DTI定量參數(shù)對(duì)腦腫瘤病理分級(jí)的研究*

羅婷，陶玲△，俞宙，王坤生，姚柳葉

(1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)

1 引 言

腦腫瘤的發(fā)病率在人體十大常見腫瘤中，約排第9～10位。近半數(shù)的腦腫瘤是神經(jīng)上皮來源的腫瘤，又稱膠質(zhì)瘤。大多數(shù)膠質(zhì)瘤屬惡性，預(yù)后差，五年生存率約為25%。腦膜瘤是顱內(nèi)常見的腦外腫瘤，發(fā)生率占顱內(nèi)腫瘤的第二位，起源于蛛網(wǎng)膜和/或蛛網(wǎng)膜冒狀細(xì)胞。中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的WHO分級(jí)中，Ⅰ級(jí)為增殖能力低，手術(shù)可能治愈的腫瘤；II級(jí)為浸潤(rùn)腫瘤，增殖活性雖低，但常復(fù)發(fā)，且具有發(fā)展為更高級(jí)別的惡性腫瘤的傾向；Ⅲ級(jí)腫瘤具有惡性腫瘤的組織學(xué)證據(jù)，包括胞核間變、有絲分裂活躍，多數(shù)Ⅲ級(jí)腫瘤患者需要接受輔助性放療和(或)化療；Ⅳ級(jí)腫瘤具有惡性細(xì)胞學(xué)表現(xiàn)，有絲分裂活躍，壞死傾向，腫瘤術(shù)前及術(shù)后進(jìn)展快，致死性臨床結(jié)局[1-2]。

對(duì)于初治的患者，進(jìn)行腫瘤的大部分切除或活檢病理學(xué)檢查是通常采用的手術(shù)方式。在不損害患者神經(jīng)系統(tǒng)功能的前提下，最大可能的切除腫瘤，是患者具有相對(duì)較好預(yù)后的因素。術(shù)前膠質(zhì)瘤分級(jí)對(duì)于制定治療方案和判斷預(yù)后至關(guān)重要，同時(shí)，對(duì)于原發(fā)性高級(jí)別膠質(zhì)瘤血管形態(tài)及惡性程度的判斷都有重要意義。隨著磁共振技術(shù)的日趨成熟，彌散張量成像(DTI)及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的彌散張量纖維束成像(DTT)是近年廣泛研究的具有無創(chuàng)優(yōu)點(diǎn)的功能磁共振成像新技術(shù)，可應(yīng)用于腫瘤的診斷、分級(jí)及治療中，它能夠反映白質(zhì)纖維束的病理狀態(tài)，更確切地區(qū)分腫瘤、水腫及正常組織，指導(dǎo)最大范圍切除腫瘤并有效保護(hù)正常白質(zhì)纖維束[1]。有研究表明，部分各向異性指數(shù)(FA值)與表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC值)在星形細(xì)胞瘤方面的研究，對(duì)于明確腦星形細(xì)胞瘤的分級(jí)具有十分顯著的作用，同時(shí)對(duì)臨床術(shù)前界定腫瘤范圍、術(shù)中評(píng)價(jià)及術(shù)后隨訪均具有指導(dǎo)意義[3-6]。

在腦組織中，白質(zhì)和灰質(zhì)的各向異性程度顯著不同，腦內(nèi)不同部位的腦白質(zhì)的各向異性也差異明顯。經(jīng)研究，各向異性程度常常被低估，主要是因?yàn)閺浬⒚舾刑荻仁┘臃较虻牟煌斐山M織內(nèi)各向異性程度的異常變化。因此，為了避免偏倚并提供一個(gè)準(zhǔn)確、客觀的結(jié)構(gòu)信息，只能從彌散張量得出不因梯度方向而改變的指數(shù)。本研究利用彌散張量成像技術(shù)，通過對(duì)腦膠質(zhì)瘤與腦膜瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的FA值及ADC值的統(tǒng)計(jì)分析，探討FA值和ADC值對(duì)腦腫瘤分級(jí)及腫瘤鑒定的應(yīng)用價(jià)值。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

患者數(shù)據(jù)來自2013年3月～2014年4月在南京腦科醫(yī)院進(jìn)行磁共振檢查的資料完整的19例腦腫瘤患者，其中膠質(zhì)瘤患者14例，腦膜瘤患者5例。男性10例，女性9例，年齡21～65歲，平均年齡50.8±14.2歲。所有患者均經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)，并按WHO病理標(biāo)準(zhǔn)分類，其中Ⅰ級(jí)6例，Ⅱ級(jí)4例，Ⅲ級(jí)5例，Ⅳ級(jí)4例。4/19患者引發(fā)癲癇，9/19例患者存在頭痛頭暈癥狀，6/19伴有肢體障礙,4/19出現(xiàn)語(yǔ)言、記憶力及視覺障礙。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用SIEMENS公司Verio/3.0T MR掃描儀。梯度場(chǎng)強(qiáng)45 mT/m，梯度切換率為150 mT·m-1·ms-1。DTI數(shù)據(jù)采集使用EPI序列，掃描參數(shù)：層厚=3 mm，掃描層數(shù)=45，TR=6 500 ms，TE=95 ms，采集矩陣=128×128，F(xiàn)OV=240 mm×240 mm，體素大小=1.9 mm×1.9 mm×3.0 mm。共31個(gè)梯度方向，其中第一個(gè)方向的b值為0 s/mm2，其他方向b值為1 000 s/mm2。掃描范圍覆蓋從顱底至顱頂?shù)娜磕X組織。

2.3 圖像處理

采用Diffusion Toolkit軟件處理圖像，獲得部分各向異性(FA)圖及表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)圖。使用SPM8軟件將圖像從個(gè)體空間配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間，以方便對(duì)腦腫瘤對(duì)側(cè)正常腦區(qū)的提取。在mricro軟件中，手動(dòng)勾畫提取出腦腫瘤區(qū)域及對(duì)側(cè)正常腦區(qū)。計(jì)算腦腫瘤及對(duì)側(cè)腦區(qū)的平均FA值和ADC值。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，對(duì)組內(nèi)腫瘤區(qū)與對(duì)側(cè)正常腦組織行配對(duì)t檢驗(yàn)，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)高、低級(jí)別腦腫瘤組進(jìn)行比較。均以P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 不同等級(jí)腦腫瘤區(qū)和對(duì)側(cè)正常區(qū)的FA值和ADC值比較

將不同等級(jí)腫瘤患者的腫瘤病灶區(qū)的FA值和ADC值與對(duì)側(cè)正常區(qū)的FA值和ADC值進(jìn)行比較，來分析病變?cè)斐傻乃肿訌浬⒏飨虍愋缘母淖兦闆r。圖1是腫瘤病灶區(qū)與對(duì)側(cè)正常區(qū)參數(shù)柱狀顯示圖，其中圖1(a)是FA參數(shù)柱狀圖，圖1(b)是ADC參數(shù)柱狀圖。圖中加“*”的表示兩組間P值小于0.05，加“**”的表示兩組間P值小于0.01。圖1中可以看出：對(duì)側(cè)正常區(qū)FA值均明顯大于腫瘤區(qū)FA值；對(duì)側(cè)正常區(qū)ADC值均明顯小于腫瘤區(qū)的ADC值。

圖1 腫瘤病灶區(qū)與對(duì)側(cè)正常區(qū)參數(shù)柱狀圖

(a)FA值柱狀圖；(b)ADC值柱狀圖

Fig1HistgramofFAandADCvaluesoftumornatureareaandthecontralateralnormalarea

3.2 不同等級(jí)膠質(zhì)瘤腫瘤實(shí)體區(qū)的FA值和ADC值研究

對(duì)不同等級(jí)腦腫瘤組間行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)腦腫瘤的實(shí)體區(qū)平均FA值及ADC值均無顯著變化。Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)腦腫瘤的實(shí)體區(qū)平均FA值也不存在顯著差異。低級(jí)別(Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí))腦腫瘤組與高級(jí)別(Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí))腦腫瘤組的FA值比較也未發(fā)現(xiàn)有顯著差異。而低級(jí)別腦腫瘤組與高級(jí)別腦腫瘤組的ADC值存在顯著差異，且高級(jí)別組高于低級(jí)別組，見表1。

表1 不同等級(jí)腫瘤實(shí)體區(qū)ADC值和FA值

4 討論

腦腫瘤的預(yù)后與腫瘤的級(jí)別具有顯著的相關(guān)性。目前，通過無創(chuàng)手段高效準(zhǔn)確地判別腦腫瘤病理等級(jí)對(duì)于制定治療方案、評(píng)估患者病情都具有重要的臨床意義。磁共振成像是目前最佳的腦腫瘤影像學(xué)檢查手段，常規(guī)的磁共振成像技術(shù)可以提供腫瘤邊界、占位效應(yīng)等信息，但對(duì)腦腫瘤的分級(jí)和良惡性的鑒別尚缺乏特異性。利用彌散張量成像技術(shù)對(duì)腦腫瘤進(jìn)行定量分析已經(jīng)在近年得到了廣泛的研究，通過測(cè)量腦組織內(nèi)部彌散系數(shù)的變化已經(jīng)使得對(duì)腦腫瘤的診斷上升到了微觀的、量化的研究。

FA值與ADC值是彌散張量成像中最常用的兩個(gè)參數(shù)。FA值作為臨床常用的各向異性指數(shù)之一，其大小與細(xì)胞密度、周圍間隙大小、髓鞘結(jié)構(gòu)的完整、纖維的結(jié)構(gòu)平行、致密及方向有關(guān)[1]。其取值范圍從0到1，值越大表示各向異性越強(qiáng)。ADC值用于反映分子整體的彌散水平和彌散阻力情況。當(dāng)水分子沿著軸突方向傳播時(shí)，擴(kuò)散速度快，即有較大的表觀擴(kuò)散系數(shù)；相反，若水分子垂直于軸突方向擴(kuò)散時(shí)，受到膜細(xì)胞的限制，擴(kuò)散速度慢，即有較小的表觀彌散系數(shù)[7]。

本研究對(duì)經(jīng)組織病理學(xué)證實(shí)的19名腦腫瘤患者進(jìn)行DTI掃描，測(cè)得腦腫瘤體的FA值及ADC值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，不同等級(jí)的腦腫瘤實(shí)體區(qū)，其FA值和ADC值均較對(duì)側(cè)正常腦區(qū)有顯著差異，腫瘤區(qū)FA值較對(duì)側(cè)正常腦組織區(qū)域FA值更小，而ADC值較對(duì)側(cè)正常腦組織更大，且差異顯著。這一特點(diǎn)可以幫助對(duì)腦腫瘤區(qū)域與正常腦組織的界定。

早期研究發(fā)現(xiàn)腫瘤實(shí)質(zhì)組織、瘤內(nèi)囊變壞死區(qū)及瘤周水腫區(qū)的ADC值均升高，ADC值的測(cè)定可以幫助區(qū)分腫瘤實(shí)性增強(qiáng)區(qū)域、瘤內(nèi)囊變壞死區(qū)、瘤周水腫組織區(qū)及正常腦組織區(qū)域[1]。Kono等指出膠質(zhì)瘤的細(xì)胞密度與ADC值具有很好的相關(guān)性，可用于指導(dǎo)腫瘤的分級(jí)[8]。也有少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)低度惡性星形細(xì)胞瘤的ADC值與高度惡性星形細(xì)胞瘤的ADC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，認(rèn)為ADC值不能用于預(yù)測(cè)腫瘤的分級(jí)情況[9]。

本研究發(fā)現(xiàn)，高級(jí)別組腦腫瘤區(qū)域ADC值顯著高于低級(jí)別組，這一結(jié)果與Kono等人的研究結(jié)果相反。一般認(rèn)為腫瘤惡性程度越高，伴隨著細(xì)胞數(shù)目數(shù)越多，細(xì)胞間隙也隨之越小，而且細(xì)胞異型性同時(shí)也增高，核質(zhì)比變大，導(dǎo)致水分子彌散更加受限，ADC值下降[10-11]。這可能因本研究樣本數(shù)量有限導(dǎo)致。高級(jí)別組腦腫瘤區(qū)域的FA值與低級(jí)別組腦腫瘤區(qū)域的FA值并未檢測(cè)出有顯著性差異(P>0.05)，這一結(jié)果證實(shí)了ADC值在預(yù)測(cè)腦膠質(zhì)瘤級(jí)別方面優(yōu)于FA值的觀點(diǎn)[12]。

5 總結(jié)

本研究主要對(duì)腦腫瘤患者的DTI結(jié)構(gòu)像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，通過分析彌散張量參數(shù)的改變以期為腦腫瘤病理分級(jí)提供幫助。但本研究所得到的結(jié)果與以往研究存在較大出入，只在鑒別腦腫瘤實(shí)體區(qū)與對(duì)側(cè)正常腦組織方面得到了較為有意義的結(jié)論，并未幫助對(duì)腦腫瘤進(jìn)行分級(jí)。

腦腫瘤具有復(fù)雜的組織病理學(xué)特征，僅憑ADC值和FA值還很難對(duì)腦腫瘤分級(jí)做出確切的判斷，其對(duì)于腦腫瘤分級(jí)的應(yīng)用價(jià)值還有待考究。多模態(tài)圖像的聯(lián)合分析將對(duì)于臨床應(yīng)用具有更高的價(jià)值[13]。已有研究表明，將腫瘤區(qū)域的血氧水平依賴(BOLD)信號(hào)和支持向量機(jī)(SVM)聯(lián)合應(yīng)用到腫瘤分級(jí)中，可以對(duì)腫瘤級(jí)別進(jìn)行無創(chuàng)劃分，部分參數(shù)分類準(zhǔn)確率達(dá)到了89%[14]。