MRI弥散张量成像在脑胶质瘤诊断分级中的研究进展

王 洁 朱宝林 林志艳

1）甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000 2）兴化市人民医院，江苏 兴化 225700

2021 年第五版世界卫生组织（World Health Or⁃ganization，WHO）中枢神经系统肿瘤分类将中枢神经系统肿瘤分为12类，其中有一类为胶质瘤、胶质神经元肿瘤和神经元肿瘤［1］。胶质瘤的概念由VIR⁃CHOW 在1846 年首先提出，是一种起源于神经胶质细胞的颅内原发性肿瘤，年发病率全球范围内都很高［2］。胶质瘤细胞的生长可沿血管间隙及神经纤维束进行，具有极强的浸润能力。WHO将胶质瘤分为Ⅰ～Ⅳ级，其中Ⅰ、Ⅱ级为低级别胶质瘤（low grade glioma，LGG），Ⅲ、Ⅳ级为高级别胶质瘤（high grade glioma，HGG）。1994 年BASSER 等［3］首次提出了弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）的概念，其是在扩散加权成像（diffusion weighting imaging，DWI）技术的基础上发展而来的一种功能性磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）技术。以水分子弥散的各向异性为生理基础的DTI技术通过施加多个梯度磁场获得组织内多个方向的水分子弥散强度信息从而定量分析水分子的弥散运动，无创性检测脑白质纤维束的完整性，推断脑肿瘤对白质纤维束的破坏程度、显示脑肿瘤的侵袭范围及其与脑白质纤维束的关系［4-5］。弥散张量纤维束成像（diffusion tensor tractography，DTT）技术是DTI 技术在脑白质纤维束研究方面的深化，可通过进行神经纤维束的三维重建直观显示脑肿瘤与纤维束的解剖位置关系［6］。基于脑胶质瘤侵袭性强、与瘤周正常白质纤维束界限不清的特点，DTI定量分析水分子弥散运动、直观显示脑白质纤维束等优势在脑胶质瘤诊断分级中具有重要价值。

1 DTI基本原理及其参数

1.1 DTI基本原理悬浮于液体或气体中的微粒永不停息的无规则运动称为布朗运动。水分子在均一介质中各个方向上的扩散程度相同，称之为各向同性扩散。而在人体组织中，水分子的扩散运动受组织温度、细胞间隙、细胞膜生理屏障等多方面因素的影响，使其各个方向上的扩散程度存在差异，称为各向异性扩散。在大脑白质中，神经纤维密度及其排列走向、髓鞘完整性等细微结构是水分子扩散运动的主要影响因素，且水分子沿平行于白质纤维束方向扩散时所受阻力远小于其沿垂直于白质纤维束方向扩散时所受阻力。DTI 就是利用水分子的此种特性，通过在至少6个不同的线性方向上施加梯度磁场获得水分子各方向的扩散程度信息并对其进行定量分析，以定量分析参数为基础再利用计算机重建技术还可以进行白质纤维束成像，此即DTT。

1.2 DTI常用参数DTI定量研究参数是在λ1、λ2、λ3三个本征值的基础上计算而来的。若将弥散张量看作一个椭球体，三个本征值即该椭球体三个互相垂直的主坐标轴方向上的弥散系数。其中，λ1 为平行于白质纤维束方向的弥散系数，也即最大弥散系数；λ2 和λ3 都为横向弥散系数，又分别被称为中级弥散系数、最低弥散系数。λ1 也被称为轴向弥散系数（axial diffusivity，AD/DA），λ2 和λ3 的平均值代表径向弥散系数（radial diffusivity，RD/DR）。

1.2.1 表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）和平均扩散率（mean diffusivity，MD）：ADC 值是DWI 最基础的量化指标，可以反映组织内水分子的扩散情况，与水分子扩散能力成正比，ADC值的局限性在于其只可以反映梯度磁场施加方向上水分子的扩散特点。而MD值是三个本征值的平均值，也即各个方向上弥散张量的平均值，MD=（λ1＋λ2＋λ3）/3=averageADC，可以从整体上反映水分子的扩散情况，相比ADC 更加全面。ADC 值和MD 值只与水分子扩散的大小相关，而与方向无关。

1.2.2 各向异性分数（fractional anisotropy，FA）：FA值是弥散各向异性与整个弥散的比值，其数值范围为0～1，该数值越趋向于1，说明组织内水分子的弥散运动越趋向于各向异性；该数值越趋向于0，则弥散运动越趋向于各向同性。利用FA值可以得到FA灰度及彩色编码图，在此基础上再利用示踪技术即可三维显示相邻体素在纤维束方向上的连接性，得到白质纤维束的三维图像［7-8］。

2 DTI在脑胶质瘤诊断分级中的应用

2.1 DTI 定量研究参数在脑胶质瘤诊断分级中的应用

2.1.1 利用DTI定量研究参数进行脑胶质瘤诊断：多项研究结果显示胶质瘤的ADC值大于正常脑组织而FA值小于正常脑组织。DUY等［9］发现胶质瘤瘤体和瘤周水肿带rADC 值大于健康对照而rFA 值小于健康对照。BRAHIMAJ 等［10］研究发现，胶质瘤强化区ADC 值大于对侧正常白质区而FA 值小于对侧正常白质区。EL OUADIH 等［11］发现，ADC 值：胶质瘤瘤体＞瘤周＞对侧正常脑白质，FA 值：胶质瘤瘤体＜瘤周＜对侧正常脑白质。也有一些研究直接引入了本征值，如KUMAR 等［12］发现，λ2 值、λ3 值、MD 值、AD值、RD值：健侧脑组织区＜胶质瘤实质区＜瘤周水肿区，FA值胶质瘤实质区＜瘤周水肿区＜健侧脑组织区。PAPAGEORGIOU等［13］选定胶质瘤病灶区、瘤周水肿区及对侧正常脑组织区，发现LGG、HGG的FA值：对侧正常脑组织区＞瘤周水肿区＞胶质瘤病灶区，LGG 的MD 值、DR 值：对侧正常脑组织区＜瘤周水肿区＜胶质瘤病灶区，HGG的MD值、DA值、DR值和LGG的DA值：胶质瘤病灶区和瘤周水肿区＞对侧正常脑组织区。还有研究揭示了ADC值、FA值与胶质瘤病理分型之间的联系，如TIMOCIN 等［14］发现胶质瘤患者ADC 值大于健康对照组而FA 值小于健康对照组，且ADC值：挤压型脑胶质瘤＜浸润型脑胶质瘤＜破坏型脑胶质瘤，FA 值：挤压型脑胶质瘤＞浸润型脑胶质瘤＞破坏型脑胶质瘤。

2.1.2 利用DTI定量研究参数进行脑胶质瘤分级：近年来多项研究也利用ADC 值、FA 值进行胶质瘤分级，但不同的研究对于该两种定量参数与胶质瘤级别的关系得出了不同的结论。其中部分研究结论可以概括为ADC值随胶质瘤级别的升高而降低，而FA值相反。ZHANG 等［15］发现，胶质瘤ADC 值：Ⅱ级＞Ⅲ级＞Ⅳ级，FA 值：Ⅱ级＜Ⅳ级。STOPA、VAM⁃VAKAS、TAKAHASHI 等研究发现，胶质瘤ADC 值：LGG＞HGG［16-18］，FA 值：LGG＜HGG。部分研究结果显示ADC值与胶质瘤级别也呈负相关，但FA值与胶质瘤级别间无明确联系。多项研究发现，胶质瘤瘤体、瘤周水肿区的相对表观弥散系数（relative appar⁃ent diffusion coefficient，rADC）LGG＞HGG，但两个区域的相对各向异性分数（relative fractional anisotropy，rFA）在高、低级别胶质瘤间差异无统计学意义［19］。LIN 等［20］发现胶质瘤瘤体、瘤周水肿区的ADC 值LGG＞HGG，但两个区域的FA 值在高、低级别胶质瘤间差异无统计学意义。也有研究对于FA 值与胶质瘤级别间关系的描述不同于上述研究，如RAJA、LI 等发现胶质瘤FA 值LGG>HGG［21-22］。另研究发现ADC值、FA值与胶质瘤级别的关系受所选感兴趣区的影响较大，如JIANG 等［23］发现胶质瘤实质区及瘤体边缘的rADC值随肿瘤恶性程度的增加而下降，而瘤周水肿区rADC 值LGG＜HGG，胶质瘤瘤体边缘rFA 值LGG＜HGG，瘤周水肿区rFA 值LGG＞HGG，而胶质瘤实质区rFA值在高、低级别胶质瘤间差异无统计学意义。SHAN等［24］研究发现，胶质瘤瘤体ADC值、MD 值LGG＞HGG，而瘤周ADC 值、MD 值及胶质瘤瘤体FA值、瘤周FA值在高、低级别胶质瘤间差异无统计学意义。除上述研究中提到的定量参数，一些研究还直接利用本征值进行胶质瘤分级，如KU⁃MAR等［12］发现胶质瘤实质区的相对平均扩散率（rel⁃ative mean diffusivity，rMD）、λ 1、λ 2、λ 3 值LGG＞HGG，瘤周水肿区λ1值LGG＜HGG，而胶质瘤实质区rFA值、瘤周水肿区rFA值、瘤周水肿区rMD值在高、低级别胶质瘤间差异均无统计学意义。PAPA⁃GEORGIOU等［13］研究发现，胶质瘤病灶DA值和瘤周水肿区的MD值、DA值、DR值LGG＜HGG。

2.1.3 利用DTI 定量研究参数进行脑胶质瘤鉴别诊断：DTI定量研究参数可用于鉴别HGG和脑转移瘤：MAO等［25］研究发现，肿瘤周围水肿区ADC值及肿瘤边缘区FA 值：HGG＜脑转移瘤，肿瘤实质区FA 值：HGG＞脑转移瘤。NGUYEN 等［26］发现近瘤周区FA值、MD 值、DA 值和DR 值均为HGG＜脑转移瘤。SHUKLA、CHO等发现，瘤周区最小MD值及平均MD值为HGG＜脑转移瘤，瘤周区平均FA 值为HGG＞脑转移瘤，其中最小MD 值鉴别效果最好［27-28］。DTI定量研究参数也可用于鉴别HGG、脑转移瘤及结核瘤：SONI等［29］研究发现，与脑转移瘤和结核瘤相比，HGG 的肿瘤实质区周围FA 值更高。DTI 定量研究参数还可用于鉴别胶质母细胞瘤、淋巴瘤、转移瘤，如ZHANG等［30］发现胶质母细胞瘤肿瘤实质区的FA值在三者中最高。DTI 定量研究参数还可用于鉴别HGG 复发与假性进展，如WU 等［31］发现与假性进展相比，HGG 复发时病灶周围水肿区的rMD 值显著降低。

2.2 DTI联合其他技术在脑胶质瘤诊断分级中的应用MARTÍN-NOGUEROL 等［32］联合DTI、灌注加权成像（perfusion weighted imaging，PWI）、氢质子磁共振波谱成像（hydrogen proton magnetic resonance spectroscopy，H-MRS）对脑胶质瘤诊断的正确率为93.75%，其研究发现，FA值：胶质瘤实质区＜瘤周水肿区＜健侧白质区，脑血容量（cerebral blood vol⁃ume，CBV）、脑血流量（cerebral blood flow，CBF）：胶质瘤实质区＞瘤周水肿区＞健侧白质区，患侧胆碱（choline，Cho）/N-乙酰天门冬氨酸（N-acetyl aspar⁃tate，NAA）、Cho/肌 酸（creatine，Cr）：LGG＜HGG，NAA/Cr 值：LGG＞HGG。LIN 等［33］发 现ADC 值、rADC 值：LGG＞HGG，FA 值、rFA 值：LGG＜HGG，Cho/NAA、Cho/Cr 值：LGG＜HGG，NAA/Cr 值：LGG＞HGG，CBF 值：LGG＜HGG。ALKANHAL等［34］联合DTI、PWI，发现ADC 值：LGG＞HGG，CBF、CBV值：LGG＜HGG。还有研究发现了DTI 定量参数与某些指数表达的相关性，如Ki-67指数与ADC值负相关［35］，而CEPEDA、LIU 等发现Ki-67 指数与FA 值正相关［36-37］。PARK等［38-39］发现表皮生长因子受体（epi⁃dermal growth factor receptor，EGFR）的表达水平与ADC值呈负相关。

2.3 DTT在脑胶质瘤诊断分级中的应用

2.3.1 纤维束形态改变与脑胶质瘤分级：脑胶质瘤由于其浸润性生长的特性，常使其周围白质纤维束形态产生不同程度的改变，不同研究对于该种形态变化的描述存在差异，但多项研究发现脑胶质瘤级别与其周围脑白质纤维束形态变化存在联系，肿瘤的恶性程度越高，对纤维束的破坏就越严重，HGG瘤周白质纤维束的破坏比例高于LGG［19］。LEROY等［40］发现，LGG 瘤周白质纤维束形态多表现为正常或移位，而HGG多为稀疏或中断。LATINI等［41］也有类似描述，认为瘤周白质纤维束形态在LGG中多为移位、分离，HGG 中多为缺失、中断。CAMINS 等［42］发现，肿瘤病灶区以及瘤周水肿区白质纤维束形态在LGG中以浸润为主，在HGG 中以破坏为主。还研究在描述纤维束形态变化时提出了神经元缠结的概念，如SEOW、MATO等发现LGG瘤周神经元纤维走行多表现为推移，HGG 多表现为神经元缠结且多出现于颞叶、额叶［43-44］。

2.3.2 利用纤维束形态变化进行脑胶质瘤鉴别诊断：脑白质纤维束形态改变不仅可以在一定程度上反映脑胶质瘤的级别信息，也可对脑胶质瘤与其他脑肿瘤的鉴别提供参考。LEROY等［40］发现，HGG近瘤周区白质纤维束多表现为破坏，脑转移瘤近瘤周区白质纤维束多表现为浸润和移位。CAMINS 等［42］发现，星形细胞瘤和转移瘤瘤周白质纤维束多表现为部分中断、受压、偏移或变形移位，而脑膜瘤多表现为稀疏、移位。

3 总结与展望

DTI 的主要优势在于无创性显示脑白质纤维束以及定量分析水分子弥散运动，从而建立脑组织细微结构变化与脑组织病变之间的联系以准确判断病变性质，为手术方案制定及预后评估提供有价值的参考。但DTI也存在一定的局限性，首先是其定量研究参数在脑胶质瘤诊断分级中还未形成统一标准，尤其是FA值在不同研究中差异较大，其原因可能是DTI 技术采用的平面回波序列对运动较敏感且受磁敏感效应影响而易产生运动伪影或变形伪影，从而导致测量参数不稳定，另外研究所选感兴趣区及样本数量也可能与此相关。此外在纤维束显示方面，DTI对相互交叉连接的纤维束分辨力较低，可能导致纤维束方向显示不准确［45］。

未来应进一步明确DTI 定量研究参数在脑胶质瘤诊断分级中标准不一的原因，在此基础上进行改良或引入新参数以期形成脑胶质瘤诊断分级的统一标准。另外也可探究DTI与其他技术结合的新模式以充分发挥DTI 自身优势并取长补短提高诊断准确率。