIOU等［13］研究發現，膠質瘤病灶DA值和瘤周水腫區的MD值、DA值、DR值LGG＜HGG。

2.1.3 利用DTI 定量研究參數進行腦膠質瘤鑒別診斷：DTI定量研究參數可用于鑒別HGG和腦轉移瘤：MAO等［25］研究發現，腫瘤周圍水腫區ADC值及腫瘤邊緣區FA 值：HGG＜腦轉移瘤，腫瘤實質區FA 值：HGG＞腦轉移瘤。NGUYEN 等［26］發現近瘤周區FA值、MD 值、DA 值和DR 值均為HGG＜腦轉移瘤。SHUKLA、CHO等發現，瘤周區最小MD值及平均MD值為HGG＜腦轉移瘤，瘤周區平均FA 值為HGG＞腦轉移瘤，其中最小MD 值鑒別效果最好［27-28］。DTI定量研究參數也可用于鑒別HGG、腦轉移瘤及結核瘤：SONI等［29］研究發現，與腦轉移瘤和結核瘤相比，HGG 的腫瘤實質區周圍FA 值更高。DTI 定量研究參數還可用于鑒別膠質母細胞瘤、淋巴瘤、轉移瘤，如ZHANG等［30］發現膠質母細胞瘤腫瘤實質區的FA值在三者中最高。DTI 定量研究參數還可用于鑒別HGG 復發與假性進展，如WU 等［31］發現與假性進展相比，HGG 復發時病灶周圍水腫區的rMD 值顯著降低。

2.2 DTI聯合其他技術在腦膠質瘤診斷分級中的應用MARTíN-NOGUEROL 等［32］聯合DTI、灌注加權成像（perfusion weighted imaging，PWI）、氫質子磁共振波譜成像（hydrogen proton magnetic resonance spectroscopy，H-MRS）對腦膠質瘤診斷的正確率為93.75%，其研究發現，FA值：膠質瘤實質區＜瘤周水腫區＜健側白質區，腦血容量（cerebral blood vol?ume，CBV）、腦血流量（cerebral blood flow，CBF）：膠質瘤實質區＞瘤周水腫區＞健側白質區，患側膽堿（choline，Cho）/N-乙酰天門冬氨酸（N-acetyl aspar?tate，NAA）、Cho/肌 酸（creatine，Cr）：LGG＜HGG，NAA/Cr 值：LGG＞HGG。LIN 等［33］發 現ADC 值、rADC 值：LGG＞HGG，FA 值、rFA 值：LGG＜HGG，Cho/NAA、Cho/Cr 值：LGG＜HGG，NAA/Cr 值：LGG＞HGG，CBF 值：LGG＜HGG。ALKANHAL等［34］聯合DTI、PWI，發現ADC 值：LGG＞HGG，CBF、CBV值：LGG＜HGG。還有研究發現了DTI 定量參數與某些指數表達的相關性，如Ki-67指數與ADC值負相關［35］，而CEPEDA、LIU 等發現Ki-67 指數與FA 值正相關［36-37］。PARK等［38-39］發現表皮生長因子受體（epi?dermal growth factor receptor，EGFR）的表達水平與ADC值呈負相關。

2.3 DTT在腦膠質瘤診斷分級中的應用

2.3.1 纖維束形態改變與腦膠質瘤分級：腦膠質瘤由于其浸潤性生長的特性，常使其周圍白質纖維束形態產生不同程度的改變，不同研究對于該種形態變化的描述存在差異，但多項研究發現腦膠質瘤級別與其周圍腦白質纖維束形態變化存在聯系，腫瘤的惡性程度越高，對纖維束的破壞就越嚴重，HGG瘤周白質纖維束的破壞比例高于LGG［19］。LEROY等［40］發現，LGG 瘤周白質纖維束形態多表現為正常或移位，而HGG多為稀疏或中斷。LATINI等［41］也有類似描述，認為瘤周白質纖維束形態在LGG中多為移位、分離，HGG 中多為缺失、中斷。CAMINS 等［42］發現，腫瘤病灶區以及瘤周水腫區白質纖維束形態在LGG中以浸潤為主，在HGG 中以破壞為主。還研究在描述纖維束形態變化時提出了神經元纏結的概念，如SEOW、MATO等發現LGG瘤周神經元纖維走行多表現為推移，HGG 多表現為神經元纏結且多出現于顳葉、額葉［43-44］。

2.3.2 利用纖維束形態變化進行腦膠質瘤鑒別診斷：腦白質纖維束形態改變不僅可以在一定程度上反映腦膠質瘤的級別信息，也可對腦膠質瘤與其他腦腫瘤的鑒別提供參考。LEROY等［40］發現，HGG近瘤周區白質纖維束多表現為破壞，腦轉移瘤近瘤周區白質纖維束多表現為浸潤和移位。CAMINS 等［42］發現，星形細胞瘤和轉移瘤瘤周白質纖維束多表現為部分中斷、受壓、偏移或變形移位，而腦膜瘤多表現為稀疏、移位。

3 總結與展望

DTI 的主要優勢在于無創性顯示腦白質纖維束以及定量分析水分子彌散運動，從而建立腦組織細微結構變化與腦組織病變之間的聯系以準確判斷病變性質，為手術方案制定及預后評估提供有價值的參考。但DTI也存在一定的局限性，首先是其定量研究參數在腦膠質瘤診斷分級中還未形成統一標準，尤其是FA值在不同研究中差異較大，其原因可能是DTI 技術采用的平面回波序列對運動較敏感且受磁敏感效應影響而易產生運動偽影或變形偽影，從而導致測量參數不穩定，另外研究所選感興趣區及樣本數量也可能與此相關。此外在纖維束顯示方面，DTI對相互交叉連接的纖維束分辨力較低，可能導致纖維束方向顯示不準確［45］。

未來應進一步明確DTI 定量研究參數在腦膠質瘤診斷分級中標準不一的原因，在此基礎上進行改良或引入新參數以期形成腦膠質瘤診斷分級的統一標準。另外也可探究DTI與其他技術結合的新模式以充分發揮DTI 自身優勢并取長補短提高診斷準確率。