磁共振釓對比劑增強前后對APT信號影響的研究

楊倩，劉周，鄒麗艷，羅虹虹，吳衛(wèi)星，姬紅，肖嘉輝，羅德紅，4*

作為一種新興的化學交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer，CEST)MRI 方法，酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(amide proton transfer，APT)成像可以間接量化組織中的內(nèi)源性蛋白質(zhì)和多肽的濃度。近年來，APT 成像在許多臨床領域得到了廣泛應用，尤其是在腫瘤領域，包括區(qū)分低級別和高級別膠質(zhì)瘤[1-2]，評估膠質(zhì)瘤患者的治療效果[3]，區(qū)分感染性病變和腫瘤性病變[4]，以及評估直腸癌的分級[5]和療效評價等[6-7]，區(qū)分唾液腺良惡性腫瘤[8-9]和區(qū)分乳腺惡性腫瘤和正常乳腺組織[10-11]等。

隨著APT成像在臨床上的廣泛應用，隨之而來的問題是增強后采集APT 圖像是否會影響APT 效應，前期已有少量研究進行了探索[12-13]，Tee 等[12]對四名頸動脈狹窄患者Gd對比劑增強前后腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)APT值的變化進行了相關研究，該研究顯示25%患者對比劑增強以后，APT值明顯降低。此外，Torrealdea等[13]對7 名患者Gd 對比劑增強前后腦白質(zhì)、腫瘤增強區(qū)域和腫瘤無增強區(qū)域APT值的變化進行了相關研究，研究結(jié)果顯示對比劑增強前后，APT 值沒有顯著變化。由于腦腫瘤患者為了評估疾病是否進展需要進行多次磁共振增強掃描，而APT掃描對于評估病灶內(nèi)部是否含有大量蛋白質(zhì)具有較高價值，但是APT掃描是否應該在增強掃描后進行，即對比劑是否會對APT信號產(chǎn)生影響，暫無明確結(jié)論，且磁化傳遞比不對稱分析依賴于T1[14,15]，因此本研究通過體外模體實驗和體內(nèi)試驗證實磁共振Gd 對比劑對APT 信號造成的影響。

1 材料與方法

1.1 體外實驗

24 個編號為1～24 的試管首先裝入10 mL 的新鮮雞蛋清[16]，在編號2～24 試管依次加入不同劑量的Gd 對比劑，具體每個試管加入的試劑量見圖1，通過渦旋震蕩儀將雞蛋清和對比劑充分混合，從而形成體外實驗的體模。將24個裝好雞蛋清和對比劑的試管放入試管架，將試管架放入留置針盒中，最后將留置針盒放入磁共振頭頸線圈內(nèi)部，進行磁共振掃描。為了測試數(shù)據(jù)的可重復性，連續(xù)掃描體模3次。

圖1 體模設計圖。EW為雞蛋清，Gd為釓對比劑。Fig. 1 Design of phantom. EW is egg white, and Gd is gadolinium contrast agents contrast agent.

模體的掃描是采用GE 3.0 T 超導MRI 掃描儀(Discovery MR 750W)和24 通道頭頸聯(lián)合線圈，將裝有試管的留置針盒放入線圈內(nèi)部，APT 序列掃描技術為SSFSE (single-shot fast spin echo)，預飽和脈沖類型為連續(xù)波，掃描參數(shù)為：TR 6500 ms，TE 25.56～28.67 ms，層厚4 mm，層數(shù)1，F(xiàn)OV 22 cm×22 cm，矩陣128×128，B1場強度2.0 μT，飽和時間2 s，掃描頻率為0,±0.5,±1.0,±1.5,±2.0,±2.5,±3.0,±3.5,±4.5,±5.0,±5.5,±6.0,±6.5,±7.0 ppm，后處理的校正方式為WASSR (water saturation shift referencing)，重建算法為Z 譜中水中心頻率兩側(cè)±3.5 ppm處磁化傳遞率(magnetization transfer ratio，MTR)之差來計算非對稱性磁化傳遞率參數(shù)。

1.2 在體試驗

本次前瞻性研究通過了中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院倫理審查委員會的審批(審批文號：KYKT2021-95-1)，本研究于2021年4月至2022年4月在中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院放射診斷科進行，研究過程得到了患者的知情同意，并簽署了知情同意書。19 名腦腫瘤患者被納入研究，女∶男=10∶9，年齡(53.95±8.28)歲。臨床序列掃描結(jié)束以后掃描一次APT 序列和T1 map (TI=200,500,800,1100,1400,2500)序列，平掃結(jié)束后經(jīng)肘靜脈推注對比劑釓特酸葡胺(Gd-DOPA,Guerbet,法國)，劑量0.2 mL/kg，注射速率為2.5 mL/s，對比劑注射以后以相同速率20 mL生理鹽水進行沖洗高壓注射器，注射對比劑9 min以后掃描APT 序列和T1 map 序列。APT 序列的掃描技術和掃描參數(shù)與模體基本一致，不同的是B1場強度：1.0 μT，飽和時間：1 s。圖像經(jīng)過影像醫(yī)師評估，確保沒有明顯運動偽影。

1.3 圖像分析

APT值的計算：在3.5 ppm處計算磁化傳遞率非對稱性分析(asymmetric magnetization transfer ratio,MTRasym)，APT=MTR (3.5 ppm)-MTR (-3.5 ppm)，MTR=1-M(Δω)/M0,M(Δω)表示在ω ppm處用飽和射頻脈沖獲得的信號強度，M0 為不施加飽和脈沖的信號強度。在沒有施加飽和脈沖的圖像上使用開源軟件ITK-SNAP進行ROI 勾畫，對于體外實驗的試管模型，每個試管的ROI 固定范圍為5 mm×5 mm。對于體內(nèi)試驗所掃描的患者T1 map 圖像上勾畫ROI，ROI 包括整個腦組織，水腫區(qū)域(若有)，腦白質(zhì)，腦灰質(zhì)，病灶實質(zhì)。使用MATLAB軟件分析并記錄每個ROI的APT值，比較增強前后不同組織的APT 值差異。由于灰質(zhì)和白質(zhì)在T1 map 上的對比度較差，勾畫整個區(qū)域存在挑戰(zhàn)，而本研究目的是比較增強前后灰白質(zhì)的APT值差異，只要確保勾畫的區(qū)域分別是灰質(zhì)和白質(zhì)即可。因此，我們僅選擇了病灶同層面最明顯的腦灰質(zhì)和白質(zhì)。

1.4 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 26.0 (IBM,USA)軟件進行分析，組內(nèi)相關系數(shù)(intraclass correlation efficient，ICC)被用來檢驗三次模體掃描的一致性，ICC值小于0.4認為診斷試驗的可重復性較差；ICC值大于0.75則認為診斷試驗的可重復性好。余弦相似度被用來分析增強前后患者APT圖像整體的相似性，余弦相似度值越接近1，圖像相似度越高。配對樣本t檢驗被用來分析每個患者整個腦組織、腫瘤區(qū)域、水腫區(qū)域、腦灰質(zhì)以及腦白質(zhì)每個ROI 增強前后APT 值的差異，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 體外模體實驗結(jié)果

在對試管模型的3 次連續(xù)APT 掃描中，三次掃描結(jié)果的APT 值具有極好的一致性(圖2)，ICC 值為0.998 (95%CI:0.977～0.999)。掃描數(shù)據(jù)的Z 譜圖顯示，模體數(shù)據(jù)在3.5 ppm 處呈現(xiàn)了明顯的APT 效應，如圖3所示。

圖2 不同劑量釓(Gd)對比劑對酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(amide proton transfer，APT)成像的影響。2A為加入不同劑量Gd對比劑的雞蛋清模體三次掃描的APT圖；2B為APT值隨不同Gd對比劑劑量變化的定量展示圖，黑色方框為第一次掃描數(shù)據(jù)，紅色圓圈為第二次掃描數(shù)據(jù)，藍色三角形為第三次掃描數(shù)據(jù)。Fig.2 Effects of different doses of Gd on amide proton transfer(APT).2A shows the APT images of three scans of egg white phantoms with different doses of Gd;2B shows the quantitative display of APT values with different Gd doses. The black box, red circle and blue triangle indicate the data of the first scan, the second and third scan,respectively.

圖3 加入不同劑量Gd 對比劑的雞蛋清模體的Z-spectrum 譜圖(3A)與asym圖(3B).Fig. 3 The Z-spectrum spectrum (3A) and asym image (3B) of egg white phantoms with different doses of Gd.

隨著MRI對比劑濃度的增加，體模中各模型的平均APT值呈下降趨勢(圖2、3)。當加入的Gd劑量小于1 μL時，APT值的平均值保持相對穩(wěn)定，并在12%左右波動(11.61%～13.42%)。但當Gd 添加劑量超過1 μL 時，蛋清的APT 值顯著降低。直到劑量達到20 μL 左右，APT值的下降率逐漸穩(wěn)定在2%左右(1.88%～2.13%)。

2.2 體內(nèi)試驗

2.2.1 納入患者的基本信息

本研究共納入19 名腦腫瘤患者，其中男9 名，年齡(55.78±8.12)歲，女10 名，年齡(52.30±8.50)歲，疾病類型包括9 名腦轉(zhuǎn)移瘤患者，4 名腦膜瘤患者，2 名表皮樣囊腫患者，1 名膠質(zhì)瘤患者，1 名血管源性腫瘤患者，1 名聽神經(jīng)瘤患者和1 名腦轉(zhuǎn)移瘤術后復發(fā)患者。

2.2.2 全腦增強前后APT信號變化

對于整個腦組織，注射對比劑增強以后，T1 map圖像具有較高的圖像相似度(余弦相似度值為0.72～0.99)，且T1 值顯著降低(P＜0.05)。而增強以后APT圖像的相似度低于T1 map圖像(余弦相似度值為0.01～0.93)，但APT 值增強前后差異無統(tǒng)計學意義(P=0.18) (表1)。

表1 對比劑增強前后全腦組織、腦灰質(zhì)、腦白質(zhì)以及腫瘤病灶APT值和T1值比較Tab.1 comparison of APT value and T1 value of whole brain tissue,gray matter,white matter and tumour before and after contrast agent enhancement

2.2.3 腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)增強前后APT信號變化

對于腦灰質(zhì)而言，對比劑增強前后，APT 值和T1 值差異均無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，對于腦白質(zhì)而言，對比劑增強以后，APT 值顯著升高(P=0.03)，T1 值沒有顯著變化(P=0.80) (表1)。圖4為1名53歲腦腫瘤患者的腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)增強前后APT 和T1 map 的直方圖。

圖4 女，53歲，表皮樣囊腫。腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)增強前后酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(APT)和T1 map 的直方圖。4A 為腦白質(zhì)感興趣區(qū)(ROI)勾畫圖，4B、4C 分別為腦白質(zhì)增強前后APT 的直方圖，4D、4E 分別為腦白質(zhì)增強前后T1map 的直方圖；4F 為腦灰質(zhì)ROI 勾畫圖，4G、4H 分別為腦灰質(zhì)增強前后APT 的直方圖，4I、4J分別為腦灰質(zhì)增強前后T1 map的直方圖。Fig. 4 Histograms of APT and T1 values of white matter and gray matter before and after enhancement for a 53-year-old female patient with epidermoid cyst.ROI in white matter (4A); histograms of APT values in white matter btefore (4B) and after enhancement (4C); histograms of T1 values in white matter before (4D) and after(4E) enhancement; ROI in gray matter (4F); histograms of APT values in gray matter before(4G)and after(4H)enhancement;histograms of T1 values in gray matter before(4I)and after(4J)enhancement.

2.2.4 tumor增強前后APT信號變化

對于腫瘤病灶而言，注射對比劑增強以后，T1 值顯著降低(P＜0.05)。但APT 值增強前后差異無統(tǒng)計學意義(P=0.08)，具體見表1。圖5 為1 名61 歲的腦轉(zhuǎn)移瘤患者腫瘤區(qū)域增強前后的APT和T1 map圖。

圖5 女，61 歲，腦轉(zhuǎn)移瘤。酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(APT)和T1 圖像增強前后的對比。5A 為T1WI圖像，箭頭所指為出血區(qū)域；5B 為T2WI圖像，箭頭所指為水腫區(qū)域；5C為T1WI增強圖像，白箭頭為強化明顯區(qū)域，黑箭頭為強化不明顯區(qū)域；5D和5E分別為增強前后的APT圖，5F為增強前后相減的圖像；5G和5H分別為增強前后的T1 map圖；5I為增強前后相減的圖像。Fig. 5 Images of a 61-year-old female patient with brain metastases, including T1-weighted image with the arrow pointing the hemorrhage (5A), T2-weighted image with the arrow pointing the edema(5B),T1-weighted enhanced image with the arrow pointing region with overt enhancement(5C),APT images before(5D)and after (5E) enhancement and their subtracted image (5F), respectively, T1 maps before (5G) and after (5H) enhancement and their subtracted image (5I),respectively.

由于本次納入的19 名病例，有多名患者增強以后病灶不強化，包括腦轉(zhuǎn)移瘤放療以后的病灶以及表皮樣囊腫等，因此本研究將對強化病灶和非強化病灶進行分別研究，其中包括10 個強化病灶和9 個非強化病灶，研究結(jié)果顯示，強化病灶對比劑增強以后APT 值顯著升高(P＜0.05)，非強化病灶對比劑增強以后APT值沒有變化(P=0.53)，具體結(jié)果見表2。

表2 對比劑增強前后不同腫瘤病灶APT值比較Tab.2 comparison of APT value oft different tumors before and after contrast agent enhancement

19名患者中有3名患者的病灶含有水腫部分，水腫區(qū)域增強前后T1 值和APT 值變化有所差異，T1 值呈現(xiàn)不同的變化，其中一個升高，兩個降低，但APT值均降低。

3 討論

APT 成像[17]是CEST 技術的一種，CEST 技術[18]與磁化傳遞技術[19]密切相關，臨床上應用的磁化傳遞成像是非特異性飽和的磁化傳遞技術[20]。APT 成像技術應用最為廣泛的是腦部，包括腦梗死[21-22]、腦腫瘤[23-24]、神經(jīng)性疾病[25]等各個方面。尤其對于腦腫瘤患者而言，為了評估腫瘤是否進展，通常需要進行Gd對比劑增強掃描，但是Gd 對比劑是否會對APT 信號造成影響，尚需進一步研究進行證實。因此，本研究創(chuàng)新性地通過體外實驗和體內(nèi)試驗分析了Gd對比劑對APT 信號的影響，體外實驗對加入Gd 對比劑的雞蛋清模體進行APT 掃描，結(jié)果顯示隨著Gd 對比劑劑量的增加，APT 信號呈現(xiàn)下降的趨勢。體內(nèi)試驗結(jié)果顯示，對于腦白質(zhì)和腫瘤強化病灶，Gd 對比劑會對APT 信號造成一定的影響，因此在臨床應用中，應該在注射對比劑前進行APT序列的掃描，防止對比劑對APT信號造成影響。

3.1 體外實驗對比劑增強前后APT信號的變化

本研究的體外實驗研究結(jié)果顯示，隨著Gd 對比劑濃度的升高，APT 信號呈現(xiàn)下降的趨勢。我們知道，磁化傳遞比不對稱分析是與T1 效應有關的[26]，與T2 效應關系不大[12]。注射釓對比劑以后會縮短組織的T1時間，因此在注射Gd對比劑以后進行APT掃描，有可能會對APT信號造成一定的影響。

3.2 對比劑增強前后腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)APT 信號的變化

本研究對19名有腦部疾病的患者對比劑增強前后均進行了APT掃描，結(jié)果顯示對于腦灰質(zhì)而言，對比劑增強前后APT值差異無統(tǒng)計學意義，但是對于腦白質(zhì)而言，對比劑增強以后APT值顯著升高。Torrealdea等[13]發(fā)現(xiàn)腦白質(zhì)對比劑增強前后APT值差異沒有統(tǒng)計學意義，其結(jié)果與本研究結(jié)果不一致。Tee 等[12]也進行了與本研究相類似的研究，其研究結(jié)果顯示25%患者的腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)對比劑增強以后，APT 值明顯降低，但本研究結(jié)果顯示對比劑增強以后腦白質(zhì)APT 值上升，腦灰質(zhì)沒有顯著改變。

3.3 對比劑增強前后腦腫瘤區(qū)域APT信號的變化

本研究結(jié)果顯示對于強化腫瘤病灶而言，對比劑增強前后APT值顯著升高，但對于非強化腫瘤病灶而言，對比劑增強前后APT值沒有顯著的變化。腫瘤強化病灶區(qū)域有更多的蛋白質(zhì)種類，且更高的蛋白質(zhì)表達水平[27-28]，因此受到Gd對比劑的影響更大，APT值變化更明顯。Su 等[29]對17 名腦腫瘤患者和17 名年齡性別相當?shù)闹驹刚哌M行APT掃描和磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)掃描，研究結(jié)果顯示對于腫瘤患者，APT值與MRS的膽堿(choline, Cho)和N-乙酰天門冬氨酸(N-acetyl aspartic acid, NAA)呈顯著相關，而健康志愿者的APT值與MRS的Cho和NAA沒有相關性，因此APT 可以為腫瘤引起的分子和結(jié)構(gòu)變化提供補充信息。此外，一項納入23 篇研究報道的Meta分析結(jié)果顯示，APT 成像對于區(qū)分高級別和低級別膠質(zhì)瘤方面存在較大的潛力[30]。不同級別膠質(zhì)瘤強化程度不一致，可以預期的是如果在Gd增強后進行APT掃描，對比劑也可能會對APT信號產(chǎn)生不同程度的影響。腫瘤周圍的腦水腫區(qū)域，含水量比較高，增強以后沒有明顯強化，但本研究有3名患者的病灶含有水腫區(qū)域，研究結(jié)果顯示，3 名患者增強以后水腫區(qū)域的APT值均降低，可能是由于水腫區(qū)域與腫瘤核心區(qū)域的界限不是特別明確有關。Yang 等[31]對腦轉(zhuǎn)移瘤患者、膠質(zhì)瘤患者以及正常檢查者的病灶實質(zhì)、水腫區(qū)域以及非病灶區(qū)域的APT值進行了相關研究，研究結(jié)果顯示對于腦轉(zhuǎn)移患者而言，腫瘤實質(zhì)和水腫區(qū)域APT值有顯著差異，但水腫區(qū)域與非病灶區(qū)域APT沒有顯著差異，但是對于膠質(zhì)瘤患者，腫瘤實質(zhì)與水腫區(qū)域、腫瘤實質(zhì)與非病灶區(qū)域以及水腫區(qū)域和非病灶區(qū)域的APT值均有顯著差異，可見不同種類的腫瘤由于其代謝差異，APT值會有所差異，本研究沒有對腫瘤病灶進行詳細的分類，僅按照是否強化進行了分組，結(jié)果顯示強化腫瘤病灶APT值有顯著變化，后續(xù)可按照不同種類的腫瘤進行分類，分析對比劑是否會對APT值產(chǎn)生影響。

本研究的體外實驗表明，加入對比劑以后APT值顯著降低，但體內(nèi)試驗表明，除了腦白質(zhì)和腫瘤明顯強化的區(qū)域?qū)Ρ葎┰鰪娨院驛PT值顯著升高外，全腦組織、腦灰質(zhì)以及腫瘤非強化區(qū)域?qū)Ρ葎┰鰪娨院驛PT 值差異無統(tǒng)計學意義，主要原因可能是體外實驗全部為雞蛋清，含有大量的酰胺質(zhì)子，APT 信號較高，其值在12%左右，因此注射釓對比劑以后會縮短組織的T1 時間，導致APT 值也相應降低。但是腦組織內(nèi)部成分復雜，酰胺質(zhì)子含量有限，APT 信號較低，其值在0 左右，因此對于全腦組織而言，對比劑增強以后并不會對APT 信號造成影響。雖然腦白質(zhì)和腫瘤強化區(qū)域，增強以后APT 值顯著升高，但其值亦在0 附近波動，APT 值的大小受環(huán)境以及pH 影響較大，因此為了避免對比劑對APT 信號造成影響，APT 掃描最好在增強掃描前進行。

3.4 局限性

本研究存在一定的局限性。一方面，在體外實驗中，模體的圖像出現(xiàn)了不均勻性的現(xiàn)象，當加入的Gd 對比劑越多時圖像不均勻性的現(xiàn)象越明顯，可能的原因是Gd 對比劑在雞蛋清中未充分混勻，或者后面放置后有沉淀。由于雞蛋清是半固體，盡管每個試管我們都用渦旋震蕩儀將蛋清和對比劑進行充分混合，但可能充分混勻存在一定困難。但是發(fā)現(xiàn)連續(xù)3 次掃描圖像的不均勻性都是一樣的，ICC＞0.99，說明圖像很穩(wěn)定，且連續(xù)3次掃描均證明隨著MRI對比劑濃度的增加，各管體模的平均APT值呈下降趨勢，說明不影響整體結(jié)果。另一方面，體內(nèi)試驗中，僅納入19名腦腫瘤患者進行掃描和統(tǒng)計分析，相對而言樣本量較少，且納入的19名患者，有9名患者腫瘤病灶不強化，因此后續(xù)可納入更多的強化病灶進行分析。此外，本次研究納入的病例包含7種不同的疾病類型，腫瘤的異質(zhì)性也是本次研究的局限性之一。

綜上所述，本次研究通過體外實驗和體內(nèi)試驗均證實，對比劑增強以后，APT 信號會受到不同程度的影響，因此在進行臨床掃描方案設計時，為避免對比劑對APT 信號的影響，應該在注射對比劑前進行APT掃描。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。