磁共振波谱成像及其在前列腺疾病中的应用

郑入文，代宏亮，孙银屏，谭中建

·全科医生技能发展·

磁共振波谱成像及其在前列腺疾病中的应用

郑入文1，代宏亮1，孙银屏1，谭中建2*

磁共振波谱成像(MRS)作为目前测定活体某一特定组织区域生化改变、能量代谢和化合物定量分析的无创性检查技术，能从分子水平揭示组织器官的病理生理改变。随着3.0 T磁共振的发展，MRS技术发展迅速，应用越来越广泛。本文结合近10年国内外文献，对MRS技术及其在前列腺疾病诊治中的应用价值、前列腺疾病代谢物的特点及检测意义进行归纳总结，以期为相关临床及研究工作提供参考。

磁共振成像；良性前列腺增生；前列腺肿瘤；波谱分析

郑入文，代宏亮，孙银屏，等.磁共振波谱成像及其在前列腺疾病中的应用[J].中国全科医学，2017，20(12)：1500-1505.[www.chinagp.net]

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1.DongfangHospital,BeijingUniversityofChineseMedicine,Beijing100078，China

2.MRIRoom,DongzhimenHospital,BeijingUniversityofChineseMedicine,Beijing100700，China

*Correspondingauthor:TANZhong-jian，Supervisingtechnician;E-mail：tzj_1120@163.com

既往前列腺疾病的研究多采用相关量表的症状评分、影像学的形态检查以及穿刺或手术取材行病理学检查的方法进行诊断或作为疾病变化的依据。超声、磁共振成像(MRI)的检查结果对前列腺疾病的诊断和鉴别诊断缺乏特异性，而病理学检查存在假阴性率高的局限性。20世纪90年代磁共振波谱成像(MRS)技术兴起，从形态和代谢功能上探索前列腺的生理病理变化，达到了MRI和MRS的完美结合。MRS已被广泛应用于健康受试者、前列腺增生(BPH)患者与前列腺癌患者的研究中，为BPH与前列腺癌的鉴别诊断提供了重要辅助依据。本文结合近年来国内外文献，就MRS在前列腺疾病中的应用与发展做一综述。

1 MRS与前列腺相关代谢物的检测

1.1 MRS的发展及其临床应用价值 MRS是在MRI的基础上发展起来的一种新型功能影像分析方法，可无创测定活体内某一特定组织区域的生化改变、能量代谢和化合物定量分析。MRS的基本原理是利用MRI和化学位移作用，进行一系列特定原子核及其化合物的定量分析，后通过曲线表示[1]。不同原子核反映不同化合物的水平，在高场强下这些化合物有不同的化学位移，在磁共振波谱中显示的峰值会有细微变化，水平和峰值的细微变化经磁共振扫描采集并最终量化为数值波谱。数值波谱代表检测区域组织内各类化合物的水平，反映组织细胞的代谢状态。即MRS技术是通过对组织内化合物的定量、定性分析来反映组织生理病理变化的[2]。

近30年来MRS已被应用于人体组织代谢物的研究，特别是对于脑、前列腺、肝脏等的病理诊断。随着3.0 T核磁共振和MRS技术的迅速发展，其应用价值也日渐增大[2]。MRS技术中，三维氢质子MRS是应用最为广泛的技术，其采用水及脂肪抑制成像，体素可小至3 mm3[3]，通常与常规MRI联用，借助多体素波谱扫描技术，对检测区域内的全部体素进行空间编码，一次成像能够显示整个前列腺组织的代谢特征，具有采集数据范围大的优点[4]。在精确显示病变解剖位置的基础上，三维氢质子MRS能显著提高空间分辨率和显示效果，便于比较正常组织和病变组织的波谱图像与代谢特征。

1.2 前列腺的生理基础及MRS相关代谢物的特点 枸橼酸盐(Cit)、胆碱(Cho)和肌酐(Cr)是前列腺MRS检查中最容易观察到的也是最有价值的指标[5]。尽管目前已经对Cit在正常或异常前列腺组织中的代谢特征及分布有所了解，但其生理意义及基因调控机制仍不明确[6]；MRS下Cit化学位移位置在2.6 ppm附近形成高耸的波峰[5]。Cho类代谢物与细胞膜的合成与降解有关，有学者认为Cho类代谢物是由细胞膜降解释放的[5]，MRS下其化学位移位置在3.0～3.2 ppm附近，波峰略低于Cit。Cr在MRS下化学位移位置在3.0 ppm附近形成高耸的波峰，因此Cr与Cho常共峰出现。Cr参与能量代谢，其水平稳定，在前列腺病理改变中变化不大，故常将其作为观察其他化合物水平变化的标志物[7-8]。前列腺中央区含有25%的腺体组织，外周区含有75%的腺体组织，正常前列腺外周区腺体丰富、腺管较多，所以外周区Cit水平明显高于中央区；中央区Cit水平相对于外周区低约57%，但其波峰不应低于同检测区域内Cho类代谢物的波峰[9]。高分辨MRI和MRS的联合检测是诊断年龄增长引起的BPH的首选方法[10]。有研究比较年轻健康人和BPH老年患者MRS波谱特征发现，外周区中Cit、Cho水平间无明显差异，提示年龄与增生病理的变化并未影响前列腺外周区的形态结构及代谢功能的改变[6]。

THOMAS等[11]和LAGEMAAT等[12]均提出利用7.0 T高场强MRS与新序列技术研究前列腺组织，可以分辨出包括Cit、Cho及Cr在内的10种代谢物，因其硬件条件要求较高且缺乏针对多种代谢物的研究，目前尚未应用于临床。

1.3 前列腺疾病的病理基础及MRS检测的相关代谢物特点 BPH主要好发部位是尿道周围腺体区和移行区，合称为中央区。BPH以细胞数量增多为根本特征，早期增生多表现为移行区的间质细胞减少、腺体组织增生、尿道周围腺体区间质增生。前列腺波谱与组织学检测均已证实，上皮细胞数量与代谢物比值间呈正相关关系[13]，增生组织的腺体细胞数量增多，因此Cit水平也高于正常同区域，波谱上Cit波峰可以达到外周区水平[14]。正常和增生的前列腺腺体均有分泌和浓缩Cit的功能，故Cit水平与腺体细胞数量相关[15]。Cho与细胞膜的合成与降解有关，细胞增殖增加了胆碱磷脂前体化合物的水平和Cho类降解产物。BPH病变发展中细胞增殖加快引起Cho水平升高，因此与正常前列腺组织相比，增生组织内Cho水平增高，但BPH中Cho的波峰明显低于前列腺癌组织[16]。

总之，BPH引发了腺体细胞数量增多、组织或器官体积的增大，使细胞分泌和浓缩Cit的能力增加，Cit产生增多，所以Cit的波峰不下降反而升高。前列腺肿瘤细胞的快速恶性增生引起Cho水平异常增高，其波峰可高于Cit的波峰；而BPH组织中Cho的水平较正常组织高，但Cho波峰不高于Cit波峰。

前列腺癌的好发部位为外周区，前列腺癌的病理改变也会引起不同代谢物的水平变化：Cit水平明显降低，Cho水平明显升高。Cit水平降低主要是因为前列腺上皮组织结构的改变，影响了腺管特有的浓缩贮存功能，Cit水平及贮存量下降；另外组织细胞的恶变增殖破坏了正常细胞的功能，导致细胞分泌浓缩Cit的能力明显降低[5]。KOBUS等[13]提出并验证了一个新观点，即前列腺Cit水平下降的原因之一是与肿瘤生长压迫腺管导致腔体缩小有关。前列腺癌代谢物变化的另一特征是Cho水平异常升高。Cho类代谢物水平升高的原因是肿瘤细胞快速增殖[17]，细胞代谢处于活跃状态，与外界环境进行物质交换相对旺盛，所以作为物质交换载体的细胞膜合成与降解活跃，在MRS上表现为Cho波峰异常增高，Cho/Cit、(Cho+Cr)/Cit增加明显[18]。同样有研究发现，MRS显示，外周区肿瘤组织的Cho类代谢物水平高于外周区正常组织[14]。Cr水平在BPH、前列腺癌与正常前列腺组织中无明显差异[19]，Cr化学位移位置与Cho波峰可出现部分重叠，不易区分，因此多与Cho合并计算[20]。观察Cit和Cho类代谢物水平变化可以鉴别前列腺组织的病理性质，由于影响波谱代谢信号强度的因素较多，单独观察某一代谢物水平可能会受其他代谢物化学位移的影响，出现检测值重叠和失准，故而应先进行标准化[21]。不同组织病理变化的(Cho+Cr)/Cit有各自明确的测定参考值，特别是采用MRS检测能够区分前列腺外周区的癌灶与非癌灶，但数据的可重复性有限[9]，有待于进一步研究代谢物水平变化与病变程度的关系。雄激素在前列腺发育和维持正常结构及功能上发挥重要的调控作用。抑制雄激素可以使正常或增生的前列腺上皮细胞发生形态和化学变化，导致细胞增殖抑制或凋亡。有研究表明，在去势治疗后，前列腺正常组织和病变组织的代谢物均呈时间依赖性丢失[22]，但两种组织中代谢物的变化存在一定差异。采用MRI与MRS相结合进行检测，对比检测不同疗程激素剥夺治疗与未经治疗的前列腺癌患者，可以观察到激素剥夺治疗后Cho、Cr及Cit均呈时间依赖性丢失，但Cit降低较Cho及Cr发生得更早、更明显，而且水平降低得更快，导致(Cho+Cr)/Cit增加[23]。已有研究将MRS能检测到代谢物水平差异的特性用于抗癌治疗的评估中[24]。

2 MRS联合T2加权像(T2WI)对前列腺疾病的诊治价值

MRS联合T2WI能够直观地显示前列腺的解剖位置及前列腺组织内代谢物的水平与分布。鉴于前列腺的组织生化基础及代谢特点，可运用MRS对BPH进行代谢波线的检测，显示各代谢物波峰的形态，对各波峰进行定性分析。为了排除检测条件对波谱代谢信号的影响，同时也为了比较不同个体的前列腺代谢物水平差别，国际上通常采用(Cho+Cr)/Cit进行半定量分析[25]。由于BPH与前列腺癌及正常前列腺组织的形态结构和生理病理机制不同，其各类代谢物水平存在差异，不同疾病可以通过定量评价代谢物的方法加以鉴别。

2.1 BPH与前列腺癌的MRS对照研究 MRS能够提供活体组织的生化代谢信息，自20世纪90年代初将MRS应用于前列腺的检查以来，其在BPH与前列腺癌的鉴别诊断中的应用越来越广泛。CASTELLUCCI等[14]已经证实通过检测Cit/(Cho+Cr)变化，MRS能够区分前列腺癌与良性增生组织。MRS可通过观察Cit、Cho波峰及(Cho+Cr)/Cit对前列腺癌的分期进行评价，GIUSTI等[26]发现(Cho+Cr)/Cit与Gleason评分相关。BASHARAT等[27]报道，MRS发现体积Gleason评分为(3+4)分的癌组织较(3+3)分的癌组织中Cit水平明显降低。周良平等[28]报道增生的前列腺组织表现为Cit波峰高耸，(Cho+Cr)/Cit为(0.62±0.19)；而前列腺癌组织表现为Cho波峰升高，Cit波峰下降，(Cho+Cr)/Cit为(2.13±0.82)，提示MRS对前列腺癌与BPH的鉴别诊断具有较高的特异性。MRS联合T2WI技术可以从组织形态及组织代谢物水平方面对BPH和前列腺癌进行无创性影像诊断与鉴别[29]。BPH组织中Cit水平明显升高，而Cho水平较低，与前列腺癌时的MRS改变明显不同[30]，有研究通过测量Cit、Cho、Cr水平及比值来诊断前列腺癌，其特异度为78%、灵敏度为84%[27]。BPH组织病理表现分为两种，一种以腺体增生为主，一种以基质增生为主。以基质增生为主的BPH表现为腺体和腺管组织较少，血管和平滑肌组织较多，同时细胞膜合成与降解较正常前列腺组织活跃，可导致Cit水平降低、Cho水平升高。故以基质增生为主的BPH与前列腺癌的代谢特点类似，加之受干扰因素较多，尤其是在同一病灶中包含两种病变时诊断较为困难[15]，有时还需要结合病理检查以明确诊断[31]。

2.2 BPH与正常前列腺的MRS对照研究 大多数的BPH发生在中央区和移行区[32]，MRI主要表现为前列腺体积增大，移行区增厚，外周区受压变扁，但包膜结构完整。T2WI上多表现为等信号或高信号结节灶，少数为低信号灶或不均匀混杂信号。外周区受压变薄，但表现为正常均匀高信号的特征。MRS联合T2WI检测能直观、三维地显示细小的增生组织结构，得到不同增生部位的局部代谢物的信息。王霄英等[33]研究发现，正常和增生的前列腺组织(Cho+Cr)/Cit分别为(0.51±0.17)与(0.60±0.21)，有明显差异；李岩等[34]对22例BPH患者研究证实，其中增生结节区组织(Cho+Cr)/Cit为(0.70±0.20)，最大值为1.6；正常外周区(Cho+Cr)/Cit为(0.46±0.22)，最大值为0.72；1例无症状的健康体检者外周区(Cho+Cr)/Cit为0.35，以上3组数据间有明显差异。史浩等[35]研究得出，正常外周区(Cho+Cr)/Cit为(0.38±0.16)，正常中央区为(0.39±0.15)，BPH中央区为(0.57±0.20)。李飞宇等[36]根据中央区增生程度分别设定感兴趣区域进行MRS检查，通过对各感兴趣区域(Cho+Cr)/Cit的分析，显示不同的增生组织间存在差异，提出BPH的代谢改变可以用MRS进行定量评价，这与国外报道一致[9]。李飞宇等[36]同时提出通过MRS对前列腺组织成分的定量分析反映增生组织代谢信息，可以指导临床合理选择5α还原酶抑制剂或α受体阻滞剂。张建伟[37]研究显示，多数BPH组织有显著的Cit波峰，仅约4%的BPH组织Cit波峰低于Cho+Cr；但部分患者长期服用中药，提示中药治疗可能会影响MRS的检测结果。

目前国内外关于BPH组织中Cho代谢特点的研究较少，有报道显示，BPH组织中Cho水平较正常前列腺组织中央区升高[9]，正常人与BPH患者外周区的Cit、Cho类代谢物水平以及(Cho+Cr)/Cit无明显差异。BPH组织的中央区腺体上皮细胞的数量与Cit水平相关且明显高于正常年轻人，Cit的波峰可达到外周区水平[13]。说明对病变组织进行MRS定量研究时应根据解剖位置进行分区研究，并采用MRS联合T2WI检测。

2.3 总结 有研究表明各组织中(Cho+Cr)/Cit从高至低依次为：前列腺癌区、BPH、前列腺癌非癌外周区及正常前列腺外周区[38-39]。MRS在前列腺疾病的临床应用中显示出了独特的优势，但临床研究中仍存在BPH病变的特异性、波谱信号的复杂性及研究样本量的不足等问题，故目前国内尚无统一的前列腺(Cho+Cr)/Cit参考值和增生值参考值。为达到满意检测效果，目前临床上往往需要结合平扫、抑脂、匀场及增强序列等技术来选取感兴趣区域。对各种磁共振技术优化组合，必将探索出并完善针对前列腺疾病的MRS的临床应用。

3 3.0 T磁共振及其优势

MRS通过检测活体内组织的代谢物水平变化反映病变，弥补MRI结构成像的不足。随着高场强核磁的发展，其对前列腺疾病的诊治作用已逐渐得到认可。以往的MRS检查大多是在1.5 T 磁共振上使用直肠内线圈进行前列腺扫描，存在如磁场不均匀使得前列腺各部位信噪比有差异的缺陷[40]，易受肠内线圈伪影的影响[41]，肠内线圈操作相对繁琐，患者难以耐受，检查的成功率低而且肠内线圈有较多禁忌证[42]等局限性，故一定程度上限制了其应用。近年来随着临床上3.0 T磁共振推广应用，相比1.5 T磁共振其优点日显突出。

3.1 在信噪比方面3.0 T磁共振比1.5 T磁共振高，3.0 T磁共振更易发现较小病灶 对脑组织和胸腹部器官可以提前半年发现病灶，明显提高了病变的诊断水平，对于提倡及早治疗的疾病给予了充分的治疗时间，提高了治愈率[43]。

3.2 3.0 T磁共振有更快的成像速度 据统计，3.0 T磁共振平均扫描速度较1.5 T快20%～50%[43]，明显减少了患者的检查时间，增加了患者的检查耐受度，使得多期动态扫描、即刻效应下功能成像等技术成为可能。

3.3 3.0 T磁共振有更好的波谱成像效果 高场强、高分辨率带来更显著的化学位移效果，某些物质如谷氨酸盐、伽玛氨基丁酸均能以更明显的化学位移效果区分。同时拥有更快的成像速度，使得频谱成像时间缩短，更能切合临床实际应用要求。

3.4 体部多期动态成像效果有了明显进步 因为3.0 T磁共振高信噪比及成像速度，在体部多期动态扫描上，如对于肝脏组织能够得到满意的动脉早期及动脉晚期的扫描图像。目前已经把3.0 T磁共振的体部扫描作为体部诊断的金标准。

总之，3.0 T磁共振表现在成像速度更快，图像质量更高，能够常规开展波谱分析并能得到和区分更多的代谢物信息，真正做到了多期或即刻扫描。

使用3.0 T体线圈代替1.5 T肠内线圈，对前列腺有更高的信噪比、更高的空间分辨率、更快的成像速度、更明显的化学位移，从而使波谱的分辨率提高，更容易进行波谱成像研究，用体线圈检查，患者舒适度增加，易于接受。据MA等[44]研究报道，其分别应用3.0 T体线圈与1.5 T肠内线圈对前列腺进行MRS检测的结果接近，用3.0 T体线圈可以顺利完成对前列腺的MRS检查并获得满意的效果，临床可行性高。3.0 T高场强、高信噪比完全可以弥补因体外线圈所致的部分信噪比丢失[45-46]。由于3.0 T高场强观察更精细，对变化更敏感，更易受到周围组织的影响，故对检查条件及要求有所提高，检查时感兴趣区域应尽量避开周围组织，检查前嘱患者排尽尿液、排空肠道，准备充分。

总之，前列腺疾病表现可无症状或症状有轻有重，良性增生本身并无多大危害，故出现患者不重视或诊治不及时的情况，但随着增生病情进展，由于其解剖位置特殊，影响排尿功能，有些甚至发展为前列腺癌。前列腺疾病的诊断一直是影像学的难点[31]，相对检查时间长，检查时患者产生自主或不自主的运动，受干扰因素多，价格比较昂贵，对装有心脏起搏器、支架的特殊人群不适合等客观因素影响其在前列腺疾病中的应用与研究，特别是MRS在BPH中的研究国内外报道较少。影像学检查的研究方向是从形态到功能，从宏观到微观，从定性到定量。随着各种功能磁共振技术广泛应用及测量参数、采集图像的进一步标准化，如何用现有的MRS技术精确反映出前列腺疾病的代谢物特性，并指导制定个体化治疗方案及评价治疗效果将成为本研究领域必不可少的一部分[47]。

作者贡献：郑入文进行文章的构思与设计，文章可行性分析，文献收集、整理，撰写论文；代宏亮、孙银屏进行论文的修改，英文的修订；谭中建负责文章的质量控制及审校，对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。

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(本文编辑：赵跃翠)

Magnetic Resonance Spectroscopy and Its Application to Prostate Diseases

ZHENGRu-wen1,DAIHong-liang1，SUNYin-ping1，TANZhong-jian2*

Magnetic resonance spectroscopy(MRS) as a noninvasive technique for the determination of biochemical changes,energy metabolism and quantitative analysis of compounds in a specific tissue in vivo,reveals the pathophysiological changes of tissues and organs from the molecular level.With the development of 3.0 T nuclear magnetic resonance,MRS technology has developed rapidly and applied more and more widely.This paper overviewed the application of magnetic resonance spectroscopy and summarized its application in the diagnosis and treatment of prostatic diseases,the characteristics and significance of detection of prostate metabolites based on the relative literature at home and abroad in recent 10 years,with a view to providing reference for related clinical and research work.

Magnetic resonance imaging；Benign prostatic hyperplasia；Prostatic neoplasms；Spectrum analysis

北京中医药大学东方医院“东方新星”人才培养项目(2015DFXX)

R 697.3

A

10.3969/j.issn.1007-9572.2017.12.018

2016-11-20；

2017-02-15)

1.100078北京市，北京中医药大学东方医院

2.100700北京市，北京中医药大学东直门医院核磁室

*通信作者：谭中建，主管技师；E-mail：tzj_1120@163.com