體素內不相干運動成像與三維動脈自旋標記技術在腦膠質瘤術前分級中的應用進展

張露 胡必富*

膠質瘤是顱內最常見的原發性腫瘤，約占所有中樞神經系統腫瘤的28%，約占顱腦惡性腫瘤的80%[1]。根據2016年世界衛生組織對膠質瘤的分級標準，按照病理學良惡性程度將其分為4級，Ⅰ、Ⅱ級為低級別，Ⅲ、Ⅳ級為高級別；另外，將染色體1p和19q聯合缺失、異檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）基因型突變和6-甲基鳥嘌呤甲基轉移酶（O-6-methylguanine-DNA methyltransferase，MGMT）基因啟動子甲基化等一些基因表型和分子特征納入彌漫性星形細胞瘤及少突膠質細胞瘤的診斷中，這是影響膠質瘤治療和預后的重要因素[2-3]。臨床上對于低級別膠質瘤常采取手術切除，高級別膠質瘤多為手術切除、放療、化療等綜合治療。高級別膠質瘤較低級別膠質瘤進展快，術后復發概率更大，病人預后更差，因此術前的準確分級對選擇臨床治療方案和評估病人預后均有重要意義。目前組織病理學檢查是膠質瘤分級的金標準，但由于膠質瘤的異質性、采樣誤差的限制與有限的相關活檢樣本數都可能會低估腫瘤的級別，而且活檢為一種有創性檢查，因此術前的組織病理學活檢存在一定的局限性，臨床上迫切需要一種無創且可反復使用的檢查方法。以往多通過常規MR成像及增強檢查對腫瘤進行無創術前分級，但常規MRI僅從腫瘤形態學方面進行評估，不能準確反映腫瘤的內部特征，常規增強檢查中病灶的強化程度反映的是大腦血腦屏障的破壞而不是真正反映腫瘤的新生血管信息。另外，由于外源性對比劑的使用，對于對比劑過敏、腎臟功能受損及需多次復查的病人，增強檢查尚存在一定的限制。近年功能MR成像技術快速發展在膠質瘤的術前分級中發揮了越來越重要的作用，尤其是體素內不相干運動（intravoxel incoherent motion imaging，IVIM）成像及三維動脈自旋標記（three-dimensional arterial spin labeling，3DASL）技術，不僅能對腫瘤大體形態學進行定性研究，還能夠在一定程度上對腫瘤內部的微細胞結構信息及微血管生成情況進行定量評估，且無需對比劑，在臨床上展現出較大的應用潛能。

1 IVIM及3D-ASL成像技術

1.1 IVIM成像

1.1.1 基本原理 IVIM成像是基于擴散加權成像（DWI）的一種功能MRI技術，DWI是目前唯一可以在活體狀態下檢測水分子運動的MR成像技術，但其是一種單指數模型。隨著研究的深入，研究者發現組織細胞內除了水分子的擴散運動外，還有血液的流動也會影響水分子的擴散狀態，而傳統的DWI無法區別兩者。1986年Le Bihan等[4]首次提出IVIM理論，認為在人體組織DWI中單一體素內血管內水分子的擴散類似自由水，擴散速度快，向各個方向擴散的概率相同，這種現象稱為IVIM。IVIM成像采用多個b值，是一種雙指數模型，其數學模型公式為：Sb/S0=f×exp[-b（D*＋D）]＋（1－f）exp（－b×D）。 S0、Sb分別指b值為0和不同b值時的信號強度；D*代表假擴散系數，也稱快擴散系數，主要反映組織細胞的灌注信息；D代表真擴散系數，也稱慢擴散系數，主要反映組織細胞內水分子的擴散運動情況；f代表灌注分數，即D*所占的體積分數，主要反映組織細胞的灌注信息，取值為0～1。Lemke等[5]認為，當b＜200 s/mm2時，微循環灌注效應占比增大，主要反映組織細胞的灌注信息；當b≥200 s/mm2時，主要反映水分子的擴散運動。

1.1.2 b值的選擇 IVIM成像中最重要的參數是b值，其代表擴散敏感梯度因子，反映所施加梯度場的大小及持續時間，公式為 b=γ2G2δ2（Δ-δ/3）。 γ、G、δ、Δ分別代表磁旋比、磁場強度、持續時間及所施加梯度磁場的間隔。由公式可知，b值越小，對信號影響越小，擴散成分越少，主要反映組織的灌注信息，獲取的影像信噪比（SNR）越高；相反，b值越大，施加的2個梯度場強越強，對擴散運動探測更加敏感，但缺點是影像SNR更低[6]。

b值的數量及b值選取會影響IVIM參數的準確性。理論上，b值數目越多，所測得參數準確性越高，但b值數目增多，相應的掃描時間也會延長。Malagi等[7]分別使用 4、8、13個 b值進行研究后發現，8個b值和13個b值穩定性較好且具有較高的相關性，4個b值的準確度降低，選擇8個b值的組合在IVIM參數中能提供比較好的精確度。此外，b值的分布也是研究的熱點，Lima等[8]認為IVIM成像中b值不應過高，當b值＞1 500 s/mm2時，組織細胞水分子分布偏向非高斯分布，從而導致數學模型受限，其不再是指數模型，而且高b值也會導致信號衰減，影像SNR降低。Hu等[9]研究顯示，選取≥8個低b值（b＜200 s/mm2）比選擇5個以下低b值測得的參數值更準確；當所選取最高的b值≤500 s/mm2時，來自組織內小管道和腦脊液所導致的部分容積效應會影響參數準確度；當所選取最低的b值＞1 500 s/mm2時，快擴散信號會消失，因此建議高b值采用 800～1 000 s/mm2為宜。Chabert等[10]推薦了優化的 14 個 b 值方案（15、60、150、160、170、190、200、260、440、560、600、700、980、1 000 s/mm2），推薦的方案能夠更好地描述信號的衰減，減少參數測量的差異，提高了精確度。因此，在實際臨床工作中，IVIM成像中b值的數量以10個左右為宜，低b值（b＜200 s/mm2）不宜少于5個，高 b 值以≤1 000 s/mm2為佳，Chabert等推薦的b值選取方案可以作為參考。

1.2 3D-ASL成像

1.2.1 基本原理 ASL技術是利用自體動脈血中的水分子作為內源性示蹤劑，對流入側的動脈血進行反轉脈沖標記，自旋弛豫狀態改變后的水質子經過一段時間后對組織進行灌注，并在成像層面與組織中沒有標記過的水質子進行交換，引起局部組織T1值發生改變，這時采集到的圖像即為標記圖像，將標記圖像與未標記的圖像進行減影得到灌注圖像，即腦血流量（cerebral blood flow,CBF）圖，對 CBF圖可以進行偽彩標記紅、黃、藍3種顏色，紅色代表高灌注，藍色代表低灌注，黃色代表兩者之間。ASL除了視覺的定性判斷外，還可提供定量診斷參數，即CBF。CBF值越大代表血流越豐富；反之則越小。

3D-ASL技術是近幾年在2D-ASL技術基礎上發展起來的，目前ASL技術根據標記方法不同分為脈沖式 ASL（pulsedASL，PASL）、連續式 ASL（continuous ASL，CASL）、偽連續式 ASL（pseudo-continuous ASL，pCASL）和基于流速 ASL （velocity-selected ASL，vsASL）[11]。PASL標記效率高，但影像SNR較低；CASL掃描范圍大，影像SNR較好，但對硬件設備要求高，標記效率較低；vsASL是基于速度而不是空間定位，臨床應用較少。因此，目前臨床常用的是3D-pCASL，其采用了快速自旋回波（FSE）序列的3D容積掃描以及高保真梯度的螺旋式K空間填充，結合了PASL技術標記效率高和CASL技術SNR高的優點，在標記效率和信噪比之間達到了良好的平衡。

1.2.2 標記后延遲（post label delay，PLD）時間的選取 PLD時間是3D-ASL成像中的一個重要參數，理論上將PLD時間設定為剛超過動脈通過時間（arterial transit time，ATT）是最準確的，因為此時進行成像時所有標記的水分子基本全部到達組織，所測量的CBF值的準確度最高。如果PLD時間選取過短，則灌注還沒有完成，導致信號減弱，同時尚存留在血管內的標記水分子也會影響CBF值的測量；相反，如果PLD時間選取過長，縱向磁化矢量還會繼續T1弛豫過程，導致信號減低，從而使影像SNR降低。在目前臨床實踐中，ASL技術最常采用的PLD時間為1.5 s，但隨著研究的深入，發現僅僅采用單組PLD時間來測量興趣區的CBF值不準確，PLD時間會受年齡、性別及潛在疾病等多種因素的影響。因此，有研究者[12]建議盡量采用2組甚至更多組的 PLD 時間（如 1.5 s、2.5 s等）。 Oshita等[13]通過聯合4D MR血管成像（4D-MRA）與多時相ASL給出了大腦各血管區及全腦的最佳PLD時間表達式。此種方法不僅考慮了年齡、性別等影響因素，還考慮到病變空間位置的影響，從而使所測量興趣區的CBF值更加準確，但技術繁雜、耗時長，需進一步優化。因此，在臨床工作中應盡量選取2個以上的PLD時間以保證CBF值的準確性，同時可以結合Oshita等的PLD時間表達式。

2 IVIM及3D-ASL成像在腦膠質瘤術前分級中的應用

2.1 IVIM成像 IVIM成像在腦膠質瘤術前分級中具有一定的應用價值，其中D的診斷效能及穩定性較好，f可以一定程度上反映腫瘤血管信息，具有一定的潛能，D*由于易受一些因素的影響，其診斷價值尚有一定的爭議。

Bai等[14]認為高級別膠質瘤（high grade glioma，HGG）的D值明顯低于低級別膠質瘤 （low grade glioma，LGG），且D值的診斷效能最好，當其臨界值取0.552×10-3mm2/s時診斷效能最佳，相應的敏感度為85.7%，特異度為91.2%。Zhang等[15]研究發現D值可以很好地鑒別彌漫性星形細胞瘤的級別，D值與Ki-67指數有很強的相關性（r=-0.789）。Wang等[16]發現標準化D值（rD）的診斷價值較D值更高，當rD取0.828時，診斷效能最佳，相應的敏感度、特異度分別為90.5%、92.3%，且rD與Ki-67指數呈中度負相關（r=-0.509），這反映了HGG的腫瘤細胞密度大于LGG；由于HGG的惡性程度更高，腫瘤細胞增殖能力更強，因此細胞密度更大，核漿比更高，細胞外間隙更小，使得水分子擴散更加受限；研究還發現，腫瘤組織的D值明顯高于對側正常白質，分析原因可能是腫瘤細胞破壞了正常的細胞結構，從而增加了細胞外的空間，使水分子更容易擴散，這與以往研究[17-18]報道的結果一致。一項Meta分析[19]結果也表明D值有助于鑒別高低級別膠質瘤。相反，Togao等[20]研究認為D值在鑒別膠質瘤級別方面價值不大，可能與其研究的樣本量較少有關。綜上，D值在膠質瘤術前分級中具有重要價值，且在一定程度上可以預測Ki-67指數，為臨床病理檢查提供一項輔助參考。

Zou等[18]研究顯示HGG的f值明顯高于LGG，當f值取7.6%時診斷效能最佳，相應的敏感度、特異度分別為92.0%、80.8%。Wu等[21]認為f值與動態磁敏感對比（dynamic susceptibility contrast，DSC）成像的參數腦血容量（cerebral blood volume，CBV）呈正相關，其可作為一個評估膠質瘤血管有價值的參數，具有替代CBV的潛能。而一些研究[14，16]顯示HGG的f值低于LGG，出現這種結果的原因可能有以下幾點：①f值會受組織T2值及掃描參數回波時間（echo time，TE）影響，f值在較疏松組織比在實性組織中更加準確；②f值與掃描方案中b值的選取也有一定的關系，當選用較多高b值時，D值的減小可能會導致f值測量的誤差[8]；③部分HGG中腫瘤細胞密度增加而微循環灌注所占的比例并未增加，而部分LGG由于水分子相對不受限，使D*增加，從而使f值增加[16]。Dolgorsuren等[22]研究表明f值在鑒別高低級別膠質瘤方面沒有價值，原因可能與樣本量較少有關，且一部分膠質瘤沒有病理學分級?？傊?，f值在術前膠質瘤分級方面具有一定價值，在評價腫瘤血管方面有替代CBV的潛能，但部分掃描參數可能對f值的準確性產生一定影響，在臨床工作中應選擇合適的b值分布方案和TE，掃描前對T2進行校正，從而減少誤差。

一些研究者[14，16，23]發現 D* 在 HGG 中明顯高于LGG，表明HGG較LGG具有更加豐富的腫瘤血管結構。另外，D*可能會提示一些腫瘤滲透方面的信息，這與腫瘤組織的病理組織特征相關[23]；但Togao等[20]研究得出相反的結論，認為D*容易受腦脊液和腫瘤壞死成分導致的部分容積效應影響。Federau等[24]研究認為心動周期可能對D*的測量產生一定的影響。另有研究者[25]認為D*的可重復性較低，建議在IVIM算法中采用分段擬合、循序漸進的方法，或者設定約束閾值來限制IVIM參數值的范圍，以提高測量數值的準確性。綜上，由于部分D*值易受容積效應、心動周期等因素的影響且可重復性較低，使其在膠質瘤分級方面的作用存在一定爭議，尚需要進一步研究來提高其準確性。

2.2 3D-ASL成像 3D-ASL成像在鑒別膠質瘤級別方面具有重要價值，其中標準化后的最大腦血流量（rCBFmax）診斷效能最佳，同時3D-ASL與DSC成像相關參數具有較好的相關性，且前者具有無需對比劑、重復性好等優點，在判斷腫瘤血供方面臨床價值潛力較大。CBF值與微血管密度也具有較好的相關性。膠質瘤不同的病理類型對CBF值也可能產生一定的影響。

Wang等[26]認為ASL成像有助于膠質瘤分級，研究發現HGG的CBF值及rCBF值高于LGG，其中rCBFmax診斷效能最佳，當rCBFmax閾值取1.25時相應敏感度、特異度分別為86.5%、73.3%，這與以往研究[10，27-28]結果基本一致。 一項 Meta分析[29]也顯示ASL成像在膠質瘤分級方面有價值，其中rCBFmax的診斷效能最佳，當rCBFmax閾值取1.46時相應敏感度、特異度分別為85%、92%，受試者操作特征（ROC）曲線下面積（AUC）為 0.95。Liu 等[30]研究發現rCBFmax、平均血流量值（CBFmean）及標準化后的平均血流量值（rCBFmean）在鑒別膠質瘤級別中具有一定價值，其中rCBFmax診斷效能最佳，AUC為0.746；研究還發現，CBFmean和rCBFmean在鑒別膠質瘤的IDH基因突變狀態方面也具有一定作用。Wang等[26]研究也發現rCBFmax在膠質瘤術前分級中診斷效能最佳，AUC為0.798；當rCBFmean閾值取0.89時，其特異度最高（86.7%）；另外，該研究采用了三維興趣區來標記整個腫瘤組織，因此具有一定的代表性。此外，Fu等[31]研究認為在臨床應用中應該對CBF值進行標準化以排除年齡、性別等因素的影響，而對照組織選擇對側正?；屹|比對側正常白質、對側鏡像區正常組織價值更大；因為白質需要較長的到達標記時間，從而會丟失一部分信號[32]。

Arisawa等[33]和 Morana等[34]研究發現 ASL與DSC成像所測得的相關參數具有較好的相關性，且Arisawa等認為DSC成像的診斷效能優于ASL成像，而Alsop等[35]認為ASL比DSC成像是一個更好描述灌注效應的工具，DSC成像的增強原理主要反映大腦血腦屏障的破壞而不是腫瘤灌注的本身。Khashbat等[36]研究發現HGG在DSC成像上顯示無強化，而在ASL成像上顯示比LGG有更高的CBFmax和CBFmean，而且ASL成像具有無創、無電離輻射、無需對比劑以及可重復、具有定量指標等優點，因此適用于健康查體、病人隨訪、腎功能不全病人及兒童的檢查[37]。但是，ASL影像的SNR不高，參數值有系統測量誤差且閾值不確定，對偽影也比較敏感[11]。除了與其他灌注方法相比較外，研究者們還試圖探索ASL與一些微觀分子之間的關聯，Di等[38]發現CBF與微血管密度呈正相關（r=0.567），提示ASL可以在一定程度上描述腫瘤血管方面的信息。另有研究[26,28]發現，在同等級別膠質瘤中，少突細胞膠質瘤和間變性少突細胞膠質瘤可能具有更高的灌注，而一些膠質母細胞瘤并沒有高灌注，這可能與膠質母細胞瘤增殖活性高，更容易產生一些缺氧誘導因子，從而導致部分腫瘤細胞缺血壞死，但其具體的機制尚需進一步研究。因此，在研究膠質瘤CBF值時應考慮腫瘤的病理類型，并結合常規MRI的形態學表現、強化程度及相關臨床信息做出綜合判斷。

2.3 IVIM聯合對比3D-ASL成像 聯合應用IVIM與3D-ASL成像可以從腫瘤內部細胞結構和微血管形成情況兩方面對膠質瘤進行更加全面的評估，但目前將IVIM與3D-ASL成像聯合應用對比的研究較少，研究主要集中在探討各參數之間的差異及關聯性以及聯合應用的準確性。Dolgorsuren等[39]研究顯示 f值與 ASL-CBF呈輕度正相關 （r=0.414），ASL-CBF比IVIM灌注參數反映的灌注效果更好，這可能是由于ASL受血管滲透性的影響較小。Shen等[23]研究顯示，f與 CBF 呈中度正相關（r=0.56），f與D* 的乘積（f×D*）與 CBF 呈較強的正相關（r=0.696），且f×D*比CBF在膠質瘤分級方面具有更好的診斷價值；當f×D*臨界值取2.8時診斷效能最佳，AUC為0.979，相應的敏感度、特異度分別為96.3%、91.3%；f×D*可以作為ASL成像的一種可能的補充方法來評估腫瘤的灌注狀態。Wang等[16]發現IVIM參數比3D-ASL參數對膠質瘤分級的診斷準確度更高，其中rD的診斷效能最佳，AUC為0.971；研究還表明綜合IVIM與ASL參數有助于治療策略的選擇和病人的預后改善。Lin等[40]研究顯示，對于膠質瘤高低級別的鑒別D*優于CBF；IVIM可以同時反映膠質瘤的血流和擴散信息，其可能成為一種無創性鑒別LGG和HGG的方法；研究結果還顯示，f值與ASL-CBF呈中度負相關（r=-0.619），這與Shen等[23]的研究結果相反，可能是由于該研究中HGG的f值比LGG更低，考慮與其b值選取有關。曾等[41]認為聯合應用IVIM與3D-ASL成像診斷的敏感度、特異度分別為100%、91.7%，優于單獨成像。因此，在臨床上應聯合應用這兩種技術能夠提高診斷的準確性。

3 小結

相比常規MRI及增強檢查，IVIM聯合3D-ASL成像在鑒別膠質瘤級別方面能夠提供更多的信息，尤其是D、f及rCBFmax的診斷效能較好，聯合這些參數能夠提高膠質瘤分級的準確性。在IVIM成像中應注意b值數量及高低b值的分布，3D-ASL成像中盡量使用2個以上的PLD時間，從而減少參數測量中的系統誤差。IVIM與3D-ASL技術不僅應用于膠質瘤的術前分級，也越來越多地應用于膠質瘤IDH基因突變、腫瘤復發及病人預后評估等方面。隨著IVIM與3D-ASL技術模型及算法的不斷優化，將具有更廣闊的應用前景。