基于直方圖分析法定量評估DCE-MRI在腦膠質(zhì)瘤分級診斷中的價(jià)值

南海燕，顏林楓，張欣，楊洋，韓宇，王文，崔光彬

腦膠質(zhì)瘤是成人最常見的顱內(nèi)原發(fā)性腫瘤，發(fā)病率較高，占中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的40%～50%，并且呈逐年上升的趨勢。按世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)2007年標(biāo)準(zhǔn)將其分為低級別(Ⅰ、Ⅱ級)與高級別(Ⅲ、Ⅳ級)，不同級別的膠質(zhì)瘤治療方案和預(yù)后截然不同，惡性度越高預(yù)后越差[1-2]。因此，早期術(shù)前分級診斷對患者預(yù)后十分重要。腫瘤的惡性程度與微血管密度和通透性密切相關(guān)[3]，磁共振動態(tài)對比增強(qiáng)(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)通過動態(tài)監(jiān)測對比劑在人體內(nèi)代謝的過程，能夠獲得反映腦腫瘤組織的灌注和微循環(huán)通透性等特性的定量參數(shù)，可用于腦腫瘤良惡性的鑒別、術(shù)前分級和療效評估等[4-5]。然而，大多數(shù)研究將腫瘤的部分區(qū)域作為感興趣區(qū)(region of interest，ROI)進(jìn)行定量分析，未考慮腦腫瘤本身的異質(zhì)性。本研究采用直方圖分析法對整個腫瘤進(jìn)行定量分析，以期評估DCE-MRI對腦膠質(zhì)瘤術(shù)前分級診斷的價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 一般材料

本研究采集2014年1月至2016年3月空軍軍醫(yī)大學(xué)(第四軍醫(yī)大學(xué))唐都醫(yī)院疑似腦膠質(zhì)瘤患者的MR資料，納入MR檢查后2周內(nèi)完成手術(shù)，且經(jīng)術(shù)后病理證實(shí)為腦膠質(zhì)瘤的患者120例，男66例，女54例，年齡2～87歲，平均年齡49.2歲。按照 2007年WHO標(biāo)準(zhǔn)病理，低級別膠質(zhì)瘤(Ⅰ、Ⅱ級)28例、高級別膠質(zhì)瘤(Ⅲ、Ⅳ級)92例。病理類型包括膠質(zhì)母細(xì)胞瘤62例、膠質(zhì)肉瘤1例、間變性星形細(xì)胞瘤7例、間變性少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤5例、間變性少突星形細(xì)胞瘤17例、彌漫性星形細(xì)胞瘤11例、少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤2例、少突星形細(xì)胞瘤11例、多形性黃色星形細(xì)胞瘤1例、毛細(xì)胞星形細(xì)胞瘤2例、節(jié)細(xì)胞膠質(zhì)瘤1例。經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，所有患者均于MR檢查前簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

采用GE Discovery 750 3.0 T超導(dǎo)MR掃描儀，8通道頭線圈。常規(guī)掃描序列包括T1WI、T2WI及液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)(fluid attenuated inversion recovery，F(xiàn)LAIR)。參數(shù)如下：T1WI：TR=1750 ms，TE=24 ms，矩陣256×256，激勵次數(shù)1，層厚=5 mm，層間距=1.5 mm，視野=24 cm×24 cm；T2WI：TR=4247 ms，TE=93 ms，矩陣24×24，激勵次數(shù)1，層厚=5 mm，層間距=1.5 mm；FLAIR：TR=8000 ms，TE=165 ms，矩陣24×24，激勵次數(shù)1，層厚=5 mm，層間距=1.5 mm。

DCE采用動態(tài)T1加權(quán)梯度回波掃描序列：翻轉(zhuǎn)角12°，單次掃描時間4 s，共50期，動態(tài)增強(qiáng)掃描時間共 200 s，動態(tài)增強(qiáng)掃描第4個動態(tài)增強(qiáng)時相結(jié)束后，高壓注射器同步靜脈注射釓雙胺對比劑歐乃影(Omniscan，GE Healthcare)，注射速率2 ml/s，注射劑量0.2 mmol/kg。DCE結(jié)束后，采集T1WI增強(qiáng)圖像(T1 contrast enhanced，T1CE)。

1.3 圖像分析

采用動態(tài)對比增強(qiáng)定量軟件(NordicICE，Version 4.0，Nordic-Neuro Lab，Bergen，Norway)對DCE進(jìn)行圖像分析。NordicICE軟件自動識別頸總動脈內(nèi)血流信號，利用固定的T1值(1000)完成亮度信號到血流濃度的轉(zhuǎn)換，最終繪制出動脈輸入函數(shù)(arterial input function，AIF)。采用軟件中藥代動力學(xué)模型Extended Toft雙室模型擬合計(jì)算DCE滲透性參數(shù)和T1灌注去卷積模型計(jì)算灌注參數(shù)，包括轉(zhuǎn)運(yùn)常數(shù)(volume transfer constant，Ktrans)、部分細(xì)胞外血管外間隙容量(volume fraction of extravascular extracellular space，Ve)、血液回流常數(shù)(reflux constant，Kep)、血漿容積(fractional plasma volume，Vp)和時間濃度曲線對比劑首過的曲線下面積(initial area under gadolinium concentration time curve，IAUGC)、腦血流量(cerebral blood flow，CBF)及平均通過時間(mean transit time，MTT)。自動完成DCE參數(shù)圖像與結(jié)構(gòu)相(T1CE、FLAIR)的配準(zhǔn)，基于FLAIR和T1CE勾畫整個腫瘤病灶的邊界為ROI，排除囊變、壞死和血管區(qū)域?；隗w素的直方圖分析，取大于0的體素值，最終計(jì)算出各個參數(shù)的平均值(mean)、中位數(shù)(median)、最大值(max)、第75百分位數(shù)(75th)、90百分位數(shù)(90th)、95百分位數(shù)(95th)、峰度(kurtosis)、偏度(skewness)、能量(energy)、熵(entropy)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對不同級別膠質(zhì)瘤的組間比較，采用非配對t檢驗(yàn)或非參數(shù)Man-Whitney U檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義者，進(jìn)一步應(yīng)用受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線進(jìn)行分析，找出不同級別膠質(zhì)瘤鑒別診斷的閾值，分別計(jì)算其曲線下面積(area under the curve，AUC)、敏感度、特異度、似然比。所有分析采用GraphPad Prism 5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果

2.1 臨床資料

患者臨床資料和流行病學(xué)特征(表1)顯示，患者年齡在兩組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，高級別膠質(zhì)瘤(high grade glioma，HGG)患者年齡高于低級別膠質(zhì)瘤(low grade glioma，LGG)。性別和發(fā)生部位在兩組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，幕上病變占97%，幕下病變僅占3%。

2.2 高、低級別膠質(zhì)瘤DCE參數(shù)的平均值的組間比較

比較92例高級別膠質(zhì)瘤與28例低級別膠質(zhì)瘤的DCE參數(shù)的平均值(表2)，結(jié)果顯示滲透性參數(shù)Kep、Ktrans、Ve和灌注參數(shù)IAUGC、MTT差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，而滲透性參數(shù)Vp和灌注參數(shù)CBF在兩組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。1例Ⅱ級膠質(zhì)瘤患者(LGG)和1例Ⅳ級膠質(zhì)瘤患者(HGG)具有顯著差異的DCE參數(shù)圖見圖1，HGG患者的IAUGC、Kep和MTT參數(shù)值較LGG患者低，而Ktrans和Ve參數(shù)值HGG較LGG患者明顯增高。

2.3 高、低級別膠質(zhì)瘤DCE參數(shù)的ROC曲線分析

基于病變內(nèi)體素的平均值完成DCE參數(shù)的ROC曲線分析(圖2)，結(jié)果顯示對鑒別高、低級別膠質(zhì)瘤具有診斷效能(P＜0.05)，診斷價(jià)值。其中，以的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異最顯著(P＜0.001)，AUC值分別為0.855(敏感度：76.09 %，特異度：67.86%，診斷閾值：73.89)和0.775(敏感度：60.87%，特異度：85.71%，診斷閾值：14.81)。

表1 患者的基線資料Tab.1 Patients’ general information

續(xù)表1 患者的基線資料Tab.1 (Cont) Patients’ general information

表2 高、低級別膠質(zhì)瘤DCE參數(shù)mean的比較Tab.2 Mean value comparison of DCE parameters between low grade glioma and high grade glioma

表3 DCE直方圖參數(shù)的ROC曲線分析和AUC比較Tab.3 ROC analysis of histogram features and the comparison of AUC

圖1 LGG和HGG患者的DCE參數(shù)圖Fig. 1 The DCE parametric images for representative LGG and HGG patients

圖2 DCE參數(shù)的ROC 曲線分析Fig. 2 ROC analysis of DCE parameters

2.4 高、低級別膠質(zhì)瘤DCE直方圖參數(shù)的ROC曲線分析

對有診斷意義的DCE參數(shù)做ROC曲線分析(表3)，比較其各個直方圖參數(shù)的AUC值。與常規(guī)參數(shù)mean相比，IAUGC75th，90th，95th、Ktransmedian，75th，90th和的AUC值較高，其他直方圖參數(shù)的AUC值無明顯提高。

3 討論

DCE-MRI是T1WI的灌注成像，對比劑的順磁性效應(yīng)增強(qiáng)了鄰近質(zhì)子的弛豫，能夠引起短T1信號改變，但由于不同組織的基礎(chǔ)信號差異較大，使由時間信號強(qiáng)度曲線計(jì)算得到的半定量參數(shù)在不同MR掃描中不易比較。為了獲得DCE定量參數(shù)，基于不同的藥代動力學(xué)模型計(jì)算出相應(yīng)的濃度-時間曲線，可反映不同性質(zhì)、不同組織類型病灶的血流動力學(xué)特征，能有效評估活體組織的血流灌注情況和血管滲透性。目前廣泛應(yīng)用的是Toft等提出的雙室動力學(xué)模型，雙室代表微血管和血管外細(xì)胞外間隙。本研究采用Toft改良模型extended Toft，假設(shè)微血管容積較大，最終計(jì)算出滲透性參數(shù)Ktrans、Kep、Ve、Vp以及非藥代動力學(xué)模型依賴的灌注參數(shù)IAUGC、CBF、MTT。本研究證實(shí)滲透性參數(shù)Ve、Ktrans、Kep和灌注參數(shù)IAUGC對高、低級別膠質(zhì)瘤具有鑒別診斷的價(jià)值，其中診斷效能最高者是IAUGC，AUC值為0.855?；隗w素的直方圖分析法提示，部分直方圖參數(shù)對鑒別診斷高、低級別膠質(zhì)瘤的診斷效能較常規(guī)平均值有所提高，與Ktransmean相比，Ktrans75th的AUC值提升幅度最大，而直方圖參數(shù)中AUC值最大者為IAUGC95th，較IAUGCmean的AUC值有所增高。

以往研究認(rèn)為DCE參數(shù)在膠質(zhì)瘤分級診斷中具有重要價(jià)值。Zhao等[6]的研究顯示Ve診斷效能最高，而Ktrans和Kep是最敏感和特異性最高的指標(biāo)。Choi等[7]也證實(shí)Ktrans和Ve對膠質(zhì)瘤分級有重要作用，兩者的作用無明顯差異。Jain等[8]證實(shí)DCE的灌注參數(shù)rCBV能夠預(yù)測膠質(zhì)瘤分級。Brendle等[9]證實(shí)Ktrans、Ve和DCE灌注參數(shù)CBF可有效區(qū)分高、低級別膠質(zhì)瘤。與此一致，筆者也認(rèn)為DCE滲透性和灌注參數(shù)對膠質(zhì)瘤分級診斷都具有重要的價(jià)值，其中灌注參數(shù)IAUGC的診斷效能最高，滲透性參數(shù)Ktrans、Ve效能次之。IAUGC被定義為對比劑首次通過血管的時間濃度曲線下面積，因IAUGC不受藥代動力學(xué)模型的影響，能全面反映血流、血管通透性和血管細(xì)胞外間隙等成分[10]。與本研究結(jié)果相似，部分研究認(rèn)為IAUGC是評價(jià)膠質(zhì)瘤生存最有效的指標(biāo)[11-12]，但也顯示，IAUGC在區(qū)別Ⅲ級和Ⅳ級膠質(zhì)瘤時，不如Ktrans和Vp的效能高[11]，可能由于該研究測量的是整個時間濃度曲線下的面積，而本研究采用時間濃度曲線的第一個波峰下的面積，能更精準(zhǔn)地反映對比劑首次通過血管的灌注信息，更適用于腫瘤的臨床診斷。另外，DCE可用于評估不成熟的微血管密度[13]，DCE灌注參數(shù)與腫瘤的微血管密度(microvascular density，MVD)、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表達(dá)相關(guān)，而Ktrans等滲透參數(shù)與VEGF表達(dá)的相關(guān)性更強(qiáng)[14-15]。由于腦膠質(zhì)瘤的生物學(xué)特性與腫瘤性新生血管密度和通透性密切相關(guān)，新生血管也是腦膠質(zhì)瘤分級的重要因素之一，因此，DCE滲透性參數(shù)能有效評估不同級別的膠質(zhì)瘤，然而在不同研究中各參數(shù)的診斷閾值存在差異，不同藥代動力學(xué)模型的診斷效能也表現(xiàn)不一。

為進(jìn)一步提高診斷效能，本研究證實(shí)直方圖分析的Ktrans、Kep、IAUGC等DCE參數(shù)在一定程度上可以提高膠質(zhì)瘤分級診斷的效能。直方圖法是基于病變內(nèi)不同的體素值進(jìn)行分析的方法，能夠反映病變內(nèi)腫瘤細(xì)胞的不均質(zhì)性。研究發(fā)現(xiàn)，基于直方圖分析的磁共振定量參數(shù)有助于提高膠質(zhì)瘤的診斷效能[16-18]。Falk等[19]證實(shí)，Ktrans的偏度能有效鑒別Ⅱ、Ⅲ級膠質(zhì)瘤。Jung等[20]發(fā)現(xiàn)Ktrans的第98百分位數(shù)有助于膠質(zhì)瘤的分級診斷。與其他研究不同，本研究基于較大的樣本量和extended Toft的改良模型，結(jié)合灌注和滲透參數(shù)研究直方圖參數(shù)對區(qū)分高、低級別膠質(zhì)瘤的診斷價(jià)值，發(fā)現(xiàn)IAUGC95th是膠質(zhì)瘤分級診斷最有效的指標(biāo)，較Ktrans75th的診斷效能高。

本研究仍存在不足：首先，由于受到高、低級別膠質(zhì)瘤發(fā)病率的影響，低級別組患者數(shù)量遠(yuǎn)低于高級別膠質(zhì)瘤數(shù)量，造成分組不均勻；其次，病理送檢組織僅為部分病灶，很難真正做到影像表現(xiàn)與病理結(jié)果的一一對比分析。

總之，基于直方圖分析法的DCE參數(shù)有助于膠質(zhì)瘤的分級診斷，對膠質(zhì)瘤的臨床診斷具有重要的參考價(jià)值。IAUGC較Ve、Ktrans、Kep等滲透性參數(shù)的診斷效能高，IAUGC的第95百分位數(shù)對于鑒別高、低級別膠質(zhì)瘤具有更高的診斷效能。