QSM三维直方图分析评估成人型弥漫性胶质瘤IDH基因型及肿瘤增殖活性

孙祎繁,杨哲婷,邓凯吉,耿莹茜,胡晓梅,蒋日烽

磁共振成像是一种广泛用于胶质瘤评估的非侵入性成像技术[7-8]。作为一种较先进的MRI技术,磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging,SWI)可检出胶质瘤病灶内的瘤内出血、新生血管和钙化等[9]。然而,SWI在准确量化这些特征方面还存在一定的局限性。作为SWI技术的进一步发展,定量磁敏感图(quantitative susceptibility mapping,QSM)能更精确地定量评估组织内磁化率的变化,具有较高的组织对比度及空间分辨率。QSM可用来估计大脑中各种物质的含量,如铁、血红蛋白、脱氧血红蛋白和钙化[10,11]。因此,QSM可能有助于胶质瘤的诊断和分类,但目前QSM应用于胶质瘤的相关研究尚较少。另外三维直方图分析能更好、更客观地反映全瘤区的特征,因此,本研究旨在评价 QSM三维直方图分析对成人型弥漫性胶质瘤IDH基因型的诊断效能及QSM三维直方图特征与肿瘤细胞增殖活性的相关性。

材料与方法

1.临床资料

回顾性分析2019年1月-2022年1月在本院经手术病理证实的弥漫性胶质瘤患者的临床资料及磁共振QSM扫描数据。纳入标准:①经组织病理学证实为胶质瘤;②在手术或活检之前的 4 周内进行了QSM 序列和结构像 MRI扫描;③对术后切除的肿瘤组织进行了IDH基因型的检测。排除标准:①在MRI采集和/或手术前接受了放疗和/或化疗的患者;②患者MRI有明显运动伪影。

本研究最终纳入47例胶质瘤患者,男27例,女20例,年龄32～62岁,平均48岁;27例IDH野生型和20例IDH突变型;37例为原发胶质瘤,10例为复发胶质瘤。根据中枢神经系统WHO分类2021标准,星形细胞瘤IDH突变型14例(2级9例,3级1例,4级4例),少突胶质细胞瘤IDH突变伴1p/19q共缺失型6例(2级5例,3级1例),胶质母细胞瘤IDH野生型23例,另外4例因分子诊断信息不足而被归类为未分类型(not elsewhere classified,NEC)。

本回顾性研究已获得本院伦理委员会的批准。

2.MRI数据采集

在该切换过程中，在网发电机数由2台增加至4台，推进电机M1-M4输出功率由额定功率占比2%提高至20%，设日常负荷保持不变为5 096 kW。设工况1时在网运行发电机为G1和G5，第130 s发电机G3和G7并网，第145 s时4台推进电机M1～M4功率由100 kW升至880 kW。

使用Siemens Magnetom Prisma 3.0T MR扫描仪和64通道头线圈。MR结构像扫描序列包括矢状面磁化准备快速梯度回波序列(magnetization prepared rapid gradient echo sequence,MPRAGE)T1WI、横轴面FSE-T2WI、横轴面T2-FLAIR和对比增强横轴面、矢状面、冠状面T1WI。

QSM成像是基于横轴面三维流动补偿多回波梯度回波序列,扫描参数:TR 35 ms;first TE 6.67 ms,平均回波间隔6.24 ms,last TE 25.39 ms;回波数4,翻转角15°;视野280 mm×320 mm;体素大小0.72 mm×0.72 mm×2.00 mm。

3.数据处理和分析

基于Matlab软件运行STISuite程序来处理原始的相位图和幅度图得到QSM图,运行SPM12软件将重建后的QSM图以QSM扫描时GRE序列第一个(TE最短)幅度图作为媒介配准至FSE-T2WI图像上,此外,将MPRAGE-T1WI、T2-FLAIR及增强图像均配准至FSE-T2WI图像上。

由两位神经影像方向的主治医师在不知道肿瘤病理分级及免疫组化结果的情况下进行ROI的勾画。使用ImageJ软件中的wand 1.49工具,利用基于阈值的半自动方法逐层勾画ROI,ROI需包含整个肿瘤的实体区域。强化明显的肿瘤在对比增强 T1WI 上进行ROI的勾画(图1),无明显强化的肿瘤则在T2-FLAIR图像上进行ROI的勾画(图2),并注意避开囊变、坏死、出血区域和钙化[12]。最后将各层ROI融合生成三维容积感兴趣区(volume of ROIs,VOI)。

图1 女,40岁,左侧额叶胶质母细胞瘤,IDH野生型;a)T1WI增强扫描示病灶呈明显不均匀强化,黄线为沿肿瘤边缘勾画的ROI;b) T2-FLAIR图像示病灶呈不均匀高信号,周围水肿呈明显高信号;c)QSM图示病灶内高信号(出血)和低信号(钙化)混杂分布;d)QSM直方图。

随后,将VOI转移至QSM图上,使用pyradiomics 3.0.1软件获得其直方图(图1d、2d)并提取了12个直方图参数:第10百分位数(10th percentile,P10)、P90、四分位数范围(interquartile range,IQR)、峰度(kurtosis)、最大值(maximum)、平均绝对偏差(mean absolute deviation,MAD)、平均值(mean)、中位数(median)、最小值(minimum)、均方根(root mean square,RMS)、偏度(skewness)和方差(variance)。

4.病理分级及免疫组化

根据2021 WHO中枢神经系统分类标准确定肿瘤的组织学分类及病理级别。IDH基因型由下一代测序法或针对IDH1 R132H和IDH2 R172H位点的免疫组化染色方法来确定,只要其中一个位点存在突变,则诊断为IDH突变型。采用Ki-67标记指数(labeling index,LI)来评估肿瘤细胞的增殖活性,该指标的分析方法为通过Ki-67免疫组化染色,在400倍的高倍镜下观察,视野内染色阳性细胞数与总细胞数的百分比即为Ki-67 LI。

5.统计学分析

使用SPSS 26.0.0软件进行统计学分析。采用Kruskal-Wallis检验来比较年龄和Ki-67 LI的组间差异,采用Fisher′s精确检验法比较性别和复发率的组间差异。采用Mann-WhitneyU检验比较不同IDH基因型之间直方图参数的差异。采用ROC曲线和AUC评估每个直方图参数的诊断效能和预测概率。采用Spearman相关分析评估Ki-67 LI与每个直方图参数之间的相关性。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.临床资料的分析

本研究中共纳入47例成人型弥漫性胶质瘤患者。

其中,27例为IDH野生型(A组),包括23例胶质母细胞瘤,4例为NEC型;20例为IDH突变型,包括14例星形细胞瘤(非1p/19q共缺失,B组)和6例少突胶质细胞瘤(1p/19q共缺失,C组)。三组胶质瘤临床资料的比较结果见表1。三组之间性别构成和复发占比的差异无统计学意义(P>0.05),年龄和Ki-67 LI值的差异有统计学意义(P<0.05),IDH野生型组的患者年龄和Ki-67 LI值均较高。

表1 三组胶质瘤临床资料的比较

2.不同IDH基因型胶质瘤QSM直方图参数的比较

不同IDH基因型之间QSM三维直方图参数值的比较结果见表2。IDH突变型组的P10值显著高于IDH 野生型组(P=0.016),而IDH突变型组的P90、IQR、Maximum、MAD、RMS和Variance的测量值均显著低于IDH 野生型组(P<0.05),其它QSM三维直方图参数值在两组之间的差异无统计学意义(P>0.05)。

表2 不同IDH基因型胶质瘤三维直方图参数值的比较

采用ROC曲线分析评估各项QSM三维直方图参数对不同IDH基因型成人型弥漫性胶质瘤的鉴别诊断效能,结果详见表3。各参数鉴别诊断的AUC范围为0.526～0.774,其中IQR的诊断效能最高,其AUC为0.774,敏感度为70.0%,特异度为81.5%,其次是MAD和RMS,AUC分别为0.756和0.744(图3)。

表3 QSM三维直方图参数对不同IDH基因型胶质瘤的鉴别诊断效能

图3 QSM三维直方图参数鉴别胶质瘤IDH突变型与野生型的ROC曲线。四分位范围表现出最高的诊断效能,其AUC为0.774,其次是平均绝对偏差和均方根,其AUC分别为0.756和0.744。

3.QSM三维直方图参数与Ki-67 LI的相关性

各项QSM三维直方图参数与Ki-67 LI之间的相关性见表4。分析结果显示P90、IQR、Maximum、MAD、RMS、Skewness和Variance与Ki-67 LI之间均呈显著正相关(P<0.01),其中IQR的相关系数值(0.531)最大,而P10与Ki-67 LI之间呈显著负相关(P=0.001)。

表4 QSM三维直方图参数与Ki-67 LI之间的相关性

讨 论

IDH基因型的精准分型对于胶质瘤术前诊断、个体化治疗方案的选择及预后的判断十分重要。但目前明确胶质瘤IDH基因型的常用方法是活检术或手术切除后的分子检测,但这些方法存在有创、诊断滞后、步骤繁琐和可重复性差等问题。因此在治疗前无创、准确及动态地评估胶质瘤IDH基因型具有重要的临床意义。本研究探讨了QSM三维直方图分析在鉴别IDH基因型中的效能,发现提取的12个QSM直方图参数中有7个参数在不同IDH基因型之间存在统计学差异,其中IQR表现出最高的诊断效能。此外,QSM的三维直方图参数与反映细胞增殖活性的Ki-67 LI具有显著相关性,其中以IQR与Ki-67 LI的相关系数最大。

本研究发现相比于IDH野生型胶质瘤患者,IDH突变型胶质瘤患者年龄更轻。在常规结构像上IDH野生型与突变型胶质瘤的影像表现亦存在差异,IDH突变型常表现为单发,病灶内坏死、出血少见,增强扫描无强化或轻度强化,这表明IDH突变型胶质瘤的组织结构复杂程度较低,微血管相对不丰富;而IDH野生型胶质瘤的组织结构更复杂,肿瘤细胞异质性更高,且由于肿瘤生长速度快而更易出现坏死,更丰富的微血管及血脑屏障破坏使得病灶常表现为明显不均匀强化。上述表现与既往的研究结果基本一致[13]。

本研究结果显示,IDH野生型组的QSM平均值高于IDH突变型组,这与Zeng等[14]的研究结果相似,他们还发现在IDH突变的胶质瘤中,少突胶质细胞瘤的相对低磁化率显著低于星形细胞瘤,这有助于识别IDH突变胶质瘤中的少突胶质细胞瘤(AUC=0.78),且特异度高(100%)。Kong等[15]发现IDH1野生型和无O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶(O6-methylguanine-DNA-methyltransferase,MGMT)启动子甲基化的胶质瘤肿瘤内磁敏感信号(intratumoural susceptibility signal,ITSS)分级明显高于IDH1突变型和有MGMT启动子甲基化的胶质瘤。由于IDH野生型胶质瘤和胶质母细胞瘤更具侵袭性,肿瘤内新生的不成熟的微血管更容易破裂和出血,而QSM可定量分析颅内钙化、出血和铁沉积,从这个意义上说,本研究中IDH野生型组与IDH突变型组之间QSM直方图参数值的差异是合理的,似乎有一种明显的趋势,即胶质瘤结构越复杂,肿瘤细胞异质性越高,相应的QSM直方图参数值越高,这表明QSM直方图参数可以作为对脑肿瘤侵袭性和异质性的独立衡量指标。本研究中组间差异有统计学意义的直方图参数都是描述离散程度的指标(IQR、MAD、RMS、Variance),这也符合QSM在评估肿瘤异质性方面的优势,其中表现最佳的IQR常用于箱图的绘制,是一种常用的统计学指标,反映了中间50%数据的离散程度,IDH野生型胶质瘤的IQR明显高于突变型,提示此型肿瘤内磁化率分布更为离散,笔者认为IQR是评估肿瘤异质性的良好指标。

传统ROI测量方法,得到的是ROI内信号强度的平均值,无法反映病灶的异质性,而直方图分析提供了更丰富的肿瘤特征信息,肿瘤全域直方图分析减少了观察者间和观察者内的变异[16]。直方图的形状、不对称性可以更好地反映肿瘤结构、生理学、分子和代谢的变化[17]。因而能更好、更客观地反映全瘤灶的特征,这种分析方法在预测肿瘤病理分级和鉴别诊断方面显示出潜力[18,19]。陈鑫等[20]研究发现基于对比增强T1WI的直方图分析可用于预测多形性胶质母细胞瘤的IDH1突变状态,其中以均数和中位数的诊断效能较好。而本研究结果显示QSM直方图参数中,尤其是描述数据离散程度的参数,其对IDH基因型鉴别诊断效能的AUC更高,表明QSM直方图参数能更好地捕捉肿瘤的异质性,从而能更好地鉴别IDH基因型。

此外,本研究结果显示Ki-67 LI在IDH野生型胶质瘤,尤其是胶质母细胞瘤中明显增加,本研究还探讨了QSM各直方图参数与Ki-67 LI之间的相关性,发现8个QSM直方图特征与Ki-67 LI具有显著相关性。既往研究结果显示,核蛋白Ki-67的表达与细胞增殖密切相关,随着胶质瘤级别的升高,肿瘤恶性程度增加,肿瘤细胞增殖活跃,肿瘤组织内Ki-67 LI值也随之升高[21,22],这与本研究的结果一致。Ki-67 LI值越高,表明肿瘤细胞增殖越活跃,异质性越高,而伴有出血、坏死等所造成的肿瘤结构和微环境的复杂性,都可导致QSM直方图参数中的相关参数值升高,即表现为正相关。其中以IQR的相关系数最高,提示该指标能较好地在术前无创性预测胶质瘤的细胞增殖活性。

本研究存在一定的局限性。首先,这是一项单中心研究,样本量相对较小,尤其是少突胶质细胞瘤患者的例数很少,因此,QSM直方图参数在鉴别IDH基因型方面的价值应该在更大样本量的人群中得到进一步验证;其次,基于人工勾画ROI的测量方法可能会造成一定的偏差,尤其是在边界不清楚的胶质瘤中。

总之,QSM直方图参数可能有助于非侵入性地识别成人型弥漫性胶质瘤的IDH基因型,因为它揭示了更多的肿瘤固有的微观结构和生理信息。对患者术前治疗方案的个体化制订具有重要的价值和意义。