磁共振多模态影像在脑胶质瘤诊断及分级中的应用研究

发布时间：2018-04-01 08:15

本文选题：磁共振成像　切入点：扩散张量成像　出处：《郑州大学》2014年博士论文

【摘要】：背景和目的恶性肿瘤是严重危及人类生命健康的癌症。世界卫生组织（world healthorganization，WHO）统计表明其发病率呈现增高的趋势，并预测2030年全球癌症致死人数将达到1310万，所以，癌症成为二十一世纪全球人类健康的严重问题。脑胶质瘤（brain glioma，BG）起源于神经胶质细胞，是最常见原发性中枢神经系统的肿瘤，约占全部颅内肿瘤半数。按照2007年WHO肿瘤分类、分级的国际标准，脑胶质瘤分类包括：星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤、少突-星形胶质细胞瘤、室管膜瘤、脉络丛肿瘤等等，以星形细胞瘤最为常见。脑胶质瘤分级为Ⅰ~Ⅳ级，Ⅰ~Ⅱ级为低级别胶质瘤，Ⅲ~Ⅳ级为高级别胶质瘤；Ⅰ级为良性，Ⅲ~Ⅳ级为恶性，Ⅱ级为良、恶性交界性肿瘤。临床上，大多数胶质瘤患者的表现缺乏特异性。头疼、头晕是其多见表现，早期即可存在，往往被忽视；随着病程的延长，15%~95%患者出现突发性癫痫症状；当肿瘤的基本特征均已具备时，病情往往已属晚期，所以，胶质瘤及时早期的准确诊断是治疗的关键。但是，迄今为止，手术切除治疗仍然是临床治疗脑胶质瘤的主要选择方式，胶质瘤的级别不一样，治疗手段迥然不同。患者的生存时间与肿瘤级别的高低密切相关：低级别脑胶质瘤患者的5年生存期大约80%，高级别脑胶质瘤患者生存时间大大短于低级别胶质瘤，尤其是IV级肿瘤患者5年生存期常常不到5%，Ⅲ级胶质瘤介于Ⅰ~Ⅱ级与IV级之间，而且他们的临床病程与治疗计划差异极大，如：星形细胞瘤往往仅需要手术切除，外加局部放疗即可，无需化疗计划；还有如间变性星形细胞瘤，由于其浸润性强，手术不易切干净，术后复发率较高，故需要放疗联合化疗，以延长患者的生存期，所以，脑胶质瘤及时准确诊断和分级是治疗的前提条件。随着磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）硬件进步和计算机软件的研究开发，新一代的成像技术和扫描序列层出不穷，MRI功能成像主要包括：①扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI),②扩散张量成像（diffusiontensor imaging，DTI），③灌注功能成像（perffusion weighted imaging，PWI）,④波谱成像(magnetic resonance spectroscopy，MRS)，⑤磁敏感成像（susceptibilityweighted imaging，SWI），⑥血氧水平依赖性功能磁共振成像（blood oxygenlevel-dependent functional magnetic resonance imaging，Bold-fMRI）等等，以上所述磁共振功能成像结合了解剖、功能和影像三方面的特点，对于探索肿瘤在细胞或分子水平上的规律、药物的研究开发、现代医疗模态的形成以及提高人类健康水平的终极理想目标有着深远的意义，故在临床上应用较广泛。目前，脑胶质瘤的检查仍然主要依靠影像学检查技术，但是，迄今为止，任何一种单模态的磁共振检查技术都不足以完整地显示肿瘤的结构、功能及分子方面的信息，说明每种模态检查都有其不可克服的局限性，故联合使用多模态磁共振成像技术到达彼此优势互补、相互验证的目的，全面反映脑胶质瘤的结构、功能及分子信息等等，成为当代影像学研究的热点。本研究利用MRI常规平扫及增强扫描、DTI、1H-MRS三种成像方法，通过分析脑胶质瘤平扫及增强的信号特征、肿瘤实性部分及瘤周水肿带的相对表观弥散系数（relative average diffusion coefficient，rADC）值、相对各向异性分数（relative fractional anisotropy，rFA）值以及1H-MRS显示主要代谢物质比值（Cho/Cr、NAA/Cr、NAA/Cho、MI/Cr）等参数，并初步探讨胶质瘤平扫及增强信号特征、rADC值、rFA值以及各代谢物比值对脑胶质瘤的诊断和分级的相关性，以期达到在尽可能地保护正常脑组织的前提下，最大程度切除肿瘤、提高患者生活质量、延长生存时间。因此，MRI多模态平扫及增强扫描、DTI和1H-MRS提供的脑胶质瘤解剖结构信息、功能及分子方面的信息，对脑胶质瘤治疗方案的精确设计及预后评估有着重大的临床意义。第一部分磁共振DTI和DTT在脑胶质瘤诊断及分级中的应用评价目的 1.本课题在常规MRI平扫及增强扫描的基础之上，采用扩散张量成像方法，分析脑胶质瘤瘤体、瘤周水肿的相对表观扩散系数（rADC）值、相对各向异性分数（rFA）值等，并初步探讨rADC值、rFA值等的诊断价值，以及与病理分级的相关性。 2.分析DTT在不同级别脑胶质瘤与脑白质纤维束的关系，并初步探讨DTT的诊断价值，和与病理分级的相关性。 3.旨在通过对脑胶质瘤瘤体及瘤周水肿的分析为临床治疗计划的制定提供更多、更合理的解剖学及功能学诊断信息。方法 1.搜集2010年10月~2013年10月期间资料完整的脑胶质瘤患者72例为研究对象。所有患者术前均未作放疗、化疗及其他抗肿瘤性治疗，经临床手术、组织病理证实的胶质瘤，其中低级别胶质瘤21例（Ⅰ级4例，Ⅱ级17例），高级别胶质瘤51例（Ⅲ级20例，Ⅳ级31例）。男47例，女25例，年龄2～67岁，平均年龄45岁。 2.本组患者均使用美国GE Signa HD3.0T超导型MR扫描仪和头颅8通道相控阵线圈，采用多序列、多方位、多参数成像；且符合磁共振检查安全原则，并签有知情同意书。 3.本组患者均在MRI平扫及增强扫描基础上行DTI检查，DTI采用单次激发自旋回波-回波平面（SSE-EPI）序列成像，DTI行轴位扫描，参数为：扩散梯度场取15个不同方向。本课题着重测量肿瘤瘤体部分、瘤周水肿带与对侧脑白质区的比值得到相对FA（rFA）和相对ADC（rADC）的方法以减少误差。 4.扩散张量纤维束成像使用连续示踪法，选取瘤周毗邻及对侧的纤维束为种子区，FA的阈值设置为0.18，脑白质纤维束评价标准，采用国内通行实用的标准分为三种基本改变形式：移位、浸润和破坏。 5.所有数据采用SPSS15.0软件进行统计分析。所有测量数据以均数±标准差（X±S）表示，统计学方法包括独立样本t检验、配对t检验及两组有序变量资料秩和检验。检验水准α=0.05。 6.手术切除标本经10％中性福尔马林固定，石蜡包埋，连续4um厚度切片，经HE染色光镜下观察，病理级别根据2007年版WHO脑肿瘤国际分类及分级标准进行。结果 1.分为高级别胶质瘤和低级别胶质瘤两组，低级别胶质瘤21例（Ⅰ级4例，Ⅱ级17例），高级别胶质瘤51例（Ⅲ级20例，Ⅳ级31例）。 2.常规MRI平扫和增强扫描均能显示病变的存在，不同级别的脑胶质瘤，信号各有特征。 3. FA图显示：纤维束改变，推移9例，信号未见降低；侵润41例，FA值降低，信号部分降低；破坏22例，信号明显降低。ADC图显示：瘤体45例呈稍高信号或不均匀高低信号，17例呈等信号或低信号，10例呈稍低信号；瘤周水肿66例呈高或稍高信号，6例未见明显水肿带呈等信号；28例坏死囊变区呈高信号。 4.脑胶质瘤组间比较：高、低级别胶质瘤的肿瘤瘤体部分、瘤周水肿带的rFA值差异比较，均无统计学意义(P＞0.05)。高、低级别胶质瘤瘤体部分、瘤周水肿带rADC值差异比较，均有统计学意义(P㩳0.05)。 5.脑胶质瘤组内比较：高、低级别肿瘤瘤体部分rFA值均小于同级别瘤周水肿带rFA值，差异有统计学意义（P＜0.05）。高、低级别肿瘤瘤体部分rADC值均小于同级别瘤周水肿带，差异有统计学意义（P＜0.05）。结论 1.常规MRI扫描结合DTI是脑胶质瘤诊断和分级的有效影像学技术。 2.高、低级别胶质瘤组间肿瘤瘤体区、瘤周水肿带rFA值差异无统计学意义；但高、低级别胶质瘤中，同级别肿瘤瘤体部分rFA值小于同级别瘤周水肿带rFA值，差异有统计学意义。 3.高、低级别胶质瘤组间肿瘤瘤体区、瘤周水肿带rADC值差异有统计学意义，且与肿瘤级别越高，rADC值越低，即呈负相关。 4. DTT和FA图可清楚显示肿瘤与周围白质纤维束的关系，了解功能区及其主要白质纤维束的位置，能直接观察白质纤维束形态上的改变，为脑胶质瘤治疗制定精确的方案、可最大范围、安全地切除肿瘤，降低术后致残率。第二部分磁共振1H-MRS在脑胶质瘤诊断及分级中的应用评价目的 1.在前一组病人的基础上行1H-MRS扫描（除去5例未扫描或扫描不成功患者）。采用1H-MRS成像，对脑胶质瘤瘤体、瘤周水肿带及对侧同层面脑白质的Cho、NAA/Cho、NAA/Cr、Cho/Cr、MI/Cr数值进行定性和定量分析，并初步探讨各数值的诊断价值，以及与病理分级的相关性。 2.联合应用常规MRI扫描，从细胞或分子水平反映脑胶质瘤的微观物质代谢情况，并进行统计学分析，以提高1H-MRS对脑胶质瘤诊断及分级的准确性和判断肿瘤对瘤周组织的侵袭性。 3.旨在运用多种模态MRI技术提高其诊断的准确率，为临床准确诊断、科学治疗提供了客观的依据。方法 1.搜集2010年10月~2013年10月期间资料完整的脑胶质瘤患者67例为研究对象，纳入及剔除标准同前组。其中低级别胶质瘤20例（Ⅰ级4例，Ⅱ级16例），高级别胶质瘤47例（Ⅲ级18例，Ⅳ级29例）。其中男43例，女24例，年龄2～67岁，平均年龄44.6岁。 2.本组患者均使用美国GE Signa HD3.0T超导型MR扫描仪和头颅8通道相控阵线圈，安全性原则和医学伦理原则同前一组。 3.本组患者均在MRI平扫及增强扫描基础上行1H-MRS扫描，1H-MRS检查应用单体素(SV)的点分辨波谱分析法(PRESS)及化学位移选择饱和脉冲(CHESS)水抑制法。成像时间3'48"，水抑制波长98%，带宽5。以轴位T2WI序列为基础，选择病变最大径线的层面为感兴趣区（VOI），获得SV的MRS。 4.波谱分析应用机器自身软件进行相位和基线的校正，并计算各峰的峰下面积；根据化学位移确定各化合物对应的峰面积，以此估算该化合物的浓度；分析各化合物的峰值和比值。 5.使用SPSS15.0软件进行数据统计分析。各组实验结果均以均数±标准差（x s）表示，不同级别胶质瘤Cho、NAA/Cr、Cho/Cr、NAA/Cho、MI/Cr比值比较采用独立样本t检验；高、低级别胶质瘤组内Cho、NAA/Cr、Cho/Cr、NAA/Cho、MI/Cr比值比较采用配对t检验；高、低级别胶质瘤瘤体Lac峰、Lip峰比较采用卡方检验。胶质瘤瘤体Cho/Cr比值与第一部分内容中测得的瘤体rADC值进行相关性分析。以α=0.05为检验水准，P0.05为差异有统计学意义。 6.确定病理结果方法同前一组。结果 1.分为高级别胶质瘤和低级别胶质瘤两组，低级别胶质瘤20例（Ⅰ级4例，Ⅱ级16例），高级别胶质瘤47例（Ⅲ级18例，Ⅳ级29例）。 2. MRI平扫和增强扫描常规MRI检查均能显示病变的存在，不同级别的脑胶质瘤，信号各有特征。 3.胶质瘤1H-MRS特征：Cho峰有不同程度升高，级别越高，升高越明显；NAA峰明显下降，Cr峰相对稳定，MI峰升高；Cho/Cr比值升高，NAA/Cr、NAA/Cho比值下降，Lip峰只见于高级别胶质瘤，Lac峰高、低级别胶质瘤均可出现。 4.组间比较：高、低级别脑胶质瘤的瘤体区和对侧同层面脑白质区的Cho、Cho/Cr、NAA/Cr、NAA/Cho之间比值，差异均有统计学意义(P＜0.05)。高、低级别脑胶质瘤的瘤体区代谢物：Cho、NAA/Cr、Cho/Cr、NAA/Cho、MI/Cr比值之间比较，差异均有统计学意义(P＜0.05)。脑胶质瘤的瘤体区和瘤周水肿带的Cho、Cho/Cr、NAA/Cr、NAA/Cho之间比值，差异均有统计学意义(P＜0.05)。 5.组内比较：Ⅰ~Ⅱ级胶质瘤瘤周水肿带与瘤体区的Cho、Cho/Cr、NAA/Cr、NAA/Cho之间比值，差异均有统计学意义(P＜0.05)。Ⅲ~Ⅳ级脑胶质瘤瘤周水肿带与瘤体区的Cho、Cho/Cr、NAA/Cr、NAA/Cho之间比值，差异均有统计学意义(P＜0.05)。 6.脑胶质瘤瘤体区NAA/Cr、NAA/Cho比值与病理级别呈负相关（相关系数rs分别为-0.429，-0.414；p＜0.01），Cho/Cr比值与病理级别呈正相关（相关系数rs＝0.741，p＜0.01）。 7.高、低级别脑胶质瘤均可见Lac峰，与脑胶质瘤病理级别无关。Lip峰只见于高级别脑胶质瘤中，Lip峰在鉴别高、低级别脑胶质瘤有意义。 8.与第一部分内容进行相关性分析，胶质瘤瘤体部分、瘤周水肿Cho/Cr比值与rADC值相关系数分别为-0.739、-0.712，，脑胶质瘤瘤体、瘤周水肿Cho/Cr比值与rADC值存在负相关。结论 1.1H-MRS是诊断脑胶质瘤的有效补充技术。 2.联合应用常规MRI扫描，1H-MRS能提高脑胶质瘤诊断的准确性。 3.1H-MRS能较为准确的评价脑胶质瘤的分级，从细胞或分子水平反映脑胶质瘤的微观物质生化代谢信息。 4.1H-MRS可以观察脑胶质瘤瘤体、瘤周水肿带的微观物质代谢，尤其是较早预测瘤周水肿带的侵袭情况。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R739.41

【参考文献】