体素内不相干运动成像与三维动脉自旋标记技术在脑胶质瘤术前分级中的应用进展

张露 胡必富*

胶质瘤是颅内最常见的原发性肿瘤，约占所有中枢神经系统肿瘤的28%，约占颅脑恶性肿瘤的80%[1]。根据2016年世界卫生组织对胶质瘤的分级标准，按照病理学良恶性程度将其分为4级，Ⅰ、Ⅱ级为低级别，Ⅲ、Ⅳ级为高级别；另外，将染色体1p和19q联合缺失、异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）基因型突变和6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶（O-6-methylguanine-DNA methyltransferase，MGMT）基因启动子甲基化等一些基因表型和分子特征纳入弥漫性星形细胞瘤及少突胶质细胞瘤的诊断中，这是影响胶质瘤治疗和预后的重要因素[2-3]。临床上对于低级别胶质瘤常采取手术切除，高级别胶质瘤多为手术切除、放疗、化疗等综合治疗。高级别胶质瘤较低级别胶质瘤进展快，术后复发概率更大，病人预后更差，因此术前的准确分级对选择临床治疗方案和评估病人预后均有重要意义。目前组织病理学检查是胶质瘤分级的金标准，但由于胶质瘤的异质性、采样误差的限制与有限的相关活检样本数都可能会低估肿瘤的级别，而且活检为一种有创性检查，因此术前的组织病理学活检存在一定的局限性，临床上迫切需要一种无创且可反复使用的检查方法。以往多通过常规MR成像及增强检查对肿瘤进行无创术前分级，但常规MRI仅从肿瘤形态学方面进行评估，不能准确反映肿瘤的内部特征，常规增强检查中病灶的强化程度反映的是大脑血脑屏障的破坏而不是真正反映肿瘤的新生血管信息。另外，由于外源性对比剂的使用，对于对比剂过敏、肾脏功能受损及需多次复查的病人，增强检查尚存在一定的限制。近年功能MR成像技术快速发展在胶质瘤的术前分级中发挥了越来越重要的作用，尤其是体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion imaging，IVIM）成像及三维动脉自旋标记（three-dimensional arterial spin labeling，3DASL）技术，不仅能对肿瘤大体形态学进行定性研究，还能够在一定程度上对肿瘤内部的微细胞结构信息及微血管生成情况进行定量评估，且无需对比剂，在临床上展现出较大的应用潜能。

1 IVIM及3D-ASL成像技术

1.1 IVIM成像

1.1.1 基本原理 IVIM成像是基于扩散加权成像（DWI）的一种功能MRI技术，DWI是目前唯一可以在活体状态下检测水分子运动的MR成像技术，但其是一种单指数模型。随着研究的深入，研究者发现组织细胞内除了水分子的扩散运动外，还有血液的流动也会影响水分子的扩散状态，而传统的DWI无法区别两者。1986年Le Bihan等[4]首次提出IVIM理论，认为在人体组织DWI中单一体素内血管内水分子的扩散类似自由水，扩散速度快，向各个方向扩散的概率相同，这种现象称为IVIM。IVIM成像采用多个b值，是一种双指数模型，其数学模型公式为：Sb/S0=f×exp[-b（D*＋D）]＋（1－f）exp（－b×D）。 S0、Sb分别指b值为0和不同b值时的信号强度；D*代表假扩散系数，也称快扩散系数，主要反映组织细胞的灌注信息；D代表真扩散系数，也称慢扩散系数，主要反映组织细胞内水分子的扩散运动情况；f代表灌注分数，即D*所占的体积分数，主要反映组织细胞的灌注信息，取值为0～1。Lemke等[5]认为，当b＜200 s/mm2时，微循环灌注效应占比增大，主要反映组织细胞的灌注信息；当b≥200 s/mm2时，主要反映水分子的扩散运动。

1.1.2 b值的选择 IVIM成像中最重要的参数是b值，其代表扩散敏感梯度因子，反映所施加梯度场的大小及持续时间，公式为 b=γ2G2δ2（Δ-δ/3）。 γ、G、δ、Δ分别代表磁旋比、磁场强度、持续时间及所施加梯度磁场的间隔。由公式可知，b值越小，对信号影响越小，扩散成分越少，主要反映组织的灌注信息，获取的影像信噪比（SNR）越高；相反，b值越大，施加的2个梯度场强越强，对扩散运动探测更加敏感，但缺点是影像SNR更低[6]。

b值的数量及b值选取会影响IVIM参数的准确性。理论上，b值数目越多，所测得参数准确性越高，但b值数目增多，相应的扫描时间也会延长。Malagi等[7]分别使用 4、8、13个 b值进行研究后发现，8个b值和13个b值稳定性较好且具有较高的相关性，4个b值的准确度降低，选择8个b值的组合在IVIM参数中能提供比较好的精确度。此外，b值的分布也是研究的热点，Lima等[8]认为IVIM成像中b值不应过高，当b值＞1 500 s/mm2时，组织细胞水分子分布偏向非高斯分布，从而导致数学模型受限，其不再是指数模型，而且高b值也会导致信号衰减，影像SNR降低。Hu等[9]研究显示，选取≥8个低b值（b＜200 s/mm2）比选择5个以下低b值测得的参数值更准确；当所选取最高的b值≤500 s/mm2时，来自组织内小管道和脑脊液所导致的部分容积效应会影响参数准确度；当所选取最低的b值＞1 500 s/mm2时，快扩散信号会消失，因此建议高b值采用 800～1 000 s/mm2为宜。Chabert等[10]推荐了优化的 14 个 b 值方案（15、60、150、160、170、190、200、260、440、560、600、700、980、1 000 s/mm2），推荐的方案能够更好地描述信号的衰减，减少参数测量的差异，提高了精确度。因此，在实际临床工作中，IVIM成像中b值的数量以10个左右为宜，低b值（b＜200 s/mm2）不宜少于5个，高 b 值以≤1 000 s/mm2为佳，Chabert等推荐的b值选取方案可以作为参考。

1.2 3D-ASL成像

1.2.1 基本原理 ASL技术是利用自体动脉血中的水分子作为内源性示踪剂，对流入侧的动脉血进行反转脉冲标记，自旋弛豫状态改变后的水质子经过一段时间后对组织进行灌注，并在成像层面与组织中没有标记过的水质子进行交换，引起局部组织T1值发生改变，这时采集到的图像即为标记图像，将标记图像与未标记的图像进行减影得到灌注图像，即脑血流量（cerebral blood flow,CBF）图，对 CBF图可以进行伪彩标记红、黄、蓝3种颜色，红色代表高灌注，蓝色代表低灌注，黄色代表两者之间。ASL除了视觉的定性判断外，还可提供定量诊断参数，即CBF。CBF值越大代表血流越丰富；反之则越小。

3D-ASL技术是近几年在2D-ASL技术基础上发展起来的，目前ASL技术根据标记方法不同分为脉冲式 ASL（pulsedASL，PASL）、连续式 ASL（continuous ASL，CASL）、伪连续式 ASL（pseudo-continuous ASL，pCASL）和基于流速 ASL （velocity-selected ASL，vsASL）[11]。PASL标记效率高，但影像SNR较低；CASL扫描范围大，影像SNR较好，但对硬件设备要求高，标记效率较低；vsASL是基于速度而不是空间定位，临床应用较少。因此，目前临床常用的是3D-pCASL，其采用了快速自旋回波（FSE）序列的3D容积扫描以及高保真梯度的螺旋式K空间填充，结合了PASL技术标记效率高和CASL技术SNR高的优点，在标记效率和信噪比之间达到了良好的平衡。

1.2.2 标记后延迟（post label delay，PLD）时间的选取 PLD时间是3D-ASL成像中的一个重要参数，理论上将PLD时间设定为刚超过动脉通过时间（arterial transit time，ATT）是最准确的，因为此时进行成像时所有标记的水分子基本全部到达组织，所测量的CBF值的准确度最高。如果PLD时间选取过短，则灌注还没有完成，导致信号减弱，同时尚存留在血管内的标记水分子也会影响CBF值的测量；相反，如果PLD时间选取过长，纵向磁化矢量还会继续T1弛豫过程，导致信号减低，从而使影像SNR降低。在目前临床实践中，ASL技术最常采用的PLD时间为1.5 s，但随着研究的深入，发现仅仅采用单组PLD时间来测量兴趣区的CBF值不准确，PLD时间会受年龄、性别及潜在疾病等多种因素的影响。因此，有研究者[12]建议尽量采用2组甚至更多组的 PLD 时间（如 1.5 s、2.5 s等）。 Oshita等[13]通过联合4D MR血管成像（4D-MRA）与多时相ASL给出了大脑各血管区及全脑的最佳PLD时间表达式。此种方法不仅考虑了年龄、性别等影响因素，还考虑到病变空间位置的影响，从而使所测量兴趣区的CBF值更加准确，但技术繁杂、耗时长，需进一步优化。因此，在临床工作中应尽量选取2个以上的PLD时间以保证CBF值的准确性，同时可以结合Oshita等的PLD时间表达式。

2 IVIM及3D-ASL成像在脑胶质瘤术前分级中的应用

2.1 IVIM成像 IVIM成像在脑胶质瘤术前分级中具有一定的应用价值，其中D的诊断效能及稳定性较好，f可以一定程度上反映肿瘤血管信息，具有一定的潜能，D*由于易受一些因素的影响，其诊断价值尚有一定的争议。

Bai等[14]认为高级别胶质瘤（high grade glioma，HGG）的D值明显低于低级别胶质瘤 （low grade glioma，LGG），且D值的诊断效能最好，当其临界值取0.552×10-3mm2/s时诊断效能最佳，相应的敏感度为85.7%，特异度为91.2%。Zhang等[15]研究发现D值可以很好地鉴别弥漫性星形细胞瘤的级别，D值与Ki-67指数有很强的相关性（r=-0.789）。Wang等[16]发现标准化D值（rD）的诊断价值较D值更高，当rD取0.828时，诊断效能最佳，相应的敏感度、特异度分别为90.5%、92.3%，且rD与Ki-67指数呈中度负相关（r=-0.509），这反映了HGG的肿瘤细胞密度大于LGG；由于HGG的恶性程度更高，肿瘤细胞增殖能力更强，因此细胞密度更大，核浆比更高，细胞外间隙更小，使得水分子扩散更加受限；研究还发现，肿瘤组织的D值明显高于对侧正常白质，分析原因可能是肿瘤细胞破坏了正常的细胞结构，从而增加了细胞外的空间，使水分子更容易扩散，这与以往研究[17-18]报道的结果一致。一项Meta分析[19]结果也表明D值有助于鉴别高低级别胶质瘤。相反，Togao等[20]研究认为D值在鉴别胶质瘤级别方面价值不大，可能与其研究的样本量较少有关。综上，D值在胶质瘤术前分级中具有重要价值，且在一定程度上可以预测Ki-67指数，为临床病理检查提供一项辅助参考。

Zou等[18]研究显示HGG的f值明显高于LGG，当f值取7.6%时诊断效能最佳，相应的敏感度、特异度分别为92.0%、80.8%。Wu等[21]认为f值与动态磁敏感对比（dynamic susceptibility contrast，DSC）成像的参数脑血容量（cerebral blood volume，CBV）呈正相关，其可作为一个评估胶质瘤血管有价值的参数，具有替代CBV的潜能。而一些研究[14，16]显示HGG的f值低于LGG，出现这种结果的原因可能有以下几点：①f值会受组织T2值及扫描参数回波时间（echo time，TE）影响，f值在较疏松组织比在实性组织中更加准确；②f值与扫描方案中b值的选取也有一定的关系，当选用较多高b值时，D值的减小可能会导致f值测量的误差[8]；③部分HGG中肿瘤细胞密度增加而微循环灌注所占的比例并未增加，而部分LGG由于水分子相对不受限，使D*增加，从而使f值增加[16]。Dolgorsuren等[22]研究表明f值在鉴别高低级别胶质瘤方面没有价值，原因可能与样本量较少有关，且一部分胶质瘤没有病理学分级。总之，f值在术前胶质瘤分级方面具有一定价值，在评价肿瘤血管方面有替代CBV的潜能，但部分扫描参数可能对f值的准确性产生一定影响，在临床工作中应选择合适的b值分布方案和TE，扫描前对T2进行校正，从而减少误差。

一些研究者[14，16，23]发现 D* 在 HGG 中明显高于LGG，表明HGG较LGG具有更加丰富的肿瘤血管结构。另外，D*可能会提示一些肿瘤渗透方面的信息，这与肿瘤组织的病理组织特征相关[23]；但Togao等[20]研究得出相反的结论，认为D*容易受脑脊液和肿瘤坏死成分导致的部分容积效应影响。Federau等[24]研究认为心动周期可能对D*的测量产生一定的影响。另有研究者[25]认为D*的可重复性较低，建议在IVIM算法中采用分段拟合、循序渐进的方法，或者设定约束阈值来限制IVIM参数值的范围，以提高测量数值的准确性。综上，由于部分D*值易受容积效应、心动周期等因素的影响且可重复性较低，使其在胶质瘤分级方面的作用存在一定争议，尚需要进一步研究来提高其准确性。

2.2 3D-ASL成像 3D-ASL成像在鉴别胶质瘤级别方面具有重要价值，其中标准化后的最大脑血流量（rCBFmax）诊断效能最佳，同时3D-ASL与DSC成像相关参数具有较好的相关性，且前者具有无需对比剂、重复性好等优点，在判断肿瘤血供方面临床价值潜力较大。CBF值与微血管密度也具有较好的相关性。胶质瘤不同的病理类型对CBF值也可能产生一定的影响。

Wang等[26]认为ASL成像有助于胶质瘤分级，研究发现HGG的CBF值及rCBF值高于LGG，其中rCBFmax诊断效能最佳，当rCBFmax阈值取1.25时相应敏感度、特异度分别为86.5%、73.3%，这与以往研究[10，27-28]结果基本一致。 一项 Meta分析[29]也显示ASL成像在胶质瘤分级方面有价值，其中rCBFmax的诊断效能最佳，当rCBFmax阈值取1.46时相应敏感度、特异度分别为85%、92%，受试者操作特征（ROC）曲线下面积（AUC）为 0.95。Liu 等[30]研究发现rCBFmax、平均血流量值（CBFmean）及标准化后的平均血流量值（rCBFmean）在鉴别胶质瘤级别中具有一定价值，其中rCBFmax诊断效能最佳，AUC为0.746；研究还发现，CBFmean和rCBFmean在鉴别胶质瘤的IDH基因突变状态方面也具有一定作用。Wang等[26]研究也发现rCBFmax在胶质瘤术前分级中诊断效能最佳，AUC为0.798；当rCBFmean阈值取0.89时，其特异度最高（86.7%）；另外，该研究采用了三维兴趣区来标记整个肿瘤组织，因此具有一定的代表性。此外，Fu等[31]研究认为在临床应用中应该对CBF值进行标准化以排除年龄、性别等因素的影响，而对照组织选择对侧正常灰质比对侧正常白质、对侧镜像区正常组织价值更大；因为白质需要较长的到达标记时间，从而会丢失一部分信号[32]。

Arisawa等[33]和 Morana等[34]研究发现 ASL与DSC成像所测得的相关参数具有较好的相关性，且Arisawa等认为DSC成像的诊断效能优于ASL成像，而Alsop等[35]认为ASL比DSC成像是一个更好描述灌注效应的工具，DSC成像的增强原理主要反映大脑血脑屏障的破坏而不是肿瘤灌注的本身。Khashbat等[36]研究发现HGG在DSC成像上显示无强化，而在ASL成像上显示比LGG有更高的CBFmax和CBFmean，而且ASL成像具有无创、无电离辐射、无需对比剂以及可重复、具有定量指标等优点，因此适用于健康查体、病人随访、肾功能不全病人及儿童的检查[37]。但是，ASL影像的SNR不高，参数值有系统测量误差且阈值不确定，对伪影也比较敏感[11]。除了与其他灌注方法相比较外，研究者们还试图探索ASL与一些微观分子之间的关联，Di等[38]发现CBF与微血管密度呈正相关（r=0.567），提示ASL可以在一定程度上描述肿瘤血管方面的信息。另有研究[26,28]发现，在同等级别胶质瘤中，少突细胞胶质瘤和间变性少突细胞胶质瘤可能具有更高的灌注，而一些胶质母细胞瘤并没有高灌注，这可能与胶质母细胞瘤增殖活性高，更容易产生一些缺氧诱导因子，从而导致部分肿瘤细胞缺血坏死，但其具体的机制尚需进一步研究。因此，在研究胶质瘤CBF值时应考虑肿瘤的病理类型，并结合常规MRI的形态学表现、强化程度及相关临床信息做出综合判断。

2.3 IVIM联合对比3D-ASL成像 联合应用IVIM与3D-ASL成像可以从肿瘤内部细胞结构和微血管形成情况两方面对胶质瘤进行更加全面的评估，但目前将IVIM与3D-ASL成像联合应用对比的研究较少，研究主要集中在探讨各参数之间的差异及关联性以及联合应用的准确性。Dolgorsuren等[39]研究显示 f值与 ASL-CBF呈轻度正相关 （r=0.414），ASL-CBF比IVIM灌注参数反映的灌注效果更好，这可能是由于ASL受血管渗透性的影响较小。Shen等[23]研究显示，f与 CBF 呈中度正相关（r=0.56），f与D* 的乘积（f×D*）与 CBF 呈较强的正相关（r=0.696），且f×D*比CBF在胶质瘤分级方面具有更好的诊断价值；当f×D*临界值取2.8时诊断效能最佳，AUC为0.979，相应的敏感度、特异度分别为96.3%、91.3%；f×D*可以作为ASL成像的一种可能的补充方法来评估肿瘤的灌注状态。Wang等[16]发现IVIM参数比3D-ASL参数对胶质瘤分级的诊断准确度更高，其中rD的诊断效能最佳，AUC为0.971；研究还表明综合IVIM与ASL参数有助于治疗策略的选择和病人的预后改善。Lin等[40]研究显示，对于胶质瘤高低级别的鉴别D*优于CBF；IVIM可以同时反映胶质瘤的血流和扩散信息，其可能成为一种无创性鉴别LGG和HGG的方法；研究结果还显示，f值与ASL-CBF呈中度负相关（r=-0.619），这与Shen等[23]的研究结果相反，可能是由于该研究中HGG的f值比LGG更低，考虑与其b值选取有关。曾等[41]认为联合应用IVIM与3D-ASL成像诊断的敏感度、特异度分别为100%、91.7%，优于单独成像。因此，在临床上应联合应用这两种技术能够提高诊断的准确性。

3 小结

相比常规MRI及增强检查，IVIM联合3D-ASL成像在鉴别胶质瘤级别方面能够提供更多的信息，尤其是D、f及rCBFmax的诊断效能较好，联合这些参数能够提高胶质瘤分级的准确性。在IVIM成像中应注意b值数量及高低b值的分布，3D-ASL成像中尽量使用2个以上的PLD时间，从而减少参数测量中的系统误差。IVIM与3D-ASL技术不仅应用于胶质瘤的术前分级，也越来越多地应用于胶质瘤IDH基因突变、肿瘤复发及病人预后评估等方面。随着IVIM与3D-ASL技术模型及算法的不断优化，将具有更广阔的应用前景。