T1WI增強直方圖分析鑒別血管瘤型腦膜瘤和非典型腦膜瘤

韓濤，劉顯旺，蔣健，周鳳瑜，董文潔，張斌，周俊林

0 引言

腦膜瘤是第二常見的原發性中樞神經系統腫瘤[1]，發病率僅次于膠質瘤，占所有腦腫瘤的39%[2]，占所有中樞神經系統良性腫瘤的53.4%[3]。腦膜瘤有15個組織學亞型，不同級別、不同亞型的腦膜瘤的治療方式和預后存在很大差異[4]。非典型腦膜瘤（atypical meningioma, AtM）屬于世界衛生組織（World Health Organization, WHO） 2 級腦膜瘤，其惡性程度較高，切除后放療是主要的治療方式[5-6]。相比之下，血管瘤型腦膜瘤（angiomatous meningioma, AnM）是WHO 1級腦膜瘤，單純手術切除后預后良好，10年總生存率＞90%[7-8]。此外，AnM 血供極其豐富，術前栓塞可有效預防術中出血和降低術后復發率等并發癥的發生，提高可切除性[9]。因此，術前準確區分AnM和AtM 對于制訂手術計劃和改善患者的預后至關重要。然而，常規的結構MRI特征（腫瘤形狀、位置、腫瘤強化模式、瘤周水腫等）對AtM 與AnM 的鑒別診斷不具有特異性。T1WI 增強直方圖分析是一種客觀、定量的方法，可以提取腫瘤內部肉眼不可見的微觀結構信息，能更好地反映腫瘤組織學特征的空間異質性。既往研究表明該方法在腦腫瘤鑒別診斷、分級預測和評估預后等方面具有良好的應用價值[10-14]。因此，本研究擬探討基于T1WI 增強的直方圖分析在AnM和AtM鑒別診斷中的價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究回顧性分析2018年1月至2021年12月就診于蘭州大學第二醫院的106例AnM 和AtM 患者的臨床、影像及病理資料。本研究遵守《赫爾辛基宣言》，經蘭州大學第二醫院倫理審查委員會批準，免除受試者知情同意，批準文號：2023A-169。納入標準：（1）手術切除后病理診斷為AtM或AnM，臨床、影像和病理資料完整；（2）患者在腦膜瘤切除術前1 周均接受了MRI檢查。排除標準：（1）術前接受了放化療、靶向治療或者其他治療的腦膜瘤患者；（2）MRI圖像質量不佳或者序列不全。最終，本研究共納入30 例AnM[男7例，女23例，年齡（54.67±10.57）歲]和40例AtM患者[男16例，女24例，年齡（52.50±9.62）歲]。

1.2 檢查方法

術前頭部MRI 平掃和增強圖像均由德國西門子Verio 3.0 T 超導MRI 掃描儀掃描獲取，患者處于仰臥位。T1WI掃描參數：TR 550 ms，TE 11 ms，層厚5 mm，層間距1.5 mm，FOV 260 mm×260 mm，矩陣256×256；T2WI 掃描參數：TR 2 200 ms，TE 96 ms，層厚5 mm，層間距1.5 mm，FOV 260 mm×260 mm，矩陣256×256，激勵次數為2；增強掃描注射對比劑二乙基三氨基戊乙酸釓（Gd-DTPA 0.1 mmol/kg），注射對比劑后1 分鐘開始掃描，獲得軸位、矢狀位和冠狀位增強T1WI。

1.3 常規MRI特征分析

所有入組的腦膜瘤患者的常規MRI 征象由2 名放射科醫生（醫生A 和B 分別有8 和10 年的工作經驗）采用雙盲法獨立評估以下常規MRI 特征：（1）腫瘤位置（顱底、非顱底）；（2）腫瘤壞死（有、無）；（3）強化模式（均勻、不均勻）；（4）腫瘤形狀（類圓形、不規則形）；（5）瘤周水腫（無或輕度、中或重度）。如有分歧經協商后達成一致。

1.4 圖像分析

將所有入組患者的MRI圖像調整至相同的窗寬窗位后從PACS 工作站上以DICOM 格式導出，由兩名經驗豐富的放射科主治醫生（分別具有8 年和10 年工作經驗）分別使用MaZda 軟件（http://www.eletel.p.lodz.pl/mazda/）在軸位T1WI增強圖像上采用雙盲法沿著腫瘤強化區的邊緣逐層勾畫并進行直方圖分析[6]，最終結果為兩位放射科醫生測量的平均值。在勾畫感興趣體積（volume of interest, VOI）時，盡量避開腫瘤內肉眼可見的壞死囊變和出血區。手動勾畫的VOI 用紅色填充，并生成以下直方圖參數：平均值、變異度、偏度、峰度和第1、10、50、90、99百分位數。AnM 和AtM 組典型病例及其直方圖如圖1、2所示。

圖1 男，46 歲，左側額顳部血管瘤型腦膜瘤。1A：軸位T1WI平掃圖；1B：軸位T1WI增強圖；1C：軸位T1WI增強上勾畫的ROI以紅色填充；1D：ROI的直方圖分析；1E：梭形、胖梭形瘤細胞束狀、旋渦狀排列，胞核圓形、卵圓形，無明顯異型性，核分裂象少見，偶見砂粒體，部分區域見增生小血管，腫瘤周圍粘連少量腦組織（HE ×100）。 圖2 女，49 歲，右側大腦鐮旁非典型腦膜瘤。2A：軸位T1WI 平掃圖；2B：軸位T1WI 增強圖；2C：軸位T1WI 增強上勾畫的ROI 以紅色填充；2D：ROI的直方圖分析；2E：腫瘤細胞呈束狀、漩渦狀排列緊密，核輕度異型（HE ×200）。ROI：感興趣區。Fig.1 A 46-year-old male patient with angiomatous meningioma on the left frontotemporal region.1A: Axial T1WI image; 1B: Axial T1WI - contrast enhanced image; 1C: ROI outlined on axial T1WI - contrast enhanced filled in red; 1D: Histogram analysis of ROIs; 1E: Spindle-shaped, fat spindle-shaped tumour cells arranged in bundles and whirlpools, with rounded or ovoid nuclei, no obvious heterogeneity, rare nuclear schizophrenia, occasional granulomas, hyperplasia of small blood vessels in some areas, and a small amount of brain tissue adhering to the periphery of the tumor (HE ×100).Fig.2 A 49-year-old female patient with atypical meningioma on the right side of the falx.2A: Axial T1WI image; 2B: Axial T1WI-contrast enhanced image; 2C: ROI outlined on axial T1WI-contrast enhanced filled in red; 2D: Histogram analysis of ROIs; 2E: Tumor cells are tightly packed in fascicles and swirls, with mildly heterogeneous nuclei (HE ×200).ROI: region of interest.

1.5 統計學方法

SPSS 25.0和MedCalc 19.1統計軟件用于本研究數據分析。分類變量用卡方檢驗比較；所有直方圖參數均用均數±標準差或中位數（下、上四分位數）的形式表示，符合正態分布者組間差異以獨立樣本t檢驗比較，非正態分布組間差異以Mann-WhitneyU檢驗比較。通過繪制受試者工作特征曲線（receiver operating characteristic, ROC）評估平均值、第1 百分位數、第10 百分位數、第50 百分位數、腫瘤壞死以及腫瘤壞死+融合直方圖參數在術前鑒別AnM 和ATM的價值。P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 AnM和AtM組間一般資料和常規MRI特征的比較

AnM 和AtM 組間一般資料和常規MRI 特征的比較如表1 所示。性別及年齡在兩組間差異無統計學意義（P=0.142、P=0.375）。腫瘤壞死（P=0.001）在兩組間差異具有統計學意義，而位置、形狀、強化模式和瘤周水腫在兩組間差異不具有統計學意義（P＞0.05）。

表1 AnM和AtM組間一般資料和常規MRI特征的比較Tab.1 Comparison of general data and conventional MRI features between AnM and AtM groups

2.2 AnM和AtM組間直方圖參數的比較

AnM 和AtM 各直方圖參數的值如表2 所示。AnM 組直方圖參數中的平均值（P=0.003）和第1（P＜0.001）、第10（P=0.001）、第50 百分位數（P=0.009）均大于AtM 組，且各參數間差異均具有統計學意義；而AnM 和AtM 組間變異度、偏度、峰度和第90、99 百分位數的差異均不具有統計學意義（P＞0.05）。

表2 AnM和AtM組間直方圖參數的比較Tab.2 Comparison of histogram parameters between AnM and AtM groups

2.3 常規MRI特征和直方圖參數的ROC曲線分析

AnM 和AtM 組間差異具有統計學意義的常規MRI 特征和直方圖參數的比較如表3 和圖3 所示。ROC分析結果表明，腫瘤壞死以及直方圖參數中的平均值和第1、10、50 百分位數在術前鑒別AnM 和AtM中均顯示出較高的診斷效能，其中腫瘤壞死+融合直方圖參數對二者的鑒別診斷效能最優，其曲線下面積（area under the curve, AUC）、敏感度、特異度、準確率、陽性預測值和陰性預測值分別為0.858（95%置信區間：0.753～0.930）、95.00%、66.67%、82.86%、79.20%和90.90%。

圖3 腫瘤壞死和T1WI 增強直方圖參數術前鑒別診斷AnM 和AtM 的ROC 曲線，腫瘤壞死+融合直方圖參數鑒別診斷效能最佳，AUC 值為0.858。AnM：血管瘤型腦膜瘤；AtM：非典型腦膜瘤；ROC：受試者工作特征；AUC：曲線下面積。Fig.3 ROC curve for preoperative discrimination AnM from AtM with enhanced T1-weighted histogram parameters and tumor necrosis, and the tumor necrosis + combined histogram parameters showed the best diagnostic performance with an AUC of 0.858.AtM: atypical meningioma; AnM: angiomatous meningioma; ROC: receiver operating characteristic; AUC: area under the curve.

3 討論

本研究基于結構MRI 特征及T1WI 增強圖像直方圖分析術前鑒別AnM和AtM，結果表明腫瘤壞死、平均值和第1、10、50 百分位數在兩組間差異具有統計學意義，當聯合腫瘤壞死和融合直方圖參數時對二者的鑒別診斷效能最優，為腦膜瘤患者治療方案的選擇和術后管理提供了指導依據。目前，據我們所知，本研究是首次利用T1WI增強的直方圖分析術前鑒別AnM和AtM的研究。

3.1 MRI結構特征鑒別AnM和AtM的價值

本研究結果表明，腫瘤壞死是唯一可以鑒別AnM 和AtM 的結構MRI 特征，這與既往研究結果[15]不相符，一種可能的解釋是相比于AnM，AtM 是最常見的WHO 2級腦膜瘤，腫瘤細胞增殖更加活躍，容易導致腫瘤生長缺血缺氧，發生壞死的概率明顯增加。與既往研究[16]結果不同的是瘤周水腫在兩組間差異不具有統計學意義，這可能與血供豐富的AnM 易導致血管內皮生長因子過表達，刺激瘤周腦水腫的發生有關，最終導致AnM 表現出與AtM 相似的瘤周水腫[15]。此外，強化模式和形狀等基本特征在兩組間也是重疊的，這可能與本研究相對較小的樣本量有關。

3.2 T1C直方圖參數鑒別AnM和AtM的價值

MRI 檢查是術前診斷和術后積極監測期間成像的金標準，并提供了腫瘤大小，位置和鄰近軟組織結構的侵犯等必要信息[17]。相比擴散加權成像、動態磁敏感對比增強、擴散張量成像等先進且復雜的功能性MRI 方法，T1WI 增強掃描是腦腫瘤MR 檢查的常規序列，操作簡單、掃描時間短，不僅能夠清晰顯示解剖結構和病灶內部特征，并在一定程度上還可以反映病灶的血供和血腦屏障破壞情況[18-19]。全體積直方圖分析是紋理分析最常用的一種方法，消除了放置不同的ROI 導致的采樣偏倚，可以自動、無創地從勾畫的整個VOI 中提取與腫瘤組織特征相關的定量信息，為腦腫瘤的診斷提供更為豐富、深層次的信息[20-23]。我們的研究表明，AnM 組直方圖參數的平均值、第1 百分位數、第10 百分位數、第50 百分位數均顯著高于AtM 組，這主要與AnM 的組織成分有關，AnM 最大的特征是血管占腫瘤體積的50%以上，其血供豐富可能是產生上述結果的主要原因。AnM 屬于WHO 1 級，AtM 為WHO 2 級腦膜瘤，本研究結果發現AnM 的平均和第1、10、50、90、99 百分位數均高于AtM，與LI等[24]的研究結果相似。劉顯旺等[25]發現T1WI 增強直方圖分析在預測腦膜瘤腦侵犯方面具有重要價值，腦侵犯組的直方圖參數大于非腦侵犯組，且以第1 百分位數的預測性能最佳。王寶龍等[26]基于2D T1 增強直方圖紋理分析對17 例孤立性纖維性腫瘤/血管周細胞瘤（solitary fibrous tumors/hemangiopericytoma, SFT/HPC）與29 例AnM 進行鑒別診斷，結果發現標準差對二者的鑒別效能最優，其AUC、敏感度和特異度分別為0.816、58.1%和100%，經多參數聯合分析發現，標準差和平均值結合的診斷效能進一步提高。張蕊等[27]對33 例腦室內腦膜瘤和24例脈絡叢乳頭狀瘤進行T1加權增強成像全域直方圖分析，9 個提取的直方圖參數中，第10 百分位數和峰度具有較高診斷效能，二者聯合的AUC 可提高至0.88，敏感度和特異度為87.50%和81.80%。

直方圖參數中的變異度反映數據的離散程度[28-30]，偏度和峰度描述了直方圖曲線的形狀分布，主要反映腫瘤的異質性[31]。此外，這幾個參數往往與腫瘤的惡性程度相關，因此可作為評價預后的獨立因素。先前的研究顯示[24]，與典型腦膜瘤相比，非典型或惡性腦膜瘤的峰度和偏度更高。GIHR等[10]研究發現，偏度與腦膜瘤Ki-67 的表達呈顯著相關，并已被證明是鑒別低級別和高級別腦膜瘤和評估腫瘤復發風險的一個有價值的分子標志物。在本研究中，我們發現變異度、偏度和峰度在兩組間差異不具有統計學意義，這可能與AnM 具有一定潛在的侵襲性有關，也有可能與本研究的樣本量相對不足相關。

3.3 本研究的局限性

首先，本研究為樣本量相對較少的回顧性研究，多中心、前瞻性的數據有待于進一步驗證。此外，本研究受軟件所限，研究的直方圖參數單一，缺乏對熵和能量值等參數的研究，在今后的研究中，應借助人工智能的方法結合多序列MRI 圖像進行進一步的研究。

4 結論

綜上所述，本研究結果表明，常規MRI 特征和T1WI 增強直方圖分析能在術前無創鑒別AnM 和AtM，其中腫瘤壞死+直方圖參數對二者的鑒別效能最高，對手術方案的選擇和治療策略的制訂具有重要臨床價值。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：周俊林設計本研究的方案，對稿件重要的智力內容進行了修改，獲得了國家自然科學基金面上項目、甘肅省科技計劃項目和中華國際醫學交流基金會-SKY 影像科研基金的資助；韓濤起草和撰寫稿件，獲取、分析和解釋本研究的數據；劉顯旺、蔣健、周鳳瑜、董文潔和張斌獲取、分析或解釋本研究的數據，對稿件重要的智力內容進行了修改；全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。