基于腫瘤全域的常規(guī)MRI參數(shù)直方圖分析對(duì)彌漫大B淋巴瘤與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的鑒別

韓 亮，苗延巍，董俊伊，李曉欣，劉楊穎秋，田詩(shī)云，王微微，郭 妍，宋清偉，劉愛(ài)連

（1.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，遼寧 大連 116011；2.通用電氣藥業(yè)，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

顱內(nèi)彌漫大B淋巴瘤（Large B cell lymphoma，LYM）和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（Glioblastoma，GBM）兩種惡性腫瘤嚴(yán)重威脅著人類的健康，兩者在治療方案上具有明顯不同，LYM主要以放療和化療為主，而GBM則以手術(shù)切除為主，術(shù)后輔以放化療，因此為避免不必要的損失與傷害，術(shù)前做出準(zhǔn)確的影像學(xué)診斷對(duì)病人臨床治療及改善預(yù)后有重要的價(jià)值。

一般而言，在MRI上，LYM與GBM表現(xiàn)典型時(shí)，依據(jù)病變發(fā)生部位、形態(tài)、信號(hào)、強(qiáng)化方式等影像學(xué)表現(xiàn)，可以較好的在術(shù)前區(qū)別二者。但是，當(dāng)GBM表現(xiàn)不典型時(shí)，兩者的鑒別比較困難，僅僅基于影像的視覺(jué)分析難以達(dá)到滿意的結(jié)果。

直方圖分析是一種基于像素分布的圖像分析方法，屬于紋理分析的一種，通過(guò)多種參數(shù)反映圖像像素灰度值變化規(guī)律及其分布模式，如偏度、峰度等，通過(guò)提取出這些圖像特征的參數(shù)，從多方面反映腫瘤的異質(zhì)性[1]，能夠分析獲得更多肉眼無(wú)法觀察的信息，從而更加敏感地反映機(jī)體組織的細(xì)微變化，獲得對(duì)臨床疾病診斷、治療有用的定量信息，其在腫瘤診斷及預(yù)后中有很大的優(yōu)勢(shì)。Murayama等[2]研究表明MR動(dòng)態(tài)磁敏感和動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)直方圖分析鑒別LYM與GBM有一定價(jià)值。但是，目前基于常規(guī)MRI序列的直方圖分析鑒別這兩種病變的相關(guān)報(bào)道較少。 因此，本研究基于 MRI T1WI、T2WI、T1WI增強(qiáng)圖像，采用直方圖分析LYM與GBM，通過(guò)對(duì)兩種腫瘤紋理的分析來(lái)提高二者的鑒別。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

在大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)（Picture archiving and communication systems，PACS）上選擇2010年1月—2017年3月進(jìn)行術(shù)前MRI掃描，并經(jīng)手術(shù)后病理證實(shí)的LYM及GBM患者共36例，術(shù)后組織學(xué)診斷依據(jù)WHO 2007版標(biāo)準(zhǔn)。LYM 16例，其中男9例，女7例，年齡41～83 歲，平均（57.9±10.1）歲。 GBM 20 例，其中男 10例，女 10 例，年齡 30～81 歲，平均（57.8±11.8）歲。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本研究采用美國(guó)GE Signa HDxt 1.5T MRI掃描儀，患者取仰臥位，采用標(biāo)準(zhǔn)頭線圈。掃描序列如下：快速自旋回波序列（FSE）T1WI軸位、快速自旋回波序列 （FSE）T2WI軸位、T2液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（T2FLAIR），最后行T1WI增強(qiáng)掃描，依次采用三維結(jié)構(gòu)像掃描（3D BRAVO）及FSE T1WI軸位，增強(qiáng)掃描采用釓噴替酸葡甲胺（Gd－DTPA），經(jīng)肘靜脈注射，劑量為 0.1 mmol/kg 體質(zhì)量，注射流速 3.0 mL/s。具體掃描參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 MR掃描序列及參數(shù)

1.3 圖像處理

將 T1WI、T2WI、T1WI增強(qiáng)圖像的 DICOM 格式數(shù)據(jù)拷貝至個(gè)人電腦，導(dǎo)入Omni－Kinetics軟件得到相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度圖進(jìn)行后處理。由兩名放射科醫(yī)師在不知道病理及分組的情況下分別在T1WI、T2WI、T1WI增強(qiáng)圖像的每層圖像上沿腫瘤的邊緣手動(dòng)描繪感興趣區(qū)（Region of interest，ROI），包括全部腫瘤實(shí)質(zhì)部分，不避開(kāi)囊變、壞死、出血區(qū)域，保證3個(gè)信號(hào)圖像的ROI范圍一致（圖1）。將所有層面的ROI累加為一個(gè)3D ROI，軟件將分別自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)強(qiáng)度直方圖。記錄腫瘤全域的直方圖參數(shù)，包括最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、方差、平均偏差、相對(duì)偏差、偏度、峰度、均勻性、能量值、熵值、第10百分位數(shù)、第25百分位數(shù)、第50百分位數(shù)、第75百分位數(shù)、第90百分位數(shù)。

圖1 圖1a為腫瘤T2WI原始圖，圖1b為利用Omni－Kinetics軟件在T2WI圖像上描繪出腫瘤的ROI，圖1c為在T2WI圖像上各層面疊加計(jì)算出的腫瘤的3D ROI圖像（紅色）。Figure1.Figure 1a is the originalT2WImap ofthe tumor.Figure 1b is a ROI of the tumor that uses Omni－Kinetics software to depict on a T2WI map.Figure 1c is the 3D ROI image of tumor(red area)that is calculated to superimpose at all levels in the T2WI map.

應(yīng)用社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包 （Statistics package for social science，SPSS）22.0 版進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。 測(cè)量者間的一致性評(píng)估采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù) （Intra－class correlation coefficients，ICC）。當(dāng)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布且方差齊性時(shí)，以“均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，應(yīng)用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，不符合正態(tài)分布者以“中位數(shù)±四分位間距”表示，采用Mann－Whitney U檢驗(yàn)。對(duì)于有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的直方圖參數(shù)，利用受試者操作特性曲線（Receiver operating characteristic curve，ROC）來(lái)確定各直方圖參數(shù)對(duì)于鑒別診斷LYM與GBM的效能。選取3種信號(hào)中曲線下面積 （Area under the curve，AUC）最大的參數(shù)，應(yīng)用Logistic回歸分析模型將這些參數(shù)融合為聯(lián)合變量（Joint variable，JV），并利用ROC曲線來(lái)確定對(duì)二者的診斷能力。所有統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 T1WI、T2WI、T1WI增強(qiáng)直方圖參數(shù)比較

LYM與GBM的病例及直方圖見(jiàn)圖2，3，二者T1WI增強(qiáng)、T1WI、T2WI直方圖參數(shù)比較結(jié)果見(jiàn)表2～4。

兩名測(cè)量者間LYM與GBM的各參數(shù)的ICC值均大于0.8。根據(jù)文獻(xiàn)，ICC值大于0.7具有可信性[3－4]。故兩名測(cè)量者間具有較好的一致性。與GBM相比，T1WI增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度直方圖參數(shù)中LYM最小值（P=0.014）、均勻性（P=0.037）高于 GBM，LYM 峰度值（P=0.039）低于 GBM。LYM 偏度值為負(fù)值，GBM偏度值為正值，且具有顯著差異性（P=0.001）。T1WI信號(hào)強(qiáng)度直方圖參數(shù)中LYM標(biāo)準(zhǔn)偏差 （P=0.003）、方差（P=0.003）均低于 GBM，LYM 均勻性（P=0.007）高于 GBM（P=0.007）。 T2WI信號(hào)強(qiáng)度直方圖參數(shù)中的 LYM 標(biāo)準(zhǔn)偏差（P=0.042）、方差（P=0.042）均低于GBM，LYM 均勻性（P=0.007）高于GBM。LYM 3 種信號(hào)直方圖曲線體素均分布較集中，曲線形態(tài)較為高尖，而GBM 3種信號(hào)直方圖曲線體素均分布較為分散，曲線形態(tài)較為平緩。

表2 LYM與GBM T1WI增強(qiáng)信號(hào)直方圖參數(shù)

表3 LYM與GBM T1WI信號(hào)直方圖參數(shù)

2.2 直方圖參數(shù)的ROC曲線分析

利用ROC曲線診斷結(jié)果，T1WI增強(qiáng)信號(hào)中以偏度0.007 8為閾值時(shí)AUC最大，對(duì)二者診斷能力最佳 （AUC=0.819），敏感性及特異性分別為 65%、87.5%。 T1WI信號(hào)中以標(biāo)準(zhǔn)偏差 78.02、方差 6 087.64為閾值時(shí)鑒別LYM與GBM的AUC最大，診斷能力最佳 （AUC=0.787、0.787）， 敏感性及特異性分別為75%、81.2%。 T2WI信號(hào)中以標(biāo)準(zhǔn)偏差 452.68、方差204 937為閾值時(shí)鑒別二者的AUC最大，診斷能力最佳 （AUC=0.70、0.70）， 敏感性及特異性分別為55%、81.2%。應(yīng)用Logistic回歸分析模型將AUC最大的3個(gè)參數(shù) （T1WI增強(qiáng)偏度值、T1WI標(biāo)準(zhǔn)偏差、T2WI標(biāo)準(zhǔn)偏差）融合為JV。JV以0.55為閾值時(shí)鑒別二者的 AUC最大（AUC=0.881），敏感性及特異性分別為 80%、87.5%（圖4，表5）。

表4 LYM與GBM T2WI信號(hào)直方圖參數(shù)

3 討論

LYM和GBM在影像表現(xiàn)上各有特點(diǎn)，但部分GBM表現(xiàn)不典型，T2WI信號(hào)表現(xiàn)為較均勻的等或稍高信號(hào)，壞死囊變少或無(wú)，腫瘤實(shí)質(zhì)信號(hào)較均勻，與LYM影像表現(xiàn)類似，容易造成誤診，此時(shí)應(yīng)用一些新方法去鑒別二者是很有必要的。既往研究報(bào)道磁共振彌散加權(quán)成像、磁共振灌注成像、磁共振動(dòng)態(tài)磁敏感對(duì)比增強(qiáng)成像對(duì)LYM與高級(jí)別GBM有一定的鑒別價(jià)值[2，5－7]，但掃描過(guò)程中存在運(yùn)動(dòng)偽影及磁敏感偽影，有一定的局限性[8－9]。而基于像素分布的直方圖分析是一種分析參數(shù)映射的新技術(shù)，通過(guò)計(jì)算整個(gè)組織內(nèi)部信號(hào)值，并分別以MR信號(hào)值以及相同信號(hào)范圍內(nèi)像素值為X軸和Y軸，可用來(lái)測(cè)量ROI的平均信號(hào)值、像素?cái)?shù)及像素?cái)?shù)信號(hào)變化范圍，提供定量的腫瘤異質(zhì)性信息[10-11]。此外，以前的研究大多使用局部畫(huà)ROI的方法，將ROI放在腫瘤有代表性的部分，這樣會(huì)存在主觀傾向的抽樣偏差[12-13]。本研究的測(cè)量區(qū)域包括了腫瘤全域，不避開(kāi)壞死囊變區(qū)、出血灶以及腫瘤內(nèi)血管結(jié)構(gòu)，這將提供更多的腫瘤異質(zhì)性的信息，可以潛在地消除數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的采樣偏倚[14-16]。

圖3 男，48歲，右側(cè)顳葉 GBM（WHO Ⅳ級(jí)）。 圖3a～3c：分別為T2WI、T1WI、T1WI增強(qiáng)圖像，病灶在T1WI上表現(xiàn)為稍低信號(hào)，在T2WI上為等高混雜信號(hào)，增強(qiáng)掃描病灶明顯強(qiáng)化，強(qiáng)化不均勻。圖3d～3f：分別為 T2WI、T1WI、T1WI增強(qiáng)信號(hào)的直方圖，直方圖體素對(duì)比LYM直方圖分布更為分散，T1WI直方圖標(biāo)準(zhǔn)差、方差分別為91.49、8 369.85。 T2WI直方圖標(biāo)準(zhǔn)差、方差分別為 597.25、356 706。T1WI增強(qiáng)直方圖數(shù)值主要分布在右側(cè)，體素分布分散，直方圖曲線相對(duì)LYM曲線表現(xiàn)平緩，偏度值及峰度值分別為1.04、3.61。Figure 3.A 48－year－old male with GBM in the right temporal lobe.Figure 3a～3c are T2WI,T1WI and enhanced T1WI images respectively.The lesion is of low signal intensity on T1WI,mixed equal and high signal intensity on T2WI.The lesion shows intense but inhomogeneous enhancement following contrast administration.Figure 3d～3f are histograms of T2WI,T1WI and enhanced T1WI imaging respectively.The voxel of the histogram of glioblastoma is distributed more disperse than the LYM histogram.The standard deviation and variance of T2WI signal are 597.25 and 356 706.The standard deviation and variance of T1WI signal are 91.49 and 8 369.85.The histogram of T1WI enhancement is distributed on the right,and voxel distribution is dispersed.The histogram curve of GBM is gentler than the LYM curve.The skewness and kurtosis are 1.04 and 3.61,respectively.

表5 T1WI、T2WI、T1WI增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度直方圖參數(shù)對(duì)LYM與GBM鑒別診斷的效能

圖4 聯(lián)合變量－ROC曲線示JV值、T1WI增強(qiáng)信號(hào)直方圖偏度值、T1WI和 T2WI標(biāo)準(zhǔn)偏差 AUC 分別為 0.881、0.819、0.787、0.70。Figure 4.The joint variable－ROC curve shows that the AUC of JV value,skewness of contrasted T1WI signal histogram,standard deviation of T1WI and T2WI signal are 0.881,0.819,0.787,0.70,respectively.

目前應(yīng)用直方圖鑒別LYM與GBM的研究較少，Kunimatsu等[17]探討了GBM與原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)LYM之間基于T1WI增強(qiáng)磁共振圖像的紋理特征的差異，研究得出熵、中位數(shù)、灰度游程矩陣、非均勻性和運(yùn)行率有助于鑒別診斷兩種腫瘤。Murayama等[2]利用基于動(dòng)態(tài)磁化率對(duì)比與動(dòng)態(tài)增強(qiáng)磁共振成像的直方圖分析鑒別LYM與高級(jí)別GBM，血管微環(huán)境的直方圖分析可用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤（CNSL）和高級(jí)別GBM之間的定量鑒別分析。

本研究發(fā)現(xiàn)，基于常規(guī)T1WI增強(qiáng)的兩種腫瘤實(shí)質(zhì)強(qiáng)化部分的峰度值和偏度值存在顯著差異。偏度和峰度是描述直方圖曲線分布的參數(shù)，可以較好的反應(yīng)腫瘤的異質(zhì)性[12，16，18]。偏度是指圖像直方分布的不對(duì)稱程度，負(fù)值說(shuō)明左偏，分布不對(duì)稱趨向于較小值，更多的體素集中在低值區(qū)；而向右偏移表明分布不對(duì)稱趨向于較大值。負(fù)偏度絕對(duì)值越大，分布形態(tài)越偏離正態(tài)分布。本研究中，LYM偏度值偏向于負(fù)值，而GBM偏度值偏向于正值，LYM偏度的絕對(duì)值略大于GBM，筆者認(rèn)為L(zhǎng)YM的強(qiáng)化程度低于GBM的強(qiáng)化程度，所以LYM的體素值分布于低值區(qū)。峰度反映的是圖像灰度分布在接近均值時(shí)的大致?tīng)顟B(tài)，用以判斷圖像的灰度分布是否非常集中于平均灰度附近，峰態(tài)越小，表示越集中，反之表示越分散。本研究中GBM峰度高于LYM，曲線體素分布分散，表明其灰度分布不均勻，而LYM峰態(tài)低，體素分布集中，灰度分布相對(duì)均勻，強(qiáng)化相對(duì)均勻。由于GBM的強(qiáng)化機(jī)制是腫瘤本身新生血管多，且腫瘤間質(zhì)內(nèi)的血管內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞明顯增生，血管灌注量增加，所以強(qiáng)化明顯，相對(duì)應(yīng)其偏度值高，而且GBM生長(zhǎng)速度快，內(nèi)部容易發(fā)生囊變、壞死、出血等，增強(qiáng)掃描多不均勻，所以其峰度相對(duì)高。而LYM是乏血供腫瘤，腫瘤細(xì)胞的浸潤(rùn)導(dǎo)致血管內(nèi)皮受損，繼而破壞了血－腦脊液屏障，增強(qiáng)掃描時(shí)對(duì)比劑由血管內(nèi)滲透到組織的細(xì)胞外間隙，導(dǎo)致病變組織明顯、均勻強(qiáng)化[19]，所以其偏度、峰度值相對(duì)低。偏度值與腫瘤的惡性程度和預(yù)后評(píng)估有一定的關(guān)聯(lián)性。Meyer等[20]做了利用常規(guī)MRI序列直方圖參數(shù)預(yù)測(cè)原發(fā)性CNSL的組織病理學(xué)特征的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)T1WI直方圖參數(shù)中偏度值與Ki-67顯著相關(guān)，而Ki-67是一種用于臨床評(píng)價(jià)多種腫瘤增殖潛能的標(biāo)志物[21]，關(guān)于LYM，Ki-67的表達(dá)與總生存率之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[22]，說(shuō)明偏度值與腫瘤預(yù)后相關(guān)。GBM的最小值低于LYM，且存在顯著差異，這可能與GBM分化程度不一，強(qiáng)化程度不同，從低級(jí)別至高級(jí)別都有分布有關(guān)，所以強(qiáng)化最弱的區(qū)域弱于LYM。而T1WI增強(qiáng)信號(hào)中以偏度0.007 8為閾值時(shí)AUC最大，診斷能力最佳，其敏感性及特異性分別為65%、87.5%。

標(biāo)準(zhǔn)差、方差是用于評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)離散程度的參數(shù)[23]。本研究中T1WI、T2WI信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與方差存在顯著差異，GBM的標(biāo)準(zhǔn)偏差、方差均高于LYM，隨著標(biāo)準(zhǔn)差的增大，大部分?jǐn)?shù)據(jù)偏離平均值，表示病變不均勻。由于GBM的成分復(fù)雜、不均勻，而LYM細(xì)胞大小較一致、胞質(zhì)和水分少、核大及染色質(zhì)顆粒粗、網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)豐富[24]，所以其內(nèi)鈣化、出血及囊變十分少見(jiàn)，故實(shí)質(zhì)部分較均勻，因此GBM標(biāo)準(zhǔn)差及方差高。均勻性反映的是腫瘤ROI內(nèi)的異質(zhì)性程度，數(shù)值越大，表明ROI內(nèi)灰階強(qiáng)度值分布越均勻，或者說(shuō)數(shù)值范圍越小，異質(zhì)性程度越小，本研究結(jié)果表明T1WI、T2WI、T1WI增強(qiáng)3種信號(hào)強(qiáng)度的直方圖中LYM的均勻性均大于高級(jí)別GBM，說(shuō)明LYM的灰階數(shù)值范圍小，而GBM的范圍相對(duì)大，GBM的異質(zhì)性相對(duì)于LYM更明顯，提示瘤內(nèi)存在更多的出血、囊變或壞死，這與LYM和GBM的病理以及生物學(xué)特性相符合。目前，孫振國(guó)等[25]用紋理分析鑒別原發(fā)性腦LYM與高級(jí)別GBM，其熵值、異質(zhì)性參數(shù)結(jié)合常規(guī)MRI平掃和增強(qiáng)表現(xiàn)，對(duì)鑒別原發(fā)性腦LYM與高級(jí)別GBM具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。本研究為鑒別兩種腫瘤提供了更多的參數(shù)。利用聯(lián)合T1WI增強(qiáng)偏度值、T1WI標(biāo)準(zhǔn)偏差、T2WI標(biāo)準(zhǔn)偏差得到的JV，鑒別兩種腫瘤的ROC曲線的AUC均大于任何單一T1WI、T2WI、T1WI增強(qiáng)直方圖參數(shù)，診斷效能較好，AUC為0.881，敏感性及特異性分別為80%、87.5%，表明聯(lián)合應(yīng)用3種信號(hào)的直方圖參數(shù)有更佳的診斷效能。

本研究存在一定的局限性，首先由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)LYM相對(duì)少見(jiàn)，本研究樣本量相對(duì)較少。第二，本研究沒(méi)有包括病灶的水腫區(qū)域，GBM不論級(jí)別均屬浸潤(rùn)性生長(zhǎng)的腫瘤，GBM細(xì)胞與白質(zhì)纖維高度的親和性在腫瘤生物學(xué)行為上表現(xiàn)為腫瘤沿白質(zhì)纖維的擴(kuò)散[26]，故在瘤周水腫及水腫外區(qū)域組織結(jié)構(gòu)的改變不僅是水腫，同時(shí)存在腫瘤細(xì)胞的浸潤(rùn)[27]，雖然GBM屬浸潤(rùn)性生長(zhǎng)腫瘤，但以浸潤(rùn)血管為主，對(duì)血腦屏障造成破壞為其主要改變，其對(duì)周圍白質(zhì)纖維以推移改變?yōu)橹?，浸?rùn)較少，周圍水腫為不同程度的血管源性水腫[28]，瘤周水腫可能對(duì)兩種腫瘤的鑒別有一定價(jià)值，以后可以進(jìn)一步深入研究。第三，本研究屬于回顧性研究，術(shù)后組織學(xué)診斷依據(jù)2007年WHO標(biāo)準(zhǔn)，而2016年WHO已經(jīng)發(fā)布了新的中樞神經(jīng)系統(tǒng)分類簡(jiǎn)述[29]，增加了分子學(xué)分型，在今后的研究中需要更多分子學(xué)特征來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

基于腫瘤全域ROI T1WI、T2WI及T1WI增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度直方圖可以為L(zhǎng)YM與GBM之間的鑒別提供更多信息，T1WI增強(qiáng)信號(hào)中偏度、均勻性以及T1WI、T2WI信號(hào)中標(biāo)準(zhǔn)偏差、方差具有良好的診斷價(jià)值，聯(lián)合應(yīng)用T1WI增強(qiáng)、T1WI、T2WI直方圖參數(shù)可提高對(duì)二者的鑒別診斷能力。