T1WI增强直方图分析鉴别血管瘤型脑膜瘤和非典型脑膜瘤

韩涛，刘显旺，蒋健，周凤瑜，董文洁，张斌，周俊林

0 引言

脑膜瘤是第二常见的原发性中枢神经系统肿瘤[1]，发病率仅次于胶质瘤，占所有脑肿瘤的39%[2]，占所有中枢神经系统良性肿瘤的53.4%[3]。脑膜瘤有15个组织学亚型，不同级别、不同亚型的脑膜瘤的治疗方式和预后存在很大差异[4]。非典型脑膜瘤（atypical meningioma, AtM）属于世界卫生组织（World Health Organization, WHO） 2 级脑膜瘤，其恶性程度较高，切除后放疗是主要的治疗方式[5-6]。相比之下，血管瘤型脑膜瘤（angiomatous meningioma, AnM）是WHO 1级脑膜瘤，单纯手术切除后预后良好，10年总生存率＞90%[7-8]。此外，AnM 血供极其丰富，术前栓塞可有效预防术中出血和降低术后复发率等并发症的发生，提高可切除性[9]。因此，术前准确区分AnM和AtM 对于制订手术计划和改善患者的预后至关重要。然而，常规的结构MRI特征（肿瘤形状、位置、肿瘤强化模式、瘤周水肿等）对AtM 与AnM 的鉴别诊断不具有特异性。T1WI 增强直方图分析是一种客观、定量的方法，可以提取肿瘤内部肉眼不可见的微观结构信息，能更好地反映肿瘤组织学特征的空间异质性。既往研究表明该方法在脑肿瘤鉴别诊断、分级预测和评估预后等方面具有良好的应用价值[10-14]。因此，本研究拟探讨基于T1WI 增强的直方图分析在AnM和AtM鉴别诊断中的价值。

1 材料与方法

1.1 一般资料

本研究回顾性分析2018年1月至2021年12月就诊于兰州大学第二医院的106例AnM 和AtM 患者的临床、影像及病理资料。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经兰州大学第二医院伦理审查委员会批准，免除受试者知情同意，批准文号：2023A-169。纳入标准：（1）手术切除后病理诊断为AtM或AnM，临床、影像和病理资料完整；（2）患者在脑膜瘤切除术前1 周均接受了MRI检查。排除标准：（1）术前接受了放化疗、靶向治疗或者其他治疗的脑膜瘤患者；（2）MRI图像质量不佳或者序列不全。最终，本研究共纳入30 例AnM[男7例，女23例，年龄（54.67±10.57）岁]和40例AtM患者[男16例，女24例，年龄（52.50±9.62）岁]。

1.2 检查方法

术前头部MRI 平扫和增强图像均由德国西门子Verio 3.0 T 超导MRI 扫描仪扫描获取，患者处于仰卧位。T1WI扫描参数：TR 550 ms，TE 11 ms，层厚5 mm，层间距1.5 mm，FOV 260 mm×260 mm，矩阵256×256；T2WI 扫描参数：TR 2 200 ms，TE 96 ms，层厚5 mm，层间距1.5 mm，FOV 260 mm×260 mm，矩阵256×256，激励次数为2；增强扫描注射对比剂二乙基三氨基戊乙酸钆（Gd-DTPA 0.1 mmol/kg），注射对比剂后1 分钟开始扫描，获得轴位、矢状位和冠状位增强T1WI。

1.3 常规MRI特征分析

所有入组的脑膜瘤患者的常规MRI 征象由2 名放射科医生（医生A 和B 分别有8 和10 年的工作经验）采用双盲法独立评估以下常规MRI 特征：（1）肿瘤位置（颅底、非颅底）；（2）肿瘤坏死（有、无）；（3）强化模式（均匀、不均匀）；（4）肿瘤形状（类圆形、不规则形）；（5）瘤周水肿（无或轻度、中或重度）。如有分歧经协商后达成一致。

1.4 图像分析

将所有入组患者的MRI图像调整至相同的窗宽窗位后从PACS 工作站上以DICOM 格式导出，由两名经验丰富的放射科主治医生（分别具有8 年和10 年工作经验）分别使用MaZda 软件（http://www.eletel.p.lodz.pl/mazda/）在轴位T1WI增强图像上采用双盲法沿着肿瘤强化区的边缘逐层勾画并进行直方图分析[6]，最终结果为两位放射科医生测量的平均值。在勾画感兴趣体积（volume of interest, VOI）时，尽量避开肿瘤内肉眼可见的坏死囊变和出血区。手动勾画的VOI 用红色填充，并生成以下直方图参数：平均值、变异度、偏度、峰度和第1、10、50、90、99百分位数。AnM 和AtM 组典型病例及其直方图如图1、2所示。

图1 男，46 岁，左侧额颞部血管瘤型脑膜瘤。1A：轴位T1WI平扫图；1B：轴位T1WI增强图；1C：轴位T1WI增强上勾画的ROI以红色填充；1D：ROI的直方图分析；1E：梭形、胖梭形瘤细胞束状、旋涡状排列，胞核圆形、卵圆形，无明显异型性，核分裂象少见，偶见砂粒体，部分区域见增生小血管，肿瘤周围粘连少量脑组织（HE ×100）。 图2 女，49 岁，右侧大脑镰旁非典型脑膜瘤。2A：轴位T1WI 平扫图；2B：轴位T1WI 增强图；2C：轴位T1WI 增强上勾画的ROI 以红色填充；2D：ROI的直方图分析；2E：肿瘤细胞呈束状、漩涡状排列紧密，核轻度异型（HE ×200）。ROI：感兴趣区。Fig.1 A 46-year-old male patient with angiomatous meningioma on the left frontotemporal region.1A: Axial T1WI image; 1B: Axial T1WI - contrast enhanced image; 1C: ROI outlined on axial T1WI - contrast enhanced filled in red; 1D: Histogram analysis of ROIs; 1E: Spindle-shaped, fat spindle-shaped tumour cells arranged in bundles and whirlpools, with rounded or ovoid nuclei, no obvious heterogeneity, rare nuclear schizophrenia, occasional granulomas, hyperplasia of small blood vessels in some areas, and a small amount of brain tissue adhering to the periphery of the tumor (HE ×100).Fig.2 A 49-year-old female patient with atypical meningioma on the right side of the falx.2A: Axial T1WI image; 2B: Axial T1WI-contrast enhanced image; 2C: ROI outlined on axial T1WI-contrast enhanced filled in red; 2D: Histogram analysis of ROIs; 2E: Tumor cells are tightly packed in fascicles and swirls, with mildly heterogeneous nuclei (HE ×200).ROI: region of interest.

1.5 统计学方法

SPSS 25.0和MedCalc 19.1统计软件用于本研究数据分析。分类变量用卡方检验比较；所有直方图参数均用均数±标准差或中位数（下、上四分位数）的形式表示，符合正态分布者组间差异以独立样本t检验比较，非正态分布组间差异以Mann-WhitneyU检验比较。通过绘制受试者工作特征曲线（receiver operating characteristic, ROC）评估平均值、第1 百分位数、第10 百分位数、第50 百分位数、肿瘤坏死以及肿瘤坏死+融合直方图参数在术前鉴别AnM 和ATM的价值。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 AnM和AtM组间一般资料和常规MRI特征的比较

AnM 和AtM 组间一般资料和常规MRI 特征的比较如表1 所示。性别及年龄在两组间差异无统计学意义（P=0.142、P=0.375）。肿瘤坏死（P=0.001）在两组间差异具有统计学意义，而位置、形状、强化模式和瘤周水肿在两组间差异不具有统计学意义（P＞0.05）。

表1 AnM和AtM组间一般资料和常规MRI特征的比较Tab.1 Comparison of general data and conventional MRI features between AnM and AtM groups

2.2 AnM和AtM组间直方图参数的比较

AnM 和AtM 各直方图参数的值如表2 所示。AnM 组直方图参数中的平均值（P=0.003）和第1（P＜0.001）、第10（P=0.001）、第50 百分位数（P=0.009）均大于AtM 组，且各参数间差异均具有统计学意义；而AnM 和AtM 组间变异度、偏度、峰度和第90、99 百分位数的差异均不具有统计学意义（P＞0.05）。

表2 AnM和AtM组间直方图参数的比较Tab.2 Comparison of histogram parameters between AnM and AtM groups

2.3 常规MRI特征和直方图参数的ROC曲线分析

AnM 和AtM 组间差异具有统计学意义的常规MRI 特征和直方图参数的比较如表3 和图3 所示。ROC分析结果表明，肿瘤坏死以及直方图参数中的平均值和第1、10、50 百分位数在术前鉴别AnM 和AtM中均显示出较高的诊断效能，其中肿瘤坏死+融合直方图参数对二者的鉴别诊断效能最优，其曲线下面积（area under the curve, AUC）、敏感度、特异度、准确率、阳性预测值和阴性预测值分别为0.858（95%置信区间：0.753～0.930）、95.00%、66.67%、82.86%、79.20%和90.90%。

图3 肿瘤坏死和T1WI 增强直方图参数术前鉴别诊断AnM 和AtM 的ROC 曲线，肿瘤坏死+融合直方图参数鉴别诊断效能最佳，AUC 值为0.858。AnM：血管瘤型脑膜瘤；AtM：非典型脑膜瘤；ROC：受试者工作特征；AUC：曲线下面积。Fig.3 ROC curve for preoperative discrimination AnM from AtM with enhanced T1-weighted histogram parameters and tumor necrosis, and the tumor necrosis + combined histogram parameters showed the best diagnostic performance with an AUC of 0.858.AtM: atypical meningioma; AnM: angiomatous meningioma; ROC: receiver operating characteristic; AUC: area under the curve.

3 讨论

本研究基于结构MRI 特征及T1WI 增强图像直方图分析术前鉴别AnM和AtM，结果表明肿瘤坏死、平均值和第1、10、50 百分位数在两组间差异具有统计学意义，当联合肿瘤坏死和融合直方图参数时对二者的鉴别诊断效能最优，为脑膜瘤患者治疗方案的选择和术后管理提供了指导依据。目前，据我们所知，本研究是首次利用T1WI增强的直方图分析术前鉴别AnM和AtM的研究。

3.1 MRI结构特征鉴别AnM和AtM的价值

本研究结果表明，肿瘤坏死是唯一可以鉴别AnM 和AtM 的结构MRI 特征，这与既往研究结果[15]不相符，一种可能的解释是相比于AnM，AtM 是最常见的WHO 2级脑膜瘤，肿瘤细胞增殖更加活跃，容易导致肿瘤生长缺血缺氧，发生坏死的概率明显增加。与既往研究[16]结果不同的是瘤周水肿在两组间差异不具有统计学意义，这可能与血供丰富的AnM 易导致血管内皮生长因子过表达，刺激瘤周脑水肿的发生有关，最终导致AnM 表现出与AtM 相似的瘤周水肿[15]。此外，强化模式和形状等基本特征在两组间也是重叠的，这可能与本研究相对较小的样本量有关。

3.2 T1C直方图参数鉴别AnM和AtM的价值

MRI 检查是术前诊断和术后积极监测期间成像的金标准，并提供了肿瘤大小，位置和邻近软组织结构的侵犯等必要信息[17]。相比扩散加权成像、动态磁敏感对比增强、扩散张量成像等先进且复杂的功能性MRI 方法，T1WI 增强扫描是脑肿瘤MR 检查的常规序列，操作简单、扫描时间短，不仅能够清晰显示解剖结构和病灶内部特征，并在一定程度上还可以反映病灶的血供和血脑屏障破坏情况[18-19]。全体积直方图分析是纹理分析最常用的一种方法，消除了放置不同的ROI 导致的采样偏倚，可以自动、无创地从勾画的整个VOI 中提取与肿瘤组织特征相关的定量信息，为脑肿瘤的诊断提供更为丰富、深层次的信息[20-23]。我们的研究表明，AnM 组直方图参数的平均值、第1 百分位数、第10 百分位数、第50 百分位数均显著高于AtM 组，这主要与AnM 的组织成分有关，AnM 最大的特征是血管占肿瘤体积的50%以上，其血供丰富可能是产生上述结果的主要原因。AnM 属于WHO 1 级，AtM 为WHO 2 级脑膜瘤，本研究结果发现AnM 的平均和第1、10、50、90、99 百分位数均高于AtM，与LI等[24]的研究结果相似。刘显旺等[25]发现T1WI 增强直方图分析在预测脑膜瘤脑侵犯方面具有重要价值，脑侵犯组的直方图参数大于非脑侵犯组，且以第1 百分位数的预测性能最佳。王宝龙等[26]基于2D T1 增强直方图纹理分析对17 例孤立性纤维性肿瘤/血管周细胞瘤（solitary fibrous tumors/hemangiopericytoma, SFT/HPC）与29 例AnM 进行鉴别诊断，结果发现标准差对二者的鉴别效能最优，其AUC、敏感度和特异度分别为0.816、58.1%和100%，经多参数联合分析发现，标准差和平均值结合的诊断效能进一步提高。张蕊等[27]对33 例脑室内脑膜瘤和24例脉络丛乳头状瘤进行T1加权增强成像全域直方图分析，9 个提取的直方图参数中，第10 百分位数和峰度具有较高诊断效能，二者联合的AUC 可提高至0.88，敏感度和特异度为87.50%和81.80%。

直方图参数中的变异度反映数据的离散程度[28-30]，偏度和峰度描述了直方图曲线的形状分布，主要反映肿瘤的异质性[31]。此外，这几个参数往往与肿瘤的恶性程度相关，因此可作为评价预后的独立因素。先前的研究显示[24]，与典型脑膜瘤相比，非典型或恶性脑膜瘤的峰度和偏度更高。GIHR等[10]研究发现，偏度与脑膜瘤Ki-67 的表达呈显著相关，并已被证明是鉴别低级别和高级别脑膜瘤和评估肿瘤复发风险的一个有价值的分子标志物。在本研究中，我们发现变异度、偏度和峰度在两组间差异不具有统计学意义，这可能与AnM 具有一定潜在的侵袭性有关，也有可能与本研究的样本量相对不足相关。

3.3 本研究的局限性

首先，本研究为样本量相对较少的回顾性研究，多中心、前瞻性的数据有待于进一步验证。此外，本研究受软件所限，研究的直方图参数单一，缺乏对熵和能量值等参数的研究，在今后的研究中，应借助人工智能的方法结合多序列MRI 图像进行进一步的研究。

4 结论

综上所述，本研究结果表明，常规MRI 特征和T1WI 增强直方图分析能在术前无创鉴别AnM 和AtM，其中肿瘤坏死+直方图参数对二者的鉴别效能最高，对手术方案的选择和治疗策略的制订具有重要临床价值。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：周俊林设计本研究的方案，对稿件重要的智力内容进行了修改，获得了国家自然科学基金面上项目、甘肃省科技计划项目和中华国际医学交流基金会-SKY 影像科研基金的资助；韩涛起草和撰写稿件，获取、分析和解释本研究的数据；刘显旺、蒋健、周凤瑜、董文洁和张斌获取、分析或解释本研究的数据，对稿件重要的智力内容进行了修改；全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本研究的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。