磁共振非高斯弥散加权成像预测低级别胶质瘤IDH1 基因突变初步结果

2018-12-06吴诗熳邱天明芮文婷庞浩鹏姚振威

中国医学计算机成像杂志 2018年5期

吴诗熳邱天明杨鸣张华金腾芮文婷庞浩鹏解骞陈宏姚振威任彦＊

胶质瘤是成人中枢神经系统最常见的原发脑肿瘤，发病率(3～6．4)/10万，其中低级别胶质瘤（WHOⅡ级）较高级别胶质瘤（WHO III-IV 级）预后相对较好。但部分病理诊断为低级别胶质瘤的患者短期内很快复发或者进展。根据 2016年WHO中枢神经系统肿瘤病理分类[1]，异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）突变状态有助于解释同一级别内部胶质瘤患者不同预后的原因[2-3]。而如何理解不同基因突变背景下胶质瘤的影像学特征，成为当前磁共振成像研究的迫切需求。随着放射基因组学（radiogenomics）和影像组学（radiomics）概念的相继提出，大量的研究在分子水平对胶质瘤的磁共振成像进行了探讨[4-7]。但以往研究大多集中在高级别胶质瘤[5，8]，而低级别胶质瘤由于基本不强化，增强扫描序列以及依赖打药的灌注成像序列在低级别胶质瘤的应用受到极大限制。弥散加权磁共振成像随着多b值成像技术（enhanced diffusion weighted imaging，eDWI）的进步已不仅限于通过单一检测ADC的方式对肿瘤进行诊断和治疗追踪评价[9-10]，体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）成像和拉伸指数模型(stretched model，SE)的开发使脑组织内水分子的真正弥散特征能够通过慢弥散分数(slow diffusion，Dslow) 和不均质指数α定量检测[9，11]。因此，本文将通过挖掘低级别胶质瘤弥散加权成像的影像学特征，重点探讨相对于传统弥散加权成像，多b值弥散加权成像在低级别胶质瘤中预测IDH1突变状态的应用价值。

方法

1．临床与病理

44 例经手术病理确诊的低级别胶质瘤（WHO II 级）患者被纳入本组研究。术前均进行了磁共振DWI 和 eDWI 成像，所有患者检查前均签署了术前MRI 检查知情同意书。本组44例胶质瘤患者包括男30，女14，平均年龄40岁，中位年龄37岁，最小20岁，最大63岁。肿瘤部位，单侧额叶15（左9，右6），额颞叶5（左4，右1），颞叶11（左7，右4），额顶叶4（左1，右3，）基底节5（左1，右4），顶叶1（右），枕叶 1（左），双额叶跨胼胝体1例，双额及左颞顶广泛受累1例。组织病理学结果：31例弥漫星形细胞瘤，9例少突胶质细胞瘤，4例少突-星形胶质细胞瘤；IDH1免疫组织化学结果：30例DH1突变和14例IDH1野生。

2．磁共振扫描

设备采用 GE 3．0T MRI (Discovery MR750)，8 通道头线圈，扫描序列：矢状位 T1WI，横断位 T1WI，T2WI，T2Flair，DWI，IVIM（eDWI，enhanced DWI），3D-T1C+（T1 contrast enhanced）；横断位扫描层厚4mm，层间距0mm。DWI序列采取0和1000s/mm2两个b值， IVIM 序列采用多 b 值 eDWI 序列[22 b 值：0，10，20，30，50，100，150，200，300，400，500，600，800，1000，1500，2000，2500，3000，3500，4000，4500和5000（s/mm2）]，具体扫描参数详见文献[12]。

3．图像后处理

3．1双指数模型[13]

双指数函数基于体素内不相干运动理论，其基本思想是假设组织内自由扩散水分子分为快和慢两种成分。S(b)和S0分别代表不同对应b值得信号强度，S0代表b值为0s/mm2时的信号强度；Dslow和Dfast代表慢和快成分的弥散系数，后者又称假弥散系数，与微循环灌注相关；PF代表快成分所占的分数；所有22b 值被用于双指数函数的拟合，b值200s/mm2作为快慢成份界值，采用分段法，先用高b值部分计算Dslow，然后移去高b值部分，用剩下的低b值部分计算Dfast，然后再计算PF，同时产生功能弥散图 Dslow，Dfast 和 PF。

3．2 拉伸指数模型[11]

拉伸指数函数是基于每个体素都是由连续分布的若干运动质子组成的质子池。S (b) 代表相应b值的信号强度，S0代表b 值为0时的信号强度，DDC 代表（distributed diffusion coefficient，DDC）分布弥散系数；α代表体素内水分子弥散不均质指数，用于描述弥散信号相对于单指数信号衰减过程的偏离行为，0≤α≤1，α越接近1，代表越均质，α越接近于 0，代表越不均质。

3．3 感兴趣区定义和影像组学特征提取：选取横断面T2Flair以及参数图ADC、Dslow、DDC和a同时导入GE AW4．6工作站，利用内置软件进行图像配准。选择肿瘤最大截面对肿瘤 T2Flair高信号区域进行勾画（图1），避开囊变区域；利用3D slicer软件进行对肿瘤容积数据进行提取，将 T2 Flair与ADC、Dslow、DDC和α参数图容积数据配准，导入3D-Slicer软件中的PyRadiomics嵌入软件，进行肿瘤容积特征提取，总共78个影像组学特征值[包括19个一阶（First_order）特征，27 个灰阶共生矩阵（gray level cocurrence matrix，GLCM)特征，16个灰阶游程矩阵（gray level run length matrix，GLRLM特征和16个灰阶区域大小矩阵（gray level size zone matrix， GLSZM）特征，具体特征值参见Van等[14]文献]用于低级别胶质瘤IDH1突变状态预测。

5．统计学分析

统计学分析通过 SPSS 17．0 软件执行。IDH1突变组（n=30）和野生组（n=14）胶质瘤组间参数比较采用Student’s t-test检验（正态分布）或者Mann–Whitney U-test检验（非正态分布）。受试者操作特性曲线（ROC）分析不同参数预测IDH1突变的能力，并计算曲线下面积（AUC）（AUC=0．5完全没有诊断能力；0．5～0．7，差；0．7～0．8，中等；0．8 ～ 0．9，良好；0．9 ～，优），P＜0．05 差异有统计学意义。

结果

1．一般临床资料比较

IDH1突变组和野生组平均年龄分别为37．6岁和 43．9岁，差异无统计学意义（t=-1．595，P=0．118）。本组病例 IDH1突变组和野生组在常见脑叶（包括额叶、颞叶和顶叶）发病率的比较中差异没有显著统计学意义（χ2=3．086，P=0．433）。另外，IDH1突变和野生两组低级别胶质瘤的组织学类型比较差异也无统计学意义（χ2=1．351，P=0．509）。

2．一般影像学特征比较和 ROC 分析

肿瘤区域IDH1突变组和IDH1野生组低级别胶质瘤ADC、Dslow、DDC和α的测量和比较结果见表1。Dslow和α对在两组间比较差异有统计学意义，对IDH1突变诊断均具有中等诊断效能，AUC值分别为 0．721 和 0．751（P=0．008 和 0．019）（图2：A），ADC和DDC差异均无显著统计学意义（P均＞0．05）。

图1 IDH1 突变和野生低级别胶质瘤 ROI 勾画。A～G．（男，34，WHO Ⅱ级弥漫星形细胞胶质瘤）依次为横断面 T2 Flair（A），T1增强（B），参数图 ADC（C）、Dslow（D）、DDC（E）、α（F）以及免疫组织化学 IDH1 染色切片200（G）提示 IDH1（R-132H）抗体表达阳性；H～N．（男，51，WHO Ⅱ级弥漫性星形细胞胶质瘤）依次为横断面T2 Flair（H），T1 增强（I），参数图 ADC（J）、Dslow（K）、DDC（L）、α（M）以及免疫组织化学 IDH1 染色切片α200（N）提示 IDH1（R-132H）抗体表达阴性。

3．影像组学特征比较和 ROC分析

IDH1+组和IDH1-组低级别胶质瘤容积参数ADC、Dslow、DDC和α的影像组学特征值比较结果见表2。Dslow有4个First_order特征：Median，Root Mean Squared(F_RMS)，90 Percentile(F_90P)， Mean(F_Mean)和2个GLCM特征：Contrast（GLCM_C）和 Difference Variance（GLMC_DV）共6个特征值在两组间比较差异有统计学意义；不均质指数α有3个Firtst_order特征F_Median，F_RMS和F_90P在两组间比较差异有统计学意义；以上各容积参数对IDH1突变诊断均具有中等诊断效能，Dslow 的 6个特征 AUC 值分别为 0．722，0．722，0．734，0．725，0．751 和 0．772（P 值分别为 0．025，0．025，0．019，0024，0．011 和 0．016）（图 2B），α 的三个特征 AUC 值分别为 0．757，0．757 和 0．778（P值分别为 0．013，0．013 和 0．007）（图 2C），ADC和DDC特征值差异均无显著统计学意义，ROC分析各特征值也均无诊断效能（P均＞0．05）。

图2 低级别胶质瘤IDH1突变状态预测。A．选取T2Flair肿瘤最大横断面计算Dslow和α平均值，预测IDH1突变ROC曲线（α的预测效能最高，AUC为0．751）；B．选取肿瘤容积参数Dslow组学特征预测IDH1突变ROC曲线（GLMC_DV预测效能最高，AUC为0．772）；C．选取肿瘤容积参数α组学特征预测IDH1突变ROC曲线（90 Percentile预测效能最高，AUC为0．778）。

表1 IDH1 突变组和野生组低级别胶质瘤最大横断面瘤区弥散参数比较

表2 IDH1 突变组和野生组低级别胶质瘤肿瘤容积弥散参数组学特征比较

讨论

胶质瘤基因突变状态的活体无创预测，将极大的改善分子生物学检测对临床预后评价和治疗的意义。IDH突变是低级别胶质瘤和继发性胶质母细胞瘤的重要标记物，IDH突变的胶质瘤患者往往预后较好[15-16]。但肿瘤内部的空间和时间异质性是基于组织学标本检测基因突变状态的潜在巨大挑战[17]。另外，手术禁区的限制也极大的限制了分子标记物检测的价值[18]，因此，基因突变状态的磁共振活体无创探测将有助于弥补依赖组织学标本检测的局限和不足。

胶质瘤发病年龄，部位等临床特征一定程度上有助于IDH突变状态的预测，但价值有限。以往资料显示IDH1突变型胶质瘤患者往往发病年龄较小[16]。本组低级别胶质瘤中，IDH突变型比野生型有年轻趋势，平均年龄分别为37．6岁和43．9岁，但差异无统计学意义（P=0．118），因此，利用年龄因素判断胶质瘤IDH1突变临床应用价值有限。Qi等报道[19]IDH1突变型胶质瘤往往好发于单个脑叶，如额叶和颞叶等，但本组病例IDH突变组和野生组在常见脑叶（包括额叶、颞叶和顶叶）发病率的比较中并没有显著差异，这可能与本组病例全部为在本院进行手术治疗的病例，因此与大样本的回顾性分析有所不同。

MR弥散加权成像的定量特征对胶质瘤基因突变的评价较常规MR形态学特征更具客观性。尽管利用传统的形态学分析[20]以及T2 Flair肿瘤容积影像组学特征分析[6]分别获得了AUC为0．857和0．83的低级别胶质瘤IDH1突变诊断效能，但如何理解这些特征与IDH1基因突变分子病理基础之间的联系却仍十分困难。定量弥散加权成像描述的水分子弥散微环境的差异为理解IDH1基因突变提供了新的途径。Lee等[21]的研究表明ADC值在IDH+和IDH-高级别胶质瘤之间有显著的差异，IDH+较IDH-胶质瘤ADC值明显增高。但上述MRI预测IDH基因突变的研究多集中在高级别胶质瘤，而对低级别胶质瘤的研究相对较少。低级别胶质瘤预后相对较好，治疗方法与GBM完全不同，部分患者仅希望采取保守的非手术治疗。由于不能获取胶质瘤的生物学标本，所以MRI活体预测IDH突变状态就显得尤为重要。本研究发现，非高斯弥散成像计算的慢弥散系数Dslow与不均质指数α无论是选取肿瘤最大截面直接计算肿瘤弥散参数值还是选取肿瘤容积后提取肿瘤组学特征的方法，均表现出较好的IDH1突变预测能力。IDH1-组较IDH1+组胶质瘤具有较低的Dslow值，在高级别胶质瘤中，推断可能与高级别胶质瘤（WHO III-IV 级）中IDH野生型GBM所占比例较高有关，GBM中肿瘤细胞高度增殖，细胞间隙明显降低，导致水分子弥散系数明显降低。但在低级别胶质瘤，IDH1+和IDH1-均在同一级别内部，细胞增殖程度基本相似，病理基础以细胞异型性为主，细胞间隙并未明显缩小，因此是何原因导致不同IDH基因突变状态下弥散微环境的变化，尚需进一步研究探讨。本组病例eDWI成像选取了最高达5000s/mm2的b值，Le Bihan等[22]指出超高b值状态下检测到的水分子弥散可能与细胞的亚结构有关。而不均质指数α理论上能描述体素内水分子弥散的不均质性[11]，在高低级别胶质瘤中有较好的鉴别诊断效能[12]，其可能的依据是高级别胶质瘤具有比低级别胶质瘤更不均质的组织病理学改变。但在低级别胶质瘤内部，本研究发现IDH1野生型比突变型也具有更不均质的水分子弥散微环境，尽管其病理基础尚不明确，但却为进一步阐明不同IDH突变状态下低级别胶质瘤的病生理基础提供了新的思路。

通过对肿瘤容积数据的深度挖掘，多个组学特征也被发现具有预测低级别胶质瘤IDH1 突变状态的潜能，而且部分参数的诊断效能要高于通过肿瘤最大截面计算的弥散平均值。影像组学是近些年来肿瘤影像的研究热点，通过挖掘影像数据进行胶质瘤分级和IDH突变预测的影像组学研究也不断增多，也取得了较好的IDH1突变预测效能[20，23]。但其研究主要集中在对常规磁共振T1加权成像或T2Flair成像的数据挖掘上[20，23]，对IDH1预测结果的病理基础往往不能清楚阐释，导致临床应用受到一定限制。而磁共振弥散加权成像能够定量描述肿瘤内的水分子弥散特征，对于其影像信息数据的挖掘能很好发反映肿瘤内部水分子弥散的微环境，对于结论的解释往往更容易让临床医生接受。本研究不足之处是纳入分析肿瘤数据尚不足够，仅有的数据尚不能进行基于深度学习的数据挖掘探索，如神经卷积网络。