黃珊， 曾夢(mèng)華， 唐小平， 顧太富， 尹建華， 肖新蘭

·中樞神經(jīng)影像學(xué)·

IVIM-DWI在膠質(zhì)瘤術(shù)前分級(jí)中的應(yīng)用及與常規(guī)DWI和ASL成像的對(duì)照分析

黃珊， 曾夢(mèng)華， 唐小平， 顧太富， 尹建華， 肖新蘭

目的：探討體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散加權(quán)成像(IVIM-DWI)在膠質(zhì)瘤術(shù)前分級(jí)中的臨床應(yīng)用價(jià)值，并與常規(guī)擴(kuò)散加權(quán)成像(DWI)及動(dòng)脈自旋標(biāo)記(ASL)成像進(jìn)行對(duì)照分析。方法：34例低級(jí)別膠質(zhì)瘤和31例高級(jí)別膠質(zhì)瘤患者在術(shù)前行3.0T MR IVIM-DWI和ASL掃描。數(shù)據(jù)經(jīng)后處理獲得腫瘤的慢擴(kuò)散系數(shù)D、快擴(kuò)散系數(shù)D*、快擴(kuò)散容積分?jǐn)?shù)f、ADC和CBF值。比較各項(xiàng)參數(shù)值在高級(jí)別和低級(jí)別膠質(zhì)瘤間的差異，并采用ROC曲線分析其診斷效能；對(duì)腫瘤的D、D*和f值與ADC和CBF值之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。結(jié)果：高級(jí)別膠質(zhì)瘤的D、f和ADC值均顯著低于低級(jí)別組，CBF和D*值顯著高于低級(jí)別組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。D值取0.688×10-3mm2/s、D*值取2.77×10-3mm2/s時(shí)，可作為高、低級(jí)別膠質(zhì)瘤分級(jí)的參考閾值；D*值的診斷效能最好(AUC=0.889)，敏感度和特異度分別為93.5%和73.5%。CBF、ADC、D、f及f×D*值的AUC分別為0.844、0.796、0.796、0.745及0.587。腫瘤的ADC值與D、f值均呈正相關(guān)，與D*值呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)；而CBF值與D*值呈正相關(guān)，與D值呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與f值無顯著相關(guān)性。結(jié)論：IVIM-DWI對(duì)于膠質(zhì)瘤術(shù)前分級(jí)有較好的應(yīng)用價(jià)值，與DWI及ASL成像相比各有優(yōu)勢(shì)，三種檢查可相互補(bǔ)充。

腦腫瘤； 膠質(zhì)瘤； 擴(kuò)散加權(quán)成像； 體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)； 動(dòng)脈自旋標(biāo)記技術(shù)

膠質(zhì)瘤(gliomas)是一組能向膠質(zhì)細(xì)胞分化的神經(jīng)上皮腫瘤的統(tǒng)稱，是最多見的原發(fā)性顱內(nèi)腫瘤。按照WHO中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類標(biāo)準(zhǔn)[1]，將Ⅰ、Ⅱ級(jí)歸為低級(jí)別膠質(zhì)瘤(low grade gliomas，LGG)，Ⅲ、Ⅳ級(jí)歸為高級(jí)別膠質(zhì)瘤(high grade gliomas，HGG)。近年來，體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion，IVIM)擴(kuò)散加權(quán)成像已開始應(yīng)用于全身各個(gè)器官，如心臟、子宮及肝臟等[2-3]，它應(yīng)用多個(gè)b值對(duì)DWI信號(hào)強(qiáng)度衰減進(jìn)行擬合，得到慢速擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)系數(shù)(slow ADC，D)，反映組織擴(kuò)散情況；快速擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)系數(shù)(fast ADC，D*)即水分子在血管中流動(dòng)所產(chǎn)生的假擴(kuò)散效果，反映組織微循環(huán)灌注情況；微循環(huán)灌注分?jǐn)?shù)(fraction of fast ADC，f)代表快速擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的體積分?jǐn)?shù)[4]。

本研究采用17個(gè)b值(0～3000 s/mm2)IVIM-DWI技術(shù)，通過與常規(guī)DWI和三維偽連續(xù)動(dòng)脈自旋標(biāo)記(3-dimensional pseudocontinuous arterial spin labeling，3D-PCASL)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，旨在探討該技術(shù)在膠質(zhì)瘤術(shù)前分級(jí)中的臨床應(yīng)用價(jià)值。

材料與方法

1.臨床資料

采用回顧性研究，將本院2014年9月-2016年7月經(jīng)病理證實(shí)為膠質(zhì)細(xì)胞瘤的65例患者納入研究，其中男37例，女28例，年齡9～73歲，平均46.4歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng)手術(shù)病理確診為膠質(zhì)細(xì)胞瘤(WHO Ⅰ～Ⅳ級(jí))；②MRI圖像質(zhì)量符合診斷要求；③術(shù)前未行放化療及其它抗腫瘤性治療。排除標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng)立體定向活檢確診的患者；②行部分腫瘤切除術(shù)的患者。65例中LGG組34例(WHO Ⅰ級(jí)4例，Ⅱ級(jí)30例)，HGG組31例(WHO Ⅲ級(jí)14例，Ⅳ級(jí)17例)。

2.MRI序列及參數(shù)

使用GE Signa Excite HDxt 3.0T磁共振掃描儀和頭顱8通道相控陣線圈。所有患者術(shù)前行常規(guī)MRI平掃、IVIM-DWI、3D-PCASL和對(duì)比增強(qiáng)T1WI掃描。DWI掃描參數(shù)：TR 5600 ms，TE Minimun，視野240 mm×240 mm，層厚5 mm，層間距1.5 mm，b值0、1000 s/mm2，激勵(lì)次數(shù)1，掃描時(shí)間45 s。IVIM-DWI掃描參數(shù)：EPI序列，TR 4000 ms，TE 95.1 ms，視野240 mm×240 mm，層厚5 mm，層間距1 mm，采用0、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、600、1000、1500、2000、2500和3000 s/mm2共17個(gè)b值，3個(gè)垂直方向同時(shí)施加，b值為20～200、600～1000、1500～3000 s/mm2時(shí)激勵(lì)次數(shù)分別為2、1和4次，掃描時(shí)間6 min 32 s。

3D-PCASL掃描參數(shù)：三維容積掃描，視野240 mm×240 mm，層厚4 mm，層間距1 mm，標(biāo)記延遲時(shí)間1525 ms，旋臂6，激勵(lì)次數(shù)3，掃描時(shí)間4 min 16 s。

3.圖像處理及數(shù)據(jù)分析

圖像及數(shù)據(jù)的導(dǎo)入：將IVIM、DWI和ASL成像的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入GE AW4.6工作站，手動(dòng)校正和降噪，然后使用Function tool中的專用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，獲得D、D*、f、ADC及腫瘤血流灌注量(cerebral blood flow，CBF)圖像。

感興趣區(qū)的選擇：結(jié)合常規(guī)DWI、增強(qiáng)掃描及ASL圖像，選取病灶截面積最大層面。低級(jí)別膠質(zhì)瘤選取DWI上呈稍高信號(hào)或有強(qiáng)化或ASL圖像上的高灌注區(qū)域，手動(dòng)繪制感興趣區(qū)(圖1)；高級(jí)別膠質(zhì)瘤選取DWI上呈高信號(hào)、強(qiáng)化明顯且ASL圖像上的高灌注區(qū)域，手動(dòng)繪制感興趣區(qū)(圖2)。盡量避開囊變、壞死區(qū)及血管，每種圖像上重復(fù)測(cè)量3次，取均值，ROI面積約50 mm2。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

結(jié) 果

兩組中各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量值及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果見表1、圖3～4。HGG組中腫瘤的ADC、D和f值均顯著低于LGG組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。HGG組中腫瘤的CBF和D*值顯著高于LGG組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。而兩組間f×D*值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表1 兩組中各項(xiàng)參數(shù)值及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果

注：﹟ADC、D、D*和f×D*的單位：×10-3mm2/s；f的單位：%；CBF的單位：mL/(min·100g)。

IVIM-DWI獲得的參數(shù)值(D、D*和f值)與常規(guī)DWI和ASL成像測(cè)量的參數(shù)值分別進(jìn)行兩變量相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。ADC值與D和f值呈正相關(guān)關(guān)系，與D*值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。CBF值與D*值呈正相關(guān)關(guān)系，與D值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與f值無顯著相關(guān)性。

表2 D、D*和f值與ADC和CBF值的相關(guān)性分析

各參數(shù)值的ROC曲線分析結(jié)果見表3。當(dāng)D值取0.688×10-3mm2/s、D*值取2.77×10-3mm2/s時(shí)，可作為高、低級(jí)別膠質(zhì)瘤分級(jí)的參考閾值。6個(gè)參數(shù)中以D*值的診斷效能最好(AUC=0.889)，敏感度和特異度分別為93.5%和73.5%；以f×D*值的診斷效能最低。

圖1 左額葉低級(jí)別膠質(zhì)瘤(Ⅱ級(jí))。a) DWI示腫瘤為囊實(shí)性，實(shí)性部分呈稍高信號(hào)(箭)； b) ASL偽彩圖示腫瘤實(shí)性部分呈等或稍低灌注； c) ASL和對(duì)比增強(qiáng)T1WI融合圖像，顯示腫塊實(shí)體部分呈輕度斑點(diǎn)狀強(qiáng)化，在該處手動(dòng)繪制感興趣區(qū)。

圖2 右顳葉高級(jí)別膠質(zhì)瘤(Ⅳ級(jí))。a) DWI示腫塊前外側(cè)區(qū)域呈高信號(hào)(箭)； b) ASL偽彩圖示腫塊前外側(cè)區(qū)域呈明顯高灌注； c) ASL和對(duì)比增強(qiáng)T1WI融合圖像，示腫塊呈明顯花環(huán)狀強(qiáng)化，結(jié)合三種圖像繪制感興趣區(qū)。

表4 各項(xiàng)參數(shù)的ROC曲線分析結(jié)果

注：﹟ADC、D、D*、f×D*的單位：×10-3mm2/s；f的單位：%；CBF的單位：mL/(min·100g)。

討 論

膠質(zhì)瘤是最常見的原發(fā)性顱內(nèi)腫瘤，起源于神經(jīng)上皮，高級(jí)別膠質(zhì)瘤(Ⅲ、Ⅳ級(jí))約占所有膠質(zhì)瘤的75%[5-6]，其中以膠質(zhì)母細(xì)胞瘤最常見，其內(nèi)血管豐富，具有高度侵襲性，惡性程度極高。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高級(jí)別膠質(zhì)瘤組的ADC和D值均顯著低于低級(jí)別組(P<0.05)，與大部分學(xué)者的研究結(jié)果一致[7-9]。D值主要反映活體組織內(nèi)水分子的自由擴(kuò)散，高級(jí)別組D值減低說明腫瘤的病理分級(jí)越高，腫瘤細(xì)胞密度越大，其內(nèi)水分子的運(yùn)動(dòng)受限程度越高，這一表現(xiàn)與常規(guī)DWI類似，符合腫瘤組織的病理學(xué)機(jī)制[10]。而且本研究結(jié)果顯示，D值與ADC值呈明顯正相關(guān)關(guān)系(r=0.953)，且它們的ROC曲線的AUC完全一致(AUC=0.796)，即診斷效能基本一致。盡管有學(xué)者認(rèn)為D值比ADC值診斷效能更好[8,11]，但也有學(xué)者的結(jié)論相反[9]。但常規(guī)DWI的掃描時(shí)間僅為IVIM-DWI的1/6，二者各有優(yōu)勢(shì)。

本研究結(jié)果顯示，高級(jí)別膠質(zhì)瘤組的平均CBF和D*值均顯著高于低級(jí)別組(P<0.05)，且D*值的診斷效能比CBF值更好，這與Lin等[9]的研究結(jié)果基本一致。也有學(xué)者認(rèn)為CBF值的診斷效能比D*值好[8,11]，認(rèn)為D*值對(duì)毛細(xì)血管內(nèi)的血流較敏感，易受腦脊液流動(dòng)及囊性壞死區(qū)域部分容積效應(yīng)的影響，可重復(fù)性較差，診斷效能較差。我們認(rèn)為造成上述結(jié)果差異的主要原因有以下兩點(diǎn)：首先，本研究的IVIM雙指數(shù)模型共采用17個(gè)b值，其中11個(gè)介于0～200 s/mm2之間，明顯多于以往的研究，而b值小于200 s/mm2被認(rèn)為代表灌注相關(guān)成分，b值越多越能反映腫瘤的真實(shí)擴(kuò)散和灌注信息；其次，膠質(zhì)瘤存在明顯的異質(zhì)性，強(qiáng)化區(qū)僅代表血腦屏障破壞程度，而CBF值能反映腫瘤血管增殖最活躍區(qū)[12]。我們手動(dòng)繪制的感興趣區(qū)是對(duì)照觀察3組圖像，選擇的是ASL高灌注區(qū)、DWI高信號(hào)區(qū)且強(qiáng)化明顯的區(qū)域，更能代表腫瘤惡性程度較高區(qū)域。本研究發(fā)現(xiàn)D*值與CBF呈正相關(guān)(r=0.271)，與Lin等[9]的研究結(jié)果不同。但二者相關(guān)性較差，D*值并不能完全取代CBF值。

f值代表D*所占的容積分?jǐn)?shù)，理論上膠質(zhì)瘤級(jí)別越高，血供越豐富，二者呈指數(shù)增長(zhǎng)。本研究顯示，HGG組的f值(0.387%±0.126%)低于LGG組(0.513%±0.147%)，且與CBF值無明顯相關(guān)性。f值是目前爭(zhēng)議最大的一個(gè)參數(shù)。有學(xué)者[11]認(rèn)為，f值與CBF值呈正相關(guān)，且f值有較好的診斷效能(AUC=0.881)；而其他學(xué)者[8-11]認(rèn)為，f值與CBF值呈負(fù)相關(guān)，診斷效能較好(AUC=0.769)。有研究者[13]分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象與TE的取值有關(guān)，TE時(shí)間越長(zhǎng)，低b值的信號(hào)衰減越明顯，f值越大。但回顧前面幾位研究者[7-9,11]的掃描序列和參數(shù)，即使TE時(shí)間為minimum，f值仍與理論相悖。我們認(rèn)為可能與高b值的選擇有關(guān)，所有f值與理論一致的研究中最大b值達(dá)到3000或3500s/mm2，而f值與理論相反的研究中最大b值僅為1000或1300s/mm2。既往認(rèn)為b值越大，信號(hào)衰減越明顯，D*值相對(duì)越小[8]?；蛟Sf值的差異也可能與高b值這個(gè)因素有關(guān)，但未得到相應(yīng)證實(shí)，有待更多研究。

d) 腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)D值為0.499×10-3mm2/s； e) 腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)D*值為4.99×10-3mm2/s； f) 腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)f值為0.352%； g) 鏡下示腫瘤細(xì)胞異形性明顯，見奇異型核及柵欄狀壞死(×100，HE)。

圖3 左頂葉膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(Ⅳ級(jí))。 a) T2WI示左頂葉囊實(shí)性腫塊(箭)； b) DWI示腫瘤實(shí)體部分呈不均勻高信號(hào)，ADC值為0.626×10-3mm2/s； c) ASL偽彩圖示腫塊呈明顯環(huán)形高灌注，CBF值為185.44mL/(min·100g)；

d) 腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)D值為1.09×10-3mm2/s； e) 腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)D*值為2.61×10-3mm2/s； f) 腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)f值為0.623%； g) 鏡下示腫瘤細(xì)胞呈“雙相型”，致密區(qū)可見含Rosenthal纖維的梭形細(xì)胞，疏松區(qū)有多極細(xì)胞伴微囊形成(×100，HE)。

圖4 左頂葉毛細(xì)胞型星形細(xì)胞瘤(Ⅰ級(jí))。a) T2WI示腫瘤信號(hào)混雜，中央見囊變(箭)； b) DWI示腫塊呈低信號(hào)，ADC值為1.41×10-3mm2/s； c) ASL偽彩圖示腫瘤呈低灌注，CBF值為26.4mL/(min·100g)；

f×D*值代表組織的相對(duì)灌注，Shen等[11]認(rèn)為f×D*值與CBF值呈明顯正相關(guān)，且對(duì)于區(qū)分高級(jí)別與低級(jí)別膠質(zhì)瘤的診斷效能最佳(AUC=0.979)，同樣也適用于Ⅱ級(jí)與Ⅲ級(jí)膠質(zhì)瘤的鑒別。然而，本研究中發(fā)現(xiàn)f×D*值在高低級(jí)別膠質(zhì)瘤的分級(jí)中無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在所有參數(shù)中診斷效能最差(AUC=0.587)。造成結(jié)果較大差異的原因在于f值結(jié)果與理論相悖，與CBF值無相關(guān)性。本研究亦對(duì)Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)膠質(zhì)瘤的各參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)沒有任何參數(shù)值有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

本研究存在以下局限：首先，相同級(jí)別膠質(zhì)瘤中含有不同種類的膠質(zhì)瘤，如同為Ⅱ級(jí)的星形細(xì)胞瘤和少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤，病理表現(xiàn)上會(huì)有差別[14]，一定程度上會(huì)影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可靠性。其次，IVIM技術(shù)是在一定假設(shè)條件下進(jìn)行的計(jì)算模型，受b值大小和多少的影響[15]。且本研究中MRI參數(shù)并未與膠質(zhì)瘤的分子病理參數(shù)如IDH、1p19q等進(jìn)行對(duì)照分析。最后，不同的感興趣區(qū)的選擇及其大小可能會(huì)影像數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

總之，IVIM雙指數(shù)模型DWI具有將單純水分子擴(kuò)散與腫瘤組織微循環(huán)灌注信息進(jìn)行分離并量化的優(yōu)勢(shì)，其中D和D*值均可作為高、低級(jí)別膠質(zhì)瘤分級(jí)的依據(jù)，IVIM技術(shù)與DWI和ASL成像各有優(yōu)勢(shì)，可互為補(bǔ)充。IVIM技術(shù)中b值的選取需要不斷調(diào)試優(yōu)化，以后將更加廣泛的應(yīng)用于科研和臨床，尤其是對(duì)臨床腫瘤的研究應(yīng)用。

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Intravoxel incoherent motion diffusion-weighted MR imaging of gliomas:efficacy in preoperative grading and comparison with conventional DWI and arterial spin labeling technique

HUANG Shan,ZENG Meng-hua,TANG Xiao-ping,et al.

Department of MRI,the Second Affiliated Hospital of Nanchang University,Nanchang 330000,China

Objective:To investigate the efficacy of intravoxel incoherent motion (IVIM) DWI in preoperative grading of gliomas,and to compare the results with those of conventional DWI and aterial spin labeling (ASL) technology.Methods:34 patients with low grade glioma (LGG) and 31 patients with high grade glioma (HGG) underwent preoperative 3.0T MRI examination using IVIM-DWI,conventional DWI and ASL sequences.All the scanning data were postprocessed and five parameters including slow diffusion coefficient (D),fast diffusion coefficient (D*),fractional perfusion-related volume (f),ADC and CBF were obtained and their differences between the HGG group and LGG group were analyzed statistically,and the diagnostic efficacy of the parameters were evaluated using receiver operation characteristic curve (ROC) analysis.Correlation of D,D*and f with ADC and CBF was analyzed respectively.Results:The ADC,D and f values of HGG group were significantly lower than those of the LGG group (P<0.05),and the D*and CBF values were significantly higher than those of the LGG group (P<0.05).The threshold values of D and D*were 0.688 and 2.77×10-3mm2/s respectively for the grading of gliomas.The diagnostic efficacy of D*was the best (AUC=0.889) with sensitivity and specificity of 93.% and 73.5%.The AUC of CBF,ADC,D,f and f×D*was 0.844,0.796,0.796,0.745 and 0.587,respectively.The ADC values were positively correlated with D and f values (P<0.05),and negatively correlated with D*values.The CBF values were positively correlated with D*values,and negatively correlated with D values (P<0.05),but had no correlation with f values.Conclusion:IVIM-DWI has great value in predicting the grading of gliomas before operation;however,DWI and ASL have their own advantages,thus three technologies can complement each other.

Brain neoplasms； Gliomas； Diffusion weighted imaging； Intravoxel incoherent motion； Arterial spin labeling technique

330000 南昌，南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院MRI室

黃珊(1993-)，女，江西撫州人，碩士研究生，主要從事神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的影像診斷和研究工作。

肖新蘭，E-mail：jx_xiaoxinlan@sina.com

R445.2； R739.41

A

1000-0313(2017)08-0816-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.08.007

2016-12-30

2017-03-15)