基于肿瘤全域MRI信号强度的直方图分析分级诊断脑膜瘤

李晓欣，苗延巍*，郭 妍，董俊伊，韩 亮，宋清伟，刘爱连

(1.大连医科大学附属第一医院放射科，辽宁 大连 116011；2.通用电气药业生命科学核心影像部，辽宁 沈阳 110000)

脑膜瘤是常见的颅内脑外肿瘤，大部分为良性(WHO Ⅰ级)，约10%为不典型(WHO Ⅱ级)或恶性脑膜瘤(WHO Ⅲ级)[1]，侵袭性且肿瘤致死率及复发率均较高，因而脑膜瘤分级诊断对于确定治疗方案及评估预后具有重要意义[2-4]。虽然肿瘤呈分叶状，肿瘤密度、信号不均匀，发生出血、坏死、囊变等征象有助于诊断不典型或恶性脑膜瘤，但据此难以鉴别Ⅰ级与Ⅱ级脑膜瘤[5-7]。近年来，随着影像组学的发展，直方图分析被认为是评估肿瘤异质性的有效手段[8-10]。本研究探讨常规MRI直方图分析对脑膜瘤分级的价值，并寻求分级诊断的最佳影像学指标。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2010年1月—2016年12月于我院接受头部MR扫描的177例脑膜瘤患者，均经手术病理证实且获得WHO标准分级[11]；其中Ⅰ级脑膜瘤139例，男38例，女101例，年龄19～73岁，平均(53.7±11.2)岁；Ⅱ级脑膜瘤38例，男、女各19例，年龄22～71岁，平均(60.2±11.1)岁。

1.2 仪器与方法 采用GE Signa HDxt 3.0T MR扫描仪，8通道头线圈。扫描序列：矢状位及轴位SE序列T1W，TR 400 ms，TE 9.0 ms，FOV 220 mm×220 mm，矩阵448×256，层厚6 mm，层间距1 mm；轴位SE序列T2W，TR 4 000 ms，TE 110 ms，FOV 220 mm×220 mm，矩阵448×256，层厚6 mm，层间距1 mm。增强扫描对比剂采用Gd-DTPA，剂量0.1 mmol/kg体质量，注射流率3.0 ml/s，行轴位、矢状位及冠状位T1WI，扫描参数同平扫。

1.3 图像处理 将DICOM格式的轴位T1WI、T2WI及增强T1WI导入Omni-Kinetics软件，由2名放射科医师在包含肿瘤实质的每一层图像上沿肿瘤边缘手动勾画ROI，不包括肿瘤周围水肿区，将所有层面的ROI累加为三维ROI(图1)，软件自动计算出基于T1WI、T2WI和增强T1WI的信号强度直方图及其参数，包括最小值，最大值，平均值，第5、10、25、50、75、90、95百分位数及标准差、方差、平均差、体积、值域、偏度、峰度以及均匀性。

1.4 统计学分析 采用SPSS 18.0统计分析软件。首先对2名放射科医师各自勾画的ROI所得直方图参数值进行组内相关系数(interclass correlation coefficient， ICC)检验，其二者测量数据的一致性好

图1 左侧额部脑膜瘤ROI勾画示意图 A.沿肿瘤实质边缘勾画ROI，不包括肿瘤周围水肿区： B.红色区域为ROI，覆盖整个肿瘤实质

(ICC≥0.75)，取平均值。因数据不符合正态分布，以中位数(四分位数间距)表示，以两独立样本Mann-WhitneyU检验比较各参数在Ⅰ级与Ⅱ级级脑膜瘤间的差异；对有统计学差异的直方图参数绘制ROC曲线，计算AUC，评估其对脑膜瘤分级诊断的效能。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 基于T1WI信号强度直方图参数 Ⅰ级与Ⅱ级脑膜瘤间有统计学差异的直方图参数见表1、图2。ROC曲线分析显示，以均匀性=0.36为阈值，诊断Ⅰ级与Ⅱ级脑膜瘤的效能最佳，AUC=0.678(P<0.05)，其敏感度和特异度分别为62.6%和73.7%。

2.2 基于T2WI信号强度直方图参数 Ⅰ级与Ⅱ级脑膜瘤间有统计学差异的直方图参数见表2、图3。以均匀性=0.40为阈值，诊断Ⅰ级与Ⅱ级脑膜瘤的效能最佳，AUC=0.702(P<0.05)，敏感度和特异度分别为56.1%和84.2%。

2.3 基于增强T1WI信号强度直方图参数 Ⅰ级与Ⅱ级脑膜瘤间有统计学差异的直方图参数见表3、图4。以均匀性=0.38为阈值，诊断Ⅰ级与Ⅱ级脑膜瘤的效能最佳，AUC=0.708(P<0.05)，敏感度和特异度分别为64.7%和73.7%。

3 讨论

3.1 肿瘤全域测量的依据 Ⅱ级脑膜瘤病理学主要表现为瘤组织结构紊乱，瘤细胞较幼稚，排列密集，瘤细胞核呈中度异型性、多形性，部分胞核见明显大核仁，核分裂象易见，瘤巨细胞散在分布，并可见局部小灶性坏死和脑组织微小浸润[11]。这些病理学表现提示Ⅱ级脑膜瘤的异质性大于Ⅰ级，部分Ⅱ级脑膜瘤所出现的出血、坏死、囊变区正是其不均质性的组成部分。局部肿瘤实质不能全面反映肿瘤整体的异质性，而基于肿瘤全域的信号值可能更加准确、可靠地反映肿瘤的异质性，并最大程度地避免局部区域勾画ROI导致的抽样误差。Wang等[2]提出常规MRI直方图分析有助于脑膜瘤的分级诊断，本研究结果与其一致，T1WI、T2WI和增强T1WI直方图参数在Ⅰ、Ⅱ级脑膜瘤间差异有统计学意义，有助于鉴别二者。

表1 Ⅰ级与Ⅱ级脑膜瘤间T1WI信号强度直方图参数比较[中位数(四分位数间距)]

表2 Ⅰ级与Ⅱ级脑膜瘤间T2WI信号强度直方图参数比较[中位数(四分位数间距)]

表3 Ⅰ级与Ⅱ级脑膜瘤的增强T1WI信号强度直方图参数比较[中位数(四分位数间距)]

图2 基于T1WI信号强度的直方图 A.Ⅰ级脑膜瘤T1WI； B.Ⅰ级脑膜瘤T1WI信号强度直方图，示图像中心轻度右偏，拟合曲线高而尖，偏度为3.28，峰度为23.39； C.Ⅱ级脑膜瘤T1WI； D.Ⅱ级脑膜瘤T1WI信号强度直方图，示图像中心轻度左偏，拟合曲线高而尖，偏度为-1.19，峰度为5.02 图3 基于T2WI信号强度的直方图 A.Ⅰ级脑膜瘤T2WI； B.Ⅰ级脑膜瘤T2WI信号强度直方图，示图像中心轻度右偏，拟合曲线高而尖，偏度为0.23，峰度为5.05； C.Ⅱ级脑膜瘤T2WI； D.Ⅱ级脑膜瘤T2WI信号强度直方图，示图像中心轻度右偏，拟合曲线较图3B宽且低平，偏度为1.18，峰度为5.28 图4 基于增强T1WI信号强度的直方图 A.Ⅰ级脑膜瘤增强T1WI； B.Ⅰ级脑膜瘤增强T1WI信号强度直方图，示图像中心轻度左偏，拟合曲线高而尖，偏度为-0.80，峰度为4.59； C.Ⅱ级脑膜瘤增强T1WI； D.Ⅱ级脑膜瘤增强T1WI信号强度直方图，示图像中心轻度左偏，拟合曲线较图4B宽且低平，偏度为-0.01，峰度为3.19

3.2 T1WI信号强度直方图分析 本研究发现Ⅱ级脑膜瘤的值域及标准差大于Ⅰ级，提示Ⅱ级脑膜瘤内部成分较复杂，异质性较明显，瘤内出血、囊变、坏死区更多[12]；Ⅱ级脑膜瘤的体积数大于Ⅰ级，提示Ⅱ级脑膜瘤生长速度更快、更具有侵袭性。偏度是描述直方图曲线分布的参数，是反映肿瘤异质性的较好指标。偏度值的大小和正负往往与肿瘤的恶性程度具有一定的相关性，甚至可作为评估肿瘤预后的独立因素[13]。本研究中基于T1WI信号直方图中Ⅱ级脑膜瘤的偏度为负值，直方图曲线中心向左偏移，而Ⅰ级脑膜瘤的偏度为正值，直方图曲线中心向右偏移，表明Ⅰ、Ⅱ级脑膜瘤均存在异质性[14]。均匀性是反映肿瘤全域图像信号值均匀性的参数，Ⅱ级脑膜瘤的均匀性小于Ⅰ级，提示Ⅱ级脑膜瘤内部成分更复杂，出血、囊变、坏死区相对较多。

3.3 T2WI信号强度直方图分析 本研究结果显示Ⅱ级脑膜瘤的第90、95百分位数、标准差及方差均大于Ⅰ级脑膜瘤，提示Ⅱ级脑膜瘤内部囊变、坏死区较多，T2WI信号强度较高且不均匀；峰度越大，表示数值分布越集中，反之则越分散。本研究中Ⅰ级脑膜瘤的峰度值大于Ⅱ级脑膜瘤，提示Ⅰ级脑膜瘤的直方图曲线更加高尖，数据相对集中，肿瘤内部成分的一致性相对较高。

3.4 增强T1WI信号强度直方图分析 本研究中，Ⅱ级脑膜瘤的最小值、第5、10、25百分位数均小于Ⅰ级脑膜瘤，表明低值区的增强T1WI信号值对于鉴别诊断Ⅰ、Ⅱ级脑膜瘤更有意义。脑膜瘤属于颅内脑外肿瘤，增强扫描的强化程度主要取决于肿瘤的血供情况，Ⅰ级脑膜瘤低值区的信号值大于Ⅱ级，提示Ⅰ级脑膜瘤的血供不如Ⅱ级脑膜瘤丰富。

本研究的局限性：本组病例中无Ⅲ级脑膜瘤患者，未对Ⅲ级脑膜瘤进行直方图分析；未对脑膜瘤进行病理学亚型分型，而同一级别不同亚型脑膜瘤的直方图参数可能会存在差异，需要在后续研究中进一步分析。

总之，基于肿瘤全域的T1WI、T2WI及增强T1WI信号强度直方图分析有助于分级诊断脑膜瘤，肿瘤均匀性是最佳影像学分级诊断指标。