SWI、3D-ASL及IVIM鉴别高低级别脑胶质瘤的研究

杜常月 齐旭红 温智勇 王仁贵,*

1.首都医科大学附属北京世纪坛医院放射科(北京 100038)

2.首都医科大学电力教学医院放射科 (北京 100073)

脑胶质瘤的起源是颅内的神经胶质细胞，可分为4级：Ⅰ、Ⅱ级为低级别胶质瘤，Ⅲ、Ⅳ级为高级别胶质瘤[1]。目前临床的治疗方式主要是手术和标准放化疗，通常低级别脑胶质瘤的预后比较好，而高级别脑胶质瘤患者容易复发[2]。所以术前评估肿瘤的级别对指导治疗及评估预后有重要的临床意义。

磁共振成像是肿瘤诊断、术后随访必不可少的成像工具。磁敏感加权成像(即SWI)可以反映瘤灶所在区域的血管生成和出血，对胶质瘤进行分级有重要作用[3]。三维动脉自旋标记成像(即3D-ASL)能够无创地评估瘤灶内的微循环和肿瘤血管生成，并量化肿瘤灌注异常情况[4-5]。Le Bihan等[6-7]提出的体素内不相干运动(即IVIM)是一种双指数模型，不需要注射外源性的对比剂，就可以获得水的分子扩散和毛细管网中血液的微循环信息，能够帮助鉴别高级别与低级别脑胶质瘤。

本研究通过使用3.0T磁共振扫描仪，对脑胶质瘤患者增加SWI、3D-ASL及IVIM扫描，探讨三种技术在鉴别高级别与低级别脑胶质瘤中的意义。

1 资料与方法

1.1 一般资料本研究为回顾性研究，本研究经过国家电网公司北京电力医院医学伦理委员会批准（批准文号：ky-2018-014-1），免除受试者知情同意。选取2016年5月至2018年2月期间到院就诊的病例共计97例（男性55例，女性42例，平均年龄约47.88岁），其中低级别患者35例，高级别患者62例。所有病例均经过手术进行切除，且术后病理证实为胶质瘤，并于术前完成了头颅磁共振平扫及增强扫描，同时增加了SWI、3D-ASL及IVIM序列的扫描。排除标准：MR扫描禁忌症。

1.2 方法本研究应用的设备是GE Discovery 750W 3.0T 磁共振扫描仪。扫描序列包括：(1)常规MRI平扫：T1加权成像(TE 24.0 ms，TR 2087.4 ms)、T2加权成像(TE 104.0 ms，TR 5281.0 ms)、T2脂肪抑制成像(TE 95.0 ms，TR 9000.0 ms)，层厚5.0 mm，层间距1.5 mm，FOV是 24 cm×24 cm。(2) SWI序列参数：TE 22.9 ms，TR 38.3 ms，FA 15°，视野 24.0 cm×21.6 cm，NEX为0.69，层厚2.0 mm，无层间距。(3) 3D-ASL序列参数：TE 10.7 ms，TR 4683.0 ms，带宽62.5 KHz，矩阵512×512，NEX=3，Post Lable Delay 1525.0 ms，层厚4.0 mm，层数40，无间隔，扫描时间4 min 32 s。(4)IVIM成像，视野 24 cm×24 cm，矩阵130×160，层厚5.0 mm，层间距1.5 mm，b值分别为0s/mm²、25s/mm²、50s/mm²、75s/mm²、100s/mm²、150s/mm²、200s/mm²、400s/mm²、600s/mm²、800s/mm²、1000s/mm²、1500s/mm²、2000s/mm²、3000s/mm²。扫描所需的头颅线圈采用的是24通道头颅表面线圈。

1.3 数据分析将图像载入GE ADW 4.6工作站进行后处理，测量并记录肿瘤实质区域的各参数值。(1)通过reformat后处理，获得SWI的后处理图像，即最小信号强度投影图(minimum intensity projection,MinIP)。在MinIP 图上，统计瘤灶内肉眼可见的低信号病灶，并进行记录和评分，即肿瘤所在区域的敏感性信号强度(intratumoral susceptibility signal intensity，ITSS)[8]评分。通过Park等人提出的半定量分析方法[8]，ITSS评分为以下几个等级：0分为没有ITSS；1分为1～5个点状或细线性低信号；2分为6～10个点状或细线性低信号；3分为11个或更多的点状或细线性低信号。(2)利用Functool软件对3D-ASL图像进行拟合，获得灌注伪彩图像。确定灌注伪彩图像上肿瘤实性部分所在的区域，并分别选择三个50 mm2左右的感兴趣区(region of interest，ROI)进行测量，获得三个瘤灶所在区域的脑血流灌注值，然后取均数。在同一个层面，利用镜像对称的方法，测量肿瘤对侧正常脑白质区、脑灰质区以及镜像区的血流灌注。然后取相对值，获得血流灌注值得相对值，包括：r1 (TBFmax/对侧正常白质区血流量)、r2 (TBFmax/对侧正常灰质区血流量)及r3(TBFmax/镜像区脑血流量)。为了尽可能的避免测量误差，感兴趣区的设置尽可能的避开囊变、坏死。(3)通过利用Functool软件对IVIM图像进行后处理，获得各参数的伪彩图像。分别在各参数（fast ADC、slow ADC、f值）的伪彩图上选取40mm2左右的感兴趣区(ROI)，ROI的设置在肿瘤实质区，保证同一患者的ROI大小一致，最终获得ROI的平均值进行记录。为避免误差，ROI的选择尽可能避开囊变、坏死区域。

各参数的测量都是由两位有经验的研究人员测量取得。当两位的测量结果差距比较大时，由另一名高级职称的影像诊断医师进行测量，获得结果。

1.4 统计学方法应用SPSS 17.0统计软件，用Mann-Whitney U 检验对SWI的参数进行统计学分析，P＜0.05表示有统计学差异。用两独立样本t检验的方法对3D-ASL及IVIM各参数进行统计学分析，P＜0.05表示差异有统计学意义。并采用ROC曲线对SWI、3D-ASL及IVIM各参数以及拟合的三种技术进行分析。

2 结果

脑胶质瘤SWI、IVIM及3D-ASL后处理图像见图1。统计结果表明，SWI的参数ITSS值表现为，在高级别胶质瘤组明显高于低级别胶质瘤组(P＜0.05)(见表1)。3D-ASL的参数（包括TBFmax值、r1值、r2值及r3值）表现为，在高级别胶质瘤组明显高于低级别胶质瘤组(P＜0.05)(见表2)。IVIM的参数（包括fast ADC值、f值）表现为，在高级别胶质瘤组明显高于低级别胶质瘤组(P＜0.05)；而高级别胶质瘤组的slow ADC值低于低级别胶质瘤组，差异有统计学意义(P＜0.05)(见表2)。

表1 高、低级别脑胶质瘤组的SWI参数表

通过ROC曲线评估SWI、3D-ASL及IVIM在鉴别高低级别胶质瘤中的意义。利用约登指数最大，确定各参数的诊断敏感性、特异性，见表3。并通过拟合，获得三种技术在脑胶质瘤分级中的AUC值、诊断敏感性、特异性(见表4，图3)。

表3 各参数在胶质瘤分级中的效能表

表4 SWI、3D-ASL和IVIM三种技术在胶质瘤分级中的效能表

脑胶质瘤各序列参数图。图1 男，49岁，右侧额叶，少突胶质细胞瘤，WHO II级。图1A:SWI后处理的MinIP图。图1B:IVIM参数fast ADC伪彩图。图1C:IVIM参数slow ADC伪彩图。图1D:IVIM参数f值伪彩图。图1E:3D-ASL的血流灌注图像。图2 女，53岁，右侧额叶，胶质母细胞瘤，WHO IV级。图2A:SWI后处理的MinIP图。图图2B:IVIM参数fast ADC伪彩图。图2C:IVIM参数slow ADC伪彩图。图2D:IVIM参数f值伪彩图。图2E:3D-ASL的血流灌注图像。图3 SWI、3D-ASL和IVIM三种技术鉴别高、低级别胶质瘤的ROC曲线图。

3 讨论

胶质瘤的级别越高，具有细胞增殖、坏死、血管生成以及侵袭性等特点越显著[9]，说明肿瘤细胞增殖、病理血管的形成是瘤细胞增殖的必备条件。

SWI对具有磁化作用的血液制品比较敏感，包括铁血黄素和脱氧血红蛋白[10]，所以能够明显的显示出小静脉和出血点，并进行放大，反映肿瘤血管的生成及瘤内出血情况，通过后处理得到的SWI Min IP图，可以更好地显示低信号，提高对磁效应差异的敏感性[11]。本研究结果显示，高级别的胶质瘤表现出的ITSS评分值高于低级别，这与以往[12-15]的研究结果一致。这表明，高级别脑胶质瘤的新生血管系统比低级别胶质瘤更加密集，低级别胶质瘤的ITSS评分值一般在2分以下，而高级别脑胶质瘤的ITSS评分一般为2分或3分。然而，本研究中，在低级别胶质瘤组中存在2个患者的ITSS评分值是3。以往有部分研究表明，低级别的胶质瘤小部分可以出现出血的情况[16]。本研究中这种情况的产生，分析原因可能是肿瘤血管形成初期比较薄弱，以至于产生脱氧血红蛋白及出血；或者是由于SWI沉积高浓度的含铁血黄素，导致少量的出血将低信号灶放大[14]。同时，高级别脑胶质瘤组存在7例ITSS低于2分，并且存在1例的ITSS评分值为0。通过观察这例患者的3D-ASL参数值，发现TBFmax为21.69mL/(min.100 g)，低于本研究所得的临界值80.83mL/(min.100 g)，说明此例肿瘤病灶的血流灌注也比较低，血管生成较少，与SWI相吻合。之前有研究表明，高级别脑胶质瘤的静脉结构存在各种形状、不均匀厚度及成簇情况[15]，部分很难达到一定的数量，这可能影响实际的脑胶质瘤分级。

3D-ASL可以用于评估肿瘤的血流灌注情况，反映肿瘤内的微血管生成。通过量化脑血流量值(CBF)，预测各级别脑胶质瘤中的血管生成情况[17]，评估脑胶质瘤的级别。本研究中，高低级别脑胶质瘤的肿瘤区最大脑血流量TBFmax 及其相对值r1、r2及r3均具有统计学差异。这说明，高级别脑胶质瘤表现为更高的血流灌注，病理血管生成更加丰富，这一点与SWI的结果相吻合。但是，3D-ASL各参数鉴别高低级别脑胶质瘤的曲线下面积均比较低，敏感性和特异性也低于SWI、IVIM的各参数。而且，3D-ASL的诊断效能不如SWI、IVIM。分析原因可能是，新生血管形成并没有引起相应程度的血流灌注增加，可能是因为在高级别胶质瘤中，血脑屏障破坏造成瘤周血管源性水肿，使正常脑组织血流灌注降低[18]。此外，3D-ASL设定的参数，包括标记后延迟、动脉通过时间，很容易影响结果的不准确[19]。

IVIM的双指数模型公式为Sb/S0=(1-f)exp(-bD)+fexp[-b(D＊+D)][6]，D值(即slow ADC)表示肿瘤内的水分子弥散；D＊值(即fast ADC)表示肿瘤血管的微循环灌注；f值表示fast ADC在 IVIM中的百分比。在本研究中：IVIM的参数(包括fast ADC值、f值)表现为，在高级别胶质瘤组明显高于低级别胶质瘤组(P＜0.05)；而高级别胶质瘤组的slow ADC值低于低级别胶质瘤组(P＜0.05)。这与以往的研究结果类似[20-22]。这提示：高级别胶质瘤表现的细胞增殖比较显著，细胞密度及细胞体积更大，细胞间的空间减小，水扩散明显受限[22]。同时说明，高级别脑胶质瘤的瘤内微血管比较密集。此外，这一结果进一步证实了，本研究中所选择的b值具有一定的诊断效能。

本研究涉及的所有参数中，slow ADC值的AUC值(0.928)最大，具有较高的敏感性(93.5%)和特异性(85.7%) 。同时，SWI、3D-ASL及IVIM均可以用来鉴别高低级别脑胶质瘤，而且IVIM模型的AUC(0.975)、敏感性(88.7%)和特异性(97.1%)最高。有研究表明，多参数放射组学模型是较好的脑膜瘤分级预测模型[23]，这其中涉及到SWI及ADC值得参数，与本研究中两项检查方式类似。而本研究结果表明，联合三种磁共振技术，可以进行优势互补，能更加准确的评估肿瘤细胞的增殖及血管生成情况，可以广泛适用于临床胶质瘤患者的术前分级。

本研究中存在的不足：3D-ASL的受影响因素较多，无法完全排除，需要未来技术升级，拓展其临床应用。