氢质子磁共振波谱在胶质瘤活检术中的应用☆

王群张家墅徐兴华白少聪吴东东董国俊陈晓雷许百男

氢质子磁共振波谱在胶质瘤活检术中的应用☆

王群*张家墅*徐兴华*白少聪*吴东东*董国俊*陈晓雷*许百男*

目的 探讨氢质子磁共振波谱（proton magnetic resonance spectroscopy，1H—MRS）指导无框架立体定向穿刺活检的最优化代谢指标。方法 选择2011年7月至2015年1月行1H—MRS影像自动融合的无框架立体定向穿刺活检术的胶质瘤患者。共57例，其中男32例，女25例，年龄13～77岁，平均46岁。统计分析各级别胶质瘤术前波谱代谢指标水平，并将其与术后病理级别进行相关性分析。结果 胶质瘤Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级组间NAA值、Cho/NAA、Cho/Cr存在显著性差异，而Cho、Cr、NAA/Cr不存在差异。与病理级别具有相关性的代谢指标有Cho/Cr：r=0.381（P=0.002）、Cho/NAA：r=0.468（P＜0.01）、NAA：r=-0.437（P＜0.01）、Cr：r=-0.266（P=0.032）。结论1H—MRS自动融合的无框架立体定向活检技术具有明显优势，均质瘤体内Cho/NAA最大值代谢热区可作为穿刺活检首选靶点。

磁共振波谱 立体定位技术 活组织检查 胶质瘤

目前临床上对于颅内多发病变、深部或功能区病变多采用立体定向穿刺活检进行病理分级。若活检标本不是肿瘤恶性程度最高的部分，所得到的病理分级就可能不准确［1］。脑胶质瘤是最常见的中枢神经系统肿瘤，组织学的异质性给活检靶点选择带来困难。氢质子磁共振波谱（proton magnetic resonance spectroscopy，1H—MRS）影像自动融合无框架立体定向活检技术能够实现从代谢水平上选择活检靶点。但使用哪种代谢指标选择胶质瘤靶点仍存在争议。本文对波谱引导下活检靶点的最优化代谢指标进行探讨。

1　资料与方法

1.1一般资料 选择2011年7月至2015年1月在我科行穿刺活检以明确病理性质的入院患者142例。符合如下条件的纳入研究对象：①临床及影像学诊断不明确，需活检明确病理性质。②病人均行1H—MRS影像自动融合指导无框架立体定向颅内病变活检手术。③术后病理诊断为胶质瘤，且具有明确的病理类型和分级。④病例最小年龄大于4岁［2，3］。所有患者均知情同意，同时除外MRI禁忌证。142例活检手术中，病理结果明确为胶质瘤共63例，其中排除波谱代谢物波峰不稳定6例，最终57例纳入研究，其中男32例，女25例，年龄13～77岁，平均46岁。

1.2影像学检查与数据处理 解剖影像包括T1WI、T2WI、T2Flair、磁共振血管造影、增强MRI。功能影像包括血氧水平依赖fMRI和弥散张量成像。代谢影像磁共振波谱扫描采用多体素1H—MRS化学位移成像，其中感兴趣区的选择应包括病变实质部分、周围水肿带，避免颅骨、脑室等引起部分容积效应导致的基线不稳。具体影像学参数可参见文献［4，5］。成像均采用iMRI系统诊断室1.5 T高场强超导磁体（Espree，德国西门子公司）。化学位移成像序列在影像后处理工作站（Syngo B15，Siemens，Erlangen，Germany）Spectroscopy模块中分析胆碱（Cho）、N-乙酰天冬氨酸（NAA）、肌酸（Cr）、等代谢物水平及代谢物之间的相对值（图1A），处理后得到相应代谢物的分布伪彩图（图1B），将成像效果较好伪彩图转化为灰度图（图2A），并以Dicom数据格式传至导航计划工作站。

1.3活检计划与过程 融合及制定计划详细操作流程可见文献［5］。根据波谱指示的代谢热区确定活检靶点，注意避开坏死区域（乳酸或脂质高）。根据多模态功能神经导航，避开重要功能区与血管，选择合适穿刺路径。最终采用31个Cho代谢热区、9个Cho/Cr代谢热区、24个Cho/NAA代谢热区以及1个Cr/NAA代谢热区作为靶点。手术均在1.5T术中磁共振复合手术室（Siemens Espree，Erlangen，Germany）进行，应用VarioGuide（德国Brain LAB公司）无框架立体定向活检系统进行活检。操作详见文献［4-6］。iMRI及时更新多模态导航计划，并将术中与术前影像在iPlan Cranial 3.0软件中进行融合，判断活检准确性（图1F）。留取病理标本，常规送检，由2位资深神经病理专科医生根据2007年第四版《WHO中枢神经系统肿瘤》分类标准进行诊断。确认穿刺无误，结束手术，及时处理术后并发症。

1.4统计学分析 所有数据采用IBM SPSS Statistics software，version 22.0（IBM，Armonk，NY）进行分析处理。研究数据相关性分析应用Spearman等级相关分析。组间差异应用Kruskal-Wallis单因素方差分析，组间两两比较应用Wilcoxon秩和检验中的Bonferroni检验法。应用受试者操作特性（ROC）曲线计算代谢指标的临界值，并得出相应灵敏度、特异度以及准确度。所有检验均为双侧假设检验，检验水准α=0.05。

2　结果

2.1活检病理结果 57例病例共得到65份活检标本，其中7例由于穿刺路径与波谱层面平行而行多靶点穿刺，靶点选择代谢物伪彩图成像好的高代谢区与低代谢区。65份活检标本中病理分级与类型如下，WHOⅠ级中1份毛细胞性星型细胞瘤；WHOⅡ级中26份星形细胞瘤，3份少突胶质细胞瘤，9份少突星形细胞瘤；WHOⅢ级中2份星形细胞瘤，4份少突胶质细胞瘤，5份间变型星形细胞瘤，2份间变型少突胶质瘤，3份间变少突星形胶质瘤，1份胶质瘤病，1份室管膜瘤；WHOⅣ级中1份星形细胞瘤，7份胶质母细胞瘤。

2.2手术及并发症57例病例均成功实施1H—MRS指导穿刺活检手术。其中1例双侧基底节区和岛叶弥散性病变患者，iMRI发现活检穿刺点小血肿，出血量＜5 mL，术中未特殊处理，术后短期肢体运动障碍，术后10 d肌力即由术后当时的左侧上下肢3级恢复至5级；其余患者均未出现新发神经功能障碍。无死亡及术后感染病例。

2.3靶点代谢指标统计分析结果波谱代谢指标Cho、NAA、Cr值以及Cho/Cr、Cho/NAA、NAA/Cr比值与肿瘤病理分级的相关性分析见表1，相关系数r值代表相关性的强弱。其中Cho/NAA与病理级别的相关性最强。

本研究根据术后病理分级（1例WHOⅠ级排除），将穿刺活检标本分为WHOⅡ组、WHOⅢ组、WHOⅣ组，分别统计活检标本所对应的代谢指标水平，见表2。组间差异分析，得到NAA值（P=0.004）、Cho/NAA（P=0.001）、Cho/Cr（P=0.013）在三组之间存在显著性差异，而Cho值（P= 0.299）、Cr（P=0.087）值、NAA/Cr（P=0.259）在三组之间不存在差异。对统计学具有显著性差异的组间进行两两比较，结果表明Ⅱ、Ⅲ级以及Ⅱ、Ⅳ级中NAA、Cho/NAA、Cho/Cr有统计学差异；Ⅲ、Ⅳ级中各代谢物无统计学差异。

表2　活检靶点波谱代谢指标平均水平　M（P25，P75）

将穿刺活检标本分为低级别胶质瘤组LGGs组（WHOⅠ、Ⅱ）和高级别胶质瘤组HGGs组（WHOⅢ、Ⅳ），分别统计灵敏度、特异度以及正确率，其中Cho/NAA指标的灵敏度与特异度达到92.0%与95.0%，，正确率达到93.8%，见表3。

2.4典型病例 患者，男，50岁，主因“认知功能下降1月，右侧肢体力弱1周”入院。术前影像提示左侧顶叶病变，呈不规则强化。术前MRS检查提示强化病灶内异常高Cho峰，本例病人选择MRS中Cho最高热区为穿刺靶点，行俯卧位iMRI导航下1H-MRS自动融合指导无框架立体定向左顶病变活检术。iMRI影像提示穿刺靶点穿刺成功，手术结束，无任何并发症。术后病理提示为间变型星形细胞瘤，WHOⅢ级。术前计划与术中影像，见图1。

3　讨论

本研究分析65份活检标本的MRS数据，显示Ⅱ级较Ⅲ级、Ⅳ级肿瘤实质内代谢指标NAA值高、Cho/NAA低、Cho/Cr低，这与之前的大多数研究结果相符［2，3，7］。而三组之间Cho值和Cr值不存在差异。Cr值作为相对含量较固定的细胞能量代谢物，在三组之间无差异与其他研究结果相同［8］。Cho值的无差异可能与本组病例数较少以及Ⅲ、Ⅳ级病例比例较小有关［7］。本研究中纳入8例Ⅳ级胶质瘤中胶质母细胞瘤有7例。将数据进行低级别与高级别分组，结果显示Cho/NAA指标具有较好的灵敏度、特异度以及正确率。但是在HGGs组中，胶质母细胞瘤由于坏死成分可能占据瘤体的80%，这使得依赖于活性肿瘤细胞的Cho因瘤体内活性肿瘤细胞含量的减少而表现低水平［9］。这可能导致胶质母细胞瘤中Cho/NAA和Cho/Cr的降低［7］，而使得本研究Ⅲ、Ⅳ级中Cho/NAA、Cho/Cr没有明显差异。通过本研究得出高级别胶质瘤中特别是Ⅳ级中，使用Cho/NAA作为活检穿刺的靶点有不确定性，需要其他代谢靶点来替代。

传统的穿刺靶点选择病变强化的部分或者病变的中心，1H—MRS影像指导病变活检的方法对于病变未强化或中心出现不典型坏死具有明显的提示作用［10，11］。但是采取哪种代谢指标作为靶点仍存在争议［12］。Nafe等［13］表明Cho/Cr比值与肿瘤级别具有较好的相关性。Shimizu等［14］在同类别胶质瘤中Cho与Ki67指数成线性相关。Stadlbauer等［15］得出Cho/NAA与肿瘤立体定向活检靶点标本的肿瘤细胞密度具有相关性。

表1　波谱代谢指标与病理级别相关性

表3　波谱代谢指标判别LGGs组和HGGs的灵敏度、特异度以及正确率

图1　典型病例术前计划与术中影像。A：术前MRS检查Cho相对高代谢区各代谢物水平；B：感兴趣区内Cho分布伪彩图；C：选取伪彩图提示的Cho红色最高热区为穿刺靶点并其用红色标记；D：术前活检计划：穿刺通道（蓝色）避开重要结构（紫色为锥体束，橙色为感觉传导束）到达MRS提示的高Cho代谢靶点（红色标记）；E：iMRI检查增强T1WI提示穿刺靶点穿刺成功。F.应用iPlan Cranial 3.0软件将术中增强T1WI与术前MRS伪彩图融合，调整MRS透明度后，可见MRS提示的活检计划靶点（红色标记）与穿刺部位吻合

图2　1H-MRS自动融合指导无框架立体定向病变活检计划融合过程。A.Cho分布伪彩图在Spectroscopy模块中转化为灰度图。B.灰度图在iPlan Cranial 3.0软件image fusion模块中与T2WI进行自动融合过程。C.在iPlan Cranial 3.0软件Advanced windowing对话框中将灰度图还原为伪彩图，并在composing options模块中将MRS伪彩图叠加于T1WI增强像

本研究对65份活检标本肿瘤组织的波谱代谢指标Cho、NAA、Cr值以及Cho/Cr、Cho/NAA、NAA/Cr比值与肿瘤病理分级进行相关性分析。发现具有相关性的指标有NAA值、Cr值、Cho/Cr和Cho/NAA比值，其中Cho/Cr和Cho/NAA与病理级别呈正相关，NAA与病理级别成负相关。这与Yang等［16］报道Cho/Cr和Cho/NAA与肿瘤级别相关性较好相一致。本研究还发现与肿瘤级别相关性最强的指标为Cho/NAA，提示胶质瘤肿瘤实质Cho/NAA比值越高，肿瘤恶性程度越高。这与Stadlbauer等［15］的研究报道结果相一致。提示波谱引导穿刺活检中Cho/NAA可作为靶点的首选代谢指标。但是如遇以下情况［17］病变中心出现坏死，坏死组织中Cho和NAA都降低，但Cho/NAA的比值有可能会最大。病灶中神经元被严重破坏时，NAA值非常小，Cho/NAA的比值有可能会最大。根据本研究结果，Cho代谢值在不同肿瘤级别中并没有差异而且与肿瘤级别也没有相关性，不建议使用Cho值作为靶点选取。取而代之的可以选取Cho/NAA比值仅次于最大的区域。总之在均质瘤体Cho/NAA最大值代谢热区可作为穿刺活检首选靶点，如遇病变坏死以及神经元破坏严重时可选用Cho/NAA比值仅次于最大热区或者Cho/Cr比值代谢热区作为活检靶点。

本研究应用1H—MRS影像自动融合指导无框架立体定向颅内病变活检的方法研究胶质瘤不同级别MRS代谢物水平，并应用导航系统中的Var-ioGuide模块进行穿刺活检，iMRI作为保障，能够实现术前按照波谱热区所标记的穿刺靶点与所得病理组织的点对点匹配，减少了胶质瘤肿瘤异质性对病理诊断的影响，值得推广。由于方法上的优越性［5］，靶点病理级别与波谱代谢物水平的分析相比于以往手术切除后病理与波谱代谢物水平的分析，具有更强的说服力。

本研究中尚存在不足：①对比其他研究文章［18］，本中心采用1.5TMRI较3.0T获得MRS图像质量、空间和波谱分辨率等具有劣势；②由于MRS体素为立方体，穿刺活检靶点的勾画为依据波谱代谢彩图所得的不规则形体，穿刺时难以实现100%精准形体匹配，即使形体匹配，也会因为穿刺设备的缺陷无法穿出固定形体的标本；③本组资料仅为临床初步应用经验，样本量尚小，还须进一步扩大样本量以肯定其结论；④本研究仅对波谱代谢指标与胶质瘤活检病理级别相关性进行分析，未将病理分子指标进行分析，并由于病例数的限制，忽略了相关性分析的个体同质性，未对具体病理类型进行分析，有待后续研究补充。

尽管如此，1H-MRS作为一种诊断及研究手段，通过基于1H—MRS影像自动融合的无框架立体定向活检技术，能够实现从代谢水平上确定穿刺活检靶点的位置，有助于提高定点穿刺活检术的活检阳性率［5，18］，为术前制定恰当的治疗方案提供依据，相信该方法将来会在临床得到更广泛应用并不断发展完善。

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App lication of M agnetic Resonance Spectroscopy in Need le Biopsy of G liom a.

WANG Qun，ZHANG Jiashu，CHEN Xiaolei，XU Bainan.Department of Neurosurgery，Chinese PLA General Hospital，28 Fuxing Road，Beijing 100853，China.Tel:010-66938438.

Objective To investigate the correlation between the spectroscopic metabolic indices and the pathological grading of gliomas，and to determine the best spectroscopic index to gain optimized targets using the technique of automated proton magnetic resonance spectroscopy（1H—MRS）imaging guided frameless stereotactic biopsy.M ethods Between July 2011 and January 2015，142 patients with suspected glioma underwent the automated1H—MRS imaging guided frameless stereotactic biopsy to confirm the diagnosis.Fifty-seven patients were enrolled.Among them，32 patients were male，25 patients were female.Their age ranged from 13 years to 77 years and the median age was 47 years.The correlation of the metabolic indices in the region of biopsy targets and glioma grade were analyzed.Comparisons of metabolic indices in different grade were made.Results sixty-five samples were obtained by biopsy.According to the classification of WHO criteria，39（60%）samples were classified as low-grade gliomas including 38 with WHO gradeⅡand 1 with WHO gradeⅠ，whereas 26 samples were classified as high-grade gliomas including 18（28%）with WHO grade III and 8（12%）with WHO grade IV.The Cho/Cr and Cho/NAA ratios had a positive correlation with the pathological grading，whereas NAA and Cr value had a negative correlation with pathological grading.The correlation between Cho/NAA ratio and tumor grading was the most robust.There were significant differences in NAA value，Cho/NAA and Cho/Cr ratios but not in Cho，Cr value nor NAA/Cr ratios among gradeⅡ，grade III and grade IV gliomas.The levels of Cho/NAA ratio and Cho/Cr ratio were significantly different between gradeⅡand grade III group，and between gradeⅡand grade IV gliomas. Conclusions The automated1H—MRS imaging guided frameless stereotactic biopsy has advantage in biopsy surgery.For1H—MRS imaging guided biopsy，the target of the Cho/NAA ratio hot spot is the first choice in homogenous glioma.

Proton magnetic resonance spectroscopy（1H-MRS）Stereotaxic techniques Biopsy Glioma

R739.41

A

2015-06-01）

（责任编辑:甘章平）

10.3969/j.issn.1002-0152.2015.10.009

☆国家自然科学基金（编号:81271515）

*中国人民解放军总医院神经外科（北京100853）