合成磁共振成像在肿瘤诊断中的应用价值

肖 艳 综述,彭正伟 审校

重庆医科大学附属璧山医院/重庆市璧山区人民医院放射科,重庆 402760

合成磁共振成像(SyMRI)是一种全新的定量磁共振成像技术,一次扫描即可得到多种对比度加权图像,同时可量化横向弛豫时间(T2)、纵向弛豫时间(T1)和质子密度(PD)[1]。基本的SyMRI序列包括常规的T1加权成像(T1WI)、T2加权成像(T2WI)、质子密度加权成像(PDWI)、液体衰减反转恢复序列(FLAIR)、短反转时间反转恢复序列。随着定量磁共振成像(MRI)技术的不断发展,SyMRI在临床上的应用也日益广泛。目前,SyMRI已经被广泛应用于中枢神经系统疾病的诊断及脑部发育的研究中,近年来也有应用于前列腺癌、乳腺癌和直肠癌等肿瘤诊断中的研究报道[2-4]。本文就SyMRI在肿瘤诊断中的应用价值综述如下。

1 SyMRI的基本原理及优缺点

SyMRI是一种多回波信号,利用涡轮自旋回波来读出饱和恢复参数,可对弛豫时间和PD进行量化,从而获得感兴趣区组织的定量参数值[5]。SyMRI通过测量定量参数对疾病进行微观的客观评估,包括T1、T2及它们的反弛豫率R1 (1/T1)、R2(1/T2)和PD的绝对定量。SyMRI既能通过调整扫描参数,如重复时间、回波时间等重新合成各种图像,还能通过T1、T2和PD值重新优化图像[6]。SyMRI图像采集时可能出现运动伪影,该缺陷在一定程度上可以通过绝对定量MRI扫描和图像校准来弥补,而扫描技术相关的缺陷可以通过合成图像减少[7]。

SyMRI一次扫描即可得到多种对比度图像,只需要4～6 min就能完成弛豫时间的测量及合成图像的重建,与以往的弛豫时间定量技术,如T1-mapping、T2-mapping相比,SyMRI大大缩短了整个扫描时间,同时避免在不同的序列单独测量T1、T2值,成像及测量具有较好的可重复性[8]。GRANBERG 等[9]探讨了SyMRI对脑成分体积测量的可重复性,该研究显示各参数(脑容量、颅内体积、脑实质分数和脑灰质分数)测量的可重复性好,以脑容量及脑实质分数的重复性最佳。SyMRI测量重复性误差低于FreeSurfer、SPM等其他MRI图像后处理和分析软件。WEST等[10]的对比研究显示,SyMRI在1.5T测量结果的重复性略高于3.0T,研究者分析原因可能与影响R的区域组织组成的差异导致R1、R2值的变化相关。因为1.5T MRI的R1或R2值动态范围较高,导致更明显的组织间信号分离,另外,3.0T系统中的MR头线圈稍大,允许的运动较大,可能导致更大的运动伪影,是可能影响重复性的另一因素。HAGIWARA等[11]的研究显示,对于斑块的检测,SyMRI优于常规MRI。然而SyMRI观察者间的一致性相对较低,原因可能是观察者对SyMRI图像较生疏。MENG等[12]采用部分切片、单切片、三切片和全病变4种不同ROI放置研究其对鼻咽病变SyMRI定量参数测量的影响,发现鼻咽病变的T1、T2和PD值在不同类型的ROI之间没有明显差异。

2 SyMRI在肿瘤诊断中的应用价值

组织成分的变化引起SyMRI定量参数值改变。同一磁场强度下,影响组织T1、T2和PD值的主要因素有顺磁性物质、组织中水分子含量及分子的随机运动等[13]。肿瘤组织的T1、T2及PD值与正常组织存在差异奠定了SyMRI定量评估的基础。孟铁豹等[2]发现前列腺癌的T1值[(1 251.60±115.90)ms]和T2值[(77.07±4.49)ms]明显低于正常前列腺组织的T1值[(2 530.30±551.30)ms]、T2值[(190.02±60.69)ms],差异有统计学意义(P<0.001)。定量病变组织的 T1、T2 值有利于提高诊断的灵敏度。

对比剂增强MRI是评估肿瘤与周围组织关系的重要检查方法,常用于肿瘤术前诊断和分期。HAGIWARA等[14]利用对比剂增强SyMRI评估脑转移瘤,认为合成T1IR图像的平均病变白质对比度和平均对比度明显高于合成T1W和常规T1IR图像,但检测脑转移的效能基本一致。关于增强SyMRI对脑膜病变诊断价值的研究结果显示,SyMRI常规增强T2 FLAIR序列图像对比度优于对比剂增强型T1序列图像[15],SyMRI对脑膜病变的灵敏度优于常规MRI[16]。MAEKAWA等[17]研究发现,SyMRI定量参数值(T1、T2及PD值)在注射对比剂后均降低,这有助于增加WM测量体积而减少GM体积,认为对比剂增强可能明显影响脑组织体积测量,提醒应用SyMRI进行脑肿瘤诊断的影像科医生应更加谨慎。

近年来,随着MRI技术的飞速发展,多模态磁共振在肿瘤中的应用不断增多,弥补了单模态磁共振缺陷,为疾病诊断提供了更多的影像学依据。车树楠等[18]对43例乳腺良恶性肿瘤进行研究,测量ADC,增强前参数T1 pre、T2 pre及增强后参数ΔT1、ΔT2,结果显示良性组的各参数值均高于恶性组,增强前T1 pre的ROC曲线下面积(AUC)为0.869,高于ADC的0.806,诊断效能最高的是增强前T1 pre值,T1 pre和T2 pre 结合在一定程度上可以提高诊断的效能。SUN等[19]报道显示,具有 DCE-MRI、ADC和SyMRI 的多参数MRI模型在评估BI-RADS 4类病变中的可靠性最高,优于SyMRI及SyMRI联合ADC的多模态模型。CAI等[20]的研究发现,ADC平均值对膀胱癌具有最佳诊断效能,当SyMRI定量参数与ADC值相结合时,膀胱癌诊断效能并没有明显改善,可能是高级别膀胱癌组织细胞更密集,极大地限制了水分子的扩散,导致ADC值较低,而该研究样本量小,所纳入高级别病例数多于低级别病例数,有待大样本进一步研究。

3 SyMRI在肿瘤鉴别诊断中的作用

肿瘤的细胞组成和微观结构的差异影响组织的磁化特性,决定SyMRI定量参数值的变化。不同肿瘤之间细胞体积大小不同,且细胞间隙内成分如浆细胞、坏死物等不同,导致细胞外自由水含量高低存在差异,T1、T2也不同,测量值有助于肿瘤的鉴别诊断。高微波等[21]探讨了SyMRI对乳腺良恶性病变鉴别诊断的价值发现,良恶性病变的PD值分别为87.0(72.7,96.7)、73.5(63.3,79.4)pu,T2值分别为103.0(93.0,126.0)、83.0(77.0,90.0)ms,PD、T2差值比较,差异有统计学意义(P<0.05),而T1差值比较,差异无统计学意义(P>0.05),研究结果与MATSUDA等[22]的报道不一致,原因可能是样本缺乏多样性,对研究结果造成偏倚,待增加样本量及多样性进一步研究。CHEN等[23]的研究比较了志愿者纤维腺瘤组织与浸润性导管癌组织在3.0T的T1值,差异无统计学意义(P>0.05)。另有研究报道,T1、T2值2个定量指标均可以用于乳腺良恶性肿瘤的鉴别,T1值的诊断效能较T2值高[4],分析原因可能为T1是将质子团内能量转移到外部所需的时间,取决于周围分子的运动频率,坏死相关的细胞外大分子在乳腺癌中更丰富,故T1值较长,结合T1、T2值可以进一步提高诊断的准确性。T1值在乳腺疾病诊断中的价值在前述两项研究中结论不同,分析影响因素可能为纳入的研究对象不同。CAI等[20]发现,高级别膀胱癌的T1、T2、PD和ADC值均低于低级别膀胱癌,差异有统计学意义(P<0.05)。对于前列腺癌而言,T2和PD值鉴别中/高级别(HG,Gleason评分≥7分)和低级别(LG,Gleason评分≤6分)病灶的性能与ADC值类似[24]。SyMRI定量参数测量值对鉴别良恶性肿瘤及判断肿瘤分级有一定价值,可能是一种评估肿瘤组织学分级的潜在非侵入技术。

4 SyMRI在评价肿瘤患者疗效及预后中的作用

肿瘤的细胞数目和微环境在治疗前后发生变化,导致 T1、T2值改变,评价肿瘤治疗前后 T1、T2 值变化在疗效评估中有重要意义。LESCHER 等[25]的研究探讨了SyMRI监测贝伐珠单抗治疗复发性胶质母细胞瘤进展的价值,显示进展期患者T1值的改变早于肿瘤体积的增大,故较传统增强T1加权图像而言,T1能更早地监测肿瘤进展,表现为T1延长,认为定量弛豫时间可能是抗血管生成治疗下监测患者肿瘤进展的有效方法。HATTINGEN等[26]的研究对18例复发性胶质母细胞瘤患者进行SyMRI扫描,发现贝伐珠单抗治疗前T2值在增强性肿瘤和非增强性肿瘤中比较,差异无统计学意义(P>0.05),治疗开始后T2值明显减少,在第一次减少后,定量值在随访期保持相对恒定,肿瘤进展时,非增强性肿瘤的T2值明显低于恒定值,T2值的变化程度可能是预测总生存期的早期反应参数。肿瘤周围水肿是临床上评估胶质瘤预后的参考指标之一,BLYSTAD等[27]利用SyMRI对24例疑似恶性胶质瘤周围水肿进行定量分析,测量RI、R2和PD,发现R1、R2随着与肿瘤对比剂增强边缘距离的增加而减小,意味着更接近肿瘤的区域治愈时间更短,可检测常规MRI图像上未可视化的组织变化,可反映肿瘤周围水肿情况。

准确评估肿瘤患者的淋巴结状态对个体化治疗至关重要,也是预测局部复发和总生存期的重要因素。SyMRI的定量参数提供了超越形态学特征的组织微环境信息。淋巴结中游离水和结合水的含量决定T2值的长短,转移淋巴结结合水含量较多。GE等[4]的研究显示,直肠癌患者转移淋巴结与良性淋巴结T2值差异有统计学意义(P<0.05),前者明显降低,认为T2值有助于鉴别直肠癌中的转移性和非转移性淋巴结,诊断效能和再现性均优于ADC值。ZHAO 等[28]探讨了SyMRI直方图参数在直肠癌淋巴结转移预测中的价值,发现T2图谱的最大值和峰度,PD图谱的最大值和方差,以及PD图谱的方差均能预测淋巴结转移,与传统的形态特征和化学位移效应评估方法比较,SyMRI能明显提高术前直肠癌相关淋巴结转移的预测性;另外T1图、MRI上的壁浸润是淋巴结转移的重要预测因子。

前列腺癌最容易发生骨转移,转移模式复杂[29]。复杂的转移扩散模式和前列腺癌的耐药性发展,导致每个去势抵抗性前列腺癌转移部位在治疗敏感性方面可能存在异质性。前列腺癌治疗过程中存在进行性骨转移与诱导硬化的不可存活骨转移,成像标志物的建立对准确评估个体病变的治疗反应至关重要。ARITA 等[30]利用SyMRI评估骨转移治疗过程的变化,发现PD值在活动性骨转移病变组织、无硬化且无活性的骨转移病变组织及正常红骨髓间差异有统计学意义(P<0.001),而T1、T2值差异无统计学意义(P>0.05)。活动性骨转移病变的PD值明显升高,存在硬化但无活动性骨转移病变组织中的PD值明显降低。PD值能够早期发现前列腺癌隐匿存在的骨转移灶,可以作为区分前列腺癌骨转移活动度及内部是否存在硬化的可靠指标,重复性较高。

综上所述,SyMRI是一种无创、快速成像、定量评估的新技术,目前已在头颅肿瘤、乳腺癌、前列腺癌、直肠癌等肿瘤研究中得到应用,成为肿瘤诊断、鉴别诊断及预后评估的有效技术之一。尽管SyMRI在肿瘤诊断中体现出一定价值,但现研究由于定量参数的选择不同、样本差异等原因,故诊断价值尚存在差异,需要临床扩大样本量进一步研究。随着技术的日益成熟和临床应用研究的深入,结合多模态磁共振、人工智能等分析方法,SyMRI在肿瘤诊断中必将有更广阔的应用前景。