胶质瘤是最为恶性颅脑肿瘤，病死率高，易复发。尽管手术、化疗、放疗、基因治疗、免疫治疗等治疗方式快速发展，高级别恶性胶质瘤的中位生存期仍仅为15个月左右^[1]。准确地鉴别肿瘤的良恶性不仅对临床治疗选择有决定性作用，而且有助于判断患者预后。以往基于组织血流动力学改变的MR肿瘤分级技术多为需要静脉注射对比剂的动态磁敏感加权成像和动脉自旋标记成像，而基于组织氧代谢变化的MR肿瘤分级技术少见报道。脑组织血氧供应和需求在正常的生理状况下处于动态平衡中，有利于正常功能的维持。氧摄取分数(oxygen extraction fraction，OEF)代表了神经元摄取血液中氧的能力，通常指血液在流经毛细血管网后组织摄取氧的百分比，能在一定程度上反映组织能量代谢的生理状态。诸如急性卒中^[2]、血管狭窄或堵塞导致的慢性缺氧等血液动力学异常的病理状态，脑氧代谢率、OEF等生理指标会出现相应的改变^[3]。活体OEF成像有助于理解生理或病理状态下组织的血氧代谢，便于疾病诊断和治疗疗效监测。PET成像可用于测量病理状态下的OEF，但具有放射性和操作难度大等特点。MRI检查无辐射、无创伤性，然而，目前OEF-MRI技术尚未在临床上常规使用。有学者证实结合GRE和SE的GESSE (gradient-echo sampling of spin echo)进行血氧饱和度测量是可行的，但存在成像时间长和忽略质子弥散引起的信号衰减等局限性^[4]。2003年An等^[5]在SE序列的基础上改变180°聚焦脉冲发射时间和增加弥散梯度获得非对称自旋回波(asymmetric spin-echo，ASE)序列，本文探索基于ASE技术对脑肿瘤的OEF测量研究，并评价病灶区OEF定量指标在鉴别良恶性脑胶质瘤中的应用价值。

1　材料与方法

1.1　研究对象

       经医院伦理委员会批准，本研究以2014年9月到2015年6月在本院拟诊断为胶质瘤的55例患者为研究对象，所有受试对象行MR检查前均获得书面知情同意。纳入标准：(1)首次就诊，手术前未接受放化疗等相关治疗；(2)手术后病理证实为星形细胞瘤；(3)受试对象在MR 750上行ASE-OEF检查，扫描图像无严重头动伪影。依照最终病理学的结果除外少突细胞胶质瘤9例、淋巴瘤3例和未行手术治疗6例及图像资料不全者5例，最终将星形细胞瘤32例纳入最终分析研究，男性18例，女性14例，年龄为13~75 (46.2±16)岁。病理分级参照2007年WHO分级标准，术后病理证实可纳入研究的病例为32例，其中16例星形胶质细胞瘤(Ⅱ级)、5例间变性星形细胞瘤(Ⅲ级)、11例胶质母细胞瘤(Ⅳ级)，将Ⅱ级组归为低级别，Ⅲ、Ⅳ级为高级别。对其中25例病例标本进行了Ki-67染色并计算Ki-67标记指数(labeling index，LI)，以百分数表示Ki-67，LI代表细胞的增殖程度。

1.2　扫描方法

       采用美国GE Discovery MR 750 3.0 T扫描仪，梯度场和梯度切换率分别达到50 mT/m和200 T/m/s，32通道头线圈，扫描时采用仰卧位，头先进；检查时耳朵塞上棉花，保护听力，嘱患者尽量保持头不动。所有患者均行横断面T1WI、T2WI、T2 FLAIR、SE-DWI、对比增强T1WI、ASE-OEF扫描。OEF扫描序列基于单次激发SE-EPI序列，回波时间与SE序列相同，将180°聚焦脉冲与TE/2之间的时间间隔定义为τ，通过不断改变τ值而同时保持TE为常数，从而实现对血流经过毛细血管后的磁敏感效应进行评估。研究中采用的τ值共23个，依次为20、20、20、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39 ms，扫描时间为3 min 30 s。扫描定位复制常规MRI序列定位相，具体参数为：FOV 24 cm×24 cm，层厚5.0 mm，层间距1.5 mm，TR 4000 ms，TE minimum (39.1 ms)，矩阵128×128，NEX为2.0，带宽250，b值取20 s/mm²，四个方向。

1.3　数据处理

       受试对象完成全脑OEF扫描后，原始图像被导入ADW 4.2工作站，采用Functional OEF后处理软件行图像处理。当TE保持为常数时，T2效应可以被忽略掉，OEF的定义公式如下：

       式中，γ是磁旋比，Hct是红细胞比容(0.42)，Bo为主磁场强度，为含氧和脱氧血液之间的磁化率的差异，每单位Hct为0.18。扫描获得的磁共振信号可以用下面的公式描述：S(τ)=ρ(1-λ)•f(λ, σω, τ)•exp(-TE/T2) •g(τ, T1, TR)^[5]。通过对图像数据拟合计算，最终解析得到σω，从而估算出OEF值。

       2名具有丰富诊断经验的影像诊断医生在未知病理结果的情况下，在肿瘤最大横截面的层面手动绘制感兴趣区(region of interest，ROI)，测量肿瘤及对侧正常白质局部氧摄取分数OEF。ROI的放置原则：参考MRI常规扫描序列、增强或DWI序列的基础上判断肿瘤实体部分，尽可能包含肿瘤实体部分；尽可能避开脑室、脑沟、囊变、坏死、出血和大血管。

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1.4　统计学方法

       采用美国芝加哥大学spss 18.0软件包进行统计学处理，定量指标满足正态分布且方差齐性，高低级别比较采用独立样本t检验；采用Pearson相关分析OEF与Ki-67 LI的相关性；采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)评价不同测量者测量结果之间的一致性；ROC曲线评价定量指标的诊断效能，并计算相应的敏感度和特异度；P=0.05为统计学有无差异临界值。

2　结果

2.1　肿瘤常规影像学表现

       高低级别胶质瘤均表现为长T1、长T2信号，伴或不伴水肿灶，低级别胶质瘤可有囊变，高级别胶质瘤部分伴坏死。增强扫描中，16例低级别胶质瘤中表现为不强化有10例，强化有6例；16例高级别胶质瘤中，仅有1例间变性星形细胞瘤不强化，环状强化、实体区不均匀强化等有15例；有无强化在高低级别胶质瘤中的差异有统计学差异(双侧Fisher精确概率法检验P=0.002)(表1)。

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表1  高低级别肿瘤的人口统计学和病理及影像学统计结果
Tab. 1  The statistic analysis of demographic，pathological and radiographic results in high- and low- grade tumor

2.2　OEF在高低级别胶质瘤中的表现

       结果显示，OEF在高级别组明显高于低级别组(图1，图2)；定量测量结果表明二者在高低级别肿瘤中差异具有统计学意义(17.00±2.47、20.46±2.98，P<0.01)(表1，图3)。观察者间一致性分析中ICC=0.89 (95%CI：0.80~0.95)，表明相关结果具有良好的一致性。Ki-67 LI在高低级别胶质瘤中分别为48±54.01、5.8±8.76，差异具有统计学意义(P=0.01)(表1)，Ki-67 LI与肿瘤实体区OEF值的相关分析表明二者存在中等的相关性，相关系数r=0.406 (P<0.05)(图4)。

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图1  男，52岁，术后病理证实为星形细胞瘤Ⅱ级。A：T2 FLAIR表现为等、高信号；B：DWI表现为等、低信号；C：T1增强扫描显示不强化；D：OEF图，可见病灶区OEF偏低，免疫组化染色Ki-67为5%
图2  男，54岁，胶质母细胞瘤Ⅳ级。A：T2WI表现为等、高信号伴周边大片水肿，肿瘤实体可见坏死、液化；B：DWI表现为等、高混杂信号信号；C：T1增强扫描显示不规则强化；D：OEF图，可见病灶区OEF较正常白质区高，免疫组化染色Ki-67为15%
Fig. 1  Male, 52 years old, astrocytoma (Grade Ⅱ) proved by post-surgery pathologic examination. A: T2 Flair with a manifestation of higher signal intensity, B: Diffusion map has shown the unrestricted water molecular diffusion. C: T1+C with no obvious contrast enhancement. D: OEF Map with a distinct decrease of OEF in the lesions, the Ki-67 LI of this patient was 5%.
Fig. 2  Male, 54 years old, Glioblastoma (Grade Ⅳ). A: T2WI has shown the solid part of tumor with iso- or hyper-intense surrounded by enormous edema areas. B: DWI manifested with a mixed signal intensity of iso-/hyper intensity. C: T1+C showed an irregularly enhancement in the solid part of tumor. D: OEF Map displayed an increased OEF value in the lesions, the Ki-67 LI of which was 15%.

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图3  不同级别肿瘤中OEF差异显著(P<0.01)，OEF=19.55时，AUC=0.852，敏感度和特异度分别为81.3%和87.5%，优于增强扫描(AUC=0.781，敏感度和特异度分别为93.8%和62.5%)
图4  OEF与Ki-67 LI相关性。Pearson相关分析显示，肿瘤实体区OEF值与Ki-67标记指数具有中等的相关性(r=0.406，P<0.05)，表明氧摄取分数随着肿瘤增殖活性的增加而增加
Fig. 3  The difference of OEF in low-and high-grade glioma was significant (P<0.01), with a value of 19.55，the AUC was 0.852 with 81.3% sensitivity and 87.5% specificity，better than contrast scanning, the AUC, sensitivity and specificity of which were 0.781, 93.8% and 62.5% seperately.
Fig. 4  Correlation between OEF and LI Ki-67. The Pearson correlation analysis has revealed the media correlation between the value of OEF in the solid part of tumor and Ki-67 labeling index with the r=0.406 (P<0.05), indicating the OEF of tumor increases with the increase of the tumor proliferation.

2.3　定性与定量指标的诊断效能

       本研究中，包括基于肿瘤实体区有无强化的定性指标和基于OEF成像的定量指标在高低级别中均具有显著性差异，ROC曲线分析表明，依据有无强化鉴别高低级别胶质瘤的曲线下面积(area under curve，AUC)为0.781 (95%CI：0.613~0.949)，敏感度和特异度分别为93.8%和62.5%；定量指标OEF在鉴别高低级别胶质瘤的诊断效能优于增强扫描，AUC为0.852 (95%CI：0.712~0.991)，当取阈值为19.55时有最大的诊断效能，敏感度和特异度分别为81.3%和87.5%。

3　讨论

       本研究对基于ASE的OEF成像检测脑肿瘤OEF及其鉴别高低级别胶质瘤进行前瞻性研究，证实非对称自旋回波可用于测量肿瘤实体的氧摄取分数，且OEF值在高低级别肿瘤中具有明显的差异，随着肿瘤级别的增加，肿瘤实体氧摄取分数逐渐增加。此外，肿瘤实体区OEF值与反映肿瘤增殖活性的Ki-67存在相关，能在一定程度上反映肿瘤的增殖活性。

3.1　MR测量的OEF在胶质瘤中的生物学意义

       本研究结果证实OEF可以为鉴别高低级别胶质瘤提供定量的诊断参数，能从分子层面描述肿瘤组织氧摄取的改变，并能一定程度上反映肿瘤的增殖活性。既往研究表明，功能型磁共振可用于无创性鉴别高低级别胶质瘤^[6,7]。高低级别胶质瘤在生长速度、侵袭性和预后上都有明显的差异，二者血液动力学也存在明显的不同，低级别绝对血流定量明显低于高级别高于对侧正常脑组织。低级别胶质瘤生长往往相对缓慢，在相当长的时间里保持相对稳定的状态；肿瘤恶性增殖时，细胞内蛋白合成增加，细胞分裂旺盛，往往需要更多的养分供应。当血液养分不能及时提供足够的养分时，肿瘤组织会发生坏死和产生缺氧的环境，促进局部血管的生成和增加从血液中对氧的获取^[8]。本研究中观察到低级别胶质瘤的OEF明显低于高级别肿瘤的变化规律与上述结果相印证。研究报道肿瘤组织缺氧会诱导HIF-1α表达增加，MRI靶向活检表明HIF-1α免疫组化染色与MRI特征相符^[9]。笔者观察到肿瘤实体区的OEF值与反映肿瘤增殖活性的Ki-67增殖指数具有相关性，影像学指标与病理学分子标记物相关进一步表明OEF能够在分子层面反映肿瘤的分子生物学特性。

       尽管16例高级别胶质瘤OEF平均值高于低级别肿瘤，但有2例常规MRI未见明显坏死的Ⅳ胶质母细胞瘤OEF测量较低，与低级别胶质瘤相近。肿瘤组织OEF值的大小可能与其自身对血氧需求程度有关，Yao等^[8]氧代谢光学显微成像研究证实胶质母细胞瘤早期由于动脉血氧饱和度增加而OEF下降。肿瘤细胞侵袭性生长会破坏血脑屏障，导致对比剂渗漏出血管外，增强扫描表现为强化，既往研究表明肿瘤强化的方式与类型与肿瘤病理分级相关^[10]，本研究结果同样表明肿瘤强化与否在高低级别胶质瘤中存在差异，但低级别胶质瘤同样可以表现为环状强化，具有较低的特异度，而OEF在鉴别高低级别胶质瘤时具有良好的特异度和敏感度。

3.2　基于ASE序列的OEF测量肿瘤氧摄取分数的可行性

       研究结果表明，基于磁共振的ASE-OEF成像技术可用于肿瘤无创性OEF测定。OEF测量大多基于Yablonskiy等^[11]提出的模型，PET成像获得的OEF可用于区分肿瘤与非肿瘤性病变^[12]，相关血流参数有助于预测胶质瘤患者预后^[13]，但PET成像费用较高，操作复杂且具有放射性。含氧血红蛋白具有非顺磁性的特点，动脉血经过毛细血管后去氧血红蛋白增加，而去氧血红蛋白为顺磁性物质，可加快组织T2^*弛豫，导致测量的信号减低。随着研究者对血氧水平依赖(blood oxygen level dependent，BOLD)成像原理理解的深入，磁场不均匀性导致的T2^*弛豫改变在OEF研究领域不断得到重视。国内学者MRI研究观察到慢性单侧颈内动脉和(或)颅内血管狭窄患者脑组织OEF的变化^[14]；国外研究同样证实其可用于检测生理或病理状态下氧摄取分数、脑血流量和氧代谢指数，具有良好的可重复性^[15]。本研究采用ASE-MRI对肿瘤组织OEF测量，发现高低级别胶质瘤之间存在差异，与Tóth等^[9]基于定量Bold效应观测到肿瘤OEF在不同肿瘤级别中的表现结果类似。尽管基于EPI序列采集T2^*信号不可避免的会受到磁敏感伪影的影响，造成OEF图像部分信号丢失，但是ASE序列通过改变SE序列聚焦脉冲的发射时间，实现对组织OEF的测量。此外，ASE序列通过施加微弱的弥散梯度场，抑制了血管内信号的影响，而质子弥散导致的信号衰减在所有回波中保持一致，且保持TE为常数可以将弥散效应降至最低，更有利于对静脉血容量得到更准确的定量OEF值^[5]。

       目前，脑组织OEF值的大小依然尚未统一，既往报道多集中在40%左右，但有部分研究报道为30%左右^[16,17]。最新3.0 T MRI研究表明正常白质和灰质区相对OEF分别为0.6和0.9^[18]，有别于既往报道的0.4，研究表示采用MRI绝对定量相对脑血容量(rCBV)、T2和T2^*仍然存在一定的困难，但标准化、可重复的rCBV、T2和T2^*测量对于获得有意义的相对OEF是可行的。我们观察到对侧正常组织和肿瘤组织的OEF值分别为19.17和18.28，相较于既往的研究报道测量结果偏低。2003年An等^[5]在ASE测量OEF研究中采用b=120 s/mm²，测得正常脑组织的OEF为46.5%。由于磁场中水分子的弥散运动可引起MR信号改变且b值过小可能只能部分消除血管内MR信号的影响，本研究中采用了b=20 s/mm²也许能部分解释差异存在。组织缺氧可能会导致低估OEF值，对定量Bold信号进行校正可能会有助于准确测量OEF值^[19]，但ASE如何能更精确探测OEF有待于进一步探究。

3.3　研究的局限性

       本研究成功地采用ASE序列对高低级别胶质瘤进行了鉴别诊断研究，但仍存在以下不足。首先，纳入的病例不够，其中Ⅲ级胶质瘤仅仅包含了5例，本研究中OEF尚不能区别Ⅲ、Ⅳ级胶质瘤，仍有待进一步补充相关病例进行论证。其次，由于PET检查费用昂贵且具有放射性，本研究未与PET成像进行对照，一定程度上降低了研究的论证力度。

       综上所述，ASE序列能够检测到氧含量较高的动脉血通过毛细血管后的信号改变，可用于无创性测量肿瘤组织OEF值，相关定量信息能准确地鉴别高低级别胶质瘤，且能在一定程度上反映肿瘤的增殖活性，可作为临床无创性肿瘤术前分级的生物学标志物。本研究为基于非对称自旋回波的OEF成像技术在星型胶质瘤应用中的初探，如何获得更加精准的OEF定量指标仍有待进一步开发，OEF的临床应用价值值得期待。