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擴(kuò)散張量成像對膠質(zhì)瘤分級的應(yīng)用價(jià)值

2015-03-21 03:18:21殷信道周星帆
關(guān)鍵詞:體素高級別張量

姜 亮 殷信道* 周星帆*

膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的腫瘤,世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)按照其組織學(xué)類型進(jìn)行分級。 膠質(zhì)瘤分級對其治療方案的選擇及預(yù)后判斷尤為重要。 低級別膠質(zhì)瘤 (WHO Ⅱ級)存活期較長,5 年生存率為42%~92%[1],而高級別膠質(zhì)瘤(WHO Ⅲ級和Ⅳ級)為腦腫瘤中預(yù)后最差的腫瘤,其中膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(WHO Ⅳ級)發(fā)展迅速,5 年生存率僅為2%[2]。因此,高級別膠質(zhì)瘤的病人需盡快接受治療,且需輔以放化療。 由此可見,術(shù)前準(zhǔn)確地區(qū)分膠質(zhì)瘤低、 高級別對病人的治療尤為重要。擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)對水分子運(yùn)動(dòng)敏感, 尤其是沿著軸突纖維束的水分子。膠質(zhì)瘤腫瘤細(xì)胞浸潤更容易沿著白質(zhì)纖維束分布走行[3],由于DTI 對沿著白質(zhì)纖維束分布的水分子定向擴(kuò)散較為敏感[4],因此DTI 可能有助于膠質(zhì)瘤的分級診斷。 現(xiàn)就近年來DTI 對膠質(zhì)瘤分級診斷的研究現(xiàn)狀及研究前景等方面內(nèi)容進(jìn)行闡述。

1 機(jī)制特征

DTI 是在常規(guī)MRI 和擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging,DWI)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù),是目前唯一可以在活體狀態(tài)下無創(chuàng)性檢測組織微觀結(jié)構(gòu)的功能成像方法。 DTI 可測量多維度運(yùn)動(dòng)的體素內(nèi)質(zhì)子運(yùn)動(dòng)的大小和方向,并可用數(shù)學(xué)模型表達(dá),稱之為擴(kuò)散張量成像。 因此一個(gè)體素內(nèi)水分子的定向運(yùn)動(dòng)可以用橢圓體表達(dá),相反也可以描述為特殊體素的張量。 張量是由至少6 個(gè)方向的擴(kuò)散系數(shù)組成的一個(gè)3×3 矩陣。 張量矩陣是對角對稱的矩陣(Dij=Dji),這就意味著該矩陣完全由6 個(gè)參數(shù)決定。 如果張量與各向異性介質(zhì)完全符合,那么非對角線的元素為0,張量沿著對角線方向移動(dòng)。這種對角線化提供了3 個(gè)本征矢量用以描述橢圓體的3個(gè)軸線方向。 3 個(gè)本征值代表相應(yīng)軸線方向的表觀擴(kuò)散系數(shù)的大小。 最大擴(kuò)散系數(shù)的方向?yàn)殚L軸,與纖維束的方向一致。 因此,從掃描儀的幾何結(jié)構(gòu)x、y、z 坐標(biāo)系到擴(kuò)散張量有一個(gè)轉(zhuǎn)變, 作為一個(gè)新的獨(dú)立的坐標(biāo)系,軸線是由定向擴(kuò)張系數(shù)決定的。 根據(jù)本征擴(kuò)散系數(shù), 橢圓體可以是 “扁長的”、“扁圓的”或“球形的”。 纖維束均在相似的方向可表現(xiàn)為扁長的,纖維束方向不同但仍在同一平面可表現(xiàn)為扁圓的,而纖維束各向同性擴(kuò)散則表現(xiàn)為球形的[5]。正如前面所說,擴(kuò)散各向異性主要描述來自白質(zhì)的微觀組織結(jié)構(gòu)。 這種關(guān)聯(lián)使無創(chuàng)性地繪出白質(zhì)神經(jīng)束圖成為可能[6]。 根據(jù)各體素內(nèi)張量的方向,運(yùn)用計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)可鑒別體素內(nèi)的連接和顯示特定的纖維束。 這個(gè)過程被稱為擴(kuò)散纖維束成像(diffusion tensor tractography,DTT)。已有大量的纖維束成像技術(shù)被報(bào)道[7-8]。 這些技術(shù)均是應(yīng)用數(shù)學(xué)模型鑒別鄰近的體素,這些體素可能位于基于局部張量方向和體素的相對位置的同一個(gè)纖維束。 一些研究者朝著這個(gè)方向已根據(jù)DTI 和DTT 繪制了人腦的地圖冊[9]。因此,腫瘤導(dǎo)致的特定纖維束的移位或破壞可通過DTT 評估,為術(shù)前治療計(jì)劃的制訂提供有用信息[10]。應(yīng)用DTI 技術(shù)對膠質(zhì)瘤分級診斷主要是通過基于興趣區(qū)、基于體素的分析或兩種相結(jié)合的方法獲得的DTI 參數(shù)。平均擴(kuò)散值(mean diffusivity,MD)和各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy,F(xiàn)A)為DTI 最常用的參數(shù)。MD 是本征值的平均值,代表一個(gè)定向測量的平均水分子擴(kuò)散率。 FA 是3 個(gè)本征值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 FA 圖上體素的信號亮度描述了該體素的各向異性程度。 FA 取值范圍為0~1,代表了微觀結(jié)構(gòu)的方向性。 FA 值越接近0,表示該體素自由水分子的擴(kuò)散為各向同性,如腦脊液;而FA 值越接近1,則表示高度的各向異性, 水分子沿著單一的軸線擴(kuò)散,如胼胝體。 基于3 個(gè)本征值還可計(jì)算出軸向擴(kuò)散率(axial diffusivity,AD)、徑向擴(kuò)散率(radial diffusivity,RD)、 平 面 各 向 異 性 系 數(shù) (planar anisotropy coefficient, Cp)、 球 形 各 向 異 性 系 數(shù)(spherical anisotropy coefficient,Cs)、線形各向異性系數(shù)(linear anisotropy coefficient,Cl)等[11]。 AD 主要描述平行于軸突的微觀水分子運(yùn)動(dòng),與急性軸突損傷有關(guān)。 RD與脫髓鞘及軸突損傷均有關(guān)。 Cl 和Cp 著重于不同白質(zhì)的特征。 聯(lián)合部和深部投影(內(nèi)囊和皮質(zhì)脊髓)的白質(zhì)神經(jīng)束具有較大的線形張量。 弓狀纖維束和外圍輻射纖維也有較大的平面張量。Cs 主要表達(dá)各向同性張量。 另外少見參數(shù)還包括單純各向同性擴(kuò)散、單純各向異性擴(kuò)散和相對各向異性等。

2 DTI 對膠質(zhì)瘤分級診斷的研究現(xiàn)狀

2.1 DTI 參數(shù)診斷膠質(zhì)瘤分級 Inoue 等[12]認(rèn)為Ⅰ級膠質(zhì)瘤ADC 值明顯高于Ⅲ級和Ⅳ級膠質(zhì)瘤,且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但Ⅱ級和Ⅲ級膠質(zhì)瘤的ADC 值沒有明顯差異。 然而對于影像上表現(xiàn)為良性征象的高級別膠質(zhì)瘤, 如無明顯強(qiáng)化的高級別膠質(zhì)瘤,Lee 等[13]研究發(fā)現(xiàn)高級別膠質(zhì)瘤無強(qiáng)化區(qū)ADC 值明顯低于低級別膠質(zhì)瘤。 Liu 等[14]也有類似的發(fā)現(xiàn),盡管這些差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 Lee 等[15]認(rèn)為高級別星形細(xì)胞瘤的最小ADC 值明顯低于低級別星形細(xì)胞瘤,最小ADC 值可在術(shù)前對幕上星形細(xì)胞瘤分級診斷提供有價(jià)值的診斷信息。 Piyapittayanan 等[16]的研究表明腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)ADC 值、 最小ADC 值有助于高級別膠質(zhì)瘤與低級別膠質(zhì)瘤分級。 Kang 等[17]研究認(rèn)為基于腫瘤體積的ADC 直方圖分析可作為膠質(zhì)瘤分級的有用工具。 ADC 值可代表水分子擴(kuò)散的能力,腫瘤基質(zhì)越多,細(xì)胞外間隙越小,導(dǎo)致水分子自由擴(kuò)散受限,ADC 值就越小;反之,水分子擴(kuò)散能力越大,ADC 值就越大,最小ADC 值與細(xì)胞結(jié)構(gòu)密切相關(guān), 其值有助于膠質(zhì)瘤分級診斷, 惡性膠質(zhì)瘤的ADC 值較低,而低級別膠質(zhì)瘤的ADC 值較高,這表明隨著腫瘤細(xì)胞密度增加, 水分子擴(kuò)散受限明顯。有研究者[12,18]對DTI 和膠質(zhì)瘤組織學(xué)惡性度關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果表明FA 值可以鑒別低、高級別膠質(zhì)瘤, 有助于手術(shù)計(jì)劃制訂及立體定向活檢的選定。Liu 等[14]認(rèn)為低級別組膠質(zhì)瘤的平均FA 值和最大FA 值明顯低于高級別組膠質(zhì)瘤。 Inoue 等[12]認(rèn)為高級別膠質(zhì)瘤FA 值顯著高于低級別膠質(zhì)瘤, 兩組膠質(zhì)瘤FA 值的臨界值為0.188。 Beppu 等[18]進(jìn)行了同樣的研究, 結(jié)果顯示FA 值與膠質(zhì)瘤細(xì)胞密度呈正相關(guān)。 而Stadlbauer 等[19]則認(rèn)為FA 值與膠質(zhì)瘤細(xì)胞密度呈負(fù)相關(guān),而且認(rèn)為在評估和描述膠質(zhì)瘤病理變化的不同程度方面,F(xiàn)A 值優(yōu)于ADC 值。膠質(zhì)瘤的生物學(xué)行為最大變化為沿神經(jīng)軸擴(kuò)散。 低級別膠質(zhì)瘤的神經(jīng)軸擴(kuò)散率為3.7%~5.3%, 高級別膠質(zhì)瘤為10%~27%。 腫瘤細(xì)胞是通過正常宿主組織的細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)主動(dòng)入侵,而不僅僅是簡單的增長或腫瘤細(xì)胞被動(dòng)分布。 Server 等[20]對78 例膠質(zhì)瘤病人行DTI 檢查,研究表明Ⅱ級和Ⅲ級膠質(zhì)瘤、Ⅱ級和Ⅳ級膠質(zhì)瘤、 Ⅱ級和Ⅲ-Ⅳ級膠質(zhì)瘤間的腫瘤區(qū)AD、RD值均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異, 且腫瘤區(qū)AD、RD 值與腫瘤級別具有較強(qiáng)的相關(guān)性。 Chen 等[21]發(fā)現(xiàn)低級別膠質(zhì)瘤及高級別膠質(zhì)瘤腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)AD 值有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)低、高級別組膠質(zhì)瘤患側(cè)鄰近纖維束的Cl 值差異也有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 另有研究者[22]報(bào)道AD描述平行于神經(jīng)束的微觀水分子運(yùn)動(dòng),且與軸突損傷有關(guān)。Ma 等[23]對10 例低級別膠質(zhì)瘤及15 例高級別膠質(zhì)瘤行DTI 檢查,研究結(jié)果表明聯(lián)合近瘤周水腫區(qū)3 個(gè)參數(shù)(Cs、FA、Cp)為鑒別低、高級別膠質(zhì)瘤最好的邏輯回歸模型,臨界值為0.81 時(shí)其敏感度和特異度分別為86%、80%。Jolapara 等[24]對38 例病理證實(shí)為彌漫性浸潤的星形細(xì)胞瘤的病人行DTI 檢查, 研究顯示高級別組平均最小Cs 值明顯低于低級別組,其差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 且所有高級別組最小Cs 值均小于0.6,而低級別組均大于0.6。 各向異性的改變主要與腫瘤細(xì)胞組織有關(guān)。 當(dāng)人類膠質(zhì)瘤細(xì)胞植入到嚙齒類動(dòng)物的腦內(nèi),大多數(shù)膠質(zhì)瘤細(xì)胞進(jìn)入鄰近血管, 且沿著血管表面侵犯正常的腦組織, 這將導(dǎo)致血腦屏障的崩潰并破壞神經(jīng)血管部分。 Saksena 等[25]對34 例接受治療的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤病人行3.0 T DTI 檢查, 單變量分析顯示最小Cp≤0.002、平均Cs>0.68 時(shí)無進(jìn)展生存率較低,多元邏輯回歸分析顯示僅最小Cp 值可作為這些病人存活率的預(yù)測因子。 因此,DTI 參數(shù)有助于膠質(zhì)瘤低、高級別分級的鑒別診斷。

2.2 DTT 圖診斷膠質(zhì)瘤分級 由于膠質(zhì)瘤呈浸潤性生長,使周圍白質(zhì)呈現(xiàn)4 種形式變化,即白質(zhì)纖維束的移位、水腫、浸潤、破壞。 但影像上腫瘤所致白質(zhì)纖維束的水腫及浸潤很難區(qū)分, 常歸為一類。白質(zhì)纖維這3 種改變形式的定義分別為: ①破壞,指腫瘤所在部位白質(zhì)纖維消失,為腫瘤組織所占據(jù)或各向異性明顯降低,不能辨認(rèn);②浸潤,指與對側(cè)相應(yīng)部位的正常白質(zhì)纖維比較,病側(cè)白質(zhì)纖維的位置和形態(tài)異常,且信號降低;③移位,指與對側(cè)相應(yīng)部位的正常白質(zhì)纖維比較,病側(cè)白質(zhì)纖維位置和形態(tài)發(fā)生改變,但信號正常[26]。Chen 等[21]認(rèn)為低級別膠質(zhì)瘤鄰近的纖維束主要為浸潤,而高級別膠質(zhì)瘤鄰近纖維束多受破壞、中斷。 胡等[27]對25 例膠質(zhì)瘤行DTI 檢查,DTT 上顯示9 例低級別膠質(zhì)瘤中白質(zhì)纖維束整體形態(tài)基本完整,白質(zhì)纖維束受壓、偏移者6例,部分中斷者3 例;16 例高級別膠質(zhì)瘤中有15 例白質(zhì)纖維束明顯變形移位,14 例病變區(qū)白質(zhì)纖維束明顯破壞,另有1 例Ⅲ級膠質(zhì)瘤病人的白質(zhì)纖維束主要表現(xiàn)為受壓移位。 由于腫瘤大小、良惡性及周圍水腫等因素的影響,其所引起的白質(zhì)纖維束的異常改變往往并不表現(xiàn)為一種形式,同一病灶可表現(xiàn)兩種或兩種以上的白質(zhì)纖維束異常改變。 何等[26]將28 例顱內(nèi)腫瘤所引起的大腦白質(zhì)纖維異常改變分為4 種類型:破壞+浸潤、破壞+移位、浸潤+移位、移位。 其中破壞+浸潤主要見于高度惡性腫瘤,如膠質(zhì)母細(xì)胞瘤;破壞+移位主要見于低度惡性腫瘤,如低級別膠質(zhì)瘤。 然而有些研究者[26-27]研究DTT 對膠質(zhì)瘤分級的診斷價(jià)值時(shí)并未與病理對照,故其結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待研究。 一些研究者[28-29]對Ⅰ、Ⅱ級膠質(zhì)瘤的DTT 和組織病理學(xué)信息的關(guān)系進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)腫瘤沿著周圍白質(zhì)纖維束的浸潤與神經(jīng)學(xué)的結(jié)果一致。 由此可見,擴(kuò)散張量纖維束成像有助于膠質(zhì)瘤的分級,并能夠顯示腫瘤與周圍白質(zhì)神經(jīng)纖維的關(guān)系,可以指導(dǎo)臨床制定手術(shù)計(jì)劃。

3 局限性

DTI 技術(shù)尚存在以下局限性: ①DTI 采集采用的EPI 序列對磁場不均勻性和頭部運(yùn)動(dòng)敏感,影像易變形,導(dǎo)致測量參數(shù)失真;②DTI 參數(shù)測量易受興趣區(qū)主觀選擇和入組人數(shù)少等因素影響,研究結(jié)果差異較大;③影像上膠質(zhì)瘤腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)及水腫區(qū)分界難以準(zhǔn)確分辨,影響興趣區(qū)選擇;④對纖維示蹤技術(shù)的準(zhǔn)確性缺乏嚴(yán)格的評價(jià)體系。

4 小結(jié)與展望

DTI 參數(shù)FA、ADC 可提供細(xì)胞分子水平的功能信息, 有助于膠質(zhì)瘤分級,Cs、Cp、Cl 等參數(shù)可為膠質(zhì)瘤分級提供輔助信息。 DTT 能夠顯示腫瘤與周圍白質(zhì)神經(jīng)纖維的關(guān)系,同時(shí)對膠質(zhì)瘤分級也有一定幫助,并可指導(dǎo)臨床制定手術(shù)計(jì)劃。

MRI 因具有良好的軟組織成像及多序列掃描的優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于腦腫瘤的診斷及分級中。 DTI和DTT 可提供水分子的擴(kuò)散速度和方向的定量信息,顯示組織的纖維結(jié)構(gòu)和病理狀態(tài),并結(jié)合常規(guī)MRI 檢查,為腦膠質(zhì)瘤的分級診斷提供有價(jià)值的信息[30-31]。目前DTI 和DTT 技術(shù)因耗時(shí)長、需特殊的數(shù)據(jù)處理、病人經(jīng)濟(jì)實(shí)力等因素影響尚未廣泛應(yīng)用于臨床。而DTT 是唯一能在活體中研究大腦白質(zhì)纖維的方法,但該技術(shù)還需進(jìn)一步發(fā)展以更廣泛地應(yīng)用于臨床。 近年也有報(bào)道可用自動(dòng)化電腦分析工具輔助腫瘤診斷,這些技術(shù)可對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和評估[32]。與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法相比,這些技術(shù)可提供預(yù)測性結(jié)果,但僅限于回顧性的診斷結(jié)果。 因此,MR 成像技術(shù)及數(shù)據(jù)處理軟件還需進(jìn)一步發(fā)展以縮短成像時(shí)間,降低成像要求。

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四元數(shù)張量方程A*NX=B 的通解
運(yùn)用邊界狀態(tài)約束的表面體素加密細(xì)分算法
基于體素格尺度不變特征變換的快速點(diǎn)云配準(zhǔn)方法
高級別管線鋼X80的生產(chǎn)實(shí)踐
山東冶金(2019年2期)2019-05-11 09:12:00
擴(kuò)散張量成像MRI 在CO中毒后遲發(fā)腦病中的應(yīng)用
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