合成MRI技術(shù)研究基于弛豫時(shí)間的腦惡性腫瘤異質(zhì)性＊

姚婷語(yǔ) 李建婷 武文奇 張潤(rùn)梅 牛金亮,*

1.山西醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院 (山西 太原 030001)

2.山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院影像科 (山西 太原 030001)

腫瘤異質(zhì)性是指腫瘤內(nèi)與腫瘤間存在形態(tài)、功能差異的腫瘤細(xì)胞，在腦惡性腫瘤中普遍存在，表現(xiàn)為腫瘤細(xì)胞對(duì)化學(xué)藥物敏感性、浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移、生長(zhǎng)速度等生物學(xué)特性不同，與腫瘤發(fā)生發(fā)展、診療及預(yù)后密切相關(guān)[1-2]。目前擴(kuò)散加權(quán)成像、磁共振波譜、動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI等MRI功能成像方法是定量研究腦腫瘤異質(zhì)性的影像學(xué)方法，可以從水分子的擴(kuò)散能力、代謝產(chǎn)物的含量及微循環(huán)血流灌注等多角度分析腫瘤組織的生物學(xué)特點(diǎn)，全面分析腫瘤時(shí)間及空間的異質(zhì)性[3-7]。T1、T2弛豫時(shí)間和質(zhì)子密度(PD)是MRI描述組織的磁化強(qiáng)度矢量特性的基本參量，也是定量分析人體組織生物特性的關(guān)鍵指征,常規(guī)MRI掃描由于軟硬件條件制約，T1、T2弛豫時(shí)間無(wú)法應(yīng)用于臨床。合成MRI（synthetic magnetic resonance imaging，SyMRI）技術(shù)一次掃描就可以獲得組織的T1、T2及PD值，并能實(shí)時(shí)重建多種MRI加權(quán)圖像[8]，從而以弛豫時(shí)間的不同為定量地探討腫瘤組織的異質(zhì)性。本文選擇兩種較普遍的顱內(nèi)惡性腫瘤：高級(jí)別膠質(zhì)瘤(high grade glioma，HGG)和腦轉(zhuǎn)移瘤(brain metastasis，BM)，通過(guò)對(duì)SyMRI技術(shù)在腦惡性腫瘤中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 資料與方法

1.1 臨床資料對(duì)51名臨床診斷為HGG及BM的患者進(jìn)行了隨訪。本研究共納入20名HGG患者及31名BM患者，其中HGG患者男8名，女12名，平均年齡為17至67歲；BM患者男21名，女10名，平均年齡為25至70歲；7例為單發(fā)性BM，24例為雙發(fā)或多發(fā)BM，27例為肺癌，2例為乳腺癌，1例為腎癌，1例為子宮內(nèi)膜癌。

納入標(biāo)準(zhǔn)：經(jīng)組織活檢證實(shí)為 HGG或BM；全部患者都知情同意。排除標(biāo)準(zhǔn)：原發(fā)BM是惡性黑色素瘤；初次診斷，未接受放射治療或化學(xué)治療；影像品質(zhì)達(dá)不到診斷標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 檢查方法用3.0T超導(dǎo)型磁共振掃描儀(GE公司，3.0T Pioneer)頭部線圈掃描患者，頭部先進(jìn)，仰臥位。進(jìn)行頭顱SyMRI和常規(guī)序列平掃和增強(qiáng)掃描，造影劑為釓雙胺，劑量為0.1 mmol/kg，經(jīng)肘靜脈注射。SyMRI序列掃描參數(shù)：TR=4011ms，TE=20.4ms，F(xiàn)OV=24×24cm，層厚=6.0mm，層間距=1.0mm，NEX=1.00。常規(guī)序列掃描：T1FLAIR、T2WI、T2FLAIR平掃，T1FLAIR增強(qiáng)掃描。T1FLAIR掃描參數(shù)為：TR=2522.2ms，TE=18.3ms，F(xiàn)OV=24×24cm，NEX=1.00。T2WI掃描參數(shù)為：TR=4879ms，TE=105.4ms，F(xiàn)OV=24×24cm，NEX=1.00。T2FLAIR掃描參數(shù)為：TR=8000ms，TE=99.5ms，F(xiàn)OV=24×24cm，NEX=1.00。T1FLAIR增強(qiáng)掃描參數(shù)為：TR=2637ms，TE=24ms，F(xiàn)OV=24×24cm，NEX=1.00。常規(guī)序列掃描的層厚、層間距及解剖定位與SyMRI序列一致。

1.3 MRI圖像后處理與測(cè)量SyMRI序列掃描后，在主機(jī)上生成定量參數(shù)圖和重建T1FLAIR、T2FLAIR、T2WI等圖像上勾畫感興趣區(qū)(regions of interest,ROI)，腫瘤實(shí)質(zhì)ROI在腫瘤最大層面勾畫，并避開出血壞死、囊變區(qū)，瘤旁ROI在瘤體旁1cm內(nèi)的瘤周組織勾畫。所有ROI由兩名資深放射科醫(yī)師共同選擇，每個(gè)ROI測(cè)量3次，并取平均值。

1.3.1 SyMRI合成圖像與常規(guī)圖像腫瘤-瘤周對(duì)比度的測(cè)量 在SyMRI合成的MRI加權(quán)像和相應(yīng)的常規(guī)MRI序列圖像上勾畫 ROI后測(cè)量其信號(hào)強(qiáng)度SI。腫瘤-瘤周對(duì)比度=(SI腫瘤-SI瘤周)/SI瘤周。

1.3.2 HGG和BM腫瘤實(shí)質(zhì)及瘤周組織T1值、T2值、PD值及增強(qiáng)T1值的測(cè)量 在生成的定量參數(shù)圖上確定ROI，測(cè)量平掃T1值、T2值、PD值及增強(qiáng)T1值，計(jì)算腫瘤實(shí)質(zhì)增強(qiáng)前、后T1值變化的百分比，即(平掃T1值-增強(qiáng)T1值)/增強(qiáng)T1值×100%。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用SPSS 26.0軟件，對(duì)所有的測(cè)量值行方差齊性檢驗(yàn)和正態(tài)性檢驗(yàn)，若服從，則采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析SyMRI合成圖像及常規(guī)圖像腫瘤-瘤周對(duì)比度的差異，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析HGG和BM腫瘤實(shí)質(zhì)及瘤周組織各個(gè)參數(shù)的差異，測(cè)量數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。若不服從方差齊性檢驗(yàn)和正態(tài)性檢驗(yàn)，則采用Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)或Mann-Whitney U檢驗(yàn)進(jìn)行分析，測(cè)量數(shù)據(jù)用中位數(shù)(下四分位數(shù)，上四分位數(shù))表示。繪制受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC)，計(jì)算曲線下面積(area under ROC curve，AUC)，并分析各測(cè)量值對(duì)HGG和BM的鑒別診斷價(jià)值，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 SyMRI序列合成加權(quán)圖像與常規(guī)序列腫瘤-瘤周對(duì)比度的比較51例腦腫瘤平掃SyMRI-T2FLAIR和增強(qiáng)SyMRI-T1FLAIR腫瘤-瘤周對(duì)比度均高于相應(yīng)的常規(guī)MRI加權(quán)像，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＜0.05)。平掃SyMRI-T1FLAIR、SyMRI-T2WI與常規(guī)MRI加權(quán)像的腫瘤-瘤周對(duì)比度的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＞0.05)(見表1，圖1～圖4)。

圖1～圖4 同一BM患者增強(qiáng)掃描前的常規(guī)圖像與SyMRI圖像。圖1～圖2為常規(guī)MRI序列平掃的T2 FLAIR及增強(qiáng)T1 FLAIR，圖3～圖4為SyMRI-T2 FLAIR及增強(qiáng)SyMRI-T1 FLAIR。圖5～圖6 為HGG患者，男，55歲，圖7～圖8 為BM患者，男，48歲。從左至右分別為平掃SyMRI T1 MAP、增強(qiáng)T1 MAP。

表1 SyMRI合成圖像與常規(guī)圖像腫瘤-瘤周對(duì)比度差異的比較

2.2 HGG和BM患者腫瘤實(shí)質(zhì)及瘤周組織定量參數(shù)值比較HGG腫瘤實(shí)質(zhì)平掃T1值及增強(qiáng)前、后T1值變化百分比均大于BM，增強(qiáng)T1值小于BM，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＜0.05)。HGG瘤周組織平掃T1值小于BM，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。余定量參數(shù)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＞0.05)(見表2，圖5～圖8)。

表2 20例HGG患者和31例BM患者腫瘤實(shí)質(zhì)和瘤周組織增強(qiáng)前、后各參數(shù)的比較

2.3 定量參數(shù)值對(duì)HGG和BM的鑒別價(jià)值HGG和BM腫瘤實(shí)質(zhì)的平掃T1值、增強(qiáng)T1值、增強(qiáng)前、后T1值變化百分比以及HGG和BM瘤周組織的平掃T1值作為自變量，以HGG為因變量行多因素分析，表明腫瘤實(shí)質(zhì)增強(qiáng)T1值是鑒別HGG和BM的獨(dú)立影響因素(OR=1.010，95%CI=1.001～1.020，P=0.039)(見表3)。腫瘤實(shí)質(zhì)增強(qiáng)T1值的AUC為0.857(P=0.007，95%CI=0.696～1.000)，最佳截?cái)帱c(diǎn)為543.5ms，此時(shí)敏感度為76%，特異性為83.3%(見圖9)。

表3 HGG和BM患者的多因素Logistic回歸分析

圖9 HGG及BM腫瘤實(shí)質(zhì)增強(qiáng)T1值的ROC曲線

3 討論

3.1 SyMRI技術(shù)概述目前常規(guī)MRI診斷疾病是根據(jù)不同組織間的灰度對(duì)比，無(wú)法定量分析組織的T1、T2、PD值[9]。與常規(guī)定量MRI掃描的多回波自旋加權(quán)序列相比，SyMRI技術(shù)采取了多回波多延遲飽和恢復(fù)自旋回波序列，采集時(shí)間約為4至6分鐘，一次掃描可以獲得5種組織的定量值：T1、T2、R1、R2、PD值。而R1和R2兩個(gè)定量圖譜可合成10個(gè)不同的對(duì)比加權(quán)像，包括T1W、T2W、PDW、T1W FLAIR、T2W FLAIR、短時(shí)間反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列、雙翻轉(zhuǎn)白質(zhì)成像序列、雙翻轉(zhuǎn)灰質(zhì)成像序列(double inversion recovery whitematter，DIR WM)、相位敏感翻轉(zhuǎn)恢復(fù)成像序列、相位敏感翻轉(zhuǎn)恢復(fù)亮血成像，以上加權(quán)圖像能夠在SyMRI成像的基礎(chǔ)上借助調(diào)節(jié)回波時(shí)間(TE)，重復(fù)時(shí)間(TR)和反轉(zhuǎn)時(shí)間(TI)計(jì)算生成，避免了掃描參數(shù)設(shè)置不一致帶來(lái)的差異[10]。

3.2 SyMRI技術(shù)加權(quán)圖像腫瘤-瘤周對(duì)比度分析本研究結(jié)果表明，平掃SyMRI-T2FLAIR和增強(qiáng)SyMRI-T1FLAIR的腫瘤-瘤周對(duì)比度均高于常規(guī)MRI加權(quán)圖像，說(shuō)明SyMRI在顯示病灶方面優(yōu)于常規(guī)MRI?？赡艿脑蚴荢yMRI重建的對(duì)比加權(quán)圖像是借助一次掃描后計(jì)算TE、TR、TI生成的，比常規(guī)MRI顯示病灶更靈敏。研究表明，SyMRI-DIR WM圖像得以同時(shí)抑制脂肪、腦脊液信號(hào)，增強(qiáng)局部組織間的對(duì)比度，圖像具備更高的對(duì)比度和對(duì)比噪聲比，病灶顯示效果更好[11]。

3.3 SyMRI技術(shù)定量參數(shù)對(duì)腦腫瘤異質(zhì)性的研究在腦惡性腫瘤異質(zhì)性的研究中，擴(kuò)散加權(quán)成像的表觀擴(kuò)散系數(shù)與HGG腫瘤細(xì)胞密度及Ki-67表達(dá)呈負(fù)相關(guān)[3]，進(jìn)一步通過(guò)體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)成像發(fā)現(xiàn)腫瘤D和f值與Ki-67表達(dá)呈中度負(fù)相關(guān)[4],可用于評(píng)價(jià)腫瘤惡性程度。磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)研究發(fā)現(xiàn)Cho/Cr、NAA/Cr、NAA/Cho在不同分級(jí)膠質(zhì)瘤間存在差異，膠質(zhì)瘤瘤體實(shí)性區(qū)域各代謝物比值與Ki-67顯著相關(guān)，表明MRS可用于膠質(zhì)瘤的分級(jí)及反映腫瘤細(xì)胞的增殖性[12]。動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI研究表明初始強(qiáng)化率對(duì)界定腦膠質(zhì)瘤級(jí)別具有較高的敏感性及特異性[7]。磁敏感加權(quán)成像研究發(fā)現(xiàn)HGG磁敏感信號(hào)分級(jí)高于低級(jí)別組，可用于膠質(zhì)瘤的分級(jí)評(píng)估[13]。MRI灌注加權(quán)成像研究表明腦血容量可作為鑒別高低級(jí)別膠質(zhì)瘤的生物學(xué)指標(biāo)[14]。

T1、T2弛豫時(shí)間和質(zhì)子密度(PD)是MRI描述組織磁化矢量特性的基本參數(shù)，其中T1、T2弛豫時(shí)間主要受腦組織細(xì)胞外水含量的影響，而PD值主要受組織質(zhì)子含量的影響[15-16]。本研究中，HGG腫瘤實(shí)質(zhì)平掃T1值大于BM，這可能是鑒于HGG腫瘤實(shí)質(zhì)內(nèi)血供豐富[17]，腫瘤微血管密度高，通透性較高，細(xì)胞外水分子的比例增加，從而致使T1值升高。HGG瘤周組織平掃T1值小于BM，可能BM瘤周為血管源性水腫[18]，而HGG瘤周的浸潤(rùn)性水腫含有大量瘤細(xì)胞，單位體積內(nèi)水分子比例減小，T1值降低[19-20]。本研究中，HGG腫瘤實(shí)質(zhì)增強(qiáng)T1值小于BM、腫瘤實(shí)質(zhì)增強(qiáng)前后T1值變化百分比大于BM，可能是HGG破壞血腦屏障，在原有的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提高細(xì)胞間隙釓含量，縮短T1值比BM更明顯。本研究HGG與BM的腫瘤實(shí)質(zhì)及瘤周組織的T2、PD值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

本研究的局限性在于僅對(duì)BM和HGG進(jìn)行了弛豫時(shí)間的定量分析，其他顱內(nèi)惡性腫瘤的異質(zhì)性有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，平掃SyMRI-T2FLAIR及增強(qiáng)SyMRI-T1FLAIR在顯示腦部惡性腫瘤方面優(yōu)于常規(guī)的MRI序列加權(quán)成像。SyMRI定量參數(shù)值能夠借助弛豫時(shí)間的差異評(píng)價(jià)腦惡性腫瘤的異質(zhì)性，為臨床診斷、治療和預(yù)后評(píng)估予以影像學(xué)信息。