磁共振成像掃描序列在腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤鑒別診斷中的價值分析

張 媛 李彥龍* 劉連鋒 張 濤 張 飛 馬旭陽 唐敏麗 呂 琳

膠質母細胞瘤和腦轉移瘤是目前臨床上常見的惡性腫瘤之一，若腦轉移瘤僅僅為單發病灶或者無法找出原發腫瘤時，腦轉移瘤的影像學表現與高級別的膠質母細胞瘤極其相似，具有較高的鑒別難度[1]。目前，臨床上診斷腦腫瘤的輔助檢查主要是磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)，包括常規MR平掃、MR灌注成像、彌散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)以及動態對比增強磁共振成像(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)。然而，通過MRI檢查鑒別膠質母細胞瘤和腦轉移瘤具有較大的主觀性[2-5]。

近年來，影像紋理分析越來越成為圖像量化的研究熱點，其有助于通過研究醫學圖像的灰階信息，包括體素間空間、灰度分布等關系，獲得更多肉眼無法直接觀察到的圖像信息[6]。因此，本研究分析磁共振掃描序列T1液體衰減反轉恢復(fluid attenuated inversion recovery，FLAIR)序列、T2加權成像(T2weighted imaging，T2WI)、T2FLAIR序列、DWI和增強T1WI在腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤鑒別診斷中的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性選取2014年1月至2018年12月延安大學咸陽醫院收治并由病理或者臨床確診的40例腦膠質母細胞瘤患者資料，以及50例腦單發轉移瘤患者資料。在40例腦膠質母細胞瘤患者中男性31例，女性9例；年齡23～69歲，平均年齡(53.54±10.45)歲。在50例腦單發轉移瘤患者中男性34例，女性16例；年齡為35～75歲，平均年齡(60.41±11.35)歲；其中原發腫瘤肺癌29例，胃腸道腫瘤8例，乳腺癌腫瘤5例，腎癌3例，鼻咽癌2例，胰腺癌3例。40例腦膠質母細胞瘤患者以及28例腦單發轉移瘤患者均由病理學確診；22例腦單發轉移瘤患者初檢時頭顱MR未見明顯異常，復查后可見新病灶。所有受檢者進行MR平掃及增強檢查(T1FLAIR、T2WI、T2FLAIR、DWI和增強T1WI)。

1.2 納入與排除標準

(1)納入標準：①經手術病理證實為腦膠質母細胞瘤；②所有患者均接受MR平掃和增加檢查；③所有患者均自愿簽署知情同意書；

(2)排除標準：①合并其他腫瘤患者；②影像圖像質量不佳；③對造影劑過敏者。

1.3 儀器設備

采用Verio型3.0T磁共振儀(德國Siemens公司)。

1.4 掃描方法

采用Verio型3.0T磁共振儀，70 cm大孔徑進行MR掃描，掃描序列依次為平掃軸位T1FLAIR、T2WI、T2FLAIR、DWI和增強軸位T1WI、矢狀位及冠狀位T1WI。①T1FLAIR掃描參數：重復時間2200 ms，反轉時間820 ms，回波時間23 ms；②T2WI掃描參數：重復時間4200 ms，回波時間107 ms；③T2FLAIR掃描參數：重復時間8300 ms，反轉時間1800 ms，回波時間166 ms，視野240 mm×240 mm，矩陣256×256，層間距2 mm，層厚6 mm；④DWI掃描參數：重復時間4500～5500 ms，回波時間70～80 ms，視野240 mm×240 mm，矩陣160×160，層間距2 mm，層厚6 mm。

選擇高壓注射器按照0.1 mmol/kg體質量，速率為2 ml/s，靜脈注射Gd-DTPA對比劑，使用20 ml 0.9%氯化鈉(NaCl)注射液進行沖洗后，分別行矢狀位、冠狀位及軸位T1W1掃描。增強掃描的參數為重復時間2300 ms，回波時間23 ms。

1.5 圖像選擇及紋理分析

所有受檢者的M R 圖像均通過醫學數字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)的格式導出，并由2名高年資影像科醫師進行盲審，選擇出軸位增強T1W1和軸位DWI的圖像。通過MaZda軟件(波蘭)勾畫出最大序列DWI和增強T1WI的腫瘤感興趣區域(region of interest，ROI)，得出病變部位的紋理線條。通過目前常見的灰度共生矩陣(能量、均勻性、均值、對比度、方差、熵、自相關以及非相似度)和直方圖(平均值、方差、偏度值、百分位數值及峰度)兩類紋理參數進行分析。

1.6 統計學方法

通過R語言統計建模，選擇數據進行正態性、方差齊性檢驗，滿足正態分布的數據，通過Kruskal-Wallis檢驗進行特征選擇，以P＜0.05為差異有統計學意義。通過Pearson相關性分析去冗余，相關系數為0.8。建立多元logistic回歸分析，其中自變量為特征選擇后的紋理參數，應變量為腦膠質母細胞瘤和腦單發轉移瘤，建立受試者工作特征(receiver operating characteristic curve，ROC)曲線，計算ROC曲線下面積(area under curve，AUC)，評估模型效能，評估勾畫出的ROI的紋理參數的組內相關性。

2 結果

2.1 腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤紋理分析

經過紋理特征篩選后的腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤患者的直方圖中的紋理參數中增強T1WI灰度、偏度值共生矩陣參數中的DWI、均值自相關及增強T1WI均值自相關，腦膠質母細胞瘤與單發腦轉移瘤紋理分析比較，差異具有統計學意義(x2=8.116，P＜0.05)，見表1；MRI影像見圖1。

圖1 兩種腦腫瘤患者磁共振圖像

2.2 紋理參數測量結果的一致性分析

提取兩種腦腫瘤患者磁共振圖像中A、C、E和F4個紋理參數，組內所有圖像均在[μ-3δ，μ+3δ](μ和δ分別是平均灰度值和標準差)范圍標準化其灰階水平，以減小對比度和亮度變化的影響。參數分別為0.89、0.94、0.96和0.85，具有較高的一致性。

表1 腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤紋理分析結果[中位數(上下四分位數)]

2.3 灰度共生矩陣參數對鑒別腦膠質母細胞瘤與單發腦轉移瘤的診斷效能

采用其中1名醫師提取的數據行多元logistic回歸分析，其中自變量為特征選擇后的紋理參數，應變量為腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤，結果提示，腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤患者僅灰度共生矩陣參數中的DWI自相關具有統計學意義(r=0.591，P＜0.05)。ROC曲線分析結果顯示，DWI自相關在腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤鑒別診斷中的靈敏度和特異度分別為82.50%和86.00%，AUC為0.89，見圖2。

圖2 DWI自相關在鑒別腦膠質母細胞瘤與單發腦轉移瘤的ROC曲線

3 討論

腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤是目前臨床上常見的兩種腦腫瘤，但二者間的病理特征、臨床病程、治療方案及預防方向截然不同，因此治療前正確鑒別兩種腫瘤具有重要的意義。近年來，隨著紋理分析的普遍興起，其具有定量分析圖像灰階分布特征、空間特征及像素間關系的優勢，可直觀給出許多肉眼下無法識別的物體表面特征信息，相比常規的影像學方法而言，不同于以往完全依賴影像醫師的水平而報告診斷結果，其可以更加直接的提供病變圖像信息，具有量化、客觀的優勢；臨床上可普遍應用于CT、MR等多種影像圖像的分析，目前最常見的用于CT及MR的圖像分析，其中MRI具有多參數成像和高分辨率等優勢，是目前臨床鑒別和診斷腦腫瘤的重要影像學手段；而在CT及MR都難以鑒別的疾病下紋理分析具有較大的優勢[7-8]。

在本研究T1FLAIR、T2WI、T2FLAIR和DWI的4種序列中，鑒別腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤的紋理特征主要來自T2WI，FLAIR序列包含的紋理特征最少。采用MaZda軟件區分轉移瘤與膠質母細胞瘤錯判率最小為8.88%(8/90)，其在T2WI序列中出現2次，增強T1WI和T1WI均出現1次，均為3種方法聯合參數選擇方法的結果，而FLAIR提取的特征鑒別這兩種病變的最小錯判率為10.00%(9/90)。據相關研究顯示，腦腫瘤的鑒別診斷可借助直方圖中的一階紋理分析完成[9-11]；或者通過直方圖中的一階紋理分析，實現對膠質瘤化療藥物的生存狀況分析及治療反應評估[12-13]。本研究發現，經過紋理特征篩選后的腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤患者的直方圖中的紋理參數中，增強T1WI偏度值提示差異具有統計學意義。其中，偏度是指病變特征值分布對稱性的統計量，即表達平均值分布不均勻的響度程度。分析其原因，可能是腦轉移瘤通常會保持原發腫瘤的組織特征，結構較密，分布較均勻，故其密度相對會更加均勻[14]；而膠質母細胞瘤具有較高的惡性程度，成分較混雜，生長速度迅速，容易發生液化、出血、囊變及壞死，故其密度相對不均勻，因此二者的直方圖分布對稱性會不一致。有研究指出，增強的T1WI直方圖可用于鑒別腦膠質母細胞瘤和腦轉移瘤，然而其只能勾畫出部分的腫瘤強化部分，且完全憑經驗將壞死、出血排出。但本研究卻可以完全客觀的勾畫出腫瘤的最大層面，包括液化、出血、囊變及壞死，有利于排出遺漏的重要信息，對診斷腦腫瘤具有重要的意義。

DWI可通過體內水分子的運動情況獲得影像學數據，可分析體內水分子的擴散路徑[15]。灰度共生矩陣是常見的研究灰度空間相關特征的二階紋理分析方法。本研究發現，腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤患者的共生矩陣參數中的DWI均值、自相關和增強T1WI均值以及自相關的比較，提示差異具有統計學意義。其中，自相關是指灰度共生矩陣中行列間的相似程度，可表達某灰度值沿著某方向的延伸長度，延伸越長，則意味著相關性越大；均值表達紋理的規律程度，若規律性強，容易描述則均值較大。由此可見，自相關可直接反映出圖像中局部灰度的相關性。本研究發現，腦膠質母細胞瘤的圖像規律性較單發腦轉移瘤明顯下降。并且，根據ROC曲線分析結果提示，DWI自相關在腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤鑒別診斷中的敏感度和特異度分別為82.50%和86.00%，AUC為0.89。通過紋理分析，提取灰度共生矩陣參數中具有統計學意義的指標，其結果表明，DWI自相關對鑒別腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤上具有良好的診斷效能，因此具有重要的臨床意義。

通過MR紋理分析，為鑒別腦膠質母細胞瘤和單發腦轉移瘤提供可靠信息，確保診斷的準確性，對兩種鑒別提供可信的客觀依據。