磁共振成像技术在前列腺癌诊断及鉴别诊断中的应用

刘铭月，马利军，苏宁，邢征宇

1. 内蒙古医科大学 研究生院，内蒙古 呼和浩特 010110；2. 包头市中心医院 影像中心，内蒙古 包头 014040

引言

前列腺疾病主要包括良性前列腺增生、前列腺癌及前列腺炎症，临床表现存在一定相似性，故需要多种方法进行鉴别诊断。根据全国恶性肿瘤登记资料，前列腺癌发病率位于男性生殖系统恶性肿瘤第一位。近年来，我国的前列腺癌发病率呈明显上升趋势且中晚期前列腺癌患者比例明显偏高，因此，前列腺癌的早诊早治十分重要[1-2]。MRI 技术因其软组织分辨率较高，在前列腺癌影像诊断方面具有明显优势，多参数磁共振成像（Multiparametric Magnetic Resonance Imaging，mp-MRI）是目前主要应用的MRI 技术，也是公认诊断前列腺癌最有效的影像学方法[3]，但由于mp-MRI 在应用于阅片时较为依赖阅片医生的经验，可能受到主观性的影响，故需要其他成像技术进行补充。近年来，由弥散加权成像（Diffusion Weighted Imaging，DWI）延伸出的扩散成像技术，如扩散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）、扩散峰度成像（Diffusion Kurtosis Imaging，DKI）及体素内不相干运动（Intravoxel Incoherent Motion，IVIM）模型等和T2定量成像（T2mapping）等MRI 技术均可以提供定量数据[4-6]；以酰胺质子转移（Amide Proton Transfer，APT）加权成像为代表的磁共振分子成像技术和磁化传递成像（Magnetization Transfer Imaging，MTI）技术[7-8]可以从分子层面反映组织的微观情况；影像组学则通过高通量方法提供大量图像信息为诊断提供帮助[9]。本文旨在对以上成像技术在前列腺癌诊断及鉴别诊断的应用情况进行论述，包括介绍各种技术的主要原理、各类技术的应用现状并对各类技术的未来应用进行展望。

1 各MRI技术在前列腺癌诊断及鉴别诊断中的应用

1.1 mp-MRI技术

应用于前列腺疾病诊断的mp-MRI 技术包括显示解剖结构的T1加权成像（T1-Weighted Imaging，T1WI）、T2加权成像（T2-Weighted Imaging，T2WI），可以反映组织细胞数量和水分子运动情况的DWI以及反映组织血管增生情况的动态对比增强磁共振（Dynamic Contrast Enhanced Magnetic Resonance Imaging，DCE-MRI），还包括磁共振波谱成像（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）[3,10-12]。基于前列腺影像报告和数据系统（Prostate Imaging Reporting and Data System，PI-RADS）的mp-MRI 在前列腺疾病定性诊断中的作用已经得到广泛认可，2019 年发布的PI-RADS v2.1 在既往PI-RADS v2.0 的基础上进行了修改，外周带病变的评分标准无重大修改，主要体现在移行区前列腺癌评分标准有所变化[13]，然而关于修改后的PIRADS v2.1 在前列腺癌诊断中是否具有更高的效能，不同学者持有不同看法。张丹等[14]认为PI-RADS v2.1 一致性更好，诊断效能不低于PI-RADS v2，而Lee 等[15]则认为PI-RADS v2.1 的诊断特异性有所降低，可能会导致不必要活检的增加。由此可见，还需要更多的研究来评估PI-RADS v2.1 在前列腺癌诊断中的效能以及其对活检的影响。此外，PI-RADS v2.1 针对双参数磁共振（Biparametric Magnetic Resonance Imaging，bp-MRI）指出，绝大多数bp-MRI 研究为采用不同方法的单中心前瞻性研究，多中心临床实验的结果可能会低于预期，同时会增加前列腺癌的漏诊率[13]。可见由于阅片主观性等问题的存在，单纯应用mp-MRI 对前列腺癌的诊断尚有不足之处，有待其他成像技术进一步补充。

DCE-MRI 可以显示对比剂在不同组织中到达时间和浓度的差异，通过血管情况反映组织间微观结构的差异，从而用于良恶性疾病的鉴别诊断。DCE-MRI 应用于前列腺癌时可以进行定性诊断、半定量分析和定量分析。DCE-MRI 应用于前列腺疾病的定性诊断时依据信号强度-时间（Signal Intensity-Time，SI-T）曲线的形态分为提示良性病变的Ⅰ型（缓慢上升型）、可疑恶性的Ⅱ型（速升平台型）、提示恶性的Ⅲ型（速升速降型）。SI-T 曲线用于前列腺癌的诊断优势在于较为直观，但仅通过SI-T 曲线不能获得组织的微观血流灌注情况。林艳端等[16]研究证实，3 种常见的前列腺癌细胞系均有较强的促血管新生作用，新生的血管在前列腺癌的发展及转移中起到重要作用。而半定量分析通过SI-T 曲线得到反映组织血供流入速度的达峰时间和强化率，还可得到反映组织血供的峰值强度等常用参数，以上参数值相较于SI-T 曲线更为客观[17]，但依然无法直接反映组织血管通透性和血流灌注情况。而定量分析通过计算所获得的参数可以直接反映组织的血管通透性，主要参数包括反映血管渗透性的容量转移常数（Volume Transfer Constant，Ktrans），反映组织坏死程度的血管外细胞外的间隙的容量分数（Fraction Volume of the Extravascular Extracellular Space，Ve）和反映二者比值的速率常数分数（Fractional Transfer Rate，Kep）。定量参数的获得需要选择与组织配合良好的药物代谢模型，DCE-MRI 常应用的模型包括双输入单室模型、双输入双室模型和双输入三室模型等，随着各类模型假设的不断提出，逐渐产生了许多应用于诊断的模型，包括TK model、ETK model、LM、BM 等。TK model 是目前最常用的模型，在该模型中，Ktrans 被认为是最重要的参数之一，其反映的是组织内毛细血管通透性及血浆流量共同作用的结果，因此，Ktrans 值的高低与肿瘤恶性程度呈正相关[18]。周红梅等[19]研究表明，前列腺癌患者Ktrans 值、Ve 值和Kep 值的平均值、标准差、50%位数、75%位数、90%位数明显高于前列腺增生患者，且与Gleason 评分线性相关。Guljaš 等[20]则通过研究提出Gleason 评分≥6（3 + 3 ）的癌症患者中Ktrans和Kep 和值显著高于正常前列腺组织，表明癌症组织的细胞通透性增加。DCE-MRI 定量参数在前列腺癌诊断中存在客观优势，且不同参数可以反映组织不同的微观结构情况，具有较高应用价值。

MRS 可以无创反映出活体组织的代谢情况，通过分析病灶内代谢产物的差异对疾病进行诊断。对于前列腺疾病诊断有帮助的组织代谢物主要包括枸橼酸盐（Citrate，Cit）、胆碱（Choline，Cho）、肌酸（Creatine，Cre）等，根据（Cho+Cre）/Cit 值对病灶主要构成成分进行判断[21]。在前列腺癌的诊断方面，部分研究表明前列腺癌病灶的（Cho+Cre）/Cit 值较正常前列腺组织有所增高[22-23]，另一些研究则认为前列腺癌和前列腺炎（Cho+Cre）/Cit 值差异无特异性[24-25]。徐正道等[25]提出分析波谱曲线形态可以对前列腺癌和前列腺炎的鉴别诊断提供帮助。以上研究说明MRS 对前列腺癌的诊断价值已经得到认可，但在精准应用方面还有待继续探索。

1.2 扩散成像技术

DTI 是以DWI 为基础，通过施加每个方向的采集信号或磁场的扩散敏感梯度场得到组织内更加精确的水分子运动情况的技术，其成像方法由Basser 等[26]在1994 年首次提出，主要参数包括表观扩散系数（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）值、各向异性分数（Fractional Anisotropy，FA）值及纤维示踪图像（Diffusion Tensor Tractography，DTT）。ADC 值反映水分子的扩散能力，FA 值反映水分子各向异性成分在整个扩散张量中所占比例，不同状态下各组织成分之间水分子的扩散能力、扩散方向及速度均会有所不同，因而通过对ADC、FA值的定量分析可以判断其有无改变。DTT 则可以直观反映组织纤维束形态是否正常[4]。DTI 已在神经系统疾病中有着广泛应用，近年也有相关研究应用于前列腺癌。国内学者[27-28]研究发现，前列腺癌和前列腺增生组织的DTI 表现存在显著差异，具体表现为：前列腺癌组的ADC 值较前列腺增生组显著偏低，FA 值显著高于前列腺增生组，而前列腺癌组和前列腺增生组都表现出纤维束走行紊乱，不同点在于前列腺癌组出现了纤维束走行中断。国外学者[29]则提出DTI 联合T2WI 可以提高检测出前列腺癌的能力。可见DTI 可依据参数差异对前列腺疾病进行诊断，尤其是在前列腺癌和前列腺增生的鉴别诊断中具有重要意义。

人体组织内的水分子多数是非自由扩散的，水分子在正常组织和肿瘤组织中的扩散也存在差异，肿瘤组织中水分子的扩散会受到细胞膜和细胞器等屏障的限制，导致水分子呈现非自由扩散，即非高斯扩散[30]。2005 年，Jensen 等[31]首次提出了可以量化水分子非高斯扩散的DKI 技术，作为扩散加权成像与DTI 技术的延伸，DKI引入了用于量化组织中水分子扩散位移概率信息的四阶峰度。相较于传统的扩散成像，DKI 能提供更多客观参数，更加精准地描述组织内水分子的扩散情况，灵敏地反映出组织微观结构的状态[5]。DKI 可以提供的参数包括平均扩散峰度值（Mean Kurtosis，MK）、平均扩散系数值（Mean Diffusivity，MD）、平行扩散峰度值（Axial Kurtosis，Ka）、FA 以及扩散峰度各向异性等。Yin 等[32]研究结果显示，前列腺癌组的MK 值显著高于前列腺增生组，MD 值显著低于前列腺增生组。陈丽华等[33]的研究同样证实了这一观点，并且其研究证明DKI 的其他参数在前列腺癌和前列腺增生组间的表现也存在差异，具体表现为前列腺癌组的Ka 值和垂直扩散峰度值均高于前列腺增生组。Yao 等[34]则提出在鉴别前列腺癌和前列腺增生方面，诊断效能为MK 值＞FA 值＞MD 值，并指出相较于单一应用以上参数，基于游离/总前列腺特异性抗原、MK 和FA 的联合模型可以增加诊断效能。也有研究表明DKI 与Gleason 分级存在相关性，Yin 等[32]发现低危组（GS＜7）、中危组（GS=7）和高危组（GS＞7）的MK 值逐渐升高，而MD 值逐渐下降。段志青等[35]提出DKI 各参数对区分临床显著性前列腺癌（GS ≥7 分）与非临床显著性前列腺癌（GS＜7 分）均具有显著优势。以上研究说明DKI 在前列腺疾病的鉴别诊断、前列腺癌的病理分级等方面都可以进一步提供有价值的诊断信息。

IVIM 由Le Bihan 等[36]首次提出，不同于DWI 的单指数成像模型，IVIM 是通过施加多个不同的b 值同时反映出组织内扩散和灌注2种信息的双指数成像模型，具体参数包括真实扩散系数（D）、灌注相关扩散系数（D*）及灌注分数（f）。Yao 等[37]的研究结果显示，前列腺癌组的D 值、ADC 值和f 值较前列腺增生组明显降低，但D*值较良性前列腺增生组明显升高。黄晓辉等[38]将确诊前列腺癌的研究对象根据病理结果是否有微血管侵犯（Microvascular Invasion，MVI）进行分组，结果显示有MVI 组的标准ADC 值、D 值均小于无MVI 组，D*值则大于无MVI 组，但2 组f 值无明显差异，这一结果提示IVIM 除用于前列腺增生与前列腺癌的鉴别诊断，还可以预测前列腺癌是否有MVI。

1.3 T2 mapping技术

T2mapping 是一种可以准确测量组织T2值的定量成像技术，最初主要应用于关节软骨及心肌损伤评价等领域，近年来，其在肿瘤疾病的应用逐步增加[39]。T2mapping 对前列腺疾病的应用主要集中在对前列腺癌的诊断方面。T2mapping 的扫描首选多回波自旋回波序列，这一序列拥有信噪比较高和采集时间较短的优势，可以在一个重复时间内采集2 个及以上的回波时间，得到2个以上的对比度图像，并通过解方程组算出T2值，再计算每个像素的T2值从而得到T2灰度图或伪彩图。由于T2mapping 可以获得每个体素的T2值，因此，测量得出的T2值是组织结构成分的标准化反映，可以较好地反映出组织间的差异[6,40]。

Sabouri 等[41]的研究结果显示：外周带和移行带的前列腺癌组织的T2值均低于正常前列腺组织，可能是正常前列腺组织和前列腺癌组织间腺腔含量的差异导致，这说明T2值可以反映出2 种组织间的差异，胡文君等[42]同样证实了这一观点。然而，Houdt 等[43]研究结果显示，外周带前列腺癌组织与正常组织间T2值存在差异，移行带则无差异，这一结果的出现可能是由于不同实验的扫描参数存在差异。除应用于前列腺癌的诊断，Hepp 等[44]还证实前列腺癌和慢性前列腺炎的T2值均显著低于正常前列腺实质，而前列腺癌的T2值显著低于慢性前列腺炎。综上，T2值有助于更准确地鉴别前列腺癌、前列腺炎等前列腺疾病，而且T2mapping 后处理更为便捷，有望更广泛地应用于前列腺癌的诊断及鉴别诊断。

1.4 分子成像技术和其他成像技术

APT 加权成像原理与化学交换饱和转移技术成像原理一致：APT 技术令胞质中的游离蛋白质及多肽链上的酰胺质子经射频脉冲饱和，分别采集自由水在饱和前、后的信号，酰胺质子与水质子的交换速率不同会导致APT信号的变化，由此可以推断组织的酸碱度和蛋白质、多肽浓度，进而反映组织的代谢和组成情况[7]。APT 目前较多应用于中枢神经系统疾病，Zhou 等[45]研究结果显示，由于正常组织与肿瘤组织间的代谢差异，大鼠高级别胶质瘤APT 信号强度较低级别胶质瘤APT 信号强度高，说明APT 可以反映出不同级别肿瘤间的代谢差异，Takayama 等[46]则通过研究提出，Gleason 评分为7 分的前列腺癌的平均APT 信号强度高于其他Gleason 评分组，推测除细胞密度外，其他因素也可能影响前列腺癌组织中的APT 信号强度。胡文君等[42]将T2mapping 与APT 联合应用于前列腺癌和前列腺增生的鉴别诊断，得出APT值可以有效鉴别二者且两者联合的鉴别效能明显提升。由此可见，APT 作为分子成像技术，反映出的组织代谢情况对于前列腺癌的诊断有着重要作用。综上，APT 作为一种分子成像技术，能够提供关于组织代谢情况的有价值信息，但其在前列腺疾病诊断的更多应用仍需进一步探索。

此外，MTI 技术可以用于检测游离水分子和结合水分子之间的相互作用，进而反映出组织的微观结构是否有变化[47]，艾光勇等[8]将MTI 施加于扩散成像技术，提出DWI-MTI 可以帮助提升DWI 序列对前列腺癌的诊断效能，尤其是对于高级别前列腺癌。虽然目前将MTI应用于前列腺相关疾病的研究还较少，但其应用价值已经有所体现，未来通过进一步的研究和探索，MTI 技术有望为前列腺癌的诊断、鉴别诊断、治疗和预后评估提供更多有价值的信息。

1.5 影像组学

人工智能目前正逐步应用于各类影像技术及影像诊断中，在前列腺癌方面主要体现在影像组学的应用，包括利用影像组学对于前列腺病灶进行检测、分割和体积评估，对前列腺癌进行病理分级和侵袭性的预测等。影像组学由Lambin 等[9]在2012 年首次提出，其原理为使用高通量方法从放射图像中提取大量图像特征，通过分析得到需要的信息。Bai 等[48]利用影像组学方法对前列腺癌患者的术前包膜侵犯情况进行了分析，并提出相较于肿瘤内区域的放射组学特征，肿瘤周围区域的放射组学较可以更好地预测术前包膜侵犯的存在，并且可能比临床特征具有更好的概括性。周牧野等[49]通过影像组学建立模型，提出由bp-MRI 构建的模型可以鉴别Gleason 分级下前列腺腺癌的级别高低，且T2WI+ADC融合模型对Gleason 分级预测价值较高。在前列腺癌病灶的检测方面，Litjens 等[50]对70 例进行了前列腺切除术并进行活检的患者的术前mp-MRI 影像组学特征进行了分析，结果表明，在良性前列腺增生与前列腺癌的鉴别方面，高b 值DWI 较ADC 更有价值，DCE 则对前列腺癌和前列腺炎症或萎缩的鉴别更有意义。ADC 是高级别前列腺癌最具有鉴别性的指标，通过以上研究可见，影像组学有着客观、可重复等诸多优势，在前列腺癌诊断方面的应用价值和潜力巨大，其更多应用有待未来发掘和研究。

2 总结与展望

MRI 技术对软组织的分辨率高，另外有着无创、多参数、多序列成像等优势，使其成为应用于前列腺疾病诊断的常规检查手段。其中，常规mp-MRI 是目前应用于前列腺疾病诊断最重要的检查手段，DKI 等扩散成像技术可以在常规DWI 的基础上提供更多有关组织细微结构的信息，对周围组织的受侵犯情况也可以提供诊断帮助；另外，T2mapping 等定量成像技术可以提供定量数据，相较于传统MRI 方法具有客观、可重复的优势；APT 成像作为分子成像的代表，可以反映组织内的代谢情况，对于前列腺良恶性疾病的鉴别诊断有着重要意义；影像组学的应用为前列腺癌病灶的分割、诊断及病理分级提供客观、可重复的信息。然而，以上MRI 技术的应用还存在一些局限性：① 前列腺癌和前列腺增生的影像特征出现重叠，需要提高成像技术的灵敏度，更为精确地区分前列腺癌与前列腺增生等良性病变间的差异；② 一些新技术的应用尚处于起步阶段，存在缺乏样本等问题，需要建立标准化和多中心验证的评估体系，在未来进行更严格、充分、严谨的应用和研究。综上，MRI技术存在诸多优势，在前列腺癌的诊断和评估方面具有重要价值，但仍需更多研究与发展，相信未来会有更多的创新和突破，更好地为临床诊断前列腺癌提供影像依据，提高患者的生存率。