弥散张量成像在胶质母细胞瘤诊断中的价值

肖道雄，刘晓玉，刘招琪，赖丙林，范存庚，罗书华，王晓春，严 群，彭吉东

（南昌大学附属赣州医院 赣州市人民医院医学影像科，江西 赣州 341000）

胶质母细胞瘤是脑内常见的恶性肿瘤［1］，磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）检查是其首选检查方法，国内外有很多作者对其进行了详细研究［2-5］。其中磁共振弥散张量成像（Diffusion tensor imaging，DTI）是在弥散成像（Diffusion weighted imaging，DWI）基础上发展起来的一项技术，一次DTI检查可同时获得FA图、ADC图等。在FA图上可测量部分各向异性分数（Fractional anisotropy，FA）和表观扩散系数（Average diffusion coefficient，ADC）等。有研究［4，6］报道不同级别、不同类型脑胶质瘤的FA值、ADC值有显著差异，且肿瘤实质区域的FA值、ADC值可以帮助界定肿瘤区域和正常的脑组织。而关于胶质母细胞瘤在FA图上的形态特点及不同区域FA值、ADC值差异的相关研究较少见。本研究旨在探讨胶质母细胞瘤在FA图上的形态特点和不同区域FA值、ADC值的差异，并与在FA图上表现类似的低级别星形细胞瘤、脑脓肿、脑膜瘤和脑转移瘤进行鉴别。

1 资料与方法

1.1 临床资料收集2014年2月至2020年8月在本院经术后病理证实的46例胶质母细胞瘤病例，男30例，女16例，年龄17～69岁，平均（52.50±12.18）岁。因肿瘤部位不同，临床表现有所不同，常见有头痛、癫痫发作或局灶性神经功能缺损等，病程大部分＜5个月。同时收集Ⅰ～Ⅲ级星形细胞瘤54例（Ⅰ级12例，Ⅱ级23例，Ⅲ级19例），脑脓肿14例，脑膜瘤42例，脑转移瘤22例。所有患者均知情同意并签署知情同意书。

1.2 检查方法采用SIEMENS Verio、Skyra 3.0T磁共振扫描仪，12通道头颅矩阵线圈，梯度场强45 mT·m-1，切换率200 T·（m·s）-1。所有病例均行常规MR平扫和DTI扫描，大部分病例同时行增强扫描。以Verio 3.0T扫描仪为例，MR平扫横轴位T2WI（TR 5 500 ms、TE 95 ms）、T2-Flair（TR 8 500 ms、TE 94 ms、TI 2 440 ms、Flip angle 150°）、T1WI（TR 2 020 ms、TE 9 ms）、DWI（TR 8 000 ms、TE 100 ms、b值分别为0和1 000 s·mm-2）和矢状位T2WI（TR 2 600 ms、TE 118 ms），横轴位和矢状位图像层厚均为4 mm、层距4.8 mm。MR增强扫描，对比剂为Gd-DTPA，用量为0.2 mmol·kg-1，经肘静脉快速推注，注射后即行横轴位、矢状位和冠状位T1WI扫描，序列参数同平扫T1WI。解剖定位像扫描序列为T1加权三维磁化强度预备梯度回波序列（T1WI 3D MPRAGE），TR 1 900 ms、TE 2.52 ms，TI 900 ms，Flip angle 9°，层厚1 mm，无间距，像素矩阵256×256，各向同性，1 cm×1 cm×1 cm，全脑矢状位扫描。DTI扫描序列为单次激发自旋回波的平面回波成像序列（Spin-echo echo-planar imaging，SE-EPI），TR 4 600 ms，TE 95 ms，3次平均信号，30个梯度扩散方向，矩阵大小128×128，层厚、层间距和扫描范围同常规MR平扫横轴位。

1.3 图像分析将病例数据传至SIEMENS工作站syngo Workplace，应 用Neuro 3D（MR），Diffusion Mode观察和测量数据。为保证测量数据的准确性，由2位具有5年以上工作经验的神经学医师分别观察FA图上病灶边缘有无FA高信号环以及高信号环的完整程度，Round_FA的取值范围0～1，0代表无高信号环，以0.1的整数倍递进代表FA高信号环的完整程度，1代表存在完整的FA高信号环。同时测量病灶边缘FA值（Rim_FA）和ADC值（Rim_ADC）、病灶内FA值（In_FA）和ADC值（In_ADC）、周围1 cm以内的FA值（Out_FA）和ADC值（Out_ADC）。测量数据时，尽量避开出血区和血管。每个数值是在3个不同点测量并求平均值，ROI的大小控制在3～30个像素，边缘部分ROI较小，中央和周围部分ROI较大。上述FA值为无单位变量值，取值范围0～1，ADC值为有单位变量值，其单位为10-3mm2·s-1，本文中未特别说明均省略。

1.4 统计学方法所有数据采用IBM SPSS Statistics 22软 件 和Python3.7＋SciPy＋scikit_posthocs进行分析，病灶的各项参数值（Round_FA，Rim_FA，In_FA，Out_FA，Rim_ADC，In_ADC，Out_ADC）用均数±标准差（±s）表示。数据符合正态分布及方差齐性，用单因素方差分析，之后用Scikit-posthocs，Post Hoc检验作两两比较。数据不符合正态分布及方差不齐，使用Kruskal-Wallis H检验，之后用Nemenyi检验作两两比较。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 胶质母细胞瘤与各对照组不同区域的FA值和ADC值比较分别在病灶的不同区域（病灶内、边缘、周围1 cm以内）测量3个ROI取平均值后得到相应区域的FA值和ADC值，如图1。胶质母细胞瘤与各对照的测量具体结果见表1。

表1 胶质母细胞瘤与对照组边缘FA高信号环（Round_FA）和各区域的FA值、ADC值

图1 胶质母细胞瘤

2.2 胶质母细胞瘤不同区域的FA值和ADC值比较在胶质母细胞瘤不同区域的FA值中，In_FA值最低，Out_FA值其次，Rim_FA值最高，两两比较差异均有统计学意义（P＜0.05）。在胶质母细胞瘤不同区域的ADC值中，In_ADC值最高，Out_ADC值其次，Rim_ADC值最低，两两比较差异均有统计学意义（P＜0.05），如图2。

图2 胶质母细胞瘤不同区域的FA值、ADC值的箱式图

2.3 不同级别星形细胞瘤FA高信号环发生率比较在FA图上，星形细胞瘤Ⅰ～Ⅲ级及胶质母细胞瘤均可发现完整的FA高信号环（Round_FA=1），星形细胞瘤Ⅱ级完整的FA高信号环发生率约17%（4/23），其余发生率约32%～35%；以FA高信号环的完整程度计算，4组间差异有统计学意义（H=13.551，P=0.004），两两比较显示星形细胞瘤Ⅱ级与胶质母细胞瘤之间差异有统计学意义（P=0.024）。

2.4 胶质母细胞瘤与脑脓肿、脑膜瘤、脑转移瘤FA高信号环发生率比较在胶质母细胞瘤、脑脓肿、脑膜瘤、脑转移瘤的FA图上，FA高信号环均常见，胶质母细胞瘤完整的FA高信号环（Round_FA=1）发生率约35%（16/46），后3者的发生率高达77%以上；以FA高信号环的完整程度计算，4组间差异有统计学意义（H=16.153，P=0.001），胶质母细胞瘤与脑膜瘤、脑转移瘤之间比较差异均有统计学意义（P值分别为0.013、0.023）。

2.5 胶质母细胞瘤与对照组不同区域FA值比较胶质母细胞瘤与脑膜瘤的Rim_FA值、In_FA值比较差异有统计学意义（P值分别为0.019、0.001）。胶质母细胞瘤分别与脑脓肿、脑膜瘤的Out_FA比较差异有统计学意义（P值 分 别 为0.038、0.048），如图3。

图3 胶质母细胞瘤和对照不同区域FA值的箱式图

2.6 胶质母细胞瘤与对照组不同区域ADC值比较胶质母细胞瘤与脑脓肿、脑膜瘤的In_ADC值之间差异有统计学意义（P均＜0.05）。胶质母细胞瘤的Rim_ADC值、Out_ADC值与各对照组间差异无统计学意义。如图4。

图4 胶质母细胞瘤和对照组不同区域ADC值的箱式图

2.7 胶质母细胞瘤与对照组不同区域FA差值及ADC差值比较胶质母细胞瘤与脑脓肿、脑膜瘤的Out_FA-In_FA差值之间差异有统计学意义（P值分别为0.001，0.001）；胶质母细胞瘤与脑脓肿、脑膜瘤的In_ADC-Out_ADC差值之间差异有统计学意义（P均＜0.001）。

3 讨论

DTI是在DWI基础上发展起来的一项磁共振功能技术，是对DWI的发展和深化，在神经影像学方面有着非常重要的作用［7-8］。DTI的评价参数有很多，常用的有部分各向异性分数（FA值）和表观扩散系数（ADC值），并可获得相应的FA图和ADC图。FA值是指水分子各向异性成分占总弥散张量的比例，其值范围为0～1，对于各向异性的介质，FA值接近0，对于各向同性的介质，FA值接近1，FA值可间接反映脑白质神经纤维束的完整性。影响ADC值主要因素有细胞数目和大小、细胞间隙及囊变、出血等。在理想情况下，水分子的弥散是各向同性的，即在各个方向的弥散系数相同，然而在实际临床应用中，很多组织并非如此。DTI可定量分析组织内的FA值、ADC值，为研究胶质母细胞瘤提供了更多定量信息特征。

胶质母细胞瘤的病理特点为肿瘤坏死和新生血管形成，有或无肉眼可见的出血，肿瘤中央经常可见坏死囊变区域，相对于肿瘤实性部分，坏死囊变区域一般范围较大［9］。在常规MRI上，坏死囊变区域表现为长T1长T2信号，在DWI图像上呈低信号，在ADC图像上呈高信号。胶质母细胞瘤中央坏死较为彻底，其内细胞数目减少，细胞间隙增大，类似于各向同性的介质，故FA值降低，ADC值升高。在FA图像上，胶质母细胞瘤的坏死囊变区域表现为低信号，信号较均匀。本组病例经统计分析发现胶质母细胞瘤不同区域的FA、ADC值中，In_FA值最低，In_ADC值最高。而低级别星形细胞瘤，尤其是弥漫性星形细胞瘤因脑组织结构破坏程度较低，FA值虽有下降，但肿瘤内、边缘及周围FA值无明显差别。脑脓肿腔内是含有大量炎性细胞、细菌和坏死组织等的黏稠液体［10］。脑膜瘤细胞多密集分布，胞质表面有丰富膜性突起，瘤细胞间胞膜呈指状交错，细胞外有大量胶原纤维［11］。脑脓肿和脑膜瘤的病灶内组织成分均对水分子的扩散起到了阻碍作用且细胞密度大，两者与胶质母细胞瘤比较In_ADC值均较低，In_FA值均较高。脑转移瘤和胶质母细胞瘤的瘤内坏死囊变区微观结构类似，两者的In_FA、IN_ADC值无明显差异。

胶质母细胞瘤边缘FA高信号环的出现，表明该区域组织破坏程度与肿瘤内及周围有所不同。胶质母细胞瘤边缘环形强化表现与病理改变密切相关，推测胶质母细胞瘤的边缘FA高信号环与肿瘤的实性部分且有丰富新生血管是相对应的。本研究在测量FA值时可很好地观察到FA高信号环与肿瘤的强化实性区域大体上是一致的。但当肿瘤合并出血时，FA值和ADC值均会受明显影响，在FA图上表现为低信号区域内出现多发小片状高信号，类似于“马赛克样”改变，这与DTI使用SE-EPI序列扫描有关，而EPI对局部磁场不均匀敏感。肿瘤内出血是导致部分胶质母细胞瘤的FA高信号环不完整的原因之一。低级别星形细胞瘤中除毛细胞型星形细胞瘤外，肿瘤内和周围FA值无明显差异，FA高信号环的发生率较低。毛细胞型星形细胞瘤多见于儿童和青少年，常位于小脑、鞍区及中线结构区，典型表现为囊伴壁结节型，在常规MRI上具有一定的特征性。脑脓肿、脑膜瘤和脑转移瘤的边缘组织成分较单一，影响FA值的因素较少，所以病灶边缘出现完整FA高信号环的概率均较高。

胶质母细胞瘤周围无强化区域，因肿瘤浸润和水肿，组织结构遭到破坏，FA值下降，但肿瘤周围区域破坏程度远低于中央坏死区域［12］。本组病例经统计进一步分析提示胶质母细胞瘤的In_FA、Out_FA、Rim_FA之间，In_ADC、Rim_ADC、Out_ADC之间两两比较，差异均有统计学意义。大部分低级别星形细胞瘤周围与瘤内、边缘的FA值和ADC值无明显差别。脑脓肿、脑膜瘤和脑转移瘤的肿瘤周围FA值的改变与胶质母细胞瘤有所不同。脑脓肿发生时血脑屏障受损，血管通透性增加，细胞外液增多，细胞外间隙扩大，脑白质结构的完整性遭破坏，使Out_FA值降低，Out_ADC值升高。脑膜瘤的瘤周围水肿区因无肿瘤细胞浸润，病灶周围结构以受压、移位为主，所以与胶质母细胞瘤对比，脑膜瘤的Out_FA值较高，Out_ADC值较低。脑转移瘤的瘤周仅有水肿而无肿瘤细胞浸润，但与胶质母细胞瘤对比，脑转移瘤的Out_FA较低，可能是由于胶质母细胞瘤可以产生大量肿瘤特异性细胞外基质，对肿瘤细胞产生吸附和迁移［13］，使得胶质母细胞瘤的Out_FA值较高。

本研究中肿瘤分型仍基于病理组织学诊断，没有足够的信息分类到更特定的病种，尤其是针对不同级别的星形细胞瘤，我们目前没有整合基因诊断，无法进行分子分型，存在一定的局限性。

综上所述，胶质母细胞瘤在弥散张量成像FA图上有一定特点，主要表现为肿瘤边缘可见不同完整程度的FA高信号环，中央大片状坏死区呈比较均匀的低信号，中央区的FA值相对于肿瘤边缘及周围区域更低。肿瘤合并出血时，FA值和ADC值均会受到明显影响，分析时应注意区分。胶质母细胞瘤与低级别星形细胞瘤相比，在FA图上前者边缘FA高信号环更常见，Round_FA=1的发生率较大，且病灶周围与病灶内FA值的差值较大。在FA图上胶质母细胞瘤、脑脓肿、脑膜瘤和脑转移瘤的完整FA高信号环（Round_FA=1）的发生率均较高。胶质母细胞瘤的In_FA值明显低于脑脓肿、脑膜瘤的In_FA值，同时胶质母细胞瘤病灶内FA值小于病灶周围FA值，而脑脓肿则相反，脑膜瘤则略小。胶质母细胞瘤和脑转移瘤，特别是转移瘤中央有广泛坏死时，两者在FA图上表现类似，鉴别困难，应结合临床病史和常规MRI表现进行鉴别诊断。充分认识胶质母细胞瘤在FA图上的这些特点，结合常规MRI，可提高其术前正确诊断率，同时FA图能为胶质母细胞瘤的鉴别诊断提供更多有价值的信息，为临床精准化、个性化治疗方案的制定和术后随访提供更多依据。