單指數、雙指數、拉伸指數模型DWI在膠質瘤術前分級中的應用

郝鳳玲，吳慧，牛廣明

根據世界衛生組織中樞神經系統分級標準，膠質瘤分為低級別膠質瘤(Ⅰ、Ⅱ級)和高級別膠質瘤(Ⅲ、Ⅳ級)。準確評估膠質瘤等級對于膠質瘤患者治療方式的選擇及預后至關重要。隨著磁共振技術的發展，基于擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)等一系列物理模型在微觀水平上能夠為膠質瘤的術前分級提供更多可靠的信息。本研究通過單指數、雙指數、拉伸指數模型DWI所得參數對膠質瘤進行分級，分析各參數診斷效能，評價灌注參數與血流量(cerebral blood flow，CBF)的相關性。

1 材料與方法

1.1 研究對象

收集2017年3月至2018年7月在我院神經外科就診的腦膠質瘤患者34 例，包括WHOⅡ級17例，WHO Ⅲ～Ⅳ級17例。其中男性22例，女性12例，年齡15～69歲，平均46歲。納入標準：(1)通過手術病理診斷為膠質瘤的患者；(2)檢查前患者未經手術、放化療及其他治療手段；(3)行常規平掃、增強掃描、3D動脈自旋標記成像(three demensional arterial spin labeling，3D ASL)、多b值DWI序列。排除標準：(1)未能獲得病理結果者；(2)圖像質量不能求滿足需求者(如運動、假牙等產生的偽影)；(3)瘤體實性部分太小、囊變壞死較大者及測量不準確者。

1.2 成像序列及參數

采用GE Discovery MR 750 3.0 T超導型磁共振成像儀、8通道頭顱相控陣線圈進行掃描。多b值DWI采用0、10、20、40、80、140、200、400、800、1000、2000、3000 s/mm2共12組b值。TR/TE：5000 ms/84.4 ms，層厚/層間距：5.0 cm/1.5 cm，層數：22層，視野：24 cm×24 cm，掃描時間：8 min 25 s。3D ASL是采用三維容積掃描，TR/TE：5327 ms/10.5 ms，TI：2525.0 ms，視野：24 cm×24 cm，層厚/層數：4.0 cm/36層，帶寬：62.5 kHZ，標記延遲時間：2.0 s，掃描時間：3 min 44 s。

1.3 圖像后處理及感興趣區的選取

由一位高年資放射科醫師將DWI、多b值DWI及3D ASL的原始數據導入GEAW4.6工作站，利用Functool后處理工具包中的MADC、3D ASL后處理軟件對數據進行處理。結合T1WI增強及T2加權成像，繪制腫瘤實性區域感興趣區(region of interes，ROI)(圖1、2)，并選擇最大層面及上下相鄰層面，避免囊變、壞死、出血及鈣化區，取三者平均值。根據單指數模型公式(1)：Sb/S0=exp (-b×ADC)，采用b值為0、1000 s/mm2擬合得到表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)，根據雙指數模型公式(2)：Sb/S0=(1-f)?exp (-bD)+f?exp [-b (D+D*)]及拉伸指數模型公式(3)：Sb/S0=exp [-(b×DDC)α]，采用從低到高12組b值擬合得到D、D*、f、分布擴散系數(distribute diffusion coefficient，DDC)及水分子各向異性(alpha，α)值。使用3D ASL后處理軟件得到CBF值。

1.4 統計學分析

使用SAS9.4統計軟件進行數據處理，結果以均數±標準差來表示。采用兩獨立樣本t檢驗比較高、低級別膠質瘤組之間ADC、D、D*、f、DDC、α值的差異，P＜0.05表示差異有統計學意義。作各參數在鑒別高、低級別膠質瘤的受試者工作特性(receiver operating charactsteristic，ROC)曲線，計算曲線下面積(area under curve，AUC)，得出診斷的臨界值。所有研究者的D*與CBF間值采用Spearman相關性分析，P＜0.05認為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 膠質瘤病理組織分型

結合HE染色及免疫組化病理診斷，將收集到的34例膠質瘤患者分為低級別(Ⅱ級)膠質瘤17例(包括星形細胞瘤8例、少突膠質細胞瘤5例、少突-星形細胞瘤1例、纖維型星形細胞瘤1例、彌漫型星形細胞瘤2例)和高級別(Ⅲ～Ⅳ級)膠質瘤17例(包括Ⅲ級7例：間變型少突膠質瘤細胞瘤3例、間變型星型細胞瘤2例、星型細胞瘤1例、少突神經膠質細胞瘤1例；Ⅳ級10例：膠質母細胞瘤9例、多形性膠質母細胞瘤1例)。

2.2 各模型所得參數結果

表1 ADC、D、f、D*、DDC及α值組間差異比較Tab. 1 The comparison of ADC, D, f, D*, DDC and α vaules between two groups

高級別膠質瘤組ADC、D、f、DDC、α值低于低級別膠質瘤組，D*值高于低級別膠質瘤組，且差異均有統計學意義(P＜0.05，表1、圖1、2)。

圖1 男，39歲，病理結果證實為右額葉少突膠質細胞瘤。A：T2WI；B：T1WI增強掃描；C～H的偽彩圖分別是ADC、D、D*、f、DDC、α圖，所選ROI的值分別為：1.32×10-3 mm2/s、0.949×10-3 mm2/s、2.85×10-3 mm2/s、0.423%、1.24×10-3 mm2/s、0.923；I：HE染色圖Fig. 1 A 39-year-old male patient with pathology confirmed right frontal lobe oligodendroglioma. A: T2WI; B: T1WI enhanced scan; the pseudo-color maps of C—H are ADC, D, D*, f, DDC, and ɑ maps, respectively. The values of the selected ROI were: 1.32×10-3 mm2/s, 0.949×10-3 mm2/s, 2.85×10-3 mm2/s, 0.423%, 1.24×10-3 mm2/s, 0.923, respectively; I: HE staining map.

表2 ADC、D、f、D*、DDC及α值在高、低級別膠質瘤的ROC比較Tab. 2 The comparison of ROC in ADC, D, f, D*, DDC and α vaules between high and low grade gliomas

2.3 相關性分析

利用Spearman相關性分析得出：所有研究者D*與CBF值之間呈正相關(r=0.51，P＜0.05)。

2.4 ROC曲線

各模型所得參數ROC曲線結果見表2、圖3。α、D、DDC、ADC均具有較高診斷效能，其AUC分別為0.969、0.965、0.961、0.957，診斷閾值分別為0.88×10-3mm2/s、0.86×10-3mm2/s、1.10×10-3mm2/s、1.11×10-3mm2/s。

3 討論

3.1 三種模型的引入

單指數模型DWI是基于水分子信號衰減單一的情況下定量計算出反映組織內水分子擴散狀態的ADC值，其與腫瘤細胞增殖情況負相關。然而，ADC值所反映的擴散還包括了一部分灌注的干擾。1986年，Bihan等[1]提出了體素內不相干運動的概念，將組織內的水分子運動假設為細胞內外的慢擴散，和血管內外的快擴散即反映微循環灌注成分。通過雙指數模型擬合算法得到灌注參數：假性擴散系數(fast ADC，D*)、灌注分數(fraction of perfusion，f)及真性擴散系數(slow ADC，D)，可以將毛細血管網及細胞內外水分子運動分開，從而得到真正的擴散成分。然而Bennett等[2]認為雙指數模型過于理想、簡單化，未考慮到一些客觀因素如渦流、相位移動等的影響。為了更大程度地探索組織內水分子微觀特性，他們引入了另一種用于描述組織內水分子連續分布擴散情況及組織異質性的物理模型即拉伸指數模型，得到分布擴散系數及水分子各向異性。目前國內外關于單指數、雙指數模型DWI成像已有不少研究，單指數模型DWI逐漸成為常規檢查，雙指數模型中的灌注參數D*及f值目前尚有爭議，而關于拉伸指數模型DWI亦有少量文獻應用于膠質瘤術前分級中。

圖2 患者，男，64歲，病理結果證實為右顳葉膠質母細胞瘤。A：常規T2WI，病變周圍可見大片狀水腫；B：T1WI增強掃描，病變呈明顯環形強化；C～H的偽彩圖分別是ADC、D、D*、f、DDC、α圖，所選ROI值分別為：0.745×10-3 mm2/s、0.474×10-3 mm2/s、8.23×10-3 mm2/s、0.325%、0.78×10-3 mm2/s、0.679；I：HE染色圖，其內可見核分裂及異型Fig. 2 A 64-year-old male patient with pathology confirmed right temporal lobe glioblastoma. A: Routine T2WI with large edema around the lesion; B: T1-enhanced scan, lesion with obvious ring enhancement; the pseudo-color maps of C—H are ADC, D, D*, f, DDC, and ɑ maps, respectively. The values of the selected ROI were: 0.745×10-3 mm2/s, 0.474×10-3 mm2/s, 8.23×10-3 mm2/s, 0.325%, 0.78×10-3 mm2/s, 0.679, respectively; I: HE staining map in which nuclear fission and nuclear atypia are seen.

圖3 ADC、D、D*、f、DDC及α鑒別高低級別膠質瘤的ROC曲線Fig. 3 The ROC curve of ADC, D, D*, f, DDC and α in identifying high and low grade gliomas.

3.2 擴散參數及擴散異質性指數在膠質瘤分級中的討論

通過以上3種模型可以得到擴散參數ADC、D、DDC及擴散異質性參數α值。通過比較兩組ADC、D值的差異，得出高級別膠質瘤的ADC、D值較低，且D值低于ADC值，這與以往研究相似[3]，且D值的AUC高于ADC值。D和ADC值均能間接反映組織中水分子的布朗運動，高細胞密度會阻礙水分子自由擴散，因此惡性程度高的膠質瘤兩者均低。但兩者不同的是，D值能剔除快速擴散成分的影響，從而反映組織的真實擴散[4]。此外，通過比較各模型偽彩圖還可以發現D圖在顯示腫瘤范圍有較好對比度。

本研究還發現高級別膠質瘤的DDC、α值顯著低于低級別膠質瘤，這與Bai等[5]、劉志成等[6]、Kwee等[7]的研究結果相似。DDC是拉伸指數模型中反映擴散的參數，代表體素的平均擴散率，是ADC值的加權和，它能克服雙指數模型關于快、慢擴散假設的局限，可用于反映膠質瘤擴散特征，與腫瘤密度負相關，有研究還得出DDC值與Ki-67呈負相關[8]。α值是通過拉伸指數模型引入的另一個反映組織的異質性的參數，范圍0～1，越接近0，表示組織越不均質。高級別膠質瘤因為它們具有更多組織異質性，如異型的細胞及增生的血管等，因此擴散異質性更高，α值更低。

3.3 灌注參數在膠質瘤分級中的討論及相關性分析

通過雙指數模型得出的另外兩個參數可以反映血流灌注，D*值代表的是體素內毛細血管灌注相關成分，主要取決于血流量，f值是灌注分數，主要受血容量影響。D*和f值均與微循環灌注相關，有研究證實[9-10]它們與3D ASL等灌注成像中的灌注參數相關。從理論上講，高級別膠質瘤的D*和f值均應高于低級別膠質瘤，本研究得到的D*值的統計結果也符合高級別膠質瘤的富血供生物學特性，這與Bisdas等[11]、林園凱等[12]研究相似，而f值卻在高級別膠質瘤中低。分析高級別膠質瘤f值較低的原因除與b值設定、入選病例有關，它還與回波時間有關[13]。此外，可能由于高級別膠質瘤腫瘤細胞密度較高，導致細胞間質微血管受壓，也會導致其f值降低。因此，f值雖然理論上也反映微循環灌注，但其還有一定局限性，有研究[4，14]得出f與CBF值無相關性或呈負相關，也有研究得出[15]f值在高、低級別膠質瘤組間差異并無統計學意義。本研究相關性結果表明灌注參數D*與CBF值呈正相關，這與林園凱等[12]研究類似，但二者相關性較弱，分析原因可能是由于D*低信噪比，容易受到腦脊液、小血管等影響，穩定性較差造成的。因此，筆者認為D*值雖然可以一定程度上反映腫瘤血流灌注，但是仍然值得去探索研究。

3.4 三種模型所得參數的ROC分析

在膠質瘤分級中，筆者在對所得參數進行ROC曲線分析時得出：α值的診斷效能最好，AUC為0.969，靈敏度及特異度分別為93%和94%，有學者[5]也得出類似結論。本研究還得出：D與DDC值診斷效能接近，均稍高于ADC值，這說明雙指數與拉伸指數模型也可真實反映膠質瘤DWI信號的衰減方式。

3.5 本研究的不足之處

本研究存在的問題首先是入選病例樣本量小、說服力不足，仍需進一步收集病例來驗證本次初步研究結果的可靠性。其次，腫瘤內可能包含不同級別的腫瘤成分(如膠質瘤Ⅱ～Ⅲ級或Ⅱ～Ⅳ級)，病理上也很難區分，這可能是本研究D、DDC、ADC值診斷效能接近的最主要原因，為了避免這種情況的發生，應該盡量排除這樣的病例。

總之，單指數、雙指數及拉伸指數模型DWI能從灌注和擴散異質性方面反映膠質瘤的微觀特性，從而為膠質瘤術前的準確分級提供更有價值的信息。

利益沖突：無。