磁共振成像扫描序列在脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤鉴别诊断中的价值分析

张 媛 李彦龙* 刘连锋 张 涛 张 飞 马旭阳 唐敏丽 吕 琳

胶质母细胞瘤和脑转移瘤是目前临床上常见的恶性肿瘤之一，若脑转移瘤仅仅为单发病灶或者无法找出原发肿瘤时，脑转移瘤的影像学表现与高级别的胶质母细胞瘤极其相似，具有较高的鉴别难度[1]。目前，临床上诊断脑肿瘤的辅助检查主要是磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)，包括常规MR平扫、MR灌注成像、弥散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)以及动态对比增强磁共振成像(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)。然而，通过MRI检查鉴别胶质母细胞瘤和脑转移瘤具有较大的主观性[2-5]。

近年来，影像纹理分析越来越成为图像量化的研究热点，其有助于通过研究医学图像的灰阶信息，包括体素间空间、灰度分布等关系，获得更多肉眼无法直接观察到的图像信息[6]。因此，本研究分析磁共振扫描序列T1液体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery，FLAIR)序列、T2加权成像(T2weighted imaging，T2WI)、T2FLAIR序列、DWI和增强T1WI在脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤鉴别诊断中的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性选取2014年1月至2018年12月延安大学咸阳医院收治并由病理或者临床确诊的40例脑胶质母细胞瘤患者资料，以及50例脑单发转移瘤患者资料。在40例脑胶质母细胞瘤患者中男性31例，女性9例；年龄23～69岁，平均年龄(53.54±10.45)岁。在50例脑单发转移瘤患者中男性34例，女性16例；年龄为35～75岁，平均年龄(60.41±11.35)岁；其中原发肿瘤肺癌29例，胃肠道肿瘤8例，乳腺癌肿瘤5例，肾癌3例，鼻咽癌2例，胰腺癌3例。40例脑胶质母细胞瘤患者以及28例脑单发转移瘤患者均由病理学确诊；22例脑单发转移瘤患者初检时头颅MR未见明显异常，复查后可见新病灶。所有受检者进行MR平扫及增强检查(T1FLAIR、T2WI、T2FLAIR、DWI和增强T1WI)。

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准：①经手术病理证实为脑胶质母细胞瘤；②所有患者均接受MR平扫和增加检查；③所有患者均自愿签署知情同意书；

(2)排除标准：①合并其他肿瘤患者；②影像图像质量不佳；③对造影剂过敏者。

1.3 仪器设备

采用Verio型3.0T磁共振仪(德国Siemens公司)。

1.4 扫描方法

采用Verio型3.0T磁共振仪，70 cm大孔径进行MR扫描，扫描序列依次为平扫轴位T1FLAIR、T2WI、T2FLAIR、DWI和增强轴位T1WI、矢状位及冠状位T1WI。①T1FLAIR扫描参数：重复时间2200 ms，反转时间820 ms，回波时间23 ms；②T2WI扫描参数：重复时间4200 ms，回波时间107 ms；③T2FLAIR扫描参数：重复时间8300 ms，反转时间1800 ms，回波时间166 ms，视野240 mm×240 mm，矩阵256×256，层间距2 mm，层厚6 mm；④DWI扫描参数：重复时间4500～5500 ms，回波时间70～80 ms，视野240 mm×240 mm，矩阵160×160，层间距2 mm，层厚6 mm。

选择高压注射器按照0.1 mmol/kg体质量，速率为2 ml/s，静脉注射Gd-DTPA对比剂，使用20 ml 0.9%氯化钠(NaCl)注射液进行冲洗后，分别行矢状位、冠状位及轴位T1W1扫描。增强扫描的参数为重复时间2300 ms，回波时间23 ms。

1.5 图像选择及纹理分析

所有受检者的M R 图像均通过医学数字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)的格式导出，并由2名高年资影像科医师进行盲审，选择出轴位增强T1W1和轴位DWI的图像。通过MaZda软件(波兰)勾画出最大序列DWI和增强T1WI的肿瘤感兴趣区域(region of interest，ROI)，得出病变部位的纹理线条。通过目前常见的灰度共生矩阵(能量、均匀性、均值、对比度、方差、熵、自相关以及非相似度)和直方图(平均值、方差、偏度值、百分位数值及峰度)两类纹理参数进行分析。

1.6 统计学方法

通过R语言统计建模，选择数据进行正态性、方差齐性检验，满足正态分布的数据，通过Kruskal-Wallis检验进行特征选择，以P＜0.05为差异有统计学意义。通过Pearson相关性分析去冗余，相关系数为0.8。建立多元logistic回归分析，其中自变量为特征选择后的纹理参数，应变量为脑胶质母细胞瘤和脑单发转移瘤，建立受试者工作特征(receiver operating characteristic curve，ROC)曲线，计算ROC曲线下面积(area under curve，AUC)，评估模型效能，评估勾画出的ROI的纹理参数的组内相关性。

2 结果

2.1 脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤纹理分析

经过纹理特征筛选后的脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤患者的直方图中的纹理参数中增强T1WI灰度、偏度值共生矩阵参数中的DWI、均值自相关及增强T1WI均值自相关，脑胶质母细胞瘤与单发脑转移瘤纹理分析比较，差异具有统计学意义(x2=8.116，P＜0.05)，见表1；MRI影像见图1。

图1 两种脑肿瘤患者磁共振图像

2.2 纹理参数测量结果的一致性分析

提取两种脑肿瘤患者磁共振图像中A、C、E和F4个纹理参数，组内所有图像均在[μ-3δ，μ+3δ](μ和δ分别是平均灰度值和标准差)范围标准化其灰阶水平，以减小对比度和亮度变化的影响。参数分别为0.89、0.94、0.96和0.85，具有较高的一致性。

表1 脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤纹理分析结果[中位数(上下四分位数)]

2.3 灰度共生矩阵参数对鉴别脑胶质母细胞瘤与单发脑转移瘤的诊断效能

采用其中1名医师提取的数据行多元logistic回归分析，其中自变量为特征选择后的纹理参数，应变量为脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤，结果提示，脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤患者仅灰度共生矩阵参数中的DWI自相关具有统计学意义(r=0.591，P＜0.05)。ROC曲线分析结果显示，DWI自相关在脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤鉴别诊断中的灵敏度和特异度分别为82.50%和86.00%，AUC为0.89，见图2。

图2 DWI自相关在鉴别脑胶质母细胞瘤与单发脑转移瘤的ROC曲线

3 讨论

脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤是目前临床上常见的两种脑肿瘤，但二者间的病理特征、临床病程、治疗方案及预防方向截然不同，因此治疗前正确鉴别两种肿瘤具有重要的意义。近年来，随着纹理分析的普遍兴起，其具有定量分析图像灰阶分布特征、空间特征及像素间关系的优势，可直观给出许多肉眼下无法识别的物体表面特征信息，相比常规的影像学方法而言，不同于以往完全依赖影像医师的水平而报告诊断结果，其可以更加直接的提供病变图像信息，具有量化、客观的优势；临床上可普遍应用于CT、MR等多种影像图像的分析，目前最常见的用于CT及MR的图像分析，其中MRI具有多参数成像和高分辨率等优势，是目前临床鉴别和诊断脑肿瘤的重要影像学手段；而在CT及MR都难以鉴别的疾病下纹理分析具有较大的优势[7-8]。

在本研究T1FLAIR、T2WI、T2FLAIR和DWI的4种序列中，鉴别脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤的纹理特征主要来自T2WI，FLAIR序列包含的纹理特征最少。采用MaZda软件区分转移瘤与胶质母细胞瘤错判率最小为8.88%(8/90)，其在T2WI序列中出现2次，增强T1WI和T1WI均出现1次，均为3种方法联合参数选择方法的结果，而FLAIR提取的特征鉴别这两种病变的最小错判率为10.00%(9/90)。据相关研究显示，脑肿瘤的鉴别诊断可借助直方图中的一阶纹理分析完成[9-11]；或者通过直方图中的一阶纹理分析，实现对胶质瘤化疗药物的生存状况分析及治疗反应评估[12-13]。本研究发现，经过纹理特征筛选后的脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤患者的直方图中的纹理参数中，增强T1WI偏度值提示差异具有统计学意义。其中，偏度是指病变特征值分布对称性的统计量，即表达平均值分布不均匀的响度程度。分析其原因，可能是脑转移瘤通常会保持原发肿瘤的组织特征，结构较密，分布较均匀，故其密度相对会更加均匀[14]；而胶质母细胞瘤具有较高的恶性程度，成分较混杂，生长速度迅速，容易发生液化、出血、囊变及坏死，故其密度相对不均匀，因此二者的直方图分布对称性会不一致。有研究指出，增强的T1WI直方图可用于鉴别脑胶质母细胞瘤和脑转移瘤，然而其只能勾画出部分的肿瘤强化部分，且完全凭经验将坏死、出血排出。但本研究却可以完全客观的勾画出肿瘤的最大层面，包括液化、出血、囊变及坏死，有利于排出遗漏的重要信息，对诊断脑肿瘤具有重要的意义。

DWI可通过体内水分子的运动情况获得影像学数据，可分析体内水分子的扩散路径[15]。灰度共生矩阵是常见的研究灰度空间相关特征的二阶纹理分析方法。本研究发现，脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤患者的共生矩阵参数中的DWI均值、自相关和增强T1WI均值以及自相关的比较，提示差异具有统计学意义。其中，自相关是指灰度共生矩阵中行列间的相似程度，可表达某灰度值沿着某方向的延伸长度，延伸越长，则意味着相关性越大；均值表达纹理的规律程度，若规律性强，容易描述则均值较大。由此可见，自相关可直接反映出图像中局部灰度的相关性。本研究发现，脑胶质母细胞瘤的图像规律性较单发脑转移瘤明显下降。并且，根据ROC曲线分析结果提示，DWI自相关在脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤鉴别诊断中的敏感度和特异度分别为82.50%和86.00%，AUC为0.89。通过纹理分析，提取灰度共生矩阵参数中具有统计学意义的指标，其结果表明，DWI自相关对鉴别脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤上具有良好的诊断效能，因此具有重要的临床意义。

通过MR纹理分析，为鉴别脑胶质母细胞瘤和单发脑转移瘤提供可靠信息，确保诊断的准确性，对两种鉴别提供可信的客观依据。