泌尿外科

前列腺癌MRI新技术与研究进展

作者:佚名 来源:中国临床医学影像杂志 日期:2017-01-04
导读

          前列腺癌(Prostatecancer,PCa)是西方发达国家男性中最常见的恶性肿瘤之一,美国癌症协会(ACS)统计的数据显示,2013年美国PCa新增病例约有233000例,占所有新近确诊为癌症的27%,死亡病例约86930例,仅次于肺癌。尽管我国男性的PCa发病率远低于西方人,但随着影像学检查的普及和进步,特别是MRI技术广泛用于PCa的复查和诊断,其发病率亦呈逐年上升的趋势。

关键字:  前列腺癌 

        前列腺癌(Prostatecancer,PCa)是西方发达国家男性中最常见的恶性肿瘤之一,美国癌症协会(ACS)统计的数据显示,2013年美国PCa新增病例约有233000例,占所有新近确诊为癌症的27%,死亡病例约86930例,仅次于肺癌。尽管我国男性的PCa发病率远低于西方人,但随着影像学检查的普及和进步,特别是MRI技术广泛用于PCa的复查和诊断,其发病率亦呈逐年上升的趋势。

        MRI有着良好的软组织分辨力,有助于很好地显示前列腺的内部结构和周围组织关系,为PCa的诊断和临床分期提供重要依据;MRI又有多方位成像的优势,可多方位及任意角度观察病灶,有助于提高前列腺病灶特别是尖部病灶的检出率。

        近些年来,随着一系列功能成像序列的问世和成熟,MR波谱(MRS)、MR扩散加权成像(MRDWI)、体素内不相干运动扩散加权成像(Intravoxelincoherentmotiondiffusionweightedimaging,IVIM-DWI)、MR扩散张量成像(MRDTI),MR扩散峰度成像(MRdiffusionkurtosisimaging,DKI)、MR磁敏感加权成像(MRSWI)等新技术已逐步用于前列腺疾病的临床诊断和研究,现对PCa的MRI诊断新技术与研究进展综述如下。

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        1.1.T1WI和T2WI

        在影像学上,习惯将前列腺分为腺体部和非腺体部,其中前者又包括外周带、移行带和中央带。T1WI前列腺表现为均质中等信号,上述各带分界不清。T2WI由于中央带和移行带信号相似无法区分,通常统一用中央腺描述,外周带则表现为对称高信号。PCa的发病部位多见于外周带(约占70%),也可发生于移行带和中央带(约占30%)。

        T1WI对PCa与正常前列腺组织很难分辨,T2WI对PCa的诊断意义主要在于外周带癌,表现为正常的外周带高信号中出现低信号缺损区,T2WI对外周带PCa的敏感性较高,但特异性并不高,且单一T2WI对前列腺中央带癌的检出比较困难。

        1.2.动态增强MRI

        动态增强MRI(DCE-MRI)是通过注射钆类对比剂来评价肿瘤血管的一种成像方法。DCE-MRI具有较高的时间分辨率,可以快速、直观地反映对比剂在前列腺的药代动力学特征,在PCa的诊断和分级中都有应用。DCE-MRI在PCa诊断中的应用主要表现为3个方面:

        ①定性分析,即通过对时间-信号强度曲线(Time-signalintensitycurve,TIC)的描绘和分析,帮助良、恶性病变的鉴别诊断。前列腺DCE-MRI的TIC一般表现有速升速降、速升平台、缓升型。

        PCa属于富血供肿瘤,其毛细血管数量增加、新生毛细血管壁结构不完整、血管壁通透性增加,导致对比剂在PCa中“快进快出”,呈现一过性明显强化,TIC表现为“速升速降”型。而前列腺增生(Benignprostatichyperplasia,BPH)组织中的毛细血管数量虽然较正常前列腺组织增多,但其增生血管相对成熟,血管壁构成与正常组织类似,故在TIC上表现为“速升平台型”或“缓升型”。

        ②半定量分析,即基于TIC曲线,利用达峰时间(Timetopeak,TTP)、最大峰值强度(Maximumsignalintensity,SImax)、相对强化峰值(RelativeSImax)、最大强化斜率(Maximumenhancementratio,SImax%)和廓清率(Washout)等参数来进行半定量分析,有研究显示,PCa有更快的TTP、更高的SImax和SImax%,系由于PCa血管内皮生长因子(Vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)表达水平和微血管密度(Microvasculardensity,MVD)均高于BPH所致。

        张莹等在研究中对癌灶、BPH结节和正常PZ的半定量参数两两进行比较的结果显示,除肿瘤与BPH结节SImax%差异水平不显著外,其它各参数之间均有显著差异(P<0.001)。

        ③定量分析,即通过拟合相应的药物代谢动力学模型,经计算后获得容积转移常数(Ktrans)、速率常数(Kep)、血管外细胞外容积分数(Ve)等,然后再对这些反映肿瘤灌注情况的参数进行定量分析。李春媚等研究显示,PCa癌区的Ktrans、Kep、Ve值均高于前列腺外周带非癌区,其中PCa癌区的Ktrans、Kep值又高于中央腺体非癌区,但PCa癌区与中央腺体非癌区Ve值之间无显著差异(P>0.05)。

        虽然已有很多研究结果显示,DCE-MRI定量参数对于PCa诊断具有重要价值,但癌组织和非癌组织之间的参数差异仍有交叉。有学者认为,外周带癌区和中央腺体的Ktrans和Kep值有部分重叠,也有学者认为,Ve值在Pca癌区、正常外周带和中央腺体之间差异无统计学意义。有部分研究显示,DCE-MRI的部分参数与PCa的分级分期具有相关性。

        Chen等对53例PCa患者的研究显示,癌组织的廓清率明显低于正常的前列腺外周带和中央腺体,且与其Gleason评分间有一定的相关性。刘会佳等研究认为,PCa区的Ktrans值与Gleason评分呈正相关,提示Ktrans值可用于评估PCa的恶性程度。但也有研究表明,Ktrans、Kep、Ve值与Gleason评分均不具有统计学差异。这些还有待于更进一步的研究。

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        2.1.MRS

        MRS能够无创性提供活体组织代谢的生化信息,该技术于1996年由Khrhanewicz等应用于前列腺疾病的研究。MRS能够检测前列腺组织中枸橼酸盐(Citrate,Cit)、胆碱(Choline,Cho)、肌酸(Creatine,Cre)的浓度改变,有研究表明,在正常的前列腺液中含有极高浓度的Cit,正常以及增生的前列腺组织能够分泌并浓缩Cit,而PCa破坏正常前列腺的腺管结构,极大地减低其分泌和浓缩Cit的能力,故可以导致Cit浓度的大幅下降;Cho的浓度高低,可以反映细胞膜合成与降解的活跃程度,PCa的组织细胞增殖速度加快,细胞膜的合成与降解更加活跃,所以PCa组织中Cho的浓度会高于正常的前列腺组织,PCa所引起的这些生化改变,为MRS用于前列腺良恶性病变的鉴别诊断奠定了理论基础。

        当前国内、外对于应用MRS的(Cho+Cre)/Cit值(即CC/C值)诊断PCa的研究已比较深入。Scheenen等通过对99例PCa患者和10例正常志愿者的CC/C值,得出PCa的CC/C值中位数是0.68;王霄英等提出以正常中国老年人前列腺外周区CC/C值加3倍标准差(即CC/C值>0.99,作为诊断标准,并在其研究中以此为标准,结果显示该标准用于鉴别PCa区与非PCa区的敏感性、特异性和准确性分别为96.0%、94.7%和95.1%。

        虽然MRS对PCa有着良好的诊断效能,但多数研究仍显示PCa癌区与非癌区的CC/C值仍有不同程度的重叠,故而很多学者并不局限于单纯比较MRS与其他功能序列的诊断效能,而是在比较的同时,将MRS与其他的功能MRI序列联合起来,以期提高PCa的诊断水平。目前已有较多MRS联合DWI用于PCa的研究。Yamamura等[19]研究显示DWI的敏感度及特异度均显著高于MRS,两者联合后的特异度显著高于单独的DWI、MRS,同时敏感度仍较高,提示两者联合更有利于PCa的诊断。

        Li等研究亦证实,在前列腺外周带良恶性病变的鉴别中,联合应用ADC值与CC/C值较单独应用二者之一具有更高的诊断效能。MRS联合DTI用于PCa诊断的研究较少,周红俐等联合MRS和DTI,分别对外周带的PCa和中央带的PCa进行分析,结果显示,两者联合对外周带癌的诊断能力较单独DTI、MRS明显提高,但在对中央带癌的诊断上其能力与单独的MRS相似。同时,研究结果还显示,MRS联合DTI在外周带和中央区均获得很高特异度,分别为96.5%、96.4%,高于单独的MRS、DTI;而单独的DTI或MRS则有着较高的敏感度,分别为98.8%、98.3%。

        2.2.DWI

        DWI是一种反映水分子扩散特性的磁共振功能成像技术,可以对活体组织中水分子的布朗运动情况进行成像和测量。在DWI序列上,正常的前列腺组织信号减低,而在PCa组织中,正常的前列腺组织被破坏,取而代之的是体积小、排列紧密、核浆比高的肿瘤细胞,其间少有空隙,导致癌组织内水分子扩散明显受限,在DWI图像上表现为相对于正常组织的高信号。

        但是,由于组织的水扩散率并非影响DWI信号强度的唯一因素,如血流灌注或呼吸运动等生理活动引的水分子运动也可导致DWI信号的减低,因此引入了表观扩散系数(ADC)这一参数,更客观地反映水分子扩散受限情况,ADC值越低,则说明水分子扩散越受限。另外,DWI图受阅片者经验影响,且局限性癌灶对组织的破坏较少时引起的信号差别有限,因此临床上常结合DWI图和ADC值对PCa进行评估。

        多数研究显示,PCa的ADC值低于正常的前列腺组织,二者的差异具有统计学意义。研究表明,DWI对PCa的诊断、术前评估和疗效评价均有重要价值。Chen等通过Meta分析评价DWI作为单一的检测PCa的方法的诊断效能,结果显示DWI可以为PCa的诊断提供丰富的信息,并表现出较高的准确性。Lawrence等研究表明,DWI和ADC图作为常规T2WI的补充,可以提高PCa被膜外侵及的准确性,对术前评估具有指导意义。Rud等通过对42例体外放疗后复发的PCa患者的研究表明,DWI对PCa放疗后复发的诊断具有高度敏感性(95%)。

        b值的选择对DWI有着重要的意义。b值越大,DWI的扩散权重越大,图像的信噪比越低,图像质量越差;b值越小,扩散权重越小,图像越接近T2图像。Wetter等的研究显示,当b值为0~1500、0~2000s/mm2时,DWI图的对比率(Contrastratio,CR)高于b值为0~800s/mm2或0~1000s/mm2,而ADC图的CR值在不同b值下并无明显差异。Wang等通过对40例PCa患者不同b值下(b=1000、1500、2000s/mm2)DWI图和ADC图比较发现,当b=1500s/mm2时,DWI图和ADC图有着最高的CR和信噪比(Signal-to-noiseratio,SNR)。

        Katahira等研究认为,联合应用T2WI和DWI(b=2000s/mm2)较单一的T2WI、联合应用T2WI和DWI(b=1000s/mm2)有着更高的诊断效能。综上,多数研究认为,高b值(b>1000s/mm2)更有助于PCa的诊断,但具体b值的选取尚无统一的标准。

        2.3.DTI

        DTI是在DWI的基础上发展的新的磁共振功能成像序列,通过施加6个以上非线性方向的扩散敏感梯度场而获得的扩散张量图像。目前,DTI已被广泛应用于中枢神经系统,并逐渐应用于腹部研究。DTI可提供定量ADC值、各向异性分数(Fractionalanisotropy,FA)值,从分子水平反映前列腺纤维结构及病理生理变化,其中ADC值可用于反映水分子扩散的受限程度,FA值可用于反映水分子扩散的各向异性,FA值大小与扩散异性程度呈正相关(取值为0~1)。

        另外,通过数据的后处理可以获得纤维示踪(Fibertractography,FT)图,在FT图上,前列腺沿X、Y、Z轴方向走行的纤维束可表现为不同的颜色,FT图可初步反映前列腺组织内纤维走行的特点,不同区域的前列腺组织的纤维排列疏密不同,用以直观地显示前列腺组织内纤维组织走行的特点。

        Park等研究显示,PCa灶的ADC值低于前列腺间质增生和腺体增生,且前列腺间质增生的ADC值低于腺体增生;PCa的FA值高于前列腺间质增生和腺体增生,且前列腺间质增生的FA值高于腺体增生,其差异均具有统计学意义。巩涛等报告PCa癌区ADC值及FA值均与其Gleason评分呈负相关关系。王锡臻等对PCa和BPH病灶FT图的观察认为,PCa癌区纤维排列不均匀,局部可中断,BPH显示正常较前列腺组织紧密且走行紊乱。但是,目前DTI在前列腺疾病的研究中依然存在一定的问题。

        一方面,在FA值的研究中存在明显争议。在正常前列腺的研究中,不同学者对前列腺中央腺体和外周带的FA值的研究结果存在差异,Bengi等采用PhilipsInteraAchieva3.0T设备对健康志愿者前列腺中央带和外周带的研究显示中央腺体的FA值明显高于外周带,而Manenti等认为前列腺中央带和外周带的FA值差异并无统计学意义。这一争议在PCa的研究中依然存在。Bengi等认为,PCa的FA值高于前列腺炎和正常前列腺组织,Manenti等认为,PCa的FA值低于正常前列腺组织。

        另一方面,由于FT图在应用的过程中,不能提供定量测量的指标,易受观察者经验等主观因素的影响,使其具有一定的局限性。

        2.4.IVIM-DWI

        Bihan等于1986年提出了IVIM的概念,其理论基础在于DWI组织信号衰减原因的复杂性,即在活体组织中感兴区内,DWI信号的变化不仅来自于水分子随机布朗运动的改变,还有微循环毛细血管灌注的影响。扩散敏感梯度因子(Gradientfactor)又称b值,在不同的b值下,水分子在扩散运动时的自由度会相应变化。普遍的观点认为,在较低的b值下(0~200s/mm2),DWI信号对局部毛细血管内水分子的灌注效应更为敏感;在较高的b值下(200~1000s/mm2),DWI信号基本反映的是纯水分子的扩散运动。

        IVIM应用双指数模型,利用DWI信号衰减与b值的关系,通过多个b值的DWI进行图像采集和数据分析,可以获得多个参数:①灌注分数(Perfusionfraction,f)表示局部微循环所致的灌注效应占总体扩散效应的容积比率;②假性扩散系数(pseudodiffusioncoefficient,D*)表示局部微循环的灌注所引起的扩散效应;③扩散系数(D)表示局部纯水分子的扩散效应。

        应用IVIMDWI序列,可以在不使用对比剂的情况下,同时获得组织的扩散和灌注信息,特别适用于肾功能受损或严重过敏不能注射钆基对比剂的患者。但是,现阶段将IVIMDWI应用于PCa诊断的研究较少,且研究结果也存在争议。

        第一,为了获得更为准确的IVIM参数,选择一个应用于前列腺研究的合适的b值范围具有重要意义,但对此尚无统一的结论。第二,不同学者对于前列腺良、恶性病变的IVIMDWI参数的研究结果依然存在争议。Pang等采用4个不同的b值组合的IVIM对PCa癌区和正常前列腺组织的研究结果显示,PCa癌区的D值低于正常前列腺组织,PCa癌区f值则高于正常前列腺组织,其中关于D值的研究结果与多数学者的研究结果相同,但也有部分学者的研究认为,PCa癌区的f值低于非癌区,这有待于更深入的研究。

        综上,IVIM-DWI可以在无创的前提下,反映病变的扩散和灌注情况,可为PCa与前列腺良性病变的鉴别提供重要信息,具有良好的临床应用前景。

        2.5.DKI

        由于人体局部组织微观结构的复杂性,水分子的扩散呈现非正态分布,Jensen等于2005年提出了一种新的非高斯分布的扩散模型-扩散峰度模型。DKI能够更为客观地量化非正态的水分子扩散,进而间接反映局部组织内微观结构的变化。另外,DKI通过成像公式将二阶张量转变为四阶张量,并引入高阶张量特征值这一概念,解决了DTI无法解决的多神经纤维交叉问题。

        DKI技术可以提供多个量化参数,如平均峰度(Meankurtosis,MK)、FA、平均扩散率(Meandiffusivity,MD)等。DKI技术的临床研究以神经系统为主,在阿尔茨海默病、帕金森病、胶质瘤分级等方面均有较多研究。近年来,部分学者尝试将DKI技术用于PCa的诊断和Gleason分级,取得了一定的成果。Tamura等对20例患者(24个PCa灶,41个增生结节,20个良性外周带)的研究显示,PCa和间质性BPH的K值明显高于良性外周带组织(1.19±0.24、0.99±0.28与0.63±0.23,P值均<0.001),PCa病灶的K值较BPH病灶的K值有增高的趋势,但二者的差异并无统计学意义(P=0.951)。

        Suo等研究显示,PCa的D值低于外周带组非癌区,而PCa的K值高于外周带非癌区,其差异均具有统计学意义,在Gleason评分6、7与≥8分的前列腺病灶之间,K值差异显著,且K值与Gleason评分之间具有相关性(Pearson相关系数r=0.729,P<0.001)。这些初步的研究表明,在PCa病变的发现、良恶性病变的鉴别诊断及肿瘤分化程度的评级方面,DKI技术可以为临床提供更为丰富的信息,随着研究的深入,有着更为广阔的应用前景。

        2.6.SWI

        SWI是根据不同组织间其磁敏感性不同,进而产生对比增强的磁共振成像技术。生物组织在外磁场的作用下会相应地产生感应磁场,而感应磁场的性质取决于外磁场的强度和组织分子的磁敏感性。不同物质在同一外磁场作用下的磁化强度不同,即呈现为不同的磁敏感性,而不同组织间或者同一组织在不同的病理、生理条件下,其磁敏感物质的含量和分布会有所差异。

        血液中的血红蛋白含有丰富的铁离子,其存在形式的改变是引起人体组织磁敏感变化的主要原因。无论是顺磁性物质还是反磁性物质,均可对局部磁场产生影响,进而影响质子的自旋频率,在SWI序列提供了一个足够长的TE,使不同组织中自旋频率不同的质子产生明显的相位差别,而在相位图上得以区分。SWI正是在传统GRE-T2*WI的基础上,采用全新的长回波时间和新的3DGRE序列(在3个方向上均有流动补偿的完全流动补偿技术),放大组织间的磁敏感差异,使磁敏感效应的敏感性最大化,同时获得组织的幅度图像(Magnitudeimage)和相位图像(Phaseimage),并通过复杂的后处理过程,将幅度图和相位图进行重组,获得磁敏感加权图像,再进一步通过最小密度投影(MIP)显示完整的静脉血管结构。

        相关研究证实,PCa组织产生更多的血管内皮生长因子(VEGF),导致癌组织的新生毛细血管数目明显多于正常的前列腺组织或良性的前列腺病变。新生不同于其他成熟的血管,其分支较少并且有着较高的脆性和通透性,因此癌症组织更容易发生微量的出血和渗血,使得癌组织中有更多的含铁血黄素沉积。前列腺钙化在正常人中即很常见,有相关研究表明,小的、多发的钙化是很正常现象,大的钙化常预示炎症可能,并需要评估和治疗。

        目前尚无PCa与钙化出现相关性的报道。因此,前列腺病变中含铁血黄素的沉积与小钙化灶的检出对于前列腺病变良恶性的鉴别有着重要意义。常规MRI序列对于微量出血所致的含铁血黄素沉积与钙化很难鉴别,CT检查虽然对钙化的判断有着较高的敏感度和特异度,但却对微量出血特别是陈旧的微量出血并不敏感。在SWI序列中,因为逆磁性的钙化和顺磁性的含铁血黄素在相位图上表现出相反的信号,所以很容易区分。

        Bai等对23例PCa患者和53例BPH患者的研究结果显示,SWI诊断出19例瘤内出血,常规MRI诊断出7例,CT诊断出0例,可见SWI可以为PCa的诊断补充重要信息,有助于PCa和BPH的诊断及鉴别诊断。MRI新技术在PCa诊断中的广泛应用,成为MRI常规扫描序列的重要补充,在无创的前提下,提供病变水分子扩散、血流灌注、物质代谢及生化成分改变等信息,通过一系列的半定量、定量数据分析,能够为前列腺疾病的诊断及鉴别诊断、分级、疗效及预后评估提供重要信息,但由于不同疾病在同一功能序列中的表现有一定的重叠之处,故而联合常规序列及多种功能序列进行综合诊断成为研究的一大方向,随着相关研究的进一步深入,MRI功能成像技术定会拥有更为广阔的应用前景。

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