体素内不相干运动成像在高、低级别脑胶质瘤分级中的应用价值

张 威，邓克学，邱 俊，刘钰婵

（中国科学技术大学附属第一医院/安徽省立医院南区影像中心，安徽 合肥 230036）

脑胶质瘤是成人颅内最常见的恶性原发性中枢神经系统肿瘤，不同等级胶质瘤的病理状态不同，相应的临床症状及临床诊疗方案也完全不同，尤其是在高级别胶质瘤（high grade gliomas，HGG）与低级别胶质瘤（low grade gliomas，LGG）之间。因此，胶质瘤患者的术前组织分级对临床决策、疗效及预后评估尤为重要。Le Bihan 等［1］提出的体素内不相干运动（intravoxel incoherent movement，IVIM）扩散加权成像（IVIM-DWI）双指数模型可分离出扩散和灌注信息，无需对比剂即可直观反映胶质瘤的细胞增殖和新生血管情况，进而帮助评估胶质瘤分级。IVIM各参数在胶质瘤的分级中尚无明确有效性。本研究旨在验证IVIM 在脑胶质瘤分级中的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 搜集2017 年6 月至2021 年8 月我院经手术病理确诊的48 例脑胶质瘤患者，男25 例，女23 例；年龄24～76 岁，平均（51.35±13.39）岁。按WHO 2021 年的神经胶质瘤分级标准，分为HGG 组（Ⅲ、Ⅳ级，39 例）和LGG 组（Ⅱ级，9 例）。

纳入标准：无MRI 检查禁忌证；最终经手术病理等确诊为单侧胶质瘤。排除标准：有胶质瘤以外的脑部疾病；初步诊断后首次影像检查前有过其他治疗史。

1.2 仪器与方法 48 例术前行常规MRI 平扫加增强 扫 描、DWI、IVIM-DWI 扫 描。采 用Discover GE 750W 3.0 T MRI 成像仪。所有定位同增强扫描前横断面T1WI 序列，扫描范围从颅顶至枕骨大孔，包括全部病灶，层厚5 mm，层距1.5 mm。DWI 序列扫描参数：采用单次激发自旋回波平面成像序列，TR 2 500 ms，TE 89 ms，激励次数1，在x、y、z 3 个不同方向上施加弥散敏感梯度场，b 值取0、1 000 s/mm2。IVIM 序列扫描参数：采用基于DWI 的单次激发自旋回波平面回波成像序列，TR 2 700 ms，TE 90 ms，翻转角90°，视野215 mm×230 mm，矩阵128×128 mm，激励次数2，b 值取0、20、30、50、100、150、200、400、600、800、1 000、1 500、2 000 s/mm2。扫描时间330 s。

1.3 图像处理 在GE AW VolumShare7 工作站对DWI 及IVIM 导出的DICOM 格式文件进行分析，得到ADC 图、IVIM 真实扩散系数（D）伪彩图、假扩散系数（D*）伪彩图及灌注分数（f）伪彩图（图1）。由2名具有5 年以上相关经验医师采用盲法选择ROI。参照常规MRI 图像，在肿瘤最大层面的实性部分（增强T1WI 上明显增强的区域）划取5 个等大圆形ROI（大小 20～30 mm2），对应扩散参数（ADC、D）图上的低信号区域和灌注参数（D*、f）图上的高信号区域，避开出血、坏死、钙化等区域。各参数取5 个ROI 的均值，均值除以对侧相应区域正常脑组织的参数得到相对参数值rADC、rD、rD*、rf。

图1 男，42 岁，右侧颞叶胶质母细胞瘤（WHO Ⅳ级）图1a～1e 分别为DWI 图、ADC 图、D 图、D* 图及f 图，黑箭为病灶区

1.4 统计学方法 采用SPSS 25.0 软件进行数据分析。所有参数值均用±s 表示。不同级别脑胶质瘤的IVIM 参数差异比较行两独立样本t 检验。使用GraphPad Prsim 6.01 软件进行参数间相关性分析，绘制ROC 曲线，计算AUC，分析诊断性能。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同级别脑胶质瘤IVIM 各参数及其衍生参数的比较（表1～5）LGG 组的瘤体区ADC 值及D 值明显高于HGG 组（均P＜0.05）；ADC 值在Ⅱ、Ⅲ级间差异无统计学意义，在Ⅱ、Ⅳ级间差异有统计学意义（P＜0.05）；D 值在Ⅱ与Ⅲ级及Ⅱ与Ⅳ级间差异均有统计学意义（均P＜0.05）；ADC 值及D 值在Ⅲ、Ⅳ级间差异均无统计学意义（均P>0.05）。瘤体区LGG 组的D* 值明显低于HGG 组（P＜0.05），在Ⅱ、Ⅳ级及Ⅲ、Ⅳ级间D*值差异均有统计学意义（均P＜0.05），Ⅱ、Ⅲ级间D* 值差异无统计学意义（P≥0.05）。2 组f值差异无统计学意义（P>0.05），在各级别间仅Ⅱ、Ⅳ级间差异有统计学意义（P＜0.05）；2 组衍生参数D*×f 差异无统计学意义（P>0.05）。

表1 不同级别脑胶质瘤瘤体区的IVIM 参数比较（±s）

表1 不同级别脑胶质瘤瘤体区的IVIM 参数比较（±s）

注：IVIM，体素内不相干运动；LGG，低级别胶质瘤；HGG，高级别胶质瘤；D，真实扩散系数；D*，假性扩散系数；f，灌注分数。P1，Ⅱ级与（Ⅲ+Ⅳ）级比较；P2，Ⅲ级与Ⅳ级比较；P3，Ⅱ级与Ⅲ级比较；P4，Ⅱ级与Ⅳ级比较。

瘤体区的相对IVIM 参数中，LGG 组的rADC值、rD 值明显高于HGG 组，rD* 值低于HGG 组（均P＜0.05）。Ⅱ、Ⅲ级仅rD 值差异有统计学意义（P＜0.05），Ⅲ、Ⅳ级瘤体区相对IVIM 参数差异均无统计学意义（均P>0.05），Ⅱ、Ⅳ级间rADC 值、rD 值、rD*值差异均有统计学意义（均P＜0.05），而f 值差异无统计学意义（P>0.05）。

表2 不同级别脑胶质瘤瘤体区的相对IVIM 参数比较（±s）

表2 不同级别脑胶质瘤瘤体区的相对IVIM 参数比较（±s）

注：P1，Ⅱ级与（Ⅲ+Ⅳ）级比较；P2，Ⅲ级与Ⅳ级比较；P3，Ⅱ级与Ⅲ级比较；P4，Ⅱ级与Ⅳ级比较。

表3 不同级别脑胶质瘤瘤周水肿区的IVIM 参数比较（±s）

表3 不同级别脑胶质瘤瘤周水肿区的IVIM 参数比较（±s）

注：P1，Ⅱ级与（Ⅲ+Ⅳ）级比较；P2，Ⅲ级与Ⅳ级比较；P3，Ⅱ级与Ⅲ级比较；P4，Ⅱ级与Ⅳ级比较。

表4 不同级别脑胶质瘤瘤周水肿区的相对IVIM 参数比较（±s）

表4 不同级别脑胶质瘤瘤周水肿区的相对IVIM 参数比较（±s）

表5 不同级别脑胶质瘤镜侧对照区的IVIM 参数比较（±s）

表5 不同级别脑胶质瘤镜侧对照区的IVIM 参数比较（±s）

瘤周水肿区2 组的ADC 值、D 值、D* 值差异均无统计学意义（均P>0.05），HGG 组的f 值高于LGG组（P＜0.05）。瘤周水肿区f 在Ⅲ、Ⅳ级及Ⅱ、Ⅳ级间，差异均有统计学意义（均P＜0.05）。

瘤周水肿区2 组的相对IVIM 参数差异均无统计学意义（均P>0.05）。

镜侧对照区2 组IVIM 参数差异均无统计学意义（均P>0.05）。

2.2 IVIM 参数相关性分析及ROC 曲线分析（图2～6）在区分HGG 与LGG 方面，瘤体区D 值的AUC 高于ADC 值（D 值：0.867，ADC 值：0.864）。此外，D 值与ADC 值密切相关（r=0.959，P＜0.001）。在灌注相关参数f 值和D* 值中，D*×f 诊断性能最高（AUC=0.936），f 值诊断性能最低（AUC=0.725），D*值诊断性能良好（AUC=0.872）。瘤体区相对IVIM 参数中，rD 值诊断性能最高（AUC=0.844），rf 值诊断性能最差（AUC=0.581），rADC 值、rD* 值的诊断性能良好（AUC 分别为0.772、0.781）。

图2 瘤体区ADC 值和D 值的相关性分析图3 瘤体区IVIM 扩散参数ADC 值、D 值诊断高、低级别胶质瘤的ROC 曲线图4 瘤体区IVIM 灌注参数f 值、D* 值及D*×f 诊断高低级别胶质瘤的ROC 曲线图5 瘤体区相对IVIM 扩散参数rADC 值、rD 值诊断高、低级别胶质瘤的ROC 曲线图6 瘤体区相对IVIM 灌注参数rf 值、rD* 值诊断高、低级别胶质瘤的ROC 曲线

3 讨论

胶质瘤是最常见的中枢神经系统原发性肿瘤，有恶性程度高、生存率低等特点，在恶性脑肿瘤中所占比例最大［2-4］。2016 年及2021 年WHO 中枢神经系统分类［5-6］中，胶质瘤的分类除依据组织学分型外，还加入了分子生物学标志物，这能为个体化治疗提供更多依据。胶质瘤的细胞密度和新生血管灌注情况是其分级的主要影响因素，胶质瘤等级越高，其细胞密度越大，新生血管越多，灌注越丰富［4］；反之亦然。IVIM 技术尚不成熟，其关于胶质瘤分级方面的价值仍需更多研究支持。

3.1 IVIM 扩散参数在脑胶质瘤分级中的价值 扩散参数能反映水分子运动情况和肿瘤组织的细胞密度，受水分子所处环境影响，如细胞密度越大，水分子扩散阻力越大，扩散受限越明显［7-11］。但在大部分胶质瘤分级研究中，ADC 值表现出的差异性较大。Le Bihan 等［1］提出的IVIM双指数模型能有效分离灌注和扩散信息，使扩散参数更加接近真实同时，无需图像融合技术就能得到灌注相关参数。

本研究结果表明，瘤体区D 值及rD 值均能够有效区分LGG 与HGG。ADC 值、D 值之间有较好的相关性，D 值在胶质瘤分级方面有较好的诊断性能，这与Togao 等［12］的研究结果一致，表明IVIM 能够有效降低血管中水分子扩散等灌注相关成分对实际扩散产生的影响，因此，IVIM 较DWI 能反映出更接近真实的水分子扩散情况。

3.2 IVIM 灌注分数在脑胶质瘤分级中的价值 血管分布情况是胶质瘤分级的又一重要标准，已有的血管是早期胶质瘤侵袭的重要途经，晚期胶质瘤不断增殖，供血需求随之增高，在多种机制作用下新生血管随明显增多［13］。D*值可反映与灌注相关的扩散运动，即组织的灌注特性。理论上，胶质瘤等级越高，新生血管越多，微循环灌注成分越高。本研究中D*值低于部分文献，可能是由于HGG 坏死、囊变明显，在勾画瘤体ROI 时，为避开瘤体中心的坏死、囊变区而勾画到部分瘤周水肿区，导致所测的瘤体区D* 值低于实际瘤体区。此外，本研究瘤体区HGG 组D*及rD*值明显高于LGG，但在Ⅱ、Ⅲ级胶质瘤间差异无统计学意义，与Zou 等［14］的研究相似，可能是由于D* 值易受心动周期的影响，可重复性差，因而无法准确评估胶质瘤的级别。

IVIM 参数f 值与血管容积分数有关，其代表ROI 内的局部微循环灌注占总体组织容积的比率。部分研究表明，f 值包含了原有的小动脉和集合静脉以及肿瘤新生血管［15-16］。不少研究结果中f 值与动态磁敏感对比增强（dynamic susceptibility contrastenhanced，DSC）PW 成像参数的rCBF 相关性较高，表明了f 值能够有效定量评估胶质瘤的血管分布情况［17-18］，并且避免了DSCPW 的归一化测量，IVIM 的扩散、灌注参数在预测脑胶质瘤预后方面优于DSC的相对血容量［19］。本研究结果表明，瘤体区f 值及rf值在HGG 组与LGG 组中差异均无统计学意义，一些研究［20］也有类似结果，这与传统理论相悖，可能是由于IVIM 测量是以质子停留在血管网络中为前提，而实际上其处于动态交换中［1］；还可能是因为血管渗透性会随等级提高而增高［21］，从而影响f 值；胶质瘤的异质性随其等级的不同而变化，T2弛豫时间也相应改变，这也可能是本研究中f 值在LGG 组与HGG组间差异无统计学意义的影响因素之一；此外，b 值也会影响f 的大小，b 值越低，TE 时间越长，信号衰减越厉害，f 值越大；反之亦然。这些因素均可能导致f 值不能有效反映真实的灌注分数。

3.3 瘤周水肿对于胶质瘤分级的影响 传统理论中，胶质瘤等级越高，瘤周水肿越明显，而本研究中，LGG 组与HGG 组瘤周水肿的IVIM 参数ADC 值、D值、D* 值差异均无统计学意义，这可能时由于本研究中研究对象较少导致的，特别是LGG 组例数较少。此外，本研究IVIM 扫描时间相对一些研究来说较短，可能会导致SNR 的降低，影响图像质量及测量结果。另外，水肿区ROI 未统一选取在瘤周一定范围内也可能是影响结果的又一因素［22］。

本研究的不足：①部分参数在LGG、HGG 组间差异有统计学意义，但仅D 值、rD 值在Ⅱ、Ⅲ级别间差异有统计学意义，这可能是样本量不足所致，样本中无Ⅰ级胶质瘤患者。②瘤体区ROI 的选取并不能完全代表整个肿瘤病变情况，尤其是HGG 瘤体中有较大范围坏死、囊变导致勾画瘤体实质区ROI 较困难。③选取病理标本时也可能不能完全代表肿瘤实际等级。④IVIM 序列研究中，目前b 值的选取及扫描参数的设置无统一标准，可能造成研究结果的差异。

综上所述，IVIM 有无创定量反映脑胶质瘤水分子扩散、灌注情况的优点，在胶质瘤分级及预测预后等方面有很大的应用前景。D 值有较好的诊断性能，在反映水分子扩散方面优于ADC 值，有望作为替代性常规MRI 扫描序列。