全身磁共振成像在前列腺癌中的研究現(xiàn)狀

張配配，閔祥德，王良

作者單位：華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)院放射科，武漢 430030

世界范圍內(nèi)，前列腺癌是男性患者最常見的實體器官惡性腫瘤[1-2]。近年來我國前列腺癌的發(fā)病率呈上升趨勢，不同于歐美國家的是，我國初診前列腺癌患者中轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者占較大比例[3]。晚期前列腺癌易發(fā)生骨及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，確定轉(zhuǎn)移負(fù)荷對于前列腺癌準(zhǔn)確分期、治療方式的選擇及預(yù)測預(yù)后具有重要意義。目前公認(rèn)多參數(shù)磁共振成像是前列腺檢查的最佳方式[4-6]。全身磁共振成像(whole-body magnetic resonance imaging，WB-MRI)突破單部位的限制，可在一次檢查中實現(xiàn)對頭頸、胸部、腹部、盆腔、大腿的全面顯示，包含全身解剖及功能成像，可用于轉(zhuǎn)移性前列腺癌的定性、定量評估，有助于精準(zhǔn)評估前列腺癌轉(zhuǎn)移負(fù)荷及治療反應(yīng)[7]。WB-MRI也是評估淋巴瘤[8]、多發(fā)性骨髓瘤[9]等系統(tǒng)性腫瘤疾病以及惡性腫瘤如肺癌及結(jié)直腸癌[10]、黑色素瘤[11]等全身轉(zhuǎn)移的重要影像技術(shù)之一[12-13]。相比于正電子發(fā)射計算機斷層顯像(positron emission tomography and computed tomography，PET-CT)，WB-MRI具有價格低廉、無創(chuàng)、無輻射、無需對比劑等優(yōu)點。2017 年國際前列腺癌轉(zhuǎn)移報告和數(shù)據(jù)系統(tǒng)(METastasis Reporting and Data System for Prostate Cancer，MET-RADS-P)指南[14]對WB-MRI 在前列腺癌的應(yīng)用提出了明確規(guī)范。筆者主要綜述WB-MRI 在前列腺癌中的應(yīng)用現(xiàn)狀，為WB-MRI的臨床應(yīng)用和進一步研究提供參考。

1 WB-MRI掃描方案

目前關(guān)于WB-MRI 的掃描序列尚不統(tǒng)一，WB-MRI 檢查的解剖學(xué)覆蓋范圍通常是從顱頂至大腿中部，類似于PET-CT，在特定情況下，也可覆蓋顱頂至腳。通常大視野掃描，F(xiàn)OV 40 cm×40 cm～25 cm×45 cm，分段掃描，一般4～7段。2017年歐洲泌尿協(xié)會前列腺癌指南中推薦[14]的WB-MRI檢查核心序列如下：

(1)全脊柱T1 加權(quán)成像(T1 weighted imaging，T1WI)，矢狀位，快速自旋回波序列(turbo spin echo，TSE)，層厚4～5 mm；(2)全脊柱T2加權(quán)成像(T2 weighted imaging，T2WI)，矢狀位，短時反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(short tau inversion recovery，STIR)(preferred)或脂肪抑制，層厚4～5 mm；(3)全身T1WI，軸位(層厚5 mm)或冠位(層厚2 mm)，梯度回波序列(gradient echo，GRE) Dixon，其中軸位T1WI 層厚與軸位彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)匹配以便于觀察；(4)全身DWI，軸位，STIR，層厚5～7 mm，無間距掃描，分段成像，2 個b 值(分別介于50～100、800～1000 s/mm2)，其中ADC 使用單指數(shù)模型擬合；取b值800～1000 s/mm2圖像重建成連續(xù)的2D冠狀位圖像，層厚5 mm；用最高b 值圖像行3D 最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)重建，使用灰度反轉(zhuǎn)。

2 WB-MRI在前列腺癌中的應(yīng)用

骨轉(zhuǎn)移是前列腺癌最常見的轉(zhuǎn)移方式，前列腺癌死亡病例中有90%存在骨轉(zhuǎn)移。目前臨床上將前列腺癌分為器官局限性、寡轉(zhuǎn)移性(轉(zhuǎn)移灶≤5 個)和廣泛轉(zhuǎn)移性前列腺癌(轉(zhuǎn)移灶＞5 個)，其中寡轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者的生存率顯著高于廣泛轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者，并且可能從補救性轉(zhuǎn)移靶向治療中獲益[15]。近年來多西他賽或阿比特龍聯(lián)合去勢藥物治療初診高轉(zhuǎn)移負(fù)荷前列腺癌被納入指南，大大延長了患者的生存時間[3]。Meta 分析顯示，PET-CT 和WB-MRI 比計算機斷層顯像(computed tomography，CT)和骨掃描更準(zhǔn)確地檢測前列腺癌轉(zhuǎn)移負(fù)荷及治療反應(yīng)[16]。孫元元等[17]的Meta 分析顯示膽堿PET-CT 與全身彌散加權(quán)成像(whole-body diffusion weighted imaging，WB-DWI)診斷前列腺癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的敏感度相當(dāng)，PET-CT 的特異性更高，然而，WB-MRI 對治療反應(yīng)的評估優(yōu)于骨掃描和PET-CT，且由于WB-MRI 無輻射，使得其在前列腺癌的分期和隨訪中具有更大的潛力。Robertson 等[7]研究表明，一站式前列腺癌專用WB-MRI 檢查在常規(guī)臨床環(huán)境中可行，可用于評估前列腺癌根治術(shù)后可疑復(fù)發(fā)，該一站式無輻射策略有助于減少影像檢查次數(shù)和患者就診次數(shù)，從而簡化分期過程，而不會影響診斷效能。

Lecouvet 等[18]在《Lancet Oncology》上發(fā)表的綜述認(rèn)為WB-MRI 能夠?qū)η傲邢侔└鱾€階段如初診、生化復(fù)發(fā)或去勢抵抗階段等進行高效診斷和療效評估，可以對前列腺癌轉(zhuǎn)移灶進行精準(zhǔn)計數(shù)和定位。WB-MRI 可識別寡轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者，并指導(dǎo)其進行轉(zhuǎn)移靶向治療，以此推遲轉(zhuǎn)移進程及全身治療的使用，從而提高患者總體生存率。Johnston 等[19]研究表明WB-MRI識別前列腺癌轉(zhuǎn)移灶的敏感度高于單光子發(fā)射計算機斷層成像(single-photon emission computed tomography，SPECT)，并與PET-CT 性能相當(dāng)。Metser 等[20]研究顯示前列腺癌轉(zhuǎn)移灶在DWI或增強T1加權(quán)容積內(nèi)插體部檢查(T1 weighted volume interpolated body examination，T1W-Vibe)序列中顯示最佳。增強T1W-Vibe 序列的病灶檢出率最高、病灶顯示最佳且最省時。Perez-Lopez 等[21]研究表明用WB-DWI 評估的骨轉(zhuǎn)移瘤體積減小和中位ADC 值升高可以作為轉(zhuǎn)移性去勢抵抗性前列腺癌患者對奧拉帕尼(一種選擇性PARP1/2 抑制劑)的治療反應(yīng)標(biāo)記物。Razek 等[22]研究表明WB-DWI 在檢測癌癥患者的骨轉(zhuǎn)移和骨外轉(zhuǎn)移方面具有極好的觀察者間一致性(k=0.887，一致性=94.44%)。前列腺癌生化復(fù)發(fā)后準(zhǔn)確的全身分期對于確定最佳疾病管理至關(guān)重要，WB-MRI 可用于對前列腺癌放療后生化復(fù)發(fā)患者進行重新分期[23]。Sawicki等[24]前瞻性納入28 例前列腺癌根治術(shù)后生化復(fù)發(fā)患者，研究顯示68Ga-前列腺特異性膜抗原(prostate-specific membrane antigen，PSMA) PET-CT 在前列腺癌根治性切除術(shù)后生化復(fù)發(fā)的檢測中明顯優(yōu)于WB-MRI。Iwamura 等[25]研究認(rèn)為誘導(dǎo)疾病進展的活性腫瘤細胞可能主要存在于原發(fā)灶而不是轉(zhuǎn)移灶，使用WB-MRI檢測活性病灶可能使我們能夠為轉(zhuǎn)移性去勢抵抗性前列腺癌患者設(shè)計最佳治療策略。

3 掃描時間長是制約WB-MRI臨床應(yīng)用的主要難題

目前，WB-MRI 并未在臨床中常規(guī)使用。掃描時間過長是制約WB-MRI發(fā)展的主要難題，國際上文獻報道的WB-MRI掃描用時大約45～60 min[19,26-29]。2017 年MET-RADS-P[14]指南推薦的WB-MRI 掃描序列所需檢查時間亦長達45～50 min。長時間掃描可能會讓前列腺癌轉(zhuǎn)移性骨痛患者或無法久臥的人感到痛苦及不耐受，也會影響MRI 儀器的使用率和診斷的及時性，還會引入運動偽影而導(dǎo)致圖像失真。

目前關(guān)于WB-MRI 加速成像的報道較少，2020 年比利時學(xué)者Lecouvet 等[29]在《European Radiology》上發(fā)表的研究，該研究僅對WB-T1WI序列進行加速，用3D T1WI梯度回波序列替代3D T1WI 快速自旋回波序列，結(jié)果表明該方法可將WB-MRI總體采集時間縮短在少于20 min，但該研究中未探討WB-DWI和全身T2 加權(quán)成像(whole-body T2 weighted imaging，WB-T2WI)的加速，而WB-DWI 和WB-T2WI 在前列腺癌轉(zhuǎn)移篩查中具有重要的價值。WB-MRI 快速成像的實現(xiàn)，可以讓更多的患者使用這項檢查并從中獲益，并且避免與CT、PET-CT 相關(guān)的輻射。目前國內(nèi)外尚缺乏關(guān)于WB-MRI 加速成像的研究，縮短WB-MRI掃描時間仍然亟待解決。

4 深度學(xué)習(xí)有望實現(xiàn)WB-MRI的快速成像

目前通過改變磁共振前端的物理條件來加速MRI 掃描相當(dāng)困難，一種有效的快速磁共振成像方法是對k 空間進行欠采樣，通過減少k 空間數(shù)據(jù)采集量來減少掃描時間，然而欠采樣的k 空間會導(dǎo)致重建質(zhì)量較差。為此許多研究專注于如何利用欠采樣k空間數(shù)據(jù)重建出較高質(zhì)量的MRI圖像。目前欠采樣重建方法主要有三種：并行成像[30-31]、壓縮感知(compressed sensing，CS)[32-33]和深度學(xué)習(xí)[34-35]。并行成像采用多通道線圈采集，利用線圈的空間敏感度差異對空間信息進行編碼，從而降低成像所需的相位編碼數(shù)，以獲得更快的掃描速度。但由于線圈靈敏度有限，在高加速倍數(shù)下，圖像有較嚴(yán)重的偽影存在。壓縮感知理論主要利用MR 圖像的稀疏性和不相干性通過非線性算法從欠采樣本中重建出原始信號。盡管壓縮感知具有完備的理論支撐，但存在以下不足：非線性迭代重建非常耗時；復(fù)雜的調(diào)參過程；在高倍加速下，CS-MRI 重建往往會丟失細節(jié)信息?；谝陨舷拗?，目前臨床上大多數(shù)MRI 掃描儀仍然是基于全采樣序列或者僅使用簡單的并行成像技術(shù)來進行低倍(通常為2倍)加速。

近年來，隨著大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為快速MR成像領(lǐng)域新的突破[34-37]?；谏疃葘W(xué)習(xí)的快速磁共振成像的關(guān)鍵是要訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)欠采樣圖像(或降采樣低分辨率圖像)和全采樣圖像之間的映射關(guān)系，以便在加速掃描中補充省略的視圖。自2016 年中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院Wang 等[34]將深度學(xué)習(xí)引入MR 圖像重建領(lǐng)域，深度學(xué)習(xí)MRI一躍成為快速MR成像領(lǐng)域的熱點研究方向。現(xiàn)有的大部分文獻中，將直接欠采樣傅里葉變換得到的偽影圖像作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，全采樣圖像作為網(wǎng)絡(luò)的輸出，輸入輸出之間的關(guān)系通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如多層感知器(multi-layer perceptron，MLP)、U-net、ResNet 等學(xué)習(xí)得到。Zhu 等[38]在Nature 上發(fā)表的AUTOMAP 則是直接學(xué)習(xí)從欠采樣k 空間到全采樣圖像之間的映射。Schlemper 等[36]提出使用深度級聯(lián)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep cascade convolutional neural networks，DC-CNN)對心臟動態(tài)MRI 進行重建加速，在網(wǎng)絡(luò)中加入了數(shù)據(jù)一致性層，以確保每個級聯(lián)的重建與所測量的k 空間數(shù)據(jù)之間的一致性，從而提高網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)能力。Dong等[39]首次提出基于CNN 的超分辨率重建算法(super-resolution CNN，SRCNN)，基于圖像訓(xùn)練集建立了一個端到端的映射關(guān)系，由于訓(xùn)練過程離線，在應(yīng)用過程中該方法速度很快并且復(fù)原質(zhì)量很高。美國北卡羅來納大學(xué)Hong 等[37]提出一種基于CNN 的超分辨率重建方法，用于從欠采樣數(shù)據(jù)重構(gòu)高質(zhì)量全腦DWI 圖像，結(jié)果表明該方法能夠以最小的信息損失實現(xiàn)高達5 倍的DWI 采集加速。圖像超分辨率重建目的在于從一個低分辨率圖像得到一個高分辨率圖像，劉鵬飛等[40]針對淺層結(jié)構(gòu)在處理內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜數(shù)據(jù)時表征能力不足的問題，提出一個基于特征轉(zhuǎn)移的八層CNN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)圖像超分辨率重建，實驗證明該算法的峰值信噪比、網(wǎng)絡(luò)收斂速度及精細度方面均有所提高。

5 總結(jié)與展望

WB-MRI 突破單部位的限制，可對轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者全身腫瘤負(fù)荷、療效評估及前列腺癌生化復(fù)發(fā)做出精準(zhǔn)評估，為臨床治療方式的選擇及生存獲益預(yù)測提供重要依據(jù)。然而，過長的掃描時間制約了WB-MRI 在臨床上的廣泛應(yīng)用，縮短WB-MRI采集時間是亟待解決的重要難題。近年來興起的深度學(xué)習(xí)技術(shù)是一種從海量數(shù)據(jù)中提取有用信息的有效工具，已在計算機視覺與圖像分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在加快成像速度提高成像質(zhì)量方面也顯示出了巨大的潛力。目前，基于深度學(xué)習(xí)的快速MR 成像，已成為快速MR 成像領(lǐng)域的研究熱點。但目前主要是基于單部位或單器官的研究，尚缺乏關(guān)于WB-MRI 加速成像的報道。以后的研究中，有望將深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于WB-MRI 快速成像，實現(xiàn)在保證圖像質(zhì)量的同時盡可能縮短WB-MRI 掃描時間，從而為轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者的定性、定量檢測和療效評估提供一種快速、全面、無輻射的有效方法，推進前列腺癌患者個體化診療。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。