多模态磁共振成像技术在胶质瘤评价中的应用研究

林坤，次旦旺久，祁英，王晓明*

1. 中国医科大学附属盛京医院放射科，沈阳 110004

2. 西藏自治区人民医院放射科，拉萨850000

脑胶质瘤是临床发病率最高的颅内神经源性肿瘤，预后不良，其中恶性程度最高的胶质母细胞瘤中位生存时间只有14.6个月[1]。胶质瘤的准确诊断与分级是临床有效治疗的重要前提，但目前应用的增强MRI提供的诊断信息有限。随着磁共振技术的发展，扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)、扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、动脉自旋标记(arterial spin labeling，ASL)、磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging，SWI)及磁共振波谱成像(MR spectroscopy，MRS)等多种功能磁共振技术在胶质瘤诊治中发挥越来越重要的作用。本研究旨在探索多模态功能磁共振技术在胶质瘤诊断和分级中的应用价值。

1 材料与方法

1.1 临床资料

搜集中国医科大学附属盛京医院2015年6月至2016年12月经病理及免疫组化证实的脑胶质瘤患者30例，男16例，女14例；年龄3～70岁，平均年龄(45.7±18.1)岁。根据2016年WHO肿瘤分级标准[2]，胶质瘤包括弥漫性星形细胞瘤、间变型星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤、间变型少突胶质细胞瘤、少突星形细胞瘤和胶质母细胞瘤，根据恶性程度可分为高级别胶质瘤(high grade glioma，HGG) (WHO Ⅲ、Ⅳ级)和低级别胶质瘤(low grade glioma，LGG) (WHO Ⅱ级)。本组中HGG组15例，包括11例间变型星形细胞瘤和4例胶质母细胞瘤；LGG组15例，包括12例弥漫性星形细胞瘤、1例少突胶质细胞瘤和2例少突星形细胞瘤。HGG典型病理改变包括，肿瘤细胞异型明显，排列密集，核大而不规则，核分裂易见，可见小血管增生及栅栏状坏死。LGG典型病理改变包括，肿瘤细胞无或轻度异型性，呈弥漫片状排列，核呈圆形，无明显核分裂，未见明显小血管增生及坏死。其中18例(HGG组11例，LGG组7例)患者行免疫组化检查，胶质纤维酸性蛋白(glialfibrillaryacidicprotein，GFAP)均为阳性，高、低级别组平均Ki-67分别为29.36%±14.16%和5.71%±1.89%。患者临床表现以头晕、头痛、恶心、呕吐、记忆力下降、视力下降、抽搐及肢体运动或感觉障碍为主。所有患者检查前均未接受过临床治疗，检查前均签署知情同意书。

1.2 检查方法

常规增强检查采用GE Signa HDxt 3.0 T磁共振扫描仪，常规行横轴位T1WI、T2WI、FLAIR、DWI，矢状位T1WI，以及T1WI横轴位、冠状位和矢状位增强扫描。功能磁共振检查采用Philips Ingenia 3.0 T磁共振扫描仪。脉冲连续性ASL(pulsed continuous ASL，pCASL)：TR 4000 ms，TE 16 ms，矩阵128×128，FOV 240 mm×240 mm。DTI：采用SE-EPI序列，弥散梯度场取36个方向，采用两组b值(b=0 s/mm2和800 s/mm2)，TR 1677 ms，TE 83 ms，矩阵144×144，FOV 220 mm×220 mm。SWI：TR 31 ms，TE取最小值，矩阵768×768，FOV 230 mm×230 mm。1H-MRS：采用多体素点分辨波谱(point-resolved selective spectroscopy，PRESS)，TR 1000 ms，TE 144 ms，借助T2轴位和矢状位图像定位肿瘤实质区最大层面为感兴趣区，注意排除脂肪、脑脊液、气体、颅骨等。

1.3 图像分析

由2名高级放射诊断学医师对常规增强MRI及功能磁共振图像进行盲法评定，意见分歧时经再讨论达成共识。常规增强MRI观察病变的部位、大小、有无坏死囊变及出血、强化方式、瘤周水肿程度。肿瘤实质选取肿瘤强化区，无强化肿瘤选取T2信号最低区，与对侧正常脑白质对比，平扫表现为低、稍低、等、稍高和高信号；增强扫描分为无或轻度强化(1分)、结节状强化(2分)、环形强化(3分)。瘤周水肿定义为肿瘤周边T1低信号、T2高信号且增强扫描无强化的区域，判断标准：按水肿最大径与肿瘤最大径的比值，分为无水肿(比值为0)、轻度水肿(比值≤1/2)、中度水肿(1/2＜比值＜1)和重度水肿(比值≥1)[3]，分别定义为1～4分。

采用Philips工作站软件进行后处理。肿瘤DWI信号与对侧正常脑实质对比可分为低、高和高低混杂信号，分别定义为1～3分。DTI原始图像校正后应用纤维跟踪方法获得DTT图，以对侧正常纤维束为参照，观察瘤周纤维形态变化，主要分为：推移(1分)，纤维束只表现为移位；浸润，部分纤维束因破坏而中断，表现为稀疏；破坏(3分)，纤维束表现为连续性中断。在获得的部分各向异性FA图和表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)图上，感兴趣区(region of interest，ROI)选取肿瘤最大层面的肿瘤实质区，大小为30 mm2，测定FA值和ADC值，每个项目测量3次取平均值。ASL脑灌注灰度图上，肿瘤内最高信号与对侧正常脑实质信号对比，分为低、等和高信号，分别定义为1～3分。SWI图像处理采用ITSS这一概念，具体指肿瘤内低信号强度的细线样或点状结构。ITSS分为4级：0级，无ITSS，Ⅰ级，1～5个点状或细线样ITSS；Ⅱ级，6～10个点状或细线样ITSS；Ⅲ级，≥11个点状或细线样ITSS[4]，分别定义为1～4分。肿瘤实质区1H-MRS观察对象包括NAA、Cr、Cho以及乳酸(Lactate，Lac)、脂质(Lipid，Lip)波峰和峰下面积。计算Cho/Cr、Cho/NAA及NAA/Cr的比值。

1.4 统计学方法

统计学分析采用SPSS 19.0进行分析，HGG组与LGG组之间FA、ADC值以及Cho/Cr、Cho/NAA和NAA/Cr比值的比较，方差齐采用独立样本t检验，方差不齐采用秩和检验。两组有序变量资料的比较采用秩和检验。检验水准为α=0.05，P＜0.05为差异有统计学意义。受试者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲线的检验应用MedCalc软件完成。

2 结果

2.1 病灶部位、大小和性质

30例患者均为单发，其中26例(86.7%)位于幕上，4例(13.3%)位于幕下；10例位于额叶，8例位于颞叶，6例位于顶叶，2例位于侧脑室后角旁，2例位于小脑半球，1例位于小脑蚓部，1例位于第四脑室。最大病灶约9.5 cm×7.3 cm×6.5 cm，最小约1.6 cm×1.4 cm×1.4 cm。病灶主要表现为实性、囊性和囊实混合性，伴或不伴有出血、钙化，实性病灶22个(73.3%)，囊性病灶2个(6.7%)，囊实混合性病灶6个(20%)，实性病灶中有3个(10%)病灶伴有出血，囊实混合性病变中1个(3.3%)病灶伴有钙化。

表1 30例患者瘤周水肿程度Tab. 1 Peritumoral edema of 30 patients

表2 30例患者强化方式Tab. 2 Enhanced mode of 30 patients

表3 30例患者DWI信号改变Tab. 3 DWI features of 30 patients

表4 12例患者ITSS分级Tab. 4 ITSS classi fication of 12 patients

表5 12例患者神经纤维束状态Tab. 5 Nerve fiber bundle status of 12 patients

表6 12例患者ASL灌注Tab. 6 ASL perfusion of 12 patients

表7 HGG、LGG的Cho/Cr、NAA/Cr、Cho/NAA比值和FA值、ADC值(x± s)Tab. 7 The value of Cho/Cr, NAA/Cr and Cho/NAA, FA value, ADC value in both groups (x±s)

2.2 影像表现

30例患者瘤周水肿情况、肿瘤强化方式及DWI表现见表1～3。高、低级别组间强化方式及DWI信号差异无统计学意义；水肿程度差异具有统计学意义。12例患者行DTI、ASL、SWI及1H-MRS扫描，SWI的ITSS分级、DTT的纤维束状态以及ASL灌注改变见表4～6。1H-MRS中，肿瘤实质区Cho峰不同程度升高，NAA峰降低，Cr峰略减低，HGG组中4例可见高耸Lip峰，3例可见倒置Lac峰，LGG组中2例可见高耸Lip峰，2例可见倒置Lac峰。两组间FA值差异无统计学意义，ADC值以及代谢物比值Cho/Cr、NAA/Cr和Cho/NAA差异有统计学意义(表7)。HGG影像表现见图1，LGG影像表现见图2。

2.3 ROC曲线分析结果

ROC曲线分析结果显示，对高低级别胶质瘤进行分级诊断，ITSS的临界值为3 (敏感度66.67%，特异度83.33%)，DTT纤维束状态的临界值为2 (敏感度83.33%，特异度66.67%)，ASL灌注的临界值为2 (敏感度83.33%，特异度83.33%)，Cho/Cr的临界值为1.4 (敏感度100%，特异度83.33%)；Cho/NAA的临界值为1.9 (敏感度100%，特异度100%)；NAA/Cr的临界值为0.6 (敏感度100%，特异度100%)；FA的临界值为0.209 (敏感度33.33%，特异度83.33%)；ADC的临界值为1.06×10-3mm2/s (敏感度83.33%，特异度100%)。常规增强MRI中的瘤周水肿情况、肿瘤强化方式及DWI表现的联合诊断的曲线下面积(area under curve，AUC)为0.796，临界值为0.471 (敏感度66.67%，特异度73.33%)。

3 讨论

3.1 胶质瘤常规增强MRI及DWI诊断效能

脑胶质瘤发病隐袭，无特异性临床特征。LGG自然生长缓慢，恶性程度低，分化程度高，囊变坏死少，瘤周水肿轻微，侵袭性较弱，具有恶变倾向[5-6]，临床主要进行密切随访或者通过活检、外科手术获得病理学诊断，预后较好[5，7]。HGG生长速度快，细胞核异质性强，囊变坏死多见，瘤周血管源性水肿较重，侵袭性及浸润性强，临床规范疗法包括最大范围外科手术切除联合术后放疗及化疗[1]。本组30例患者均接受外科手术治疗，其中3例病灶伴出血，且均为HGG，因为肿瘤级别越高畸形微血管越丰富，出血发生率越高。HGG组和LGG组强化方式无统计学差异，这是由于肿瘤强化方式仅反映了血脑屏障的破坏范围，因此单纯依赖增强MRI检查不能够对胶质瘤进行准确的术前诊断与分级。

肿瘤细胞的过度增殖使细胞外液减少，肿瘤细胞核质比增大使得细胞内液减少，水分子的扩散受限，DWI呈高信号。但由于胶质瘤组织的异质性高，尤其是HGG，常伴有囊变、坏死出血，DWI常表现为高低混杂信号；此外，DWI图像在b值取值较小的情况下会受T2加权的影响，即T2透射效应[8]。本组病例中，HGG、LGG组DWI均以高低混杂信号为主，组间无明显差别。对于现阶段临床常规应用的增强MRI以及DWI，联合诊断的AUC为0.796，临界值为0.471，敏感度为66.67%，特异度为73.33%。

3.2 多模态MRI成像技术的诊断效能

DTI所得DTT图能直观显示神经纤维走行，脑白质纤维受损程度主要包括推移、浸润和破坏。高、低级别组间纤维束状态差异有统计学意义，AUC为0.833，即随着病理分级的增高，纤维束破坏呈加重的趋势。这是因为肿瘤细胞以及新生血管向周围正常组织迁移，使得局部脑白质纤维失去正常的走行和结构，浸润程度取决于肿瘤侵袭性，而肿瘤级别越高侵袭性越强。两组FA值无统计学差异(P＞0.05)，AUC为0.486，小于0.5，可见FA值在胶质瘤分级中的价值有限，不足以单独完成肿瘤分级[9]。而消除了T2透射效应的ADC图能够真实反映肿瘤细胞密度情况，可用于胶质瘤分级评价。本组研究中高、低级别组间ADC值存在显著差异(P＜0.05)，AUC为0.972，临界值为1.06×10-3mm2/s，敏感度为83.33%，特异度为100%，分级诊断效能较高，敏感度及特异度也较高。此外，由于DTI能够直观立体显示白质纤维束受损范围和程度，因此在手术导航和预后评估方面具有潜在应用价值。

图1 男，45岁，右侧顶叶占位。A：T1WI呈等低信号；B：T2WI呈等高信号；C：FLAIR周围可见重度水肿；D：T1+C呈厚环状强化；E：DWI呈高低混杂信号；F：ASL呈明显高灌注；G：SWI见迂曲线状低信号；H：DTT病灶周围纤维束浸润、破坏；I：1H-MRS中Cho峰明显增高，NAA峰明显降低，见宽大Lip和Lac峰；J：病理结果：肿瘤细胞异型明显，弥漫呈片排列，未见坏死，为间变型星形细胞瘤，WHO Ⅲ级 图2 女，48岁，右侧额叶占位。A：T1WI呈不均匀低信号；B：T2WI呈不均匀高信号；C：FLAIR周围无明显水肿；D：T1+C无明显强化；E：DWI呈低信号；F：ASL呈稍低灌注；G：SWI未见明显线状低信号；H：DTT病灶周围纤维束浸润、推移；I：1H-MRS中Cho峰增高，NAA峰降低，可见Lip和Lac峰；J：病理结果：瘤细胞片状排列，核圆形，部分胞浆嗜酸性，部分胞浆空亮，细胞排列密集，为弥漫性星形细胞瘤，WHO Ⅱ级Fig. 1 A 45-year-old man had a mass in the right parietal lobe. A: T1 shows iso-and hypo-intensity. B: T2 shows iso-and hyper-intensity. C: T2 Flair shows severe peritumoral edema. D: Contrast enhanced T1 shows thick circular enhancement. E: DWI shows high-low mixed signal. F: ASL shows marked hyperperfusion. G: SWI shows tortuous-linear low signal. H: The fibers surrounding the mass are in filtrated and destructed. I: Cho peak is signi ficantly increased,while NAA peak is signi ficantly reduced, with wide irregular Lip and Lac peaks. J: Tumor cells show signi ficant atypia, arranged in a sheet form, without necrosis. It’s WHO Grade Ⅲ anaplastic astrocytoma. Fig. 2 A 48-year-old woman had a mass in the right frontal lobe. A: T1 shows heterogeneous hypointensity. B: T2 shows heterogeneous hyper-intensity. C: T2 Flair shows no obvious peritumoral edema. D: Contrast enhanced T1 shows no enhancement.E: DWI shows low signal. F: ASL shows slightly hypo-perfusion. G: SWI shows no linear low signal. H: The fibers surrounding the mass are in filtrated and pushed. I: Cho peak is increased, while NAA peak is reduced, with Lip and Lac peaks. J: Tumor cells are arranged in an intensive row with round nucleus and part of the cytoplasm eosinophilic or empty. It’s WHO Grade Ⅱ diffuse astrocytoma.

ASL可在无对比剂的条件下对肿瘤组织的血流灌注进行评估，反映微血管分布情况，进而反映肿瘤血管增殖情况，而肿瘤血管生成与其生物学侵袭性和病理学分级关系密切。本组共有12例患者行ASL检查，高、低级别组间灌注存在统计学差异，AUC为0.889，与既往文献报道结果一致[10-11]。此外，ASL依赖于内源性示踪剂，操作简单、可重复性强，临床应用前景好。

SWI对肿瘤新生血管，尤其是小静脉以及微出血敏感。肿瘤级别越高，结构异常微血管越多，出血发生率也越高。既往研究发现，高、低级别星形细胞瘤增强检查前、后行SWI，其小血管数量和微出血量均有显著差异，此外增强后SWI与常规增强检查相比不仅能够显示强化的肿瘤实性部分边缘，还能够通过显示瘤周新生小血管确定肿瘤的真实侵袭范围[12]。Grabner等[13]在半定量测量SWI图像方法的基础上引入定量方法SWI-LIV，发现获得的定量指标与胶质瘤分级显著相关，研究同时发现野生型IDH1较突变型的磁敏感信号明显增多，进一步拓展了SWI在胶质瘤评价中的应用范围。本组研究中12例患者SWI的ITSS分级两组间无统计学差异，这可能是由于肿瘤内大面积出血掩盖了肿瘤静脉，影响了计数，也可能由于本组纳入患者较少，存在较明显的选择性偏倚。

在一项Meta分析中，作者对Cho/Cr、Cho/NAA以及NAA/Cr鉴别诊断HGG和LGG的诊断效能进行比较分析，发现三者均具有中等鉴别诊断效能，其中Cho/NAA具有较高的敏感度及特异度[14]。此外，Cho/Cr与Lac/Cr均能够鉴别诊断HGG和LGG，且两者均与Ki-67明显相关，可在未手术的情况下对肿瘤细胞增殖进行评估[15]。Shang等[16]研究发现多体素1H-MRS成像中的Cho/Cr和Cho/NAA能够鉴别诊断HGG和LGG，脂质(Lip)信号与肿瘤坏死密切相关。本组研究中Cho/Cr、Cho/NAA和NAA/Cr比值在高、低级别组间有显著差异；具有较高的分级诊断效能，同时具有较高的敏感度和特异度。然而由于胶质瘤组织具有异质性，因此MRS单独作为临床诊断依据不够准确，可为临床常规MRI检查提供补充信息或用于鉴别诊断。

3.3 多模态MRI成像技术的联合应用

脑肿瘤病理分级诊断需要涉及肿瘤细胞数量、异型性、肿瘤血管生成和坏死、出血等多方面的信息，一种功能磁共振检查无法实现精准诊断，如何有效整合多模态磁共振检查方法成为新一研究热点。Fouke等[17]系统综述发现成人弥漫性LGG的鉴别诊断中，灌注加权成像(perfusion weighted imaging，PWI)、DWI以及MRS具有鉴别诊断能力，能获得较高的准确度和特异度。Caulo等[18]对118例胶质瘤患者行PWI、DTI和MRS检查，考虑到肿瘤的异质性，将对比增强区、T2信号最高和最低区以及弥散受限区作为感兴趣区，对各组的诊断效能进行评估，结果发现对比增强区、T2信号最低区和弥散受限区的相对脑血容量(relative cerebral blood volume，rCBV)值与T2信号最低区的Cho/Cr值的联合诊断效力最高。Park等[19]为探讨无对比剂情况下进行脑肿瘤成像的可行性，对比研究无对比剂SWI和ADC与应用对比剂PWI的诊断效能，结果提示两组联合应用进行胶质瘤分级诊断的诊断效能最高。作为初级研究，本实验样本量较少，存在研究误差，导致某种成像方法单独应用即获得很高的分级诊断效能，如Cho/NAA和NAA/Cr敏感度和特异度均为100%，因此未进行联合诊断效能的分析。尽管如此，仍可得出多模态MRI检查技术的分级诊断效能高于常规增强MRI及DWI检查；对于联合应用后诊断效能的提高程度，本团队将在样本量扩充后完成进一步研究。

综上所述，常规MRI平扫和增强检查难以实现胶质瘤的诊断、分级，而基于其病理学基础的功能磁共振检查方法能够提供包括微环境、微血管、细胞增殖等方面更加丰富的信息，可以有效提高胶质瘤的临床诊断效能，而多种功能磁共振的联合应用将为胶质瘤临床诊疗过程的优化提供更多可能性。

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