多田公式法與三維重建法評估腦膜瘤體積的對比研究*

楊 鑫,荔志云,孫建軍,周 杰,蔡志標,姚鵬飛△

(1.中國人民解放軍聯勤保障部隊第九四〇醫院神經外科,蘭州 730000;2.甘肅省中心醫院神經外科,蘭州 730000)

顱內腫瘤體積的準確測量,對于評價顱內腫瘤生長速度、復發情況及藥物療效均具有重要意義。磁共振成像已成為顱內腫瘤早期診斷的重要指標,也是判斷腫瘤大小的直接依據。腦膜瘤作為中樞神經系統較為常見的腫瘤,目前的臨床經驗認為其體積大于15 cm3即需要選擇手術切除,故對腦膜瘤體積進行快速而準確的評估有利于指導下一步治療方案的決策[1-2]。近年來隨著臨床經驗的累積,既往應用于顱內出血量計算的多田公式法由于具有準確便捷的特點,已擴展應用于低級別腦腫瘤體積的初步評估,但由于缺乏相關研究數據,其計算準確性尚不明確。本研究針對一組腦膜瘤病例,通過應用薄層磁共振影像三維重建腦膜瘤,定量比較基于多田公式法與三維重建法測得的腦膜瘤體積,以探討多田公式法描述腦膜瘤體積的準確性與應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2014年1月至2022年5月在中國人民解放軍聯勤保障部隊第九四〇醫院(原蘭州軍區蘭州總醫院)神經外科收治的297例腦膜瘤患者薄層磁共振影像資料。其中男79例,女218例,平均年齡(53.40±12.91)歲,所有患者均接受手術治療并獲得病理學診斷。本研究符合《赫爾辛基宣言》原則,已通過中國人民解放軍聯勤保障部隊第九四〇醫院醫學倫理委員會審準,所有患者或家屬均簽署知情同意書。

1.2 影像資料

患者均完善顱腦MRI檢查,且檢查序列包含T1WI薄層增強掃描。T1WI薄層增強掃描參數為:重復時間2 000 ms,回波時間20 ms,視野260 mm×260 mm,掃描層厚1.00 mm、1.20 mm;對比劑使用靜脈注射釓噴酸葡胺注射液(北京北陸藥業股份有限公司),使用劑量為0.1 mmol/kg,注射后進行矢狀位、冠狀位及軸位的T1WI掃描。所有影像資料均存儲于PACS系統中,研究者可進行查看并導出數據。

1.3 腦膜瘤體積評估

腦膜瘤體積的評估主要依據磁共振影像數據實現。根據PACS系統測得腦膜瘤最大層面最長徑(a)、與最長徑垂直的最寬徑(b)、掃描層數(c)及掃描層厚(m),帶入標準多田公式(V=π/6×a×b×c×m)即可獲取多田公式法評估的腦膜瘤體積大小。將PACS系統中的磁共振影像數據導入移動電腦,應用Mimics Medical 21.0軟件提取影像數據,采用閾值分割法對腦膜瘤進行三維重建,該軟件可通過計算分割的體素體積來自動獲取腦膜瘤體積。依據三維重建法的基本原理,該方法能夠提供最為準確的體積評估,故視為本研究中腦膜瘤的真實體積。

1.4 數據分組

將所有腦膜瘤體積數據視為整體樣本,與腦膜瘤后續分組進行對比分析;依據三維重建的腦膜瘤形態特點,將腦膜瘤位置分組劃分為類圓形組、分葉狀組及不規則組;依據腦膜瘤所處解剖位置,將腦膜瘤形態分組劃分為幕上組及幕下組。依據腦膜瘤體積數據客觀分布及臨床經驗,推斷集中樣本并進行準確性驗證。

1.5 統計學處理

所有研究數據采用SPSS26.0進行統計分析。連續變量采用M(Q1,Q3)表示。采用Wilcoxon秩和檢驗分析兩種方法評估體積的總體差異。采用Spearman分析兩種方法的相關性。采用同類相關系數及Bland-Altman圖分析兩種方法的可靠性與一致性。所有檢驗均為雙側假設檢驗,檢驗水準α=0.05。

2 結 果

2.1 整體樣本準確性分析

2.1.1多田公式法與三維重建法在各組別的總體差異分析

可見多田公式法測得的腦膜瘤體積值整體大于腦膜瘤真實體積值。對兩種方法測得的各組別腦膜瘤體積進行Wilcoxon秩和檢驗,其體積測量的總體差異在整體樣本、類圓形組及幕上組無統計學意義(P>0.05),在分葉狀組、不規則組及幕下組有統計學意義(P<0.05),見表1。

表1 多田公式法與三維重建法各組別腦膜瘤體積測量結果[M(Q1,Q3),cm3]

2.1.2多田公式法與三維重建法在各組別的相關性分析

通過繪制散點圖可見多田公式法與三維重建法測得的各組別腦膜瘤體積均呈線性關系(圖1),Spearman相關性分析示兩種方法測得的腦膜瘤體積呈顯著正相關,在各組別腦膜瘤的相關性分析結果為:整體樣本r=0.995;類圓形組r=0.996;分葉狀組r=0.995;不規則組r=0.985;幕上組r=0.995;幕下組r=0.990。

圖1 多田公式法與三維重建法測得各組別腦膜瘤體積線性關系

2.1.3多田公式法與三維重建法在各組別的一致性及可靠性分析

兩種方法測得的各組別腦膜瘤體積的Bland-Altman圖,見圖2。在每個圖中大部分數據點位于一致性界限以內,可見多田公式法測得的各組別腦膜瘤體積與腦膜瘤真實體積均具有良好的一致性。對兩種方法測得的各組別腦膜瘤體積進行可靠性分析,其組內相關系數(ICC)從高到低依次為:類圓形組(r=0.995)、幕上組(r=0.993)、整體樣本(r=0.992)、分葉狀組(r=0.991)、幕下組(r=0.989)、不規則組(r=0.983),表明多田公式法對規則程度較高的腦膜瘤或幕上腦膜瘤的體積評估可靠性較高,對不規則程度較高的腦膜瘤或幕下腦膜瘤的體積評估可靠性稍差。

圖2 多田公式法與三維重建法測得各組別腦膜瘤體積Bland-Altman圖

2.2 集中樣本準確性分析

2.2.1集中樣本數據界定及分組

三維重建法體積數據分布直方圖,見圖3。依據數據客觀分布情況及臨床經驗,推斷體積為1～60 cm3的病例為集中樣本,并劃分為3個子集,子集1(n=151):1～<20 cm3;子集2(n=62):20～<40 cm3;子集3(n=45):40～60 cm3。

圖3 三維重建法腦膜瘤體積數據分布直方圖

2.2.2集中樣本總體差異分析

應用多田公式法與三維重建法測得的腦膜瘤體積在集中樣本各組別的結果,見表2。對兩種方法測得的各組別腦膜瘤體積進行Wilcoxon秩和檢驗,其體積測量結果的總體差異在集中樣本各組別均無統計學意義。

表2 集中樣本各組別腦膜瘤體積測量結果[M(Q1,Q3),cm3]

2.2.3集中樣本相關性分析

通過繪制散點圖可見兩種方法在集中樣本測得的腦膜瘤體積呈線性關系,見圖4。Spearman相關性分析示兩種方法測得的腦膜瘤體積呈顯著正相關,在各組別腦膜瘤的相關性分析結果為:集中樣本r=0.993;子集1r=0.983;子集2r=0.885;子集3r=0.810。

圖4 多田公式法與三維重建法集中樣本腦膜瘤體積

2.2.4集中樣本一致性及可靠性分析

兩種方法測得的集中樣本各組別腦膜瘤體積的Bland-Altman圖,見圖5。在每個圖中大部分數據點位于一致性界限以內,可見多田公式法測得的腦膜瘤體積與腦膜瘤真實體積具有良好的一致性。對兩種方法測得的各組別腦膜瘤體積進行可靠性分析,其ICC從高到低依次為:集中樣本(r=0.989)、子集1(r=0.976)、子集2(r=0.896)、子集3(r=0.804),這表明多田公式方法測得的腦膜瘤體積較腦膜瘤真實體積具有較高可靠性。

圖5 多田公式法與三維重建法測得集中樣本腦膜瘤體積Bland-Altman圖

3 討 論

腦膜瘤的體積大小是評估自然病史、制訂治療方案、預測術后病程及放療后生長控制的重要參數[3]。評估腦膜瘤體積方法的標準化,可為指導個體化治療提供重要信息,現代影像技術為腦膜瘤體積評估方法的客觀化與標準化提供了良好的可行性[4]。

腦膜瘤的綜合發病率約為8.58/10萬,是中樞神經系統最常見的原發性腫瘤之一[5]。在常規影像學檢查中,實際上有相當數量的腦膜瘤是偶然診斷出來的[6]。鑒于多數腦膜瘤生長緩慢且病變性質多偏良性,臨床醫師通常面臨著外科手術與保守隨訪的治療選擇,尤其是無癥狀患者及高齡患者[7]。因此腦膜瘤的體積大小在治療方案的決策中起著重要作用,如較大體積的腦膜瘤會顯著增大顱內壓并危及患者生命,從而使得手術治療成為最佳選擇。此外腦膜瘤的體積大小還可能與其組織學侵襲性有關,較大體積的腦膜瘤往往具有更高的病理級別[8-9]。腦膜瘤的體積大小與立體定向放射治療的方案決策亦密切相關,可為靶區規劃及放射劑量提供參考信息。HAN等[2]發現立體定向放射治療的腦膜瘤控制率會隨著腦膜瘤的體積增加而降低,且輻照損害也會隨著腦膜瘤體積的增加而增加。MANSOURI等[10]指出,腦膜瘤的體積可影響放射治療期間最大安全放射劑量的選擇,從而影響放射治療的總體效果,并由此認為腦膜瘤的體積可作為放射治療方案規劃的有效參數。因此將腦膜瘤體積的計算方法標準化并將腫瘤體積進行量化具有較高的臨床指導意義[11]。

目前對腫瘤的體積評估尚無規范的描述標準,國內外主要采用以下兩種測量方法進行間接評估:(1)腫瘤最大徑乘積評價方法,又稱為世界衛生組織(WHO)雙徑測量法,于1979年由WHO提出[12]。這種方法實質上為二維測量方法,通過測量腫瘤軸位影像上的最長徑及與之垂直的最寬徑,將二者乘積作為二維層面評價指標,再由此評估腫瘤的體積。(2)腫瘤最大直徑評價方法,又稱實體瘤療效評價(response evaluation criteria in solid tumors,RECIST)標準,該方法于2000年由歐洲癌癥研究與治療組織修正提出[13],隨后成為多數腫瘤體積描述的主要方法并起了重要的評估作用。這種方法實質上為一維測量方法,只需將腫瘤組織在軸位影像上的最長直徑作為靶病灶測量徑線,再根據所有測量徑線總和來評價腫瘤的體積。臨床研究表明,盡管WHO標準與RECIST標準有著較好的一致性,但上述兩種方法并不適用于中樞系統腫瘤的體積評估[14]。

在前期的臨床實踐中,由于多田公式法在短時間即可初步評估出顱內血腫的體積,因此其廣泛應用于急性腦血管病諸如腦出血及腦梗死等的病灶范圍計算[15]。隨著臨床實踐的不斷進行,多田公式法被擴展應用于硬膜外血腫、硬膜下血腫及腦動靜脈畸形等顱內病變[16]。因為多田公式法是在假定顱內病變為橢球體基礎上進行計算的,所以如果當病變的形態不同于橢球體時,往往計算的體積與實際體積有較大的偏差。多田公式法應用于顱內腫瘤體積評估的報道較少,且該公式法的準確性存在一定爭議[17]。此前有文獻報道多田公式可作為聽神經瘤及垂體腺瘤體積的評估方法[18],但這些腦腫瘤發生在顱內特定的解剖部位,其生長及侵襲是受限的,而腦膜瘤則可發生于顱內任何解剖部位。

在本項研究中,多田公式法與三維重建法測得的腦膜瘤體積值具有良好的一致性,且多田公式法的準確度并不會隨著腦膜瘤體積的增大而出現明顯偏倚。然而隨著腦膜瘤不規則程度的增大,其體積測量誤差隨之也呈現出增大趨勢,但結合統計分析結果,本研究認為該誤差范圍是可以接受的。此結果類似于前期關于顱內血腫的研究,多田公式法測得的不規則顱內血腫體積誤差會明顯偏大,但該誤差范圍在臨床工作中是可接受的,并不會對治療方案的決策產生明確影響[19-20]。同時本研究將幕下腦膜瘤與幕上腦膜瘤進行了對比,應用多田公式法計算的幕下腦膜瘤體積誤差更為明顯,可能是由于幕下解剖區域較小,腦膜瘤生長受限因而具有更加不規則的形態所致。該結果與文獻報道一致。ISHI等[3]應用多田公式法對83例腦膜瘤進行了體積分析,并將其分組為顱底腦膜瘤和非顱底腦膜瘤,結果表明多田公式法會高估腦膜瘤的體積,尤其是位于顱底的腦膜瘤。根據本項研究結果,多田公式法能較為準確地計算出腦膜瘤的體積值,可常規作為臨床上評估腦膜瘤體積的初測方法,但當腦膜瘤不規則程度較高或位于幕下解剖區域時,應用多田公式法計算的腦膜瘤體積可能存在較大的誤差,此時應用三維重建技術評估腦膜瘤體積其結果會更為精準。

從理論上講,三維重建法獲得的腫瘤體積應當被視作腫瘤的真實體積,因為三維重建法在目前所有的腫瘤體積評估方法中擁有最高的準確度[4]。當前有多種軟件可實現醫學領域的三維重建工作,如ITK-SNAP、Amira、Mimics Medical及3D Slicer等[21],由于此類軟件實現三維重建的基本原理相似,因此選擇不同的工作軟件并不會對三維重建的結果產生較大的誤差。在既往的臨床研究中,手動分割法被廣泛用于腫瘤的三維重建,即研究者通過手工逐層分割病灶侵襲范圍從而實現對病灶的三維重建并完成體積測算,但該方法不僅復雜,且在對病灶與正常腦組織進行分割的過程中難以避免主觀標記誤差[11]。在本項研究中采用了閾值分割法對腦膜瘤進行三維重建,即利用腦膜瘤與正常腦組織在MRI上的不同信號值,軟件自動對腦膜瘤進行逐層分割重建,以降低腦膜瘤在重建過程中產生的主觀誤差。此外腦膜瘤體積的測算誤差也可能與影像的掃描層厚有關,前期研究中使用的影像資料多未考慮影像掃描層厚是否會對腦膜瘤體積評估的準確性產生影響。ISHI等[3]分析了腦膜瘤MRI不同掃描層厚影像三維重建的準確度與MRI掃描層數之間的相關性,結果表明如果厚層掃描采集的腦膜瘤影像大于4個層面,則應用厚層影像數據三維重建的腦膜瘤精度并不比薄層MRI影像數據差。但上述研究樣本量太小,尚需更大的樣本量來驗證該結論的可靠性。結合本研究應用薄層MRI影像測量的腦膜瘤體積結果,應用薄層MRI影像進行三維重建其腦腫瘤體積評估的準確性可能更具參考價值。

綜上所述,本研究在一組腦膜瘤病例中比較了基于多田公式法和三維重建法計算的腫瘤體積。研究發現在腦膜瘤病例中,多田公式法能較為便捷而準確地評估腦膜瘤的體積,臨床可將多田公式法作為評估腦膜瘤體積的初測方法。但當腦膜瘤形態較為不規則或位于幕下解剖區域時,應用多田公式法評估的腦膜瘤體積與其實際體積可能存在較大偏差,此時應考慮應用三維重建的方法評估腦膜瘤體積。作者在后續的臨床研究中將比較多田公式法在評價顱內腫瘤生長速度、惡性進展以及藥物療效中的應用價值。