Диффузионная куртозисная МРТ в оценке перитуморального отека глиобластом и метастазов в головной мозг

Aim: to explore the opportunities of application of diffusionkurtosis imaging (DKI) for assessment and estimation of diffusion scalar metrics in different locations of peritumoral edema for extra- and intracerebral tumors and in contralateral normal tissue.Materials and methods. 38 patients with supratentorial brain tumors were investigated: 24 (63%) patients with primarily revealed glioblastomas (GB) and 14 (37%) patients with solitary cancer brain metastasis (MTS). MRI was performed on 3.0 T MR-scanner (Signa HDxt, General Electric, USA) with the standard protocols for brain tumor and additional protocol for DKI. The standard protocol for brain tumor included: T1-, T2-weighted images, T2-FLAIR, DWI, T1 with contrast enhancement. Diffusion kurtosis MRI based on SE EPI with TR = 10000 ms, TE = 102 ms, FOV = 240 mm, isotropic voxel size 3 × 3 × 3 mm3, 60 noncoplanar diffusion directions. We used three b-values: 0, 1000 and 2500 s/mm2. Аcquisition time was 22 min. Total acquisition time was near 40 min. This study was approved by Ethical committee of Burdenko National Scientific and Practical Center for Neurosurgery. Parametric maps were constructed for the following diffusion coefficients: mean (MK), transverse / radial (RK), longitudinal / axial (AK) kurtozis; medium (MD), transverse / radial (RD) and longitudinal / axial (AD) diffusion; fractional anisotropy (FA) and a bi-exponential diffusion model coefficients: axonal water fractions (AWF), axial (AxEAD) and radial (RadEAD) extra-axonal water diffusion and the water molecules trajectory tortuosity index (TORT). Normative quantitative indicators were obtained for the six regions of the peritumoral zone as they moved away from the tumor (region 2) to the edema periphery (regions 4–5), as well as in the normal brain on the contralateral hemisphere (C/L) (zone 7). A comparative analysis of these indicators was conducted for cases with GB and MTS. DKI scalar metrics were estimated using Explore DTI (http://www.exploredti.com/).Results. Anatomic MRI (T1 without/with contrast enhancement) for all cases with GB and MTS visualized a contrast enhancement tumor. The peritumoral edema, spreading mainly over the brain white matter, was well visualized on T2-FLAIR. Diffusion kurtosis coefficients decreased in the near peritumoral edema (regions 2–3) and a gradually increased to the edema periphery (regions 5–6). In Region 2, MK in both GB and MTS groups were MKGB(2) = 0.637 ± 0.140 and MKMTS(2) = 0.550 ± 0.046; RK in this region were RKGB(2) = 0.690 ± 0.154 and RKMTS (2) = 0.584 ± 0.051. Differences both MK and RK coefficients in patients with GB and MTS of region 2 were significant (p < 0.001). There were no differences in AK values for GB and MTS in region 2 (p > 0.05), but in regions 3 and 4 differences were observed (p < 0.01). The minimum value of AK in the central edema (regions 3–4) was AKMTS(3–4) = 0.433 ± 0.063 in patients with MTS. The values of MK and RK on the contralateral side in patients with MTS were significantly higher than in the GB group (p < 0.02); MKC/LMTC = 0.954 ± 0.140, RKC/LMTC = 1.257 ± 0.308 and MKC/LGB = 0.829 ± 0.146, RKc/LGB = 0.989 ± 0.282. There was no significant difference for contralateral AK between the groups.Conclusions. We found that DKI scalar metrics are the sensitive tumor biomarkers. It allows us to perform a robust differentiation between the infiltrating GB tumor and purely vasogenic edema of МТS. The obtained results will allow further differential diagnosis of extra- and intracerebral tumors and can be used to plan surgical / radiosurgical treatment for brain tumors.Цель исследования: изучить возможности применения диффузионной куртозисной магнитно-резонансной томографии (ДК МРТ) для оценки перитуморальной зоны вне- и внутримозговых опухолей в разных участках по мере распространения отека от опухоли к периферии, а также нормального белого вещества на контралате ральной опухоли стороне.Материал и методы. В исследовании принимали участие 38 пациентов с супратенториальными опухолями головного мозга: 24 (63%) больных с первично выявленной глиобластомой (ГБ) и 14 (37%) больных с метастазами различных раков в головной мозг (МТС). Диагностические исследования проводилось на магнитно-резонансном сканере с напряженностью магнитного поля 3,0 Тл (3,0 Tл Signa HDxt, General Electric, США) по стандартному для диагностики новообразований протоколу и дополнительно по протоколу ДК МРТ. Стандартный протокол для оценки новообразований головного мозга включал: Т1-, T2-взвешенные изображения, T2-FLAIR, диффузионно-взвешенные изображения (ДВИ), T1 c контрастным усилением в трех плоскостях. ДК МРТ проводились на основе эхопланарной импульсной последовательности спиновое эхо (SE EPI) с TR = 10 000 мс, TEmin = 102 мс, FОV = 240 мм, изотропным размером воксела 3 × 3 × 3 мм3 и набором диффузионных градиентов по 60 направлениям. Измерения проводили для трех значений диффузионных весов (b-фактора): 0, 1000 и 2500 с/мм2. Время сбора данных ДК МРТсоставило 22 мин. Продолжительность всего исследования, включая стандартный протокол, составила 40 мин. Протокол исследования был одобрен этическим комитетом института. Параметрические карты были построены для следующих диффузионных коэффициентов: среднего (МК), поперечного/радиального (RK), продольного/аксиального (AK) куртозиса; средней (MD), поперечной/радиальной (RD) и продольной/аксиальной (AD) диффузии; фракционной анизотропии (FA) и коэффициентов биэкс-поненциальной модели диффузии: доли аксональной воды (AWF), аксиальной (AxEAD) и радиальной (RadEAD) диффузии внеаксональной воды и индекса извитости траектории движения молекул воды (TORT). Были получены нормативные количественные показатели для шести областей перитуморальной зоны по мере удаления от опухоли к периферии отека, а также в нормальном веществе мозга на контралатеральной опухоли стороне (К/Л). Проведен сравнительный анализ данных показателей для случаев с ГБ и МТС. Обработка диффузионных изображений проводилась в среде Matlab и при помощи программного обеспечения Explore DTI (http://www.exploredti.com/). Результаты. Анатомические обзорные МР-изображения (Т1 без и с контрастным усилением) демонстрировали контрастируемую часть новообразования. На Т2-FLAIR-изображениях визуализировались области перитуморального отека, распространяющегося преимущественно по белому веществу мозга. Измерение коэффициентов диффузионного куртозиса по направлению распространения отека от опухоли к границе с неизмененным веществом мозга выявило снижение значений в ближней перитуморальной области отека (области 2–3) и постепенное нарастание к границе отека (области 5–6). В области 2 значения MK в группах ГБ и МТС составили МКГБ(2) = 0,637 ± 0,140 и МКМТС(2) = 0,550 ± 0,046 соответственно; RK в этой области – RKГБ(2) = 0,690 ± 0,154 и RKМТС(2) = 0,584 ± 0,051. У больных с ГБ снижение коэффициентов MK и RK было менее выражено. Отличия обоих коэффициентов у больны х с ГБ и МТС в области 2 были значимыми (p < 0,001). Значимых отличий значений AK для ГБ и МТС в области 2 получено не было (p > 0,05), но в областях 3 и 4 отличия были значимы (p < 0,01). Минимальное значение AK у больных с МТС в центральной части отека (области 3–4) cоставило АКМТС(3-4) = 0,433 ± 0,063. Значения MK и RK в веществе мозга на контралатеральной стороне у больных с МТС оказались значимо выше, чем у группы ГБ (p < 0,02), и составили MKК/Л МТС = 0,954 ± 0,140, RKК/Л МТС = 1,257 ± 0,308 и MKК/Л ГБ = 0,829 ± 0,146, RKК/Л ГБ = 0,989 ± 0,282 соответственно. Для АК значимых отличий в группах получено не было. Заключение. Коэффициенты куртозиса, измеренные в перитуморальной зоне, свидетельствуют о микроструктурных тканевых отличиях в зонах инфильтрации ГБ и чистого вазогенного отека МТС и могут являться биомаркерами инфильтративного отека глиом. Полученные результаты позволят в дальнейшем проводить дифференциальную диагностику вне- и внутримозговых опухолей и могут быть использованы для планирования хирургического/радиохирургического лечения при опухолевых поражениях головного мозга