Intravoxel incoherent motion DWI in differential diagnosis of high-grade gliomas and metastasis

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(Department of Radiology, the Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao 266555, China)

體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion, IVIM)采用多b值DWI，可量化分析水分子擴(kuò)散和微循環(huán)血流灌注2種運(yùn)動(dòng)成分，同時(shí)提供病變區(qū)的擴(kuò)散和灌注情況[1]。本研究采用IVIM-DWI技術(shù)，分別測(cè)量高級(jí)別膠質(zhì)瘤和轉(zhuǎn)移瘤腫瘤實(shí)質(zhì)、瘤周1 cm水腫區(qū)及對(duì)側(cè)半卵圓中心灌注系數(shù)(D*)、擴(kuò)散系數(shù)(D)、灌注分?jǐn)?shù)(f)值，計(jì)算相對(duì)值(rD*、rD、rf值)，為鑒別高級(jí)別膠質(zhì)瘤與腦轉(zhuǎn)移瘤提供更豐富的信息。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年6月—2017年6月我院腦高級(jí)別膠質(zhì)瘤患者24例，男17例，女7例，年齡32～80歲，中位年齡57歲，其中WHO Ⅲ級(jí)8例，WHO Ⅳ級(jí)16例；腦轉(zhuǎn)移瘤28例，男10例，女18例，年齡31～77歲，中位年齡54歲，原發(fā)腫瘤肺癌21例，食管癌3例，直腸癌4例。納入標(biāo)準(zhǔn)：①術(shù)前或放化療前同時(shí)接受顱腦平掃、IVIM-DWI及增強(qiáng)MR檢查；②膠質(zhì)瘤均經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)，腦轉(zhuǎn)移瘤均有病理證實(shí)原發(fā)灶，部分轉(zhuǎn)移灶經(jīng)手術(shù)證實(shí)；③腦內(nèi)病變周?chē)[區(qū)最大長(zhǎng)徑≥1 cm。排除標(biāo)準(zhǔn)：①圖像存在運(yùn)動(dòng)偽影；②病變內(nèi)部大范圍出血、壞死；③病理結(jié)果不明確?；颊哂跈z查前均簽署知情同意書(shū)。

1.2 儀器與方法 采用GE HDx 3.0T超導(dǎo)型MR掃描儀，8通道頭部線圈。囑患者仰臥。軸位T1 Flair序列參數(shù)：TR 2 500 ms，TE 24 ms，TI 860 ms；FSE T2W序列參數(shù)：TR 4 320 ms，TE 120 ms；T2 Flair序列參數(shù)：TR 8 000 ms，TE 165 ms，TI 2 100 ms；DWI參數(shù)：TR 5 500 ms，TE 73.9 ms。矩陣512×512，F(xiàn)OV 24 cm×24 cm，激勵(lì)次數(shù)1；層厚5 mm，層間距1.5 mm。IVIM-DWI參數(shù)：TR 6 075 ms，TE 81.5 ms，13個(gè)b值分別為20、40、60、80、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200、1 500(s/mm2)，激勵(lì)次數(shù)2，矩陣160×160，層厚5 mm，層間距1.5 mm，掃描時(shí)間8 min 12 s。采用高壓注射器，經(jīng)肘靜脈團(tuán)注Gd-DTPA，劑量0.1 mmol/kg體質(zhì)量，流率5 ml/s，行軸位、冠狀位及矢狀位T1 Flair序列增強(qiáng)掃描，參數(shù)同前。

1.3 圖像分析與處理 由1名高年資放射科醫(yī)師獨(dú)立進(jìn)行圖像分析和處理。將IVIM-DWI原始圖像傳至AW 4.6后處理工作站，采用MADC軟件對(duì)數(shù)據(jù)行后處理，并獲得相應(yīng)參數(shù)偽彩圖。參考MR平掃和增強(qiáng)圖像選擇腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)、強(qiáng)化病灶周?chē)? cm范圍內(nèi)的水腫區(qū)及對(duì)側(cè)正常半卵圓中心為ROI，避開(kāi)血管、囊變、壞死及出血部分，每個(gè)區(qū)域均分別選取3個(gè)ROI，獲得D*、D、f的均值。高級(jí)別膠質(zhì)瘤和轉(zhuǎn)移瘤腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)和瘤周1 cm水腫區(qū)各參數(shù)值分別與對(duì)側(cè)半卵圓中心的相應(yīng)參數(shù)值相比獲得相對(duì)參數(shù)值(rD*、rD、rf值)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 20.0和Medcalc軟件統(tǒng)計(jì)分析軟件。數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)性檢驗(yàn)后，以±s表示，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較高級(jí)別膠質(zhì)瘤和轉(zhuǎn)移瘤對(duì)應(yīng)區(qū)域的各參數(shù)。對(duì)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參數(shù)行ROC分析，確定最佳閾值，并計(jì)算敏感度、特異度和曲線下面積(area under curve, AUC)，對(duì)后者采用DeLong檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

高級(jí)別膠質(zhì)瘤腫瘤實(shí)質(zhì)D*、rD*值均高于轉(zhuǎn)移瘤(P=0.006、0.019)，f值及rf值均低于轉(zhuǎn)移瘤(P=0.001、0.003)，二者腫瘤實(shí)質(zhì)D值、rD值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.937、0.838)，見(jiàn)表1及圖1、2。高級(jí)別膠質(zhì)瘤瘤周1 cm水腫區(qū)D*、rD*值均高于轉(zhuǎn)移瘤(P均<0.05)，f值及rf值均低于轉(zhuǎn)移瘤(P均<0.01)，二者瘤周1 cm水腫區(qū)D值、rD值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.518、0.678)，見(jiàn)表2及圖1、2。

由腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)及瘤周1 cm水腫區(qū)D*、rD*、f及rf值診斷高級(jí)別膠質(zhì)瘤或轉(zhuǎn)移瘤的效能見(jiàn)表3及圖3，其中D*、rD*的對(duì)照為高級(jí)別膠質(zhì)瘤，f、rf的對(duì)照為轉(zhuǎn)移瘤。瘤周1 cm水腫區(qū)D*值的AUC最大，但僅與腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的rD*的AUC差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.033)，其余差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

表1 高級(jí)別膠質(zhì)瘤與轉(zhuǎn)移瘤腫瘤實(shí)質(zhì)各參數(shù)值比較(±s)

表1 高級(jí)別膠質(zhì)瘤與轉(zhuǎn)移瘤腫瘤實(shí)質(zhì)各參數(shù)值比較(±s)

項(xiàng)目D*(×10-3 mm2/s)rD*D(×10-4 mm2/s)rDf(%)rf高級(jí)別膠質(zhì)瘤5.52±1.122.32±0.948.01±1.431.22±0.3219.73±4.251.39±0.43轉(zhuǎn)移瘤4.28±1.461.70±0.638.06±2.161.24±0.3430.30±12.202.11±0.89t值-2.927-2.4490.0800.2063.4943.169P值0.0060.0190.9370.8380.0010.003

表2 高級(jí)別膠質(zhì)瘤與轉(zhuǎn)移瘤瘤周1 cm水腫區(qū)各參數(shù)值比較(±s)

表2 高級(jí)別膠質(zhì)瘤與轉(zhuǎn)移瘤瘤周1 cm水腫區(qū)各參數(shù)值比較(±s)

項(xiàng)目D*(×10-3 mm2/s)rD*D(×10-4 mm2/s)rDf(%)rf高級(jí)別膠質(zhì)瘤4.11±1.191.67±0.5713.27±3.282.03±0.5726.60±5.821.86±0.50轉(zhuǎn)移瘤2.83±6.011.25±0.6412.65±2.691.96±0.4636.02±11.372.50±0.71t值-4.315-2.154-0.653-0.4183.1733.206P值<0.0010.0380.5180.6780.0030.003

表3 D*、rD*診斷高級(jí)別膠質(zhì)瘤及f、rf診斷轉(zhuǎn)移瘤的效能

圖1 患者男，54歲，右側(cè)額葉膠質(zhì)瘤(WHO Ⅳ級(jí)，IDH-野生型) A.軸位增強(qiáng)T1WI示腫瘤實(shí)質(zhì)呈明顯不均勻強(qiáng)化; B.軸位灌注相關(guān)擴(kuò)散參數(shù)D*偽彩圖(藍(lán)-綠-紅色遞增順序)，腫瘤實(shí)質(zhì)D*值最大，其次為瘤周水腫區(qū)，對(duì)側(cè)半卵圓中心區(qū)的D*值最??； C.軸位擴(kuò)散相關(guān)擴(kuò)散參數(shù)D偽彩圖(藍(lán)-綠-紅色遞增順序)，瘤周水腫區(qū)和腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)均大于對(duì)側(cè)半卵圓中心； D.軸位灌注分?jǐn)?shù)f偽彩圖(藍(lán)-綠-紅色遞增順序)，瘤周水腫區(qū)及腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)f值均高于對(duì)側(cè)半卵圓中心

圖2 患者男，53歲，右側(cè)額葉底部轉(zhuǎn)移瘤(來(lái)源于肺，低分化腺癌) A．增強(qiáng)軸位T1WI示腫瘤實(shí)質(zhì)呈明顯不均勻強(qiáng)化; B．軸位灌注相關(guān)擴(kuò)散參數(shù)D*偽彩圖(藍(lán)-綠-紅色遞增順序)，腫瘤實(shí)質(zhì)D*值最大，其次為瘤周水腫區(qū)，對(duì)側(cè)半卵圓中心區(qū)D*值最小(圖中未顯示)； C.軸位擴(kuò)散相關(guān)擴(kuò)散參數(shù)D偽彩圖(藍(lán)-綠-紅色遞增順序)，瘤周水腫區(qū)和腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)均大于對(duì)側(cè)半卵圓中心； D.軸位灌注分?jǐn)?shù)f偽彩圖(藍(lán)-綠-紅色遞增順序)，瘤周水腫區(qū)及腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)f值均高于對(duì)側(cè)半卵圓中心

圖3 ROC曲線 A.以高級(jí)別膠質(zhì)瘤為對(duì)照，D*、rD*值診斷腦轉(zhuǎn)移瘤； B.以轉(zhuǎn)移瘤為對(duì)照，f、rf值診斷高級(jí)別膠質(zhì)瘤； C.以高級(jí)別膠質(zhì)瘤為對(duì)照，D*、rD*值診斷腦轉(zhuǎn)移瘤瘤周1 cm水腫區(qū)； D.以轉(zhuǎn)移瘤為對(duì)照，f、rf值診斷高級(jí)別膠質(zhì)瘤瘤周1 cm水腫區(qū)

3 討論

IVIM-DWI擬合“雙指數(shù)模型”不僅可評(píng)價(jià)體內(nèi)水分子運(yùn)動(dòng)情況，還可反映毛細(xì)血管灌注情況，通過(guò)雙指數(shù)模型計(jì)算獲得f值，代表ROI局部微循環(huán)所致灌注占總體組織容積的比率[2]；D為純擴(kuò)散系數(shù)，代表組織內(nèi)緩慢的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)成分，即純水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；D*為毛細(xì)血管微循環(huán)所產(chǎn)生的假擴(kuò)散系數(shù)，代表快速的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)成分，即灌注相關(guān)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。本研究在測(cè)量D、D*、f值的基礎(chǔ)上計(jì)算其相對(duì)值，發(fā)現(xiàn)D、D*、f值與rD*、rD、rf值的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異一致，故下文僅針對(duì)D、D*、f值進(jìn)行討論。

本組高級(jí)別膠質(zhì)瘤腫瘤實(shí)質(zhì)D*值高于轉(zhuǎn)移瘤腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū) (P=0.006)，與王健等[3]的結(jié)果一致，提示高級(jí)別膠質(zhì)瘤腫瘤實(shí)質(zhì)毛細(xì)血管灌注高于轉(zhuǎn)移瘤，可能與腫瘤的生長(zhǎng)方式不同相關(guān)。病理研究[4-5]表明，高級(jí)別膠質(zhì)瘤呈侵襲性生長(zhǎng)，可產(chǎn)生大量形態(tài)扭曲、結(jié)構(gòu)不成熟且通透性高的新生腫瘤血管，而腦轉(zhuǎn)移瘤腫瘤實(shí)質(zhì)部分血管增生程度和范圍不如高級(jí)別膠質(zhì)瘤，使高級(jí)別膠質(zhì)瘤毛細(xì)血管灌注程度高于轉(zhuǎn)移瘤[6-7]。但也有學(xué)者[8-9]認(rèn)為高級(jí)別膠質(zhì)瘤和轉(zhuǎn)移瘤腫瘤實(shí)質(zhì)灌注間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，原因可能為PWI、動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)MRI(dynamic contrast-enhanced MRI， DCE-MRI)、磁共振動(dòng)脈自旋標(biāo)記灌注成像及IVIM-DWI原理不同，灌注相關(guān)MRI技術(shù)的一致性還有待進(jìn)一步研究。

本組高級(jí)別膠質(zhì)瘤瘤周1 cm水腫區(qū)D*值高于轉(zhuǎn)移瘤腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)(P<0.001)。高級(jí)別膠質(zhì)瘤呈侵襲性生長(zhǎng)，腫瘤細(xì)胞可沿神經(jīng)纖維束及血管間隙向周?chē)ＤX組織內(nèi)浸潤(rùn)，瘤周水腫區(qū)?？砂l(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞[10]；而轉(zhuǎn)移瘤瘤周水腫是多種因素所致單純性血管源性水腫，水腫區(qū)內(nèi)無(wú)腫瘤細(xì)胞浸潤(rùn)[11]，亦無(wú)新生毛細(xì)血管，其灌注可低于高級(jí)別膠質(zhì)瘤。

本組高級(jí)別膠質(zhì)瘤和轉(zhuǎn)移瘤瘤周1 cm水腫區(qū)D值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。高級(jí)別膠質(zhì)瘤是侵襲性腫瘤，可在瘤周水腫區(qū)發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞，腫瘤浸潤(rùn)使瘤周1 cm水腫區(qū)細(xì)胞密集程度增加，水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相對(duì)受限，而腫瘤細(xì)胞浸潤(rùn)破壞水腫區(qū)的正常腦組織結(jié)構(gòu)，使正常細(xì)胞外間隙增大導(dǎo)致水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增加。轉(zhuǎn)移瘤的生長(zhǎng)較高級(jí)別膠質(zhì)瘤迅速，對(duì)周?chē)ＤX實(shí)質(zhì)產(chǎn)生壓迫作用，形成相對(duì)“致密帶”，使細(xì)胞外間隙變小[12]，水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相對(duì)受限；而腫瘤壓迫周?chē)X組織產(chǎn)生的血管源性水腫使細(xì)胞外間隙內(nèi)水分子增加，水分子運(yùn)動(dòng)相對(duì)加快，最終導(dǎo)致高級(jí)別膠質(zhì)瘤和轉(zhuǎn)移瘤瘤周1 cm水腫區(qū)D值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

理論上D*與f的變化存在相關(guān)性或一致性[13-14]，f值應(yīng)隨組織內(nèi)微循環(huán)灌注增加而增大。f值與TE密切相關(guān)[15-16]，TE越長(zhǎng)，低b值時(shí)信號(hào)衰減越明顯，f值越大、尤其組織T2值小于血液T2值時(shí)，f值對(duì)TE的依賴(lài)性更明顯，計(jì)算f值時(shí)不能忽略T2值差異的影響，有必要進(jìn)行T2校正。

本研究結(jié)果表明腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)和瘤周1 cm水腫區(qū)的D*、rD*或f及rf值鑒別轉(zhuǎn)移瘤或高級(jí)別腦膠質(zhì)瘤的AUC均>0.7，有一定參考價(jià)值。以1.45作為腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)rf臨界值，以3.19×10-3作為瘤周水腫區(qū)D*值臨界值，在鑒別兩類(lèi)腫瘤時(shí)有較高參考價(jià)值。

本研究的局限性：部分患者腫瘤信號(hào)欠均勻，使結(jié)果存在一定的測(cè)量誤差；未測(cè)量組織的T2值，未進(jìn)行T2校正，所得f值可能并不是真實(shí)的f值，有待進(jìn)一步探討；目前IVIM-DWI的最佳b值設(shè)定仍未獲得統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，仍需進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，盡快達(dá)成專(zhuān)家共識(shí)。

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