常規(guī)M RI灰度直方圖在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤鑒別診斷中的應(yīng)用

馬楨 程敬亮 任琦 張勇 汪衛(wèi)建

多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（glioblastoma multiform，GBM ）、中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤（primary central nervous system lymphoma，PCNSL） 及 單 發(fā) 轉(zhuǎn) 移 瘤（solitary brain metastasis，SMT)是三種常見的惡性腦腫瘤，在影像表現(xiàn)上有部分重疊現(xiàn)象，如中央壞死周圍呈環(huán)狀強(qiáng)化并伴瘤周水腫[1]，這使得GBM與PCNSL和SMT鑒別時(shí)難度較大。且常規(guī)MRI雖已廣泛應(yīng)用于臨床，但對(duì)于腫瘤的組織類型及分級(jí)等鑒別作用較局限。全域直方圖分析可基于平掃與增強(qiáng)T1WI、T2WI和ADC等圖像進(jìn)行分析，對(duì)提取出的病變圖像感興趣區(qū)的各層像素值灰度的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而得到與疾病相關(guān)的鑒別分級(jí)等參數(shù)，并為我們提供了進(jìn)一步鑒別腫瘤所需的具體分類方案。目前已有文獻(xiàn)[2-7]陸續(xù)報(bào)道有關(guān)全域直方圖分析法在某些疾病或腫瘤的分級(jí)、分類等方面的成功應(yīng)用。我們利用灰度直方圖介紹GBM、PCNSL及SMT三種常見惡性腫瘤的鑒別診斷。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 回顧分析鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院2013年5月至2017年10月經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)的95例多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤及單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：①通過手術(shù)病理證實(shí)為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤及單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤中的一種；②術(shù)前行MRI平掃及增強(qiáng)檢查，具有完善的影像資料包括軸位T1WI、T2WI、FLAIR、DWI和矢狀位增強(qiáng)T1WI；③MRI圖像質(zhì)量清晰。按照標(biāo)準(zhǔn)，多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤29例，男13例，女 16例，年齡 10～69歲，平均（51± 15）歲；中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤38例，男18例，女20例，年齡 33～81 歲，平均（57±13）歲；單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤 28 例，男 15 例，女 13 例，年齡 36～76 歲，平均（60±13）歲。

1.2 資料收集 收集患者M(jìn)RI圖像，選取出軸位T2WI、DWI及增強(qiáng)矢狀位T1WI三個(gè)序列。

1.3 磁共振成像方法 采用德國(guó)SIEMEMS skyra 3.0T磁共振成像系統(tǒng)，選取32通道頭顱線圈。受檢者仰臥位，保持自然放松，額面部呈水平位，鼻根部平行于線圈中線。平掃行軸位及矢狀位T1WI、軸位 T2WI、液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)（FLAIR）序列及 軸 位 DWI。 掃 描 參 數(shù) ：T1WI TR 260.0ms，TE 2.46 ms；T2WI：TR 3800 ms，TE 93.0 ms;FLAIR TR 4500 ms，TE 93.0 ms。 DWI掃描采用 SE-EPI序列， 選取b值為 0及1000 s/mm2，TR 3500 ms，TE 119 ms，視野范圍 23 cm×23 cm，層厚 5 mm，層間距0.3 mm，層數(shù)20。增強(qiáng)掃描行矢狀位、軸位及冠狀位T1WI，增強(qiáng)掃描對(duì)比劑選用釓噴替酸葡胺（Gd-DTPA），劑量以 0.2 mmol/kg為準(zhǔn)，其掃描參數(shù)與常規(guī)平掃T1WI一致。

1.4 感興趣區(qū)的選取 將所有患者的MR圖像以.BMP格式從PACS工作站導(dǎo)出，導(dǎo)出時(shí)調(diào)整窗寬、窗位，并使所有圖像在窗寬、窗位上均保持一致，以T2WI為基礎(chǔ)行全域直方圖分析。

使用MaZda軟件在軸位T2WI圖像中沿全腫瘤邊緣手動(dòng)勾畫出每一層的感興趣區(qū) (regions of interest，ROI)，軟件自動(dòng)生成ROI的灰度直方圖，通過灰度直方圖分析計(jì)算得到以下參數(shù)：方差（Variance）、均 值 （Mean）、偏 度 （Skewness）、峰 度（Kurtosis）、第 1 百分位數(shù)（1st Perc.）、第 10 百分位數(shù)（10th Perc.）、第 50 百分位數(shù)（50th Perc.）、第90百分位數(shù) （90th Perc.）及第99百分位數(shù)99th Perc.）等[8]。該研究中所有勾畫的ROI均由兩位影像學(xué)專家指導(dǎo)完成。分別從三種腫瘤中隨機(jī)選取一個(gè)樣本并圈出腫瘤范圍，腫瘤區(qū)域用紅色填充，其對(duì)應(yīng)的標(biāo)記前后的圖像及計(jì)算出的直方圖可參考文獻(xiàn)[8]。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 21.0進(jìn)行分析。計(jì)量資料通過x±s進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，檢測(cè)是否符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布、方差齊的多組間比較采用單因素方差分析（ANOVA），組間兩兩比較進(jìn)行LSD-t檢驗(yàn)；數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布或方差不齊的多組間比較采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，組間兩兩比較進(jìn)行Bonferroni法檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。利用Medcalc軟件建立受試者工作特征曲線 （ROC曲線），以確定最佳的區(qū)分三組腫瘤之間診斷的臨界值，其中在進(jìn)行ROC曲線分析的時(shí)候?qū)⒛易?、壞死面積大的腫瘤作為混雜因素剔除。計(jì)算曲線下面積（AUC），通過ROC曲線分析有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的參數(shù)在三組腫瘤之間的診斷效能，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參數(shù)在相應(yīng)兩組腫瘤之間的ROC曲線下面積即為具有最高的靈敏度和特異度。

2 結(jié)果

2.1 灰度直方圖統(tǒng)計(jì)學(xué)差異分析 由灰度直方圖分析得到的 9 個(gè)參數(shù)中，Mean （χ2=11.623）、Variance（χ2=32.389）、Skewness （χ2=17.214）、Kurtosis （F=13.496）、1st Perc.（χ2=4.843）、10th Perc.（χ2=4.87）、50th Perc.（χ2=12.661）、90th Perc.（χ2=15.399） 及99th Perc.（χ2=11.925）這 9 個(gè)參數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P 均＜0.05）（表 1），其中 Mean、Variance、Skewness、Kurtosis、50th Perc.、90th Perc.及 99th Perc.在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤與中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤兩組之間差異 有 統(tǒng) 計(jì) 學(xué) 意 義 。 Mean、Skewness、Kurtosis、1st Perc.、10th Perc.、50th Perc.、90th Perc.及 99th Perc.在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤與單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤兩組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Variance、1st Perc.在中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤與單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤兩組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 鑒別效能分析 ROC曲線分別分析Mean、Variance、Skewness、Kurtosis、1st Perc.、10th Perc.、50th Perc.、90th Perc.及 99th Perc.這 9 個(gè)參數(shù)在三組腫瘤兩兩之間的鑒別診斷效能，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的參數(shù)在分別對(duì)應(yīng)的兩組腫瘤之間的AUC見圖1～3，根據(jù)ROC曲線得出約登指數(shù)，選取了60%為最優(yōu)的靈敏度與特異度閾值，所以其中有＞60%的參數(shù)為效能較優(yōu)，＜60%的參數(shù)為效能較差；兼顧靈敏度和特異性選取的最佳臨界值見表2-4。其中在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤與中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤兩組的鑒別之間方差的靈敏度為89.47%，特異度為68.97%，曲線下面積為0.88；膠質(zhì)母細(xì)胞瘤與單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤兩組的鑒別之間50th Perc.的靈敏度為85.71%，特異度為68.97%，曲線下面積為0.83；中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤與單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤兩組的鑒別之間1st Perc.的靈敏度為75%，特異度為60.53%，曲線下面積為0.70，具有較高的鑒別效能。

圖1 常規(guī)MRI直方圖參數(shù)鑒別膠質(zhì)母細(xì)胞瘤與中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤的ROC，選取最有意義的6個(gè)參數(shù)畫ROC曲線，均值、方差、峰度、50th Perc.、90th Perc.及 99th Perc.的 ROC 下面積分別為0.77、0.88、0.77、0.78、0.83、0.82

3 討論

在MRI的紋理特點(diǎn)中，全域灰度直方圖中中位數(shù)及灰度的不均一性、百分位數(shù)等特點(diǎn)有助于區(qū)分診斷過程中不易鑒別的疾病[8]。本研究所探討的即紋理分析中灰度直方圖的分析方法來鑒別膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤及單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤。

圖2 常規(guī)MRI直方圖參數(shù)鑒別膠質(zhì)母細(xì)胞瘤與轉(zhuǎn)移瘤的ROC，選取有意義的6個(gè)參數(shù)畫ROC曲線，均值、10th Perc.、50th Perc.、90th Perc.及 99th Perc.的 ROC下面積分別為 0.80、0.75、0.83、0.78及0.71

圖3 常規(guī)MRI直方圖參數(shù)鑒別中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤與轉(zhuǎn)移瘤的ROC，選取有意義的1個(gè)參數(shù)畫ROC曲線，1st Perc.的ROC下面積分別為0.70

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤及單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤是顱內(nèi)較常見的三種惡性腫瘤，常規(guī)MRI可用于三者鑒別，但由于各腫瘤之間的影像學(xué)表現(xiàn)多有重疊，如增強(qiáng)MRI表現(xiàn)呈不規(guī)則的、均勻或不均勻的環(huán)形強(qiáng)化，中央壞死區(qū)部分可呈相對(duì)低強(qiáng)化，因此，常規(guī) MRI對(duì) GBM、PCNSL和 MET的鑒別具有局限性[9]。近年來已有腫瘤定量分析等相關(guān)報(bào)道刊出，其對(duì)腫瘤的鑒別診斷具有更高的準(zhǔn)確性，可在術(shù)前作為一種非侵入性手段為腫瘤分級(jí)及分類提供更有臨床價(jià)值的信息，并為其提供腫瘤的手術(shù)切除范圍、臨床治療方案[10]。

表1 GBM、PCNSL、MET的MRI全域灰度直方圖參數(shù)結(jié)果

表2 常規(guī)MRI全域灰度直方圖參數(shù)鑒別GBM和PCNSL的ROC分析結(jié)果

表3 常規(guī)MRI全域灰度直方圖參數(shù)鑒別GBM和MET的ROC分析結(jié)果

表4 T2全域灰度直方圖參數(shù)鑒別PCNSL和MET的ROC分析結(jié)果

常規(guī)MRI全域灰度直方圖的分析方法為腫瘤鑒別提供了一個(gè)更全面的評(píng)估方法，降低了根據(jù)常規(guī)MRI圖像特征鑒別腫瘤所產(chǎn)生的局限性。以往關(guān)于直方圖分析的報(bào)道常常僅在感興趣區(qū)取一層或幾層圖像，其得出的數(shù)據(jù)僅反映腫瘤的局部數(shù)據(jù)，不能完全代表所選取的感興趣區(qū)域腫瘤感興趣的整體意義[11]，代表性較全域灰度直方圖差。全域灰度直方圖分析方法反映了病變區(qū)域每一層面的整體數(shù)據(jù)，可以較好地避免由于勾畫局部區(qū)域ROI而導(dǎo)致的抽樣誤差[12]，并且對(duì)該三種腫瘤的鑒別會(huì)更加可靠。

目前應(yīng)用全域直方圖分析方法鑒別顱內(nèi)該三種常見惡性腫瘤的研究還較少，本研究通過對(duì)峰度、偏度、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、百分位數(shù)等9個(gè)灰度直方圖參數(shù)來評(píng)價(jià)其在3種常見惡性腫瘤中的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義， 結(jié)果顯示 Mean、Variance、Skewness、Kurtosis、1st Perc.、10th Perc.、50th Perc.、90th Perc.及99th Perc.九個(gè)參數(shù)在三者之間差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示灰度直方圖分析對(duì)該三種腫瘤鑒別診斷存在一定價(jià)值，其中在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤與中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤兩組的鑒別之間 90th Perc.、99th Perc.，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤與單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤兩組的鑒別之間90th Perc.、Mean，中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤與單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤兩組的鑒別之間1st Perc.這些參數(shù)的靈敏度與特異性較高，具有較高的鑒別效能，可能是對(duì)三種腫瘤兩兩鑒別較好的診斷參數(shù)。因此常規(guī)MRI全域直方圖分析方法對(duì)顱內(nèi)惡性腫瘤的鑒別診斷具有一定臨床意義，通過每種鑒別效能最高的參數(shù)診斷出這幾種常見的惡性腫瘤，更有助于臨床治療的選擇和預(yù)后。

本研究作為一個(gè)回顧性研究，在臨床病例中可能存在選擇性偏倚；受GBM、PCNSL和SMT發(fā)病率較低影響，本研究樣本量有限，后續(xù)的研究可增加樣本量，探索直方圖分析對(duì)腫瘤的不同病理類型之間是否有關(guān)聯(lián)。本研究顯示常規(guī)MRI全域灰度直方圖分析可為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤與單發(fā)轉(zhuǎn)移瘤提供信息，對(duì)三者鑒別提供客觀依據(jù)。