MRI早期动态增强斜率直方图评估骨肉瘤新辅助化疗疗效的初探＊

1.中山大学肿瘤防治中心影像与微创介入中心 (广东 广州 510060) 2.中山大学附属第一医院影像诊断科3.中山大学附属第一医院病理科(广东 广州 510080)

孙美丽1 高振华2 胡晓书2王 卓3 孟悛非2

MRI早期动态增强斜率直方图评估骨肉瘤新辅助化疗疗效的初探＊

1.中山大学肿瘤防治中心影像与微创介入中心 (广东 广州 510060) 2.中山大学附属第一医院影像诊断科3.中山大学附属第一医院病理科(广东 广州 510080)

孙美丽1高振华2胡晓书2王 卓3孟悛非2

目的探讨MRI早期动态增强斜率(Slope)直方图对骨肉瘤新辅助化疗疗效评价的价值。方法对14例经病理证实的四肢骨肉瘤在新辅助化疗前3天内、化疗后术前3天内进行MRI平扫及动态增强扫描，采用MR设备自带后处理软件生成Slope图，将新辅助化疗前、后的整个瘤体的Slope图导入基于Matlab的直方图分析软件获得Slope值分布直方图。将14例肿瘤按手术病理Huvos分级法分为组织学反应良好组和组织学反应较差组，比较两组新辅助化疗前、后Slope直方图和平均Slope值的变化。结果骨肉瘤新辅助化疗后组织学反应良好组(6例)Slope直方图平均值明显左移，而组织学反应较差组(8例)Slope直方图显示平均值左移不明显甚至右移；两组间平均Slope值变化率的差异有统计学意义(P值=0.008)。结论Slope直方图有助于评价骨肉瘤新辅助化疗的疗效。

骨肉瘤；新辅助化疗；磁共振成像；动态增强共振成像

骨肉瘤是最常见的原发恶性骨肿瘤，好发于青少年，自然预后极差，有效的新辅助化疗明显提高了骨肉瘤患者的生存率和保肢率[1]。目前，评价新辅助化疗疗效的金标准是化疗后病理组织学反应(肿瘤细胞坏死率)，功能和分子MR影像学的发展有望无创地活体评价肿瘤化疗疗效[2]。部分国外学者通过动态增强磁共振成像(dynamic contrastenhanced MRI，DCE-MRI)参数来反映肿瘤细胞的坏死与存活[3,4]、从而来评价骨肉瘤新辅助化疗前后的疗效。目前国内尚未见有关DCE-MRI评估骨肉瘤新辅助化疗前后变化的报道，本文收集14例四肢骨肉瘤于新辅助化疗前、后进行DCE-MRI检查，结合术后病理，初步探讨DCE-MRI早期动态增强斜率(Slope)直方图在骨肉瘤新辅助化疗前后的变化及其对化疗疗效评价的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料从我院收治的四肢初发骨肉瘤患者中筛选出符合入选标准的14例纳入本研究，男7例，女7例，年龄6～36岁，平均年龄16.5岁。股骨下段7例，股骨中段2例，胫骨上段5例。病例入选标准：①术后病理诊断为骨肉瘤；②就诊前未进行化疗，在我院实施骨肉瘤新辅助化疗方案前3天内行首次动态增强MR检查；③完成新辅助化疗后于保肢术前3天内再次行动态增强MR检查，扫描参数同首次动态增强MR检查。本研究已通过我院伦理委员会审查，以上患者均已签署知情同意书。

1.2 MR检查方法MRI检查采用Siemens 3.0T超导型全身磁共振成像设备，选用膝关节线圈或体线圈，常规行横轴位快速脂肪抑制SE序列T2WI(TR 4660ms，TE 96ms)、横轴位SE序列T1WI(TR 659 ms，TE 11ms)后行横轴位动态增强MR扫描。动态增强MR扫描采用3D FLASH(fast lowangle shot)序列，TR/TE=4.86 ms/1.5ms，翻转角12°，矩阵192×124，层厚5mm，层间距1mm。使用高压注射器经肘静脉注射对比剂Gd-DTPA，对比剂及生理盐水注射流率均为3ml/s，Gd-DTPA浓度0.1ml/kg体重，注射完对比剂后继续注射生理盐水20ml。注射对比剂同时启动MRI扫描，无时间间隔连续扫描30个周期，时间分辨率为3s，每个周期扫描10～12层，整个动态过程扫描用时为90 s。

1.3 术前化疗方案骨肉瘤新辅助化疗方案常规采用甲氨蝶呤、吡柔比星和异环磷酰胺，部分加用奥先达或多帕菲。我院常规行4个疗程，视病人化疗副作用和费用等制定个性化化疗方案。14例均于新辅助化疗结束后第3周行保肢手术。

1.4 术后化疗效果的病理组织学评价由2位具有丰富骨肿瘤诊断经验的病理科医师共同观察骨肉瘤切除术后病理标本和切片表现，达成一致意见为最后诊断结果，计算每个病例的肿瘤坏死率。新辅助化疗疗效判定的金标准参照肿瘤坏死率Huvos分级法[7]，肿瘤坏死率≥90%为组织学反应良好组(包括HuvosⅢ和Ⅳ级)，肿瘤坏死率＜90%为组织学反应较差组(包括HuvosⅠ和Ⅱ级)。

1.5 MRI数据后处理及统计学方法首先由MRI设备附带的处理软件自动生成每个层面的Slope图，使用Matlab编写直方图生成软件，分别导入新辅助化疗前、后的所有Slope图，参考同层T1WI和脂肪抑制T2WI，在Slope图的每个层面仔细描画肿瘤边界，描画完毕后软件自动生成Slope值分布直方图，并显示相应的Slope平均值，Slope直方图的横坐标为Slope值(单位：%/s)，纵坐标为像素数。计算新辅助化疗前、后Slope值的变化率△Slope(单位：%)，公式为△Slope=[(化疗后平均Slope值－化疗前平均Slope值)/化疗前平均Slope值]×100%。

应用SPSS 13.0软件包进行统计学分析，对新辅助化疗前、后不同组织学反应组间的△Slope结果采用独立样本的t检验进行两两比较，P＜0.05被认为有统计学差异。

表1 14例骨肉瘤新辅助化疗前后△Slope、Slope直方图变化和Huvos分级

表2 骨肉瘤新辅助化疗前后不同组织学反应组间△Slope的比较

2 结 果

2.1 14例骨肉瘤新辅助化疗前、后的△Slope、Slope直方图变化和相应Huvos病理分级的结果，见表1。

本组14例骨肉瘤新辅助化疗后，6例组织学反应良好者Slope直方图均显示平均值明显左移(图1-4)；8例组织学反应较差者Slope直方图均显示平均值左移不明显，其中4例平均值变化不明显，2例(图5-8)平均值右移，另外2例显示平均值左移。

2.2 14例骨肉瘤不同组织学反应组间新辅助化疗前、后△Slope的比较，结果见表2。骨肉瘤新辅助化疗后组织学反应良好组(6例)和组织学反应较差组(8例)之间△Slope的差异有统计学意义(P＜0.05)。

图1-4 左股骨下段骨肉瘤新辅助化疗前、后的Slope图和Slope直方图（Huvos Ⅳ级，病例6）：图1-4依次为化疗前、后的股骨下段横轴位Slope图、化疗前、后的Slope直方图，横坐标为Slope（单位：%/s），纵坐标为像素数。化疗前、后平均Slope值分别为16.05和6.85，化疗后平均Slope值明显降低，Slope直方图显示平均值明显左移。图5-8 左胫骨上段骨肉瘤新辅助化疗前、后的Slope图和Slope直方图（HuvosⅠ级，病例2）：图5-8依次为化疗前、后的胫骨上段横轴位Slope图、化疗前、后的Slope直方图，横坐标为Slope（单位：%/s），纵坐标为像素数。化疗前、后平均Slope值分别为9.89和12.95；化疗后平均Slope值升高，Slope直方图显示平均值右移。

3 讨 论

DCE-MRI是采用快速T1加权成像序列在静脉团注磁性对比剂后采集获得一系列动态图像，磁性对比剂流经毛细血管时会引起周围组织信号强度发生变化，通过数据后处理获得对比剂在组织内微循环血流动力学的特征，间接反映活体组织血管化程度、灌注率和毛细血管通透性的状态[3，5]，其成像的关键要点包括团注法注射对比剂、足够的时间分辨率及尽量多的系列采集时间点[6]。

DCE-MRI数据采集后处理方法包括定性分析和定量分析两类。DCE-MRI的定性分析比较简单，通过MR机器自带的后处理软件，选取感兴趣区(ROI)后自动描绘出时间-信号强度曲线(timeintensity curve,TIC)，反映对比剂在目标组织区内的动态分布过程，根据TIC形态特征常分为三型(Ⅰ型渐增型；Ⅱ型平台型；Ⅲ型廓清型)或五型(Ⅰ型无强化；Ⅱ型渐增型；Ⅲ型平台型；Ⅳ型廓清型；Ⅴ型延迟型)[7]。Bajpai等[8]采用DCE-MRI定性分析方法对骨肉瘤化疗前后的TIC曲线类型进行观察，按化疗后组织学反应(肿瘤坏死率)分为反应良好和反应差两组，结果显示肿瘤化疗后曲线类型变化在两组间无统计学差异。骨肉瘤化疗后瘤体内异质性表现更为明显，常出现多种病理组织学成分并存或混存[9]，而不同病理组织成分区的TIC曲线类型不同，因此，我们认为采用TIC曲线类型变化来评价肿瘤化疗后效果不可避免受到ROI选择部位的影响，并不能准确反映骨肉瘤化疗后的真实情况。

DCE-MRI定量分析包括TIC半定量分析和药代动力学模型定量分析法。TIC半定量分析通过TIC计算出Slope、增强峰值和增强峰值时间，其中Slope代表TIC曲线快速上升段中最为陡峭的一段增强斜率值，代表了最大强化速率，反映肿瘤的微血管密度和血管通透性情况[3,9]。但不同的扫描方案、对比剂注射方法间存在不可忽视的个体差异，使得不同患者和不同研究机构间比较存在困难[4]。药代动力学模型分析法对不同扫描方案、对比剂注射方法的依赖性小但处理比较复杂，目前广泛应用的定量分析动力模型是Tofts的双腔模型法，可获得的参数包括对比剂体积交换常数(Ktrans)、血浆容积(νp)和血管外细胞外间隙容积分数(νe)[11]。Dyke等[12]利用DCE-MRI来评价骨肉瘤和尤文瘤的新辅助化疗疗效，同时采用半定量分析Slope值及双腔模型分析法进行后处理，结果显示两种方法参数均与肿瘤坏死率相关，认为DCE-MRI能够反映肿瘤坏死率。本文为避免肿瘤化疗前后Slope值受到肿瘤区域ROI选择的影响，采用含有整个肿瘤全部像素的Slope值分布的直方图来研究骨肉瘤化疗前后肿瘤微循环血流动力学的变化，从而反映肿瘤整体化疗的疗效。本研究结果显示：从病理角度看，骨肉瘤有效新辅助化疗后，病理组织学反应良好，肿瘤坏死率高，Huvos病理分级达Ⅲ和Ⅳ级；从MRI动态增强扫描角度看，骨肉瘤有效新辅助化疗后整个肿瘤的平均Slope值明显下降，其Slope值分布直方图明显左移。这说明平均Slope值能够反映新辅助化疗后肿瘤的坏死。骨肉瘤有效新辅助化疗后，肿瘤微血管密度、血管通透性和血流量很可能随着肿瘤坏死率增加而减低，从而引起Slope值下降。骨肉瘤化疗前、后Slope直方图的变化不但可以反映新辅助化疗疗效，而且具有以下优点：①Slope直方图将整个肿瘤纳入研究，分析全面，避免了局部取样研究误差；②Slope直方图简洁、直观，避免了病理学评估的繁琐，利于临床大规模开展；③可在肿瘤新辅助化疗期间多次、重复检查，实时监测化疗疗效，及时指导手术时机的选择及术后化疗方案的修正。

本研究的局限性在于样本量较少，未能进行受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线分析来进一步探讨骨肉瘤新辅助化疗前、后肿瘤的Slope值变化率评价骨肉瘤新辅助化疗疗效的最佳临界值。

总之，骨肉瘤新辅助化疗前、后平均Slope值的变化率能够被用来反映新辅助化疗的疗效，借助Slope直方图可以直观、简洁地反映化疗疗效，值得临床推广应用。

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3. Uhl M, Saueressig U, van Buiren M, et al. Osteosarcoma: preliminary results of in vivo assessment of tumor necrosis after chemotherapy with diffusion- and perfusion-weighted magnetic resonance imaging[J].Invest Radiol,2006,41(8):618-623.

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(本文编辑:谢婷婷)

Preliminary Study on Value of MRI Slope Histogram to Evaluate Neoadjuvant Chemotherapeutic Response of Osteosarcoma*

SUN Mei-li1, GAO Zhen-hua2, HU Xiao-shu2, et al．, 1 Department of medical Imaging and Interventional Radiology, Sun Yat-sen University Cancer Center, Guangzhou, 510060, China; 2 Department of Radiology; 3 Department of Pathology, First Affiliated Hospital of Sun Yat-Sen University, Guangzhou, 510080, China

ObjectiveTo discuss the value of early dynamic contrast-enhanced MR imaging Slope histogram to evaluate neoadjuvant chemotherapeutic response of osteosarcoma．MethodsConventional and early dynamic contrast-enhanced MR imaging were performed in 14 patients with pathologically confirmed limb osteosarcoma at two time points: within 3 days before neoadjuvant chemotherapy, and within 3 days before surgery after neoadjuvant chemotherapy． Slope maps before and after neoadjuvant chemotherapy were obtained using built-in workstation processing software． Slope histograms were obtained using a Matlab-based customized software． The patients were divided into the good response group and poor response group according to postoperative Huvos grading pathologically． The change of pre- and post- neoadjuvant chemotherapy Slope histogram and mean Slope value between the two groups were compared． Results The mean value of Slope histogram was obviously shifted to the left in good response group (6 patients)． However, the mean value of Slope histogram did not obviously shift to the left or even shift to the right in the poor response group (8 patients)．The change of the mean Slope value pre- and post-neoadjuvant chemotherapy was statistically different in the two groups (P=0．008)．ConclusionThe Slope histogram is helpful for evaluation of neoadjuvant chemotherapeutic response of osteosarcoma．

Osteosarcoma; Neoadjuvant Chemotherapy; Magnetic Resonance Imaging; Dynamic Contrast-enhanced Magnetic Resonance Imaging

R445.2; R738.1

A

广东省科技计划项目（项目编号:2011B031800096）

10.3969/j.issn.1672-5131.2015.06.028

2015-05-08

高振华