李艳,康晓伟,席一斌,胡文鍾,吴旭莎,徐永强,印弘

胶质瘤是颅内最常见的原发性肿瘤,胶质母细胞瘤(glioblastoma,GBM)是胶质瘤中最具侵袭性的一种亚型[1-2]。在常规MR图像上,颅内感染性病变(intracranial infectious lesions,IIL)如结核瘤、细菌性或真菌性脑脓肿等,均可表现为与GBM类似的环形强化,鉴别两类病变比较困难。虽然GBM可表现出一些特征性MRI表现,但是当肿瘤内发生出血时与感染性病变形成的脓腔鉴别更加困难。GBM与IIL的生物学行为、治疗策略及预后截然不同[3]。因此,准确鉴别两种疾病对制定诊疗计划非常关键。

GBM和感染性病变在组织学上有明显不同,GBM病灶内新生血管结构扭曲且管壁通透性高[4],而感染性病变内虽然早期有大量肉芽组织和新生血管生成,但是在发生坏死液化后或脓肿形成期有纤维母细胞增生和胶原沉积形成环壁。DWI可通过水分子扩散程度反映瘤细胞的增殖情况[5];DCE-MRI可从疾病的微观角度评估血管生成和毛细血管通透性[6],获得反映局部组织微循环血管通透性及血流灌注的定量和半定量参数。这两种功能MRI方法从不同的微观层面反映病变组织的特性,我们推测联合这两种技术可提高鉴别诊断效能。已有研究证明DCE-MRI在GBM与脑转移瘤鉴别诊断中的作用[7]。关于联合DWI和DCE-MRI来鉴别颅内GBM和IIL的研究相对较少。本研究回顾性分析了颅内环形强化的GBM和IIL的影像和临床资料,旨在探讨DWI和DCE-MRI对两种疾病的鉴别诊断效能。

材料与方法

1.病例资料

回顾性分析2015年9月-2020年9月在西安市人民医院就诊并经病理证实的23例脑GBM和17例IIL患者的病例资料。纳入标准:①GBM患者术前未接受放化疗;②术前2周行3.0T MR平扫、T1WI增强、DWI和DCE-MRI扫描;③脑GBM及IIL在增强MRI图像上均表现为环形强化。排除标准:①图像伪影明显,影响测量结果。23例GBM患者中男9例,女14例,年龄36～80岁,中位年龄48.5岁;IIL中男5例,女12例,年龄28～72岁,中位年龄40.0岁。IIL包括11例脑脓肿(多发8例,单发3例)和6例结核瘤(多发3例,单发5例)。GBM的诊断依据为2021年WHO第五版中枢神经系统肿瘤诊断标准,异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)基因型均为WHO 4级野生型。

本研究经本院医学伦理委员会批准,所有患者签署了知情同意书。

2.MRI检查方法

MRI检查使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振扫描仪和8通道相控阵头颅线圈。患者均行常规平扫、对比增强T1WI、DWI和DCE-MRI扫描,扫描序列和参数如下。①T1WI:TR 1750.0 ms,TE 25.2 ms。②T2WI:TR 4080.0 ms,TE 91.0 ms,层厚5.0 mm,矩阵512×512。③对比增强T1WI:TR 1750.0 ms,TE 20.7 ms,视野240 mm×216 mm,矩阵320×256,层厚5.0 mm,Gd-DTPA剂量为0.1 mmol/kg。④DWI:TR 3000 ms,TE 68.5 ms,层厚5.0 mm,矩阵160×160,层间距1.5 mm,视野240 mm×240 mm。⑤3D肝脏容积快速采集(liver acquisition with volume acceleration,LAVA)DCE-MRI技术,注射对比剂前先采用5组翻转角(3°、6°、9°、12°、15°)进行扫描,注射对剂后采用15°翻转角采集50个期相,扫描参数:TR 4.1 ms,TE 2.0 ms,矩阵256×192,层厚4.0 mm,激励次数0.68,视野240 mm×192 mm,自第5期相开始使用高压注射器经肘静脉注射对比剂Gd-DTPA,剂量0.1 mmol/kg,流率3.5 mL/s,每个期相采集时间为8.8 s,总扫描时间为7 min 18 s。

3.图像分析及后处理

DWI和DCE-MRI图像的后处理分别使用FireVoxel软件和GE Omni-Kinetics软件,由两位神经影像医师参考增强T1WI图像,采用双盲的方式分别在ADC图和DCE-MRI图像中选取病灶最大层面,在强化环壁区域手动勾画ROI,ROI的范围包括最大层面上全部强化环壁,勾画时尽量避开囊变、出血和坏死区域;若两位医师勾画的ROI范围不一致,由两位医师协商后一致后再进行勾画。软件即可自动测量ROI的ADC及DCE-MRI相关定量参数。本研究中选取的ADC相关定量参数为ADC的第一四分位数(ADC-P25),DCE-MRI定量参数包括容积转移常数(volume transfer constant,Ktrans)、血管外细胞外体积分数(volume of the extravascular extracellular space,Ve)、增强曲线下初始面积(initial area under the gadolinium concentration time curve,IAUGC)、速率常数(back flux constant,Kep)、血浆容积分数(plasma vo-lume fraction,Vp)、达峰时间(time to peak,TTP)和最大斜率(maximum rise slope,SMAX)。

4.统计学分析

所有数据使用SPSS 25.0软件进行统计学分析。对计量资料的描述采用均数±标准差。Ktrans、IAUGC和Vp的组间比较采用独立样本t检验;ADC-P25、Ve、Kep、TTP和SMAX的组间比较采用Mann-WhitneyU检验。对组间差异具有统计学意义的参数,进一步绘制其受试者工作特征(ROC)曲线并计算AUC,根据约登指数得到最佳截断值、敏感度和特异度。将AUC<0.7、0.7～0.9和>0.9分别定义为具有低、中和高度鉴别诊断效能。采用综合判别改善指数(integrated discrimination index,IDI)对多参数联合诊断相较于单个参数在诊断效能方面的改善情况进行评价,如果IDI值为正,则表示在添加了一个新的参数后,识别能力有所提高。绘制ROC曲线及计算AUC、约登指数和IDI等步骤采用R 4.0.2软件加载pROC软件包和Predict-ABEL软件包。以P<0.05为差异具有统计学意义。

结 果

1.两组间一般资料的比较

GBM组和IIL组之间患者年龄和性别构成的差异均无统计学意义(t=0.875,P=0.382;χ2=0.406,P=0.524)。

2.两组间ADC及DCE-MRI参数的比较

GBM组和IIL组之间ADC-P25及DCE-MRI定量参数测量值的比较见表1和图1～2。GBM组的Ktrans、IAUGC和SMAX值均显著高于IIL组(P<0.05),而ADC-P25值显著低于IIL组(P=0.042)。

图1 患者,女,55岁,胶质母细胞瘤。 a)T1WI增强图像显示肿瘤呈不规则环形强化;b)ADC图示肿瘤实性部分信号较低,而周围水肿区信号较高,ADC-P25=91 mm2/s;c)DCE-MRI定量参数 Ktrans的伪彩图,显示环形强化区平均Ktrans值显著升高,Ktrans=0.19 min-1;d)DCE-MRI参数SMAX的伪彩图,显示环形强化区平均SMAX值显著升高,SMAX=1.868;e)病理图镜下示瘤体内有微血管增生,肿瘤细胞的胞核有明显的异形性(×40,HE)。 图2 患者,男,39岁,脑脓肿。 a)T1WI增强图像显示脓肿壁呈均匀环形强化,内壁光滑;b)ADC图示脓肿壁呈等信号,脓液局部扩散受限呈高信号,ADC=118 mm2/s;c)DCE-MRI相关参数Ktrans的伪彩图,显示强化环壁局部Ktrans值升高,Ktrans=0.478min-1;d)DCE-MRI参数SMAX的伪彩图,显示强化环壁局部SMAX值升高,SMAX=0.347 ,表明脓肿壁血管通透性为中度;e)病理图镜下示肿瘤组织内局部坏死伴软化灶形成,有大量中性粒细胞和泡沫细胞浸润,胶质细胞反应性增生,局部伴出血(×40,HE)。

表1 GBM组和IIL组ADC-P25及DCE-MRI参数的比较

3.各定量参数的鉴别诊断效能

ADC-P25和DCE-MRI定量参数中的Ktrans和SMAX鉴别GBM和IIL的诊断效能指标值详见表2。三个参数具有中度及以上的诊断效能;单一参数诊断效能最佳的是Ktrans,其AUC、敏感度和特异度分别为0.917,0.900和1.000;SMAX和ADC-P25的AUC分别为0.883和0.817。IAUGC半定量参数不具有鉴别诊断效能(AUC=0.800,P=0.051)。

表2 ADC及DCE-MRI鉴别GBM和IIL的ROC曲线分析结果

ADC-P25联合Ktrans后AUC从0.817增加至0.933;联合ADC-P25、Ktrans和SMAX三个参数的诊断效能最佳(图3),其AUC、敏感度和特异度分别为0.967、0.900和1.000。

图3 ADC-P25及其联合Ktrans及SMAX的ROC曲线,三个参数联合时的诊断效能最佳,AUC=0.967,高于ADC-P25及其联合Ktrans的AUC。

讨 论

脑GBM和IIL均可表现为环形强化和灶周水肿,GBM的环形强化通常表现为厚而不规则的环壁,病变中央为低信号坏死,而IIL坏死周围多表现为薄而光滑的环壁。然而,单靠特征性的表现并不能完全适用于临床,有时非典型影像表现会增加鉴别诊断难度,在常规MRI上难以鉴别。所以我们决定联合DWI和DCE-MRI两种功能MRI区分同为环形强化的GBM和IIL。两种疾病虽然影像表现类似,但环壁的组织病理学特征却完全不同,本文旨在探索DCE-MRI和DWI两种功能MRI技术对二种病变的鉴别诊断价值。

DWI是唯一能在活体上无创分析机体内水分子弥散运动的检查方法,ADC可量化水分子在组织间隙的扩散程度[8]。不同组织对自由水扩散运动的限制程度不同,GBM的实体部分在组织学上具有明显的异质性,肿瘤细胞增殖活跃[8],水分子扩散受限。另外,ADC的低值区代表GBM增殖活跃的部分,在微观上更能反映出GBM与IIL的区别,考虑到测量最低值ADC存在明显的选择误差,故笔者在本研究中选择ADC-P25作为DWI定量参数来鉴别2种病变。而具有完整强化环壁的脑脓肿及结核瘤的环壁由纤维性肉芽组织和胶原组织等组成,细胞无异形性,环壁中水分子扩散受限不明显,ADC值较高,而病灶中心位置因炎症细胞碎屑、坏死组织和脓液内的蛋白质而表现为明显的扩散受限,ADC值较低[9]。基于上述原理,笔者认为GBM和IIL环壁的ADC值可能存在差异,可利用这种差异对二者进行鉴别。本研究结果证实GBM强化环壁的ADC-P25值显著低于感染性病变,ADC-P25鉴别两者可达到中度诊断效能,ROC曲线下面积、敏感度和特异度分别为0.817、0.700和1.000。

DCE-MRI技术是通过注射钆对比剂后短时间内进行多次扫描获得钆剂流入病灶前、中、后的一系列图像,对比增强的时间变化提供了时间-信号强度曲线(time-signal intensity curve,TIC),该曲线形状包含了钆摄取和清除率的信息,分析可得出肿瘤微血管环境的参数估计值,从而反映肿瘤和邻近组织内潜在血管系统的形成和功能[10]。SMAX是TIC上升段的最大斜率,主要反映了早期对比剂渗透到血管外细胞外组织间隙(extravas-cular extracellular space,EES)的程度,反映的是肿瘤和邻近组织内血管系统的功能状态,包括血流动力学特征和血管通透性等特性[11]。Ktrans是对比剂从血浆渗透到EES的容积转移常数,反映了脑组织内的血流量和血管通透性[12]。本研究结果显示,GBM的Ktrans和SMAX值均明显高于感染性病变,笔者考虑此现象可能是由于GBM为高度恶性肿瘤,可破坏血脑屏障(blood-brain barrier,BBB),而且肿瘤组织还具有空间异质性和丰富的新生血管[13],在动态增强早期,由于血供丰富,肿瘤信号在短时间内快速增高,在动态增强晚期,由于肿瘤新生血管结构扭曲、基底膜缺失及内皮细胞不成熟等因素,钆剂迅速渗透至血管外间隙[14],故而Ktrans值和SMAX值较高。而感染性病变强化环壁的纤维肉芽组织、巨噬细胞和胶原纤维不具有高度增生的异常血管,存在血管内皮细胞间隙增宽但基底膜结构完整,血管渗透性不及GBM中的异常增生血管,所以其Ktrans和SMAX值相对较低,上述结果与以往的研究基本一致[15,16]。本研究结果还显示Ktrans和SMAX对GBM和IIL均具有中度以上诊断效能,两者的ROC曲线下面积分别为0.917和0.883。既往有研究结果显示病变的侵袭性改变可能与其更高的SMAX值相关[11,17]。GBM合并出血对DWI定量参数的测量结果有一定影响,但对DCE-MRI相关参数测量值的影响不大。本研究中GBM均未合并出血,故而统计分析结果显示Ktrans和SMAX能够有效鉴别GBM和感染性病变。

在本研究中,DCE-MRI联合ADC的鉴别诊断效能高于单一参数的诊断效能,联合ADC-P25、Ktrans和SMAX三个参数对GBM和IIL的诊断效能最佳,ROC曲线下面积达0.967。笔者分析可能是单一参数只能反映病变的某一方面的特征,而多参数联合可以从两种不同的微观角度评估组织的微环境,两种技术相互弥补可改善诊断效能,这提示多模态MRI在病变的鉴别诊断方面具有一定的优势。

本研究存在一定的局限性:首先,这是一项小队列回顾性研究,小样本数据离散程度比较大,可能存在样本选择偏倚;其次,本研究系单中心研究,研究结果有可能不适用于其它中心,还需经多中心研究进一步验证;最后,不同的ROI勾画方法和后处理软件也可能会影响各项定量参数的测量结果,而且这些参数目前还缺乏通用性和标准化。

综上所述,DWI和DCE-MRI相关参数在鉴别脑GBM和IIL时均达到了中度或以上的诊断效能,其中以ADC-P25、Ktrans和SMAX联合指导时的效能最佳,表明两种功能MRI技术的联合应用可显著提升对呈环形强化的GBM和IIL的鉴别诊断效能。