磁共振波谱技术在放射治疗靶区确定及疗效监测中的应用

李兆斌 综述 傅深 审校

上海交通大学附属第六人民医院肿瘤放疗科，上海 200233

磁共振波谱技术在放射治疗靶区确定及疗效监测中的应用

李兆斌 综述 傅深 审校

上海交通大学附属第六人民医院肿瘤放疗科，上海 200233

磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy imaging，MRS）技术是一种无创检查方法，可以提供器官的代谢和生化信息。由于代谢异常通常早于结构变化，MRS可以监测到常规MRI不能显示的异常。在放射治疗中，靶区的确定关系到放射治疗的成败，MRS对肿瘤侵润范围的确定有重要的意义。在对病变进展的观察和治疗后反应评估的同时，MRS还可以提示预后。本文对MRS在放射治疗靶区确定及疗效监测中的应用作一综述。

磁共振波谱； 靶区确定； 预后评价

磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy imaging，MRS）技术是近年来发展成熟的一种无创检查技术，可以提供器官的代谢和生化信息，属于功能影像的范畴。自1984年Koeze等［1］应用31P-MRS以来，MRS得到了广泛应用和发展。1995年，MRS被美国食品及药物管理局正式批准。目前，MRS在临床上广泛应用于肿瘤的早期诊断和评估肿瘤对治疗的反应及放射治疗后的改变［2-7］。本文对MRS在放射治疗靶区确定及疗效监测中的应用作一综述。

1 MRS分类与概况 目前常用的MRS技术包括31P-MRS和1H-MRS技术。前者主要测定磷酸单酯（phosphomonoester，PME）、磷酸二酯（phosphodiester，PDE）、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）和二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）；后者主要测定氮乙酰门冬氨酸（N-acetyl aspartate，NAA）、胆碱（choline，Cho）和肌酸（creatine，Cr）等。功能性影像学的发展不但将对经典肿瘤靶区的确定发挥重要作用，而且由于这些技术可以显示组织的功能代谢状态乃至分子水平的变化，使体外检测肿瘤的放射敏感性成为可能，从而直接导致了新的理论和概念的产生，即生物靶区（biological target volume，BTV）及生物适形调强放射治疗（biological intensity modulated radiation therapy，BIMRT）。生物适形调强放射治疗则是指利用先进的调强放射治疗技术，给予不同的生物靶区不同剂量的照射并最大限度地保护正常组织［8-9］。

2 磁共振波谱 临床上，MRS通常用的序列和定位方法包括深度分辨表面波谱（depth-resolved surface coil spectroscopy，DRESS）技术和点分辨表面波谱（point-resolved surface coil spectroscopy，PRESS）技术、空间分辨波谱（spatially resolved spectroscopy，SPARS）技术、激励回波方法（stimulated-echo method，STEAM）。与脑代谢相关的代谢物主要有NAA、Cho、Cr、乳酸（lactate，Lac）、谷氨酸（glutamic acid，Glu）和脂质（Lip）等。Cr是能量储存和利用的重要化合物，波峰值位于3.02×10 ppm处。在临床实践中，由于Cr被认为是最稳定的代谢物，所以常将其作为内部基准，评价代谢比率［10］。NAA的存在主要基于N-乙酰甲基团，其化学位移约为2.02 ppm。NAA主要存在于神经元内，被公认是神经元的内标志物，其含量多少与神经元及轴突数量有关，反映了神经元的功能状态。NAA的降低甚至消失代表了神经元数量的减少及缺失。Cho是细胞膜磷脂代谢成分之一，反映细胞膜的转运功能。其波峰位于3.2×10 ppm处。其含量与细胞膜的磷脂代谢、细胞密度及细胞增生有关。MRS主要通过Cho代谢的不同来鉴别肿瘤与非肿瘤组织。Cho波峰升高只反映细胞膜分裂增生旺盛。Lac是糖酵解产物，其含量增高常代表肿瘤生长旺盛，且含量高通常预后差。Lac在许多恶性原发性脑肿瘤中增高，其含量与肿瘤恶性程度有关［11］。

与前列腺代谢有关的代谢物主要有枸橼酸盐（Cit）、Cho和Cr等。Cit化学位移位置位于2.6～2.7 ppm，是精液的组成成分。正常和增生的前列腺组织具有分泌和浓缩Cit的能力，因此正常和良性前列腺增生时Cit的浓度较高。前列腺癌时组织分泌和浓缩Cit的能力减弱或消失，因而前列腺癌组织内的Cit浓度明显下降。Cho化学位移位置3.2 ppm，Cr化学位移位置则位于3.0 ppm附近，两者常难以分开，以共峰形式出现。

3 MRS在靶区勾画中的应用 目前断层影像如CT、MRI描述放疗靶区如大体肿瘤靶区（gross tumor volume，GTV）、临床靶区（clinical target volume，CTV）、计划靶区（planning target volume，PTV）时，照射野应完整覆盖PTV并给予均匀的照射剂量，但靶区内癌细胞的分布是不均匀的，放射敏感性存在较大的差异。如果能精确地勾画出肿瘤浸润的范围及肿瘤内对放射线敏感性差的区域，可以给予不同剂量的照射，实现生物调强，为临床提供最佳的治疗方案，真正做到个体化治疗。

由于代谢异常通常早于结构变化，MRS可以监测到常规MRI不能显示的异常。在放射治疗中，靶区的确定关系到放射治疗的成败，MRS对肿瘤侵润范围的确定有重要的意义。颅内肿瘤的侵润范围常超出常规MRI增强所显示的强化范围。在T2WI上环绕肿瘤的高信号区可能代表血管源性水肿、肿瘤的侵润和（或）放疗和化疗所致的异常。要精确的评价肿瘤的侵犯范围，1H-MRS和（或）PWI是必要的［12］。影像学研究显示，脑胶质瘤的解剖成像范围和功能影像所显示的代谢异常范围、大小和形状均不一致，因此，MRI和MRS融合图像不仅可以在三维方向勾画出原发灶的轮廓，还能够勾画出肿瘤可能浸润的范围，提高了靶区的适形精度，有助于提高肿瘤的局部控制率，减少放射性脑损伤的发生，改善患者的生存质量［13］。胶质瘤细胞的增长导致邻近正常神经元的破坏或被肿瘤细胞所取代，从而神经元数量绝对或相对减少，表现为NAA下降和Cho增高。

Croteau等［14］将MRS与形态MRI、Gd-DPTA增强、T2WI和FLAIR比较后发现，MRS在确定边界不清的胶质瘤范围以及肿瘤的浸润程度方面更加敏感，Lip的出现提示恶性度较高。Pirzkall等［15］前瞻性分析了MRS在34例高度恶性脑胶质肿瘤患者放疗靶区确定中的价值，有关MR T2WI所显示病变范围大于MRS所确定的病变范围50%，然而前者并不能完全包括后者确定的病变范围，88%的患者的MRS所显示的范围局部要超出T2WI所显示的范围，最多可以超出28 mm。利用MRS可以减少放疗范围，同时可增加瘤体的照射量，有效的降低放疗并发症的发生。Pirzkall等［16］对30例高分级脑胶质瘤患者术后与放疗前的MRI和MRS进行对比研究，结果发现，MRI无强化的10例患者中，有8例MRS显示代谢活性异常；MRI显示术腔边缘强化的20例患者中，有19例MRS显示的代谢异常范围较增强MRI的T1WI边缘又外扩了8～33 mm。虽然T2WI几乎覆盖了所有的代谢异常区，但MRI无强化的患者中，有6例部分代谢异常区的边缘超出T2WI，术腔边缘强化的患者中，13例部分代谢异常区边缘超出T2WI MRI无强化的患者，结合T2WI和MRS显示的代谢异常区勾画的临床靶区，比参照T2WI勾画的CTV平均增加了13%；MRI有强化的患者，平均增加14%。Kurhanewicz等［17］研究发现，前列腺癌组织内的Cho的浓度比正常组织高，而正常组织和良性增生区的柠檬酸的浓度较高，根据这一变化，可利用IMRT计划对高Cho/柠檬酸的区域给予高剂量的照射。

放疗靶区的确定依靠增强MR T1WI所显示的病变范围，将MRS技术应用于所治疗的患者，若MRS所显示的病灶未超出MRI所显示的病变范围，该组患者局部控制率和生存率均高；反之，局部控制率和生存率均低［18］。这也验证了MRS在临床靶区勾画的正确性。

4 MRS在靶区放射治疗评价中的应用 放射损伤的早期即可出现代谢异常，但却是可逆的。脑部接受40 Gy或更大剂量照射者，1HMRS显示乳酸峰抬高，此时MRI甚至表现为正常。在高剂量放疗后2～4个月出现Cho增高和NAA的降低。放疗后4个月，放射损伤所致的脑坏死和肿瘤复发，常规MRI难以鉴别，如1HMRS显示Cho、Cr 浓度明显升高，则说明肿瘤区有复发，而Cho、Cr、NAA浓度都降低则提示为放疗后的延迟性脑组织坏死。Cho及Lip升高对鉴别肿瘤组织坏死、复发也有重要意义。Schlemmer等［19］研究发现，在肿瘤复发患者中Cho/NAA和Cho/Cr比值升高，Lac峰出现，而具有放射性坏死的患者则显示NAA、Cho和Cr的大幅度降低及0～2.0 ppm之间宽而厚的波峰，这个细胞坏死峰可能由自由脂肪酸Lac和氨基酸组成，反映组织严重缺血和线粒体受损。Zapotoczna 等［20］研究发现利用MRS检测Cho＋Cr/Cit的比值来界定正常前列腺和前列腺癌。肿瘤病灶及周边的Cho显著增高和Cit显著降低可用来与良性前列腺增生及正常前列腺组织相鉴别。

在对病变进展的观察和治疗后反应评估的同时，MRS还可以提示预后［21］。Lin等［22］对15例MR和临床可疑的脑肿瘤患者行MRS检查，结果发现MRS对病理特征及临床预后的判断准确率达96%，从而正确地指导了临床决策和手术方案的制订。Rock等［23］采用MRS来鉴别放射性坏死和肿瘤复发，并在MRS检查后48 h内行立体定向活检证实，Cho/Cr和Lip-Lac/Cho可以用于鉴别肿瘤和坏死组织。Tarnawski等［24］对于恶性胶质瘤，Lac/NAA是重要的预后因子。入组的51例患者中，Lac/NAA>2.0的患者，1年生存率为20%，而 Lac/NAA <2.0的患者，1年生存率为85%。

Schlemmer等［25］报告1例低级别胶质瘤术后放疗患者，MRI发现Gd-DTPA的显著增强，而FDG-PET亦显示肿瘤的恶性进展，而MRS则提示为放射性坏死波谱表现，术后病理及19个月的随访显示MRS的结果正确。斯坦福大学Hunjan等［26］也报告了实施MRS质量保证的研究，其利用一套可以模仿脑组织分辨率（brain-mimicking solutions）的模体进行MRS数据分析，提出了一套确保MRS应用于放射治疗的质量保证程序。在MRS检查中只有掌握各种成像参数与MRS图像质量的各种指标的相关性，并合理地加以控制，才能获得可靠的、高质量的MRS图像。

5 展望 总之，MRS可以在放疗计划的制定和实施过程中更科学地确定靶区的范围，对于肿瘤放疗后的进展观察、反应评估以及预后的评价也有积极的意义。目前，多种功能性影像已取得了很大进展，虽然这些技术尚未常规应用于放射治疗计划，但却有从根本上改变治疗方式的可能性。

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The role of magnetic resonance spectroscopy imaging in tumor volume def i nition and clinic evaluation of radiation therapy

LI Zhao-bin,FU Shen(Department of Radiation Oncology, the 6th Hospital of Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200233, China)

FU Shen E-mail：shen_fu@hotmail.com

Magnetic resonance spectroscopy (MRS) is an advanced medical imaging technique that can provide more accurate physiological and biochemical information than an MRI. MRS has more advantages in displaying abnormal physiological signs than the conventional MRI. A key problem in radiation therapy is the def i nition of the tumor target volume. MRS can def i ne the tumor margin and range as well as predict the immediate response or side effects to radiotherapy. This paper summarized the role of MRS in tumor volume def i nition and clinical evaluation in radiation therapy.

magnetic resonance spectroscopy imaging; target def i nition; prediction

R730.42；R730.55

A

1007-3639(2010)05-0393-04

傅深 E-mail:shen_fu@hotmail.com

2009-08-11

2010-01-19）