DWI聯合DCE-MRI鑒別呈環形強化的腦GBM和感染性病變

李艷,康曉偉,席一斌,胡文鍾,吳旭莎,徐永強,印弘

膠質瘤是顱內最常見的原發性腫瘤,膠質母細胞瘤(glioblastoma,GBM)是膠質瘤中最具侵襲性的一種亞型[1-2]。在常規MR圖像上,顱內感染性病變(intracranial infectious lesions,IIL)如結核瘤、細菌性或真菌性腦膿腫等,均可表現為與GBM類似的環形強化,鑒別兩類病變比較困難。雖然GBM可表現出一些特征性MRI表現,但是當腫瘤內發生出血時與感染性病變形成的膿腔鑒別更加困難。GBM與IIL的生物學行為、治療策略及預后截然不同[3]。因此,準確鑒別兩種疾病對制定診療計劃非常關鍵。

GBM和感染性病變在組織學上有明顯不同,GBM病灶內新生血管結構扭曲且管壁通透性高[4],而感染性病變內雖然早期有大量肉芽組織和新生血管生成,但是在發生壞死液化后或膿腫形成期有纖維母細胞增生和膠原沉積形成環壁。DWI可通過水分子擴散程度反映瘤細胞的增殖情況[5];DCE-MRI可從疾病的微觀角度評估血管生成和毛細血管通透性[6],獲得反映局部組織微循環血管通透性及血流灌注的定量和半定量參數。這兩種功能MRI方法從不同的微觀層面反映病變組織的特性,我們推測聯合這兩種技術可提高鑒別診斷效能。已有研究證明DCE-MRI在GBM與腦轉移瘤鑒別診斷中的作用[7]。關于聯合DWI和DCE-MRI來鑒別顱內GBM和IIL的研究相對較少。本研究回顧性分析了顱內環形強化的GBM和IIL的影像和臨床資料,旨在探討DWI和DCE-MRI對兩種疾病的鑒別診斷效能。

材料與方法

1.病例資料

回顧性分析2015年9月-2020年9月在西安市人民醫院就診并經病理證實的23例腦GBM和17例IIL患者的病例資料。納入標準:①GBM患者術前未接受放化療;②術前2周行3.0T MR平掃、T1WI增強、DWI和DCE-MRI掃描;③腦GBM及IIL在增強MRI圖像上均表現為環形強化。排除標準:①圖像偽影明顯,影響測量結果。23例GBM患者中男9例,女14例,年齡36～80歲,中位年齡48.5歲;IIL中男5例,女12例,年齡28～72歲,中位年齡40.0歲。IIL包括11例腦膿腫(多發8例,單發3例)和6例結核瘤(多發3例,單發5例)。GBM的診斷依據為2021年WHO第五版中樞神經系統腫瘤診斷標準,異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)基因型均為WHO 4級野生型。

本研究經本院醫學倫理委員會批準,所有患者簽署了知情同意書。

2.MRI檢查方法

MRI檢查使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀和8通道相控陣頭顱線圈?；颊呔谐Ｒ幤綊?、對比增強T1WI、DWI和DCE-MRI掃描,掃描序列和參數如下。①T1WI:TR 1750.0 ms,TE 25.2 ms。②T2WI:TR 4080.0 ms,TE 91.0 ms,層厚5.0 mm,矩陣512×512。③對比增強T1WI:TR 1750.0 ms,TE 20.7 ms,視野240 mm×216 mm,矩陣320×256,層厚5.0 mm,Gd-DTPA劑量為0.1 mmol/kg。④DWI:TR 3000 ms,TE 68.5 ms,層厚5.0 mm,矩陣160×160,層間距1.5 mm,視野240 mm×240 mm。⑤3D肝臟容積快速采集(liver acquisition with volume acceleration,LAVA)DCE-MRI技術,注射對比劑前先采用5組翻轉角(3°、6°、9°、12°、15°)進行掃描,注射對劑后采用15°翻轉角采集50個期相,掃描參數:TR 4.1 ms,TE 2.0 ms,矩陣256×192,層厚4.0 mm,激勵次數0.68,視野240 mm×192 mm,自第5期相開始使用高壓注射器經肘靜脈注射對比劑Gd-DTPA,劑量0.1 mmol/kg,流率3.5 mL/s,每個期相采集時間為8.8 s,總掃描時間為7 min 18 s。

3.圖像分析及后處理

DWI和DCE-MRI圖像的后處理分別使用FireVoxel軟件和GE Omni-Kinetics軟件,由兩位神經影像醫師參考增強T1WI圖像,采用雙盲的方式分別在ADC圖和DCE-MRI圖像中選取病灶最大層面,在強化環壁區域手動勾畫ROI,ROI的范圍包括最大層面上全部強化環壁,勾畫時盡量避開囊變、出血和壞死區域;若兩位醫師勾畫的ROI范圍不一致,由兩位醫師協商后一致后再進行勾畫。軟件即可自動測量ROI的ADC及DCE-MRI相關定量參數。本研究中選取的ADC相關定量參數為ADC的第一四分位數(ADC-P25),DCE-MRI定量參數包括容積轉移常數(volume transfer constant,Ktrans)、血管外細胞外體積分數(volume of the extravascular extracellular space,Ve)、增強曲線下初始面積(initial area under the gadolinium concentration time curve,IAUGC)、速率常數(back flux constant,Kep)、血漿容積分數(plasma vo-lume fraction,Vp)、達峰時間(time to peak,TTP)和最大斜率(maximum rise slope,SMAX)。

4.統計學分析

所有數據使用SPSS 25.0軟件進行統計學分析。對計量資料的描述采用均數±標準差。Ktrans、IAUGC和Vp的組間比較采用獨立樣本t檢驗;ADC-P25、Ve、Kep、TTP和SMAX的組間比較采用Mann-WhitneyU檢驗。對組間差異具有統計學意義的參數,進一步繪制其受試者工作特征(ROC)曲線并計算AUC,根據約登指數得到最佳截斷值、敏感度和特異度。將AUC<0.7、0.7～0.9和>0.9分別定義為具有低、中和高度鑒別診斷效能。采用綜合判別改善指數(integrated discrimination index,IDI)對多參數聯合診斷相較于單個參數在診斷效能方面的改善情況進行評價,如果IDI值為正,則表示在添加了一個新的參數后,識別能力有所提高。繪制ROC曲線及計算AUC、約登指數和IDI等步驟采用R 4.0.2軟件加載pROC軟件包和Predict-ABEL軟件包。以P<0.05為差異具有統計學意義。

結 果

1.兩組間一般資料的比較

GBM組和IIL組之間患者年齡和性別構成的差異均無統計學意義(t=0.875,P=0.382;χ2=0.406,P=0.524)。

2.兩組間ADC及DCE-MRI參數的比較

GBM組和IIL組之間ADC-P25及DCE-MRI定量參數測量值的比較見表1和圖1～2。GBM組的Ktrans、IAUGC和SMAX值均顯著高于IIL組(P<0.05),而ADC-P25值顯著低于IIL組(P=0.042)。

圖1 患者,女,55歲,膠質母細胞瘤。 a)T1WI增強圖像顯示腫瘤呈不規則環形強化;b)ADC圖示腫瘤實性部分信號較低,而周圍水腫區信號較高,ADC-P25=91 mm2/s;c)DCE-MRI定量參數 Ktrans的偽彩圖,顯示環形強化區平均Ktrans值顯著升高,Ktrans=0.19 min-1;d)DCE-MRI參數SMAX的偽彩圖,顯示環形強化區平均SMAX值顯著升高,SMAX=1.868;e)病理圖鏡下示瘤體內有微血管增生,腫瘤細胞的胞核有明顯的異形性(×40,HE)。 圖2 患者,男,39歲,腦膿腫。 a)T1WI增強圖像顯示膿腫壁呈均勻環形強化,內壁光滑;b)ADC圖示膿腫壁呈等信號,膿液局部擴散受限呈高信號,ADC=118 mm2/s;c)DCE-MRI相關參數Ktrans的偽彩圖,顯示強化環壁局部Ktrans值升高,Ktrans=0.478min-1;d)DCE-MRI參數SMAX的偽彩圖,顯示強化環壁局部SMAX值升高,SMAX=0.347 ,表明膿腫壁血管通透性為中度;e)病理圖鏡下示腫瘤組織內局部壞死伴軟化灶形成,有大量中性粒細胞和泡沫細胞浸潤,膠質細胞反應性增生,局部伴出血(×40,HE)。

表1 GBM組和IIL組ADC-P25及DCE-MRI參數的比較

3.各定量參數的鑒別診斷效能

ADC-P25和DCE-MRI定量參數中的Ktrans和SMAX鑒別GBM和IIL的診斷效能指標值詳見表2。三個參數具有中度及以上的診斷效能;單一參數診斷效能最佳的是Ktrans,其AUC、敏感度和特異度分別為0.917,0.900和1.000;SMAX和ADC-P25的AUC分別為0.883和0.817。IAUGC半定量參數不具有鑒別診斷效能(AUC=0.800,P=0.051)。

表2 ADC及DCE-MRI鑒別GBM和IIL的ROC曲線分析結果

ADC-P25聯合Ktrans后AUC從0.817增加至0.933;聯合ADC-P25、Ktrans和SMAX三個參數的診斷效能最佳(圖3),其AUC、敏感度和特異度分別為0.967、0.900和1.000。

圖3 ADC-P25及其聯合Ktrans及SMAX的ROC曲線,三個參數聯合時的診斷效能最佳,AUC=0.967,高于ADC-P25及其聯合Ktrans的AUC。

討 論

腦GBM和IIL均可表現為環形強化和灶周水腫,GBM的環形強化通常表現為厚而不規則的環壁,病變中央為低信號壞死,而IIL壞死周圍多表現為薄而光滑的環壁。然而,單靠特征性的表現并不能完全適用于臨床,有時非典型影像表現會增加鑒別診斷難度,在常規MRI上難以鑒別。所以我們決定聯合DWI和DCE-MRI兩種功能MRI區分同為環形強化的GBM和IIL。兩種疾病雖然影像表現類似,但環壁的組織病理學特征卻完全不同,本文旨在探索DCE-MRI和DWI兩種功能MRI技術對二種病變的鑒別診斷價值。

DWI是唯一能在活體上無創分析機體內水分子彌散運動的檢查方法,ADC可量化水分子在組織間隙的擴散程度[8]。不同組織對自由水擴散運動的限制程度不同,GBM的實體部分在組織學上具有明顯的異質性,腫瘤細胞增殖活躍[8],水分子擴散受限。另外,ADC的低值區代表GBM增殖活躍的部分,在微觀上更能反映出GBM與IIL的區別,考慮到測量最低值ADC存在明顯的選擇誤差,故筆者在本研究中選擇ADC-P25作為DWI定量參數來鑒別2種病變。而具有完整強化環壁的腦膿腫及結核瘤的環壁由纖維性肉芽組織和膠原組織等組成,細胞無異形性,環壁中水分子擴散受限不明顯,ADC值較高,而病灶中心位置因炎癥細胞碎屑、壞死組織和膿液內的蛋白質而表現為明顯的擴散受限,ADC值較低[9]?；谏鲜鲈?筆者認為GBM和IIL環壁的ADC值可能存在差異,可利用這種差異對二者進行鑒別。本研究結果證實GBM強化環壁的ADC-P25值顯著低于感染性病變,ADC-P25鑒別兩者可達到中度診斷效能,ROC曲線下面積、敏感度和特異度分別為0.817、0.700和1.000。

DCE-MRI技術是通過注射釓對比劑后短時間內進行多次掃描獲得釓劑流入病灶前、中、后的一系列圖像,對比增強的時間變化提供了時間-信號強度曲線(time-signal intensity curve,TIC),該曲線形狀包含了釓攝取和清除率的信息,分析可得出腫瘤微血管環境的參數估計值,從而反映腫瘤和鄰近組織內潛在血管系統的形成和功能[10]。SMAX是TIC上升段的最大斜率,主要反映了早期對比劑滲透到血管外細胞外組織間隙(extravas-cular extracellular space,EES)的程度,反映的是腫瘤和鄰近組織內血管系統的功能狀態,包括血流動力學特征和血管通透性等特性[11]。Ktrans是對比劑從血漿滲透到EES的容積轉移常數,反映了腦組織內的血流量和血管通透性[12]。本研究結果顯示,GBM的Ktrans和SMAX值均明顯高于感染性病變,筆者考慮此現象可能是由于GBM為高度惡性腫瘤,可破壞血腦屏障(blood-brain barrier,BBB),而且腫瘤組織還具有空間異質性和豐富的新生血管[13],在動態增強早期,由于血供豐富,腫瘤信號在短時間內快速增高,在動態增強晚期,由于腫瘤新生血管結構扭曲、基底膜缺失及內皮細胞不成熟等因素,釓劑迅速滲透至血管外間隙[14],故而Ktrans值和SMAX值較高。而感染性病變強化環壁的纖維肉芽組織、巨噬細胞和膠原纖維不具有高度增生的異常血管,存在血管內皮細胞間隙增寬但基底膜結構完整,血管滲透性不及GBM中的異常增生血管,所以其Ktrans和SMAX值相對較低,上述結果與以往的研究基本一致[15,16]。本研究結果還顯示Ktrans和SMAX對GBM和IIL均具有中度以上診斷效能,兩者的ROC曲線下面積分別為0.917和0.883。既往有研究結果顯示病變的侵襲性改變可能與其更高的SMAX值相關[11,17]。GBM合并出血對DWI定量參數的測量結果有一定影響,但對DCE-MRI相關參數測量值的影響不大。本研究中GBM均未合并出血,故而統計分析結果顯示Ktrans和SMAX能夠有效鑒別GBM和感染性病變。

在本研究中,DCE-MRI聯合ADC的鑒別診斷效能高于單一參數的診斷效能,聯合ADC-P25、Ktrans和SMAX三個參數對GBM和IIL的診斷效能最佳,ROC曲線下面積達0.967。筆者分析可能是單一參數只能反映病變的某一方面的特征,而多參數聯合可以從兩種不同的微觀角度評估組織的微環境,兩種技術相互彌補可改善診斷效能,這提示多模態MRI在病變的鑒別診斷方面具有一定的優勢。

本研究存在一定的局限性:首先,這是一項小隊列回顧性研究,小樣本數據離散程度比較大,可能存在樣本選擇偏倚;其次,本研究系單中心研究,研究結果有可能不適用于其它中心,還需經多中心研究進一步驗證;最后,不同的ROI勾畫方法和后處理軟件也可能會影響各項定量參數的測量結果,而且這些參數目前還缺乏通用性和標準化。

綜上所述,DWI和DCE-MRI相關參數在鑒別腦GBM和IIL時均達到了中度或以上的診斷效能,其中以ADC-P25、Ktrans和SMAX聯合指導時的效能最佳,表明兩種功能MRI技術的聯合應用可顯著提升對呈環形強化的GBM和IIL的鑒別診斷效能。