鄧達(dá)標(biāo)，毛家驥，汪文勝，沈君，成麗娜，李松濤，吳靜

世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)將膠質(zhì)瘤分為Ⅰ～Ⅳ級，膠質(zhì)瘤的準(zhǔn)確分級對于制訂治療方案、監(jiān)測治療效果及評估預(yù)后均至關(guān)重要。3D動(dòng)脈自旋標(biāo)記(3D arterial spin labeling，3D-ASL)是一種無創(chuàng)的功能磁共振成像技術(shù)，它無需引入外源性對比劑，能夠以自身血液作為內(nèi)源性對比劑監(jiān)測腫瘤血流灌注，間接反映腫瘤微血管生成。研究表明，3D-ASL的腦血流量(relative cerebral blood flow，CBF)平均值能夠?yàn)槟z質(zhì)瘤分級提供參考信息[1-3]。腫瘤異常灌注往往說明具有高度異質(zhì)性，而常規(guī)3D-ASL的CBF值為特定標(biāo)記時(shí)間測量的特定的平均值，所以單純CBF的平均值尚不能真正準(zhǔn)確地反映腫瘤的灌注特征，腫瘤的灌注異質(zhì)性與膠質(zhì)瘤分級的關(guān)系仍有待闡明。紋理分析能夠從圖像中深度提取大量由低到高維度的、反映圖像異質(zhì)性的紋理參數(shù)，其在多個(gè)腫瘤的分級中已展現(xiàn)出巨大應(yīng)用價(jià)值[4-8]，但目前3D-ASL圖像紋理分析在膠質(zhì)瘤分級中的應(yīng)用仍鮮見報(bào)道。因此，本研究擬探討基于3D-ASL圖像的紋理分析在膠質(zhì)瘤分級中的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究對象

自2016年1月至2018年6月，連續(xù)收集在我院行術(shù)前常規(guī)MRI檢查且行3D-ASL檢查，并經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)的107例膠質(zhì)瘤患者，納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)術(shù)后病理學(xué)診斷依據(jù)《WHO 2016版中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類》；(2) MRI掃描前未行手術(shù)、穿刺活檢或放化療。26例被排除：(1) 3D-ASL原始數(shù)據(jù)不完整(3例)；(2) ASL信噪比低(3例)；(3)膠質(zhì)瘤絕大部分囊變(3例)；(4)膠質(zhì)瘤在ASL圖像上難以勾畫清楚病灶邊界17例(17例)。最終納入本研究患者共81例，男54例，女27例，年齡4～79歲，平均(38.69±18.70)歲，分為低級別膠質(zhì)瘤組(Ⅰ～Ⅱ級)和高級別膠質(zhì)瘤組(Ⅲ～Ⅳ)，其中低級別膠質(zhì)瘤31例，年齡4～66歲，平均(35.61±17.41)歲，男16例，女15例。其中毛細(xì)胞星形細(xì)胞瘤(Ⅰ級) 4例，少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤(Ⅱ級) 6例，多形性黃色星形細(xì)胞瘤(Ⅱ級) 3例，肥胖型星形細(xì)胞瘤(Ⅱ級) 2例，彌漫型星形細(xì)胞瘤(Ⅱ級)16例。高級別膠質(zhì)瘤50例，年齡4～79歲，平均(40.60±19.38)歲，男38例，女12例。其中間變性星形細(xì)胞瘤(Ⅲ級) 10例，間變性多形黃色星形細(xì)胞瘤(Ⅲ級) 1例，間變性少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤(Ⅲ級) 1例，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(Ⅳ級)31例，彌漫中線膠質(zhì)瘤(Ⅳ級) 6例，膠質(zhì)肉瘤(Ⅳ級) 1例。

1.2 磁共振掃描方法

美國GE HDxt 3.0 T超導(dǎo)型磁共振成像設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)八通道相控陣頭部線圈。常規(guī)行T1WI、T2WI、T2 FLAIR、增強(qiáng)T1WI及3D ASL掃描。液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(FLAIR序列)獲取T1 FLAIR及T2 FLAIR，F(xiàn)SE序列獲取T2WI。成像參數(shù)：T1WI：TR 1900 ms，TE 24 ms，TI 780 ms；T2WI：TR 4480 ms，TE 120 ms；T2 FLAIR：TR 9480 ms，TE 120 ms，TI 2300 ms；FOV 240 mm×240 mm，矩陣256×256，掃描層厚5.5 mm，間隔1.0 mm，激勵(lì)次數(shù)(NEX)1次。3D-ASL序列：TR 4599 ms，TE 9.8 ms，層厚4 mm，NEX 3次，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，矩陣512×512，延遲時(shí)間1525 ms。MRI增強(qiáng)掃描包括T1WI的橫軸面、矢狀面及冠狀面掃描。對比劑采用釓噴替酸葡甲胺(Gd-DTPA)，劑量：0.2 mL/kg體重。手動(dòng)注射。

1.3 感興趣區(qū)畫取及圖像分割

將所有患者的ASL圖像利用GE ADW4.6后處理工作站進(jìn)行處理，獲得CBF灰度圖，然后以DICOM格式導(dǎo)入Omni-Kinetics軟件(GE healthcare，Life-Science，China)進(jìn)行感興趣區(qū)(region of interest) 畫取、圖像分割與紋理分析。

ROI選?。簠⒄瘴墨I(xiàn)[4，9-11]的方法，由1名熟悉神經(jīng)影像的影像科醫(yī)師在不知道病理結(jié)果的情況下進(jìn)行ROI畫取。參照T1WI、T2WI FLAIR及T1WI增強(qiáng)圖像，選擇ASL圖像上腫瘤實(shí)質(zhì)及瘤周水腫的最大層面，分別勾畫出腫瘤實(shí)質(zhì)ROI及瘤周水腫ROI，ROI不包括壞死、囊變、出血區(qū)域。在瘤周水腫研究，81例中有13例(6例低級別膠質(zhì)瘤，7例高級別膠質(zhì)瘤)因瘤周水腫輕微，難以在ASL圖像上勾畫出邊界而排除，最終納入68例(25例低級別膠質(zhì)瘤，43例高級別膠質(zhì)瘤)納入研究。圖像分割：ROI畫取完成后，由OK軟件進(jìn)行自動(dòng)圖像分割。

1.4 圖像紋理分析

采用Omni-Kinetics軟件對分割后的圖像進(jìn)行一階直方圖紋理分析及二階灰度共生矩陣(Gray-Level Cooccurrence Matrix，GLCM)紋理分析，生成以下紋理參數(shù)。

(1)直方圖參數(shù)：包括最小值(min intensity)、最大值(max intensity)、中位值(median intensity)、均值(mean value)、標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation)、方差(variance)、體積數(shù)(volume count)、體素值和(voxel value sum)、值域(rang)、均方根(root mean square，RMS)、平均差(mean deviation)、相對偏差(relative deviation)、偏度(skewness)、峰度(kurtosis)、均勻性(uniformity)、能量(energy)、熵(entropy)、百分位數(shù)(quantiles)(5，10，25，50，75，90，95)。(2)灰度共生矩陣參數(shù)(gray-level co-occurrence matrix，GLCM)：總頻率(total frequency)、能量(GLCM energy)、熵(GLCM entropy)、慣性(inertia)、相關(guān)性(correlation)、逆差矩(inverse difference moment)、集群陰影(cluster shade)，集群顯著性(cluster prominence)。

圖1 男，21歲，左側(cè)額葉彌漫性星形細(xì)胞瘤(WHO Ⅱ級)。A：軸位T1WI增強(qiáng)示左側(cè)額葉腫瘤未見明顯強(qiáng)化；B：T2 FLAIR示腫瘤呈稍高至高信號，瘤周可見輕度水腫信號影；C：CBF圖示腫瘤呈稍高灌注；D、E分別為腫瘤實(shí)質(zhì)及瘤周水腫的CBF直方圖，示圖像中心左偏。腫瘤實(shí)質(zhì)CBF直方圖均勻度及能量分別為0.77，4.23×10-2，瘤周水腫CBF直方圖最小值為35Fig. 1 Male, 21 years old, left frontal lobe diffuse astrocytoma (WHO Ⅱ). A: Axial contrasted T1WI shows no signi ficant enhancement of the tumor. B: T2 FLAIR shows mild hyperintensity of the tumor and mild edema around the tumor. C: CBF shows slightly hyper-perfusion of the tumor. D and E: the tumor parenchyma and peritumoral edema of CBF histogram, shows the center of image shift to the left. The uniformity and energy of CBF histogram of tumor parenchyma are 0.77, 4.23×10-2,respectively, and the min-intensity of CBF histogram of peritumoral edema is 35.

表1 低級別膠質(zhì)瘤組和高級別膠質(zhì)瘤組患者腫瘤實(shí)質(zhì)紋理特征參數(shù)的比較結(jié)果Tab. 1 Comparison of texture parameters of tumor parenchyma between low- and high-grade glioma group

圖2 男，64歲，左側(cè)額葉膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(WHO Ⅳ級)。A：軸位T1WI增強(qiáng)示左側(cè)額葉腫瘤呈環(huán)狀不均勻明顯強(qiáng)化；B：T2 FLAIR示腫瘤呈稍高信號，中央壞死區(qū)呈低信號，瘤周可見明顯水腫信號影；C：CBF圖示腫瘤呈高灌注；D：腫瘤實(shí)質(zhì)的CBF直方圖，示圖像中心明顯右偏，均勻度及能量分別為0.67，1.07×10-2；E：為瘤周水腫的CBF直方圖，示圖像中心左偏，最小值為10Fig. 2 Male, 64 years old, left frontal lobe glioblastoma (WHO Ⅳ). A: Axial contrasted T1WI shows markedly circular heterogeneous enhancement. B: T2 FLAIR shows mild hyperintensity of the tumor and hypointensity in the central necrotic area, obvious edema around the tumor. C: CBF shows hyper-perfusion of the tumor.D: CBF histogram of tumor parenchyma, shows the center of image shift to the right obviously, uniformity and energy are 0.67,1.07×10-2, respectively. E: CBF histogram of peritumoral edema, shows the center of image shift to the left, the min-intensity is 10.

表2 低級別膠質(zhì)瘤組和高級別膠質(zhì)瘤組患者瘤周水腫紋理特征參數(shù)的比較結(jié)果Tab. 2 Comparison of texture parameters of peritumoral edema between low- and high-grade glioma group

圖3 腫瘤實(shí)質(zhì)的ROC曲線，均勻性和能量曲線下面積分別為0.71、0.72，，均值曲線下面積為0.68，聯(lián)合均勻性及能量曲線下面積為0.73 圖4 瘤瘤周水腫的ROC曲線，最小值和均值的曲下面積分別為0.72、0.67Fig. 3 The ROC curve of tumor parenchyma. The AUC of uniformity and energy were 0.71 and 0.72, respectively.The AUC of mean value was 0.68. The AUC of the union of uniformity and energy was 0.73. Fig. 4 The ROC curve of peritumoral edema. The AUC of min intensity and mean value were 0.72 and 0.67, respectively.

表3 鑒別高、低級別膠質(zhì)瘤的紋理參數(shù)的ROC曲線分析Tab. 3 Analysis of ROC of texture parameters for identifying high- and low-grade gliomas

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)及Levene檢驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)。正態(tài)分布數(shù)據(jù)用x±s表示，非正態(tài)分布數(shù)據(jù)用M(P25，P75)表示。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(滿足正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)的情況下)或Mann-Whitney U檢驗(yàn)(不滿足正態(tài)性及方差齊性時(shí))比較低級別與高級別膠質(zhì)瘤ASL圖像的紋理參數(shù)。對于有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的紋理參數(shù)，通過MedCal軟件(version 18.2.1，Ostend，Belgium; http://www.medcalc.org)繪制受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線確定鑒別低級別膠質(zhì)瘤和高級別膠質(zhì)瘤的最佳臨界值，并計(jì)算各個(gè)參數(shù)的鑒別效能(敏感度、特異度、陽性預(yù)測值、陰性預(yù)測值)，與CBF均值對比。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 腫瘤實(shí)質(zhì)

低級別膠質(zhì)瘤組和高級別膠質(zhì)瘤組腫瘤實(shí)質(zhì)的紋理參數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的有21個(gè)(表1)。本研究中， 低級別膠質(zhì)瘤CBF直方圖的圖像中心向左偏，而高級別膠質(zhì)瘤則明顯向右偏，兩者均可見多個(gè)波峰(圖1，2)。

2.2 瘤周水腫

低級別膠質(zhì)瘤組和高級別膠質(zhì)瘤組瘤周水腫的紋理參數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的有19個(gè)(表2)。本研究中， 低級別膠質(zhì)瘤CBF直方圖的圖像中心向左偏，可見雙峰改變，而高級別膠質(zhì)瘤向左偏較低級別膠質(zhì)瘤明顯，可見一個(gè)波峰(圖1，2)。

2.3 紋理參數(shù)的診斷效能分析

利用ROC曲線分別分析腫瘤實(shí)質(zhì)和瘤周水腫中得出的差異有意義的紋理參數(shù)，并把曲線下面積(area under curve，AUC)＞0.7的紋理參數(shù)與CBF均值作比較(表3；圖3，4)。

3 討論

本研究分別對膠質(zhì)瘤的腫瘤實(shí)質(zhì)和瘤周水腫進(jìn)行術(shù)前3D-ASL圖像進(jìn)行紋理分析，生成多種視覺不能獲得的高緯度圖像信息，評估腫瘤灌注的異質(zhì)性，以提高3D-ASL鑒別高、低級別膠質(zhì)瘤的能力，為膠質(zhì)瘤的分級提供更多有用的信息。本研究發(fā)現(xiàn)高、低級別膠質(zhì)瘤的腫瘤實(shí)質(zhì)和瘤周水腫3D-ASL圖像有多個(gè)紋理參數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，可用來幫助鑒別低級別與高級別膠質(zhì)瘤，其中腫瘤實(shí)質(zhì)中均質(zhì)性、能量參數(shù)和瘤周水腫中最小值參數(shù)表現(xiàn)出較好的診斷效能。

3.1 CBF紋理分析在腫瘤實(shí)質(zhì)的應(yīng)用

均勻性反映的是圖像灰度分布的異質(zhì)性。能量反映圖像紋理的灰度變化穩(wěn)定程度。均勻性與能量的值越大均表明異質(zhì)性越低。本研究結(jié)果顯示，高級別膠質(zhì)瘤實(shí)質(zhì)成分均勻性及能量均低于低級別膠質(zhì)瘤，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，表明高級別膠質(zhì)瘤實(shí)質(zhì)成分具有更大的異質(zhì)性和復(fù)雜性，與其惡性程度高、預(yù)后差的生物學(xué)行為特點(diǎn)相符合。既往有針對動(dòng)態(tài)對比增強(qiáng) MRI紋理分析的研究指出均勻性對膠質(zhì)瘤分級具有良好的診斷效能，與我們的研究結(jié)果有一定相似性[12]。此外，國內(nèi)外較多類似的研究說明均勻性和能量有助于鑒別腫瘤的異質(zhì)性[10，13-14]。本研究結(jié)果顯示，均勻性及能量在鑒別高、低級別膠質(zhì)瘤診斷效能最佳，兩者與均值的診斷效能相仿，而聯(lián)合均勻性和能量的診斷效能分析中，敏感度為64.52%，均優(yōu)于單一紋理參數(shù)及平均值。本研究中均勻性及能量參數(shù)的敏感度出現(xiàn)偏低，筆者推測：同級別腫瘤內(nèi)腫瘤細(xì)胞活躍程度及增殖不盡相同，部分高或低級別腫瘤的影像表現(xiàn)與相對應(yīng)級別的典型影像表現(xiàn)并不相符，故對均勻性及能量參數(shù)的敏感度有所影響。因此聯(lián)合均勻性和能量參數(shù)能提高高、低級別膠質(zhì)瘤的鑒別診斷能力，有希望成為良好的影像學(xué)指標(biāo)，為臨床提供有用的輔助信息。

3.2 CBF紋理分析在瘤周水腫的應(yīng)用

最小值是指圖像體素的最小值。本研究結(jié)果顯示，低級別膠質(zhì)瘤的最小值大于高級別膠質(zhì)瘤的最小值，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，筆者推測：一方面高級別膠質(zhì)瘤因血腦屏障破壞，造成瘤周血管源性水腫使正常腦組織微血管灌注能力降低，另一方面高級別膠質(zhì)瘤瘤周浸潤程度更明顯，白質(zhì)纖維受到破壞[15-16]。目前基于ASL圖像對瘤周水腫進(jìn)行紋理分析的研究鮮見，需要更多的研究證實(shí)這一推斷。在本研究結(jié)果中，最小值在鑒別高、低級別膠質(zhì)瘤瘤周水腫診斷效能比均值的診斷效能要好，這表明最小值在高、低級別膠質(zhì)瘤瘤周水腫鑒別診斷的能力較高，為更多有關(guān)瘤周水腫的紋理分析的研究提供一個(gè)有價(jià)值的參考指標(biāo)。但最小值參數(shù)的特異度偏低，可能與本研究把高級別膠質(zhì)瘤遠(yuǎn)瘤周水腫也作為感興趣區(qū)有關(guān)。

3.3 局限性

本研究存在幾點(diǎn)不足之處：(1)分組不均，低級別組患者數(shù)量遠(yuǎn)較高級別患者數(shù)量少，考慮主要是受到腫瘤發(fā)病率的影響；(2)腫瘤切除術(shù)后，只有部分腫瘤組織送病理檢查，影像表現(xiàn)與病理結(jié)果不能真正一一對比分析；(3)本研究僅選取了腫瘤實(shí)質(zhì)最大層面及瘤周水腫最大層面分析其特征，未作全瘤紋理分析，理論上全瘤分析的效能會(huì)高于目前研究的結(jié)果。

3.4 結(jié)論

基于ASL圖像紋理分析法可以為評估膠質(zhì)瘤異質(zhì)性提供相對可靠及客觀的量化信息，有望提高影像學(xué)在高、低級別膠質(zhì)瘤的鑒別診斷的能力，為臨床治療方案的制訂提供有用的輔助信息。

利益沖突：無。