表观弥散系数的直方图特征与弥漫性胶质瘤组织学分级、Ki-67增殖指数的对照研究

卢海涛 邢 伟 张艳文 周 鹏 顾正章

胶质瘤是脑内最常见的原发性肿瘤，按照细胞分化水平、增殖程度及对周围组织的侵袭性不同，分为WHOⅠ～Ⅳ级，其中WHOⅠ～Ⅱ级为低级别，细胞分化程度高，侵袭性偏低，预后相对较好，治疗方案主要是手术切除；WHOⅢ～Ⅳ级为高级别，细胞分化程度低，侵袭性高、预后差，需要接受手术切除及术后同步放、化疗的综合治疗方案。因此，脑低级别与高级别胶质的术前鉴别诊断，对于临床手术方式的选取及后续治疗方案的制订具有重要的价值。

低级别胶质瘤在MRI常规平扫及增强序列上的表现，与高级别胶质瘤具有一定的重叠，难以通过肉眼观察进行鉴别。弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）可通过检测肿瘤内水分子的弥散运动，反映肿瘤细胞增殖程度，对胶质瘤的分级具有较大价值［1-4］。以往脑胶质瘤分级的DWI研究主要存在以下不足：首先，感兴趣区（ROI）的勾画多采用“小圆形”工具［4-6］，具有一定的主观性，难以避免抽样误差；其次，所研究病例多未对弥漫性、局限性生长胶质瘤进行区分［7］，毛细胞型星形细胞瘤、多形性黄色星形细胞瘤等局限性生长胶质瘤的生长方式、组织排列方式与来源于星形胶质细胞或少突胶质细胞的弥漫性生长胶质瘤完全不同，将两者混在一起研究容易对结果的准确度产生影响。本研究拟采用最大层面的全瘤ROI勾画法，基于DWI的直方图分析对弥漫性胶质瘤进行研究，以期为术前高、低级别胶质瘤的鉴别提供有价值的影像学标记。

方 法

1. 患者资料

回顾性收集我院2016年4月至2020年11月期间经手术病理证实的67例弥漫性脑胶质瘤的影像学与病理资料：高级别组48例，男性26例，女性22例，年龄15～76岁，中位年龄54.5岁，其中间变型星形细胞瘤9例，间变型少突胶质细胞瘤6例，胶质母细胞瘤33例，Ki-67增殖指数8%～70%，平均值26.4%；低级别组19例，男性9例，女性10例，年龄21～64岁，中位年龄40岁，其中星形细胞瘤12例（WHOⅠ级1例，WHOⅡ级11例），少突胶质细胞瘤7例（WHOⅡ级），Ki-67增殖指数1%～5%，平均值3.1%。入组标准：①首次手术的脑胶质瘤，术前未经过放疗（包括γ刀等）或化疗；②MRI图像符合诊断及分析要求；③病理结果为弥漫性脑胶质瘤。

2.MRI检查方法

采用Philips Achieve及Ingenia 3.0 T超导MRI扫描仪进行数据采集。扫描序列包括横断面T1WI、T2WI、DWI、液体抑制反转恢复（FLAIR）及T1WI增强。DWI扫描采用回波平面成像（EPI）序列，EPI因子=61，激励次数=1，反转角=90°，b值=0、1 000 s/mm2，TE=91 ms，TR=2 471 ms，以层厚6 mm、层间距1 mm采集18层图像，FOV=230 mm×230 mm×125 mm，采集体素=1.40 mm×1.89 mm×6.00 mm，重建体素=1.03 mm×1.03 mm×6.00 mm，扫描时间29.7 s。

3. 数据分析

由2名影像科高年资主治医师共同进行图像观察、ROI勾画及数据测量。将所有患者的MRI数据传输至后处理工作站进行观察，并以DICOM格式导出以备后续直方图特征提取。采用FireVoxel（https://www.firevoxel.org/）软件进行ROI勾画及直方图特征提取，于FLAIR图像（低级别胶质瘤）或T1WI增强图像（高级别胶质瘤）肿瘤最大层面，沿肿瘤边界进行ROI勾画（图1A、图2B），包含肿瘤内部出血、囊变、钙化及坏死区，ROI的范围由2名影像科高年资主治医师共同进行，意见不一致时通过协商解决。将勾画的ROI复制到ADC图，提取ROI内ADC值的多个直方图特征（主要包括最小值、最大值、平均值、中位值、第10百分位数、第25百分位数、第75百分位数、第90百分位数、标准差、不均匀度、偏度、峰度及熵），记录数据并用于后续统计分析。

4. 统计学分析

采用IBM SPSS Statistics 25和MedCalc软件进行数据的统计学分析。分别采用Shapiro-Wilk检验和Levene检验对定量资料进行正态性检验和方差齐性检验。正态分布资料以±s表示，非正态分布资料采用M（P25，P75）表示。然后采用独立样本t检验（满足正态分布和方差齐性）或Mann-Whitney秩和检验（不满足正态分布或方差不齐）比较高级别组与低级别组脑胶质瘤ADC值各直方图特征的差异，P＜0.01为差异具有统计学意义。对于差异有统计学意义的直方图特征，通过绘制ROC曲线评价其鉴别高、低级别脑胶质瘤的效能。采用Pearson相关分析评价ADC值的直方图特征与Ki-67增殖指数的相关性。

结 果

直方图示低级别胶质瘤的ADC值相对集中，趋近正态分布，高级别胶质瘤的ADC值相对离散，可见“双峰”样表现（图3）。

高级别胶质瘤的ADC最大值、标准差及不均匀度显著大于低级别胶质瘤（P值分别为0.025、0.001、0.000）。高级别胶质瘤的ADC值第10百分位数、第25百分位数显著小于低级别胶质瘤（P值分别为0.002、0.029）。余2组ADC值的直方图特征差异无统计学意义（表1）。

表1 低级别组与高级别组胶质瘤的ADC值的直方图特征比较

ROC曲线分析结果（图4）显示，ADC值的不均匀度鉴别高、低级别胶质瘤的ROC曲线下面积（AUC）最大（0.815），同时对鉴别诊断的灵敏度最高（95.8%），最大值、第10百分位数的特异度最高（均为68.4%）。详见表2。

表2 ADC值的直方图特征鉴别高、低级别脑胶质瘤的效能

Pearson相关性分析显示，ADC值的第10百分位数与Ki-67增殖指数呈负相关（r=-0.415，P=0.002），不均匀度与Ki-67增殖指数呈正相关（r=0.343，P=0.008）。详见图5。

讨 论

本研究采用基于DWI的直方图分析法对弥漫性胶质瘤进行研究，结果显示：高、低级别胶质瘤的ADC最大值、标准差、不均匀度、第10百分位数及第25百分位数存在显著差异，且ADC值的不均匀度对于鉴别高、低级别胶质瘤具有最佳的效能及最高的灵敏度，最大值和第10百分位数对鉴别诊断具有最高的特异度，ADC值的第10百分位数、不均匀度分别与Ki-67增殖指数呈一定程度的负相关及正相关性。

脑胶质瘤的组织分布具有一定的异质性，且随着WHO级别的增高，异质性越显著。高级别胶质瘤异质性显著的原因主要是肿瘤生长速度快，较低级别胶质瘤更容易发生缺血、坏死［8］。本研究中，高、低级别胶质瘤ADC值直方图的形态差异，从侧面反映了异质性的不同：高级别胶质瘤ADC值的直方图呈“双峰”或“多峰”，说明其内部ADC值可能来自不同的组织，如肿瘤实质区、坏死区及出血区等；低级别胶质瘤ADC值的直方图趋于正态分布，说明其内部组织成分单一，ADC值来自同一组织。Wang等［9］认为高、低级别胶质瘤的这种不均质性的差异有助于其鉴别诊断，全瘤ROI勾画法对胶质瘤的WHO分级、预测肿瘤细胞增殖程度具有较高的价值。本研究发现高级别胶质瘤ADC值的标准差、不均匀度显著高于低级别胶质瘤，也证实了这一点，且不均匀度对于鉴别高、低级别胶质瘤具有最佳的效能，因此，我们认为肿瘤的不均质性对脑胶质瘤的术前WHO分级具有重要的临床价值。

本研究发现高级别胶质瘤ADC值的第10百分位数及第25百分位数显著小于低级别胶质瘤，推测原因可能是高级别胶质瘤实性区细胞排列紧密，在DWI上表现为水分子弥散明显受限；而低级别胶质瘤的细胞密集程度不如高级别胶质瘤，因此肿瘤内部水分子弥散受限程度低于高级别胶质瘤。同时，我们还发现高级别胶质瘤ADC最大值显著大于低级别胶质瘤，可能与其内部坏死区有关，坏死区无肿瘤细胞分布而表现为无明显水分子弥散受限；而低级别胶质瘤少有坏死［10-11］，最大ADC值对应的是肿瘤增殖不活跃区。Ki-67是细胞增殖活性标记物，能反映肿瘤细胞的增殖活性［12-13］。Kang等［14］研究发现胶质瘤的ADC平均值、第20百分位数与Ki-67增殖指数呈显著负相关。本研究也得到相似结果：ADC值的第10百分位数、第25百分位数与Ki-67增殖指数呈一定的负相关，同时我们还发现ADC值的不均匀度与Ki-67增殖指数呈正相关，推测胶质瘤细胞增殖活性越大，越容易缺血缺氧导致坏死，导致肿瘤不同区域ADC值差异变大。

本研究也存在一些不足：首先，由于病例数量有限，没有对高、低级别胶质瘤进一步分级。其次，直方图属一阶纹理范畴，仅能反映肿瘤内不同成分的比例，而不能反映排布方式。再次，未能将“小圆形ROI”勾画法与“全瘤ROI”勾画法进行对照研究，比较两者对脑胶质瘤分级的效能。以后我们将收集更多病例进行更深层次的分析。

总之，基于DWI的直方图分析法能够相对客观、准确地评价弥漫性胶质瘤内部水分子弥散特性，对术前预测其组织学分级具有一定的价值。