集成MRI技術(shù)在腫瘤影像診斷中的應(yīng)用

楊凡， 林蒙

集成磁共振成像技術(shù)是基于多回波多延遲采集方法，對每一層信號用不同的回波時間和延遲飽和以交錯的方式進(jìn)行采集，是一種新的定量MRI技術(shù)。與其它多模態(tài)MRI技術(shù)相比，其可以通過一次圖像采集產(chǎn)生多個定量序列和常規(guī)加權(quán)序列，并且可以準(zhǔn)確獲得定量縱向弛豫T1(1/R1)值、橫向弛豫T2(1/R2)值及質(zhì)子密度(PD)值。集成MRI技術(shù)具有穩(wěn)定性好、整體掃描時間短的優(yōu)點，目前主要應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和評價中。近年來，隨著集成MRI技術(shù)的不斷優(yōu)化和研究的進(jìn)一步深入，圖像信噪比及空間分辨率明顯提高，使得集成MRI技術(shù)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到了非中樞神經(jīng)系統(tǒng)。目前，集成MRI技術(shù)在腫瘤相關(guān)領(lǐng)域中的研究日漸增多，本文將對集成MRI技術(shù)的特點及其在全身腫瘤中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

集成MRI技術(shù)的基本原理及特點

1.集成MRI技術(shù)的基本原理

目前臨床上使用的集成MRI采集技術(shù)包括多動態(tài)多回波序列(multidynamic multiecho，MDME)、穩(wěn)定進(jìn)動的分段反轉(zhuǎn)恢復(fù)快速成像序列(inversion recovery-prepared true fast imaging with steady-state precession，IR-TrueFISP)、磁共振指紋序列(magnetic resonance finger printing，MRF)、順序采集梯度回波序列(strategically acquired gradient echo，STAGE)及多路徑多回波序列(multipathway multiecho，MPME)等[1]。其中常用的MDME技術(shù)采集過程分為兩個階段：在第一個階段(飽和)，在層面m上施加一個120°飽和脈沖，隨之將其損毀；在第二個階段(采集)，使用90°激發(fā)脈沖a和多個180°重聚焦脈沖為層面n提供有效的飽和延遲時間，并進(jìn)行采集。通過層面m和n的組合，可以獲得不同R1和R2弛豫的圖像矩陣[2]。最后選擇適當(dāng)?shù)腡E和TR，能夠生成T1WI、T2WI和質(zhì)子加權(quán)(proton density weighted image，PDWI)圖像，增加TI可生成反轉(zhuǎn)恢復(fù)圖像，如短TI反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列(short T1 inversion recovery，STIR)和快速小角度激發(fā)反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(fluid attenuated inversion recovery，F(xiàn)LAIR)。

2.集成MRI技術(shù)的特點

集成MRI技術(shù)可定量評估及可重復(fù)性良好:集成MRI技術(shù)可以定量測量組織的T1、T2弛豫值及質(zhì)子密度值(proton density，PD)，用于定量組織評估和治療療效監(jiān)測[3]。在單次掃描結(jié)束后，集成MRI技術(shù)會生成R1、R2圖及PD圖，憑借R1、R2圖可生成T1、T2-mapping，之后再自動重建出各種對比加權(quán)圖像[4]。

Krauss等[5]應(yīng)用集成MRI技術(shù)對健康志愿者使用兩種不同的頭部線圈進(jìn)行掃描，采集兩次圖像中腦灰質(zhì)、腦白質(zhì)及腦脊液的T1、T2及PD值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩次掃描之間組織弛豫值差異無統(tǒng)計學(xué)意義。此外，集成MRI技術(shù)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性也已經(jīng)在乳腺、膝關(guān)節(jié)及脊柱等部位得到了驗證[6-8]。

集成MRI技術(shù)掃描時間短及對比度良好:集成MRI技術(shù)可以在6 min內(nèi)重建10種對比加權(quán)圖像[4]，針對不同患者及臨床需求，可以回顧性地個性化調(diào)整參數(shù)，提高病灶的對比度。對腦轉(zhuǎn)移瘤的相關(guān)研究結(jié)果顯示對比增強(qiáng)的集成T1IR圖像的病灶-腦白質(zhì)對比度和信噪比高于對比增強(qiáng)的常規(guī)T1IR圖像[9]。此外，對比增強(qiáng)的集成T1IR圖像不僅可以顯示更多的腦轉(zhuǎn)移病灶，還可以顯示常規(guī)增強(qiáng)圖像中被血流相關(guān)偽影隱藏的轉(zhuǎn)移灶，如乙狀竇周圍的轉(zhuǎn)移灶及鄰近淺表血管的腦皮質(zhì)轉(zhuǎn)移灶等[9]。

Betts等[10]采用集成MRI技術(shù)評估30例兒童患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)集成MRI圖像可以替代常規(guī)T1、T2圖像，且集成MRI技術(shù)節(jié)省了約一半的掃描時間，有助于減少兒童因麻醉產(chǎn)生的風(fēng)險和增加每日患者檢查量[4]。此外，更多研究表明集成MR有望用于癡呆、精神異常及孕婦等不能耐受長時間檢查的患者[3]。

集成MRI技術(shù)應(yīng)用度較低及圖像質(zhì)量良好:有研究發(fā)現(xiàn)集成MRI圖像的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)低于常規(guī)MRI圖像(分別為0.858和0.950)，原因可能是觀察者對集成MRI圖像生疏[11]。Blystad等[3]認(rèn)為雖然集成MRI圖像質(zhì)量低于常規(guī)圖像，但其診斷準(zhǔn)確性與常規(guī)掃描圖像近似一致。另一項研究認(rèn)為集成T2FLAIR圖像更容易受到流動偽影和白噪聲偽影的影響[12]，雖然不影響整體集成MRI圖像的診斷準(zhǔn)確性，但在臨床工作中可能需要常規(guī)T2FLAIR圖像來輔助。未來隨著掃描技術(shù)的不斷優(yōu)化以及集成MRI的廣泛應(yīng)用，集成MRI技術(shù)會更加便利。

集成MRI技術(shù)在腫瘤性疾病中的應(yīng)用

腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、浸潤和轉(zhuǎn)移都與其內(nèi)在結(jié)構(gòu)變化密切有關(guān)，組織結(jié)構(gòu)變化可引起T1、T2值的改變。對腫瘤組織弛豫特性進(jìn)行定量分析有助于良惡性病變的鑒別、惡性腫瘤的分級及評估惡性腫瘤的浸潤情況等。集成MRI技術(shù)能夠定量分析腫瘤組織弛豫特性，為臨床診斷、治療等方面的研究提供了更多信息。

1.在腫瘤診斷方面的應(yīng)用

不同病理類型及惡性程度腫瘤的弛豫特性存在不同程度差異,定量弛豫值的高低受到組織構(gòu)成的影響，如大分子濃度、水合狀態(tài)和組織含水量等[13,14]。與良性腫瘤細(xì)胞相比，惡性腫瘤細(xì)胞體積較大，細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞間質(zhì)豐富，且常有淋巴細(xì)胞和漿細(xì)胞浸潤，這些微觀結(jié)構(gòu)改變會導(dǎo)致定量T2值減低[6,15]。

對乳腺腫塊的相關(guān)研究結(jié)果顯示，惡性乳腺腫塊的定量T1值高于良性腫塊[分別為(1611.61±215.88) ms和(1242.86±139.27) ms]，而惡性腫塊的定量T2值低于良性腫塊[分別為(80.93±7.51) ms和(91.20±6.36) ms]；以定量T1值=1345.00 ms作為閾值時，診斷乳腺惡性腫塊的ROC曲線下面積為0.931[16]。此外，當(dāng)聯(lián)合定量T1、T2值作為鑒別參數(shù)時，ROC曲線下面積提高到了0.978，Gao等[17]研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合定量T2、PD值和ADC值在鑒別乳腺腫塊良惡性方面比BI-RADS分級系統(tǒng)更高的診斷特異度(分別為87.50% 和75.00%)和陽性預(yù)測值(分別為94.50%和89.80%)。

鼻咽癌的定量T1、T2及PD值明顯低于鼻咽良性增生組織[18]，當(dāng)以定量T2值=88.50 ms作為閾值時，診斷鼻咽癌的ROC曲線下面積為0.894，診斷敏感度、特異度分別為90.00%、80.00%。Shi等[19]研究發(fā)現(xiàn)甲狀腺乳頭狀癌(papillary thyroid carcinoma，PTC)的定量T2值[(21.73±2.09) ms]低于甲狀腺良性結(jié)節(jié)[(28.78±5.02) ms]，其可能原因是定量T2值的降低與腫瘤內(nèi)鐵質(zhì)沉積有關(guān)。

有關(guān)子宮腫塊良惡性鑒別的研究結(jié)果顯示子宮肉瘤的定量T2值更高[分別為(93.15±7.14) ms 和(66.78±10.94) ms]，當(dāng)以T2值=82.50 ms作為閾值時，診斷子宮肉瘤的ROC曲線下面積為0.974，診斷敏感度、特異度分別為95.00%、92.00%，當(dāng)聯(lián)合增強(qiáng)MRI和后處理得到的定量T2參數(shù)(T2WI上的腫瘤-子宮肌層對比率)進(jìn)行鑒別診斷時，診斷敏感度達(dá)到100%，這避免了惡性腫瘤的漏診[20]。

Carter等[21]在37例卵巢腫塊患者中勾畫了109個腫塊ROI，根據(jù)ROI中囊實性成分比例主觀地分為81個囊性ROI和28個實性ROI。當(dāng)只選取實性ROI作為統(tǒng)計對象時，惡性腫塊的T2值高于良性腫塊(分別為128.9 ms和81.92 ms)，而將全部ROI作為統(tǒng)計對象時，惡性卵巢腫塊的T2值低于良性腫塊(分別為271.38 ms和452.85 ms)，研究者分析可能原因是惡性卵巢腫瘤常表現(xiàn)為囊實性不均質(zhì)腫塊，囊性均質(zhì)腫塊常提示良性，而囊性區(qū)域通常會延長T2值。此外，實性卵巢腫塊的T2直方圖分布特性的組合(T2平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度和峰度)可為良惡性鑒別提供依據(jù)，其ROC曲線下面積為0.900[21]。

對前列腺癌的相關(guān)研究結(jié)果顯示，當(dāng)腫塊位于移行帶時，前列腺癌組織的定量T1、T2值低于間質(zhì)增生和腺體增生組織；當(dāng)腫塊位于外周帶時，前列腺癌組織的定量T1、T2值低于非癌性增生組織，當(dāng)以定量T1值=1248.35 ms作為閾值時，診斷外周帶前列腺癌的ROC曲線下面積為0.827，診斷敏感度、特異度分別為91.30%、66.67%[22]。Cui等[22]認(rèn)為定量T1、T2值有助于鑒別前列腺結(jié)節(jié)的良惡性，但其診斷價值低于ADC值；而Mai等[23]研究認(rèn)為定量T2值的診斷價值更高，兩項研究結(jié)論的差異可能是b值大小不同(分別為50/1400和50/1000，單位為s/mm2)導(dǎo)致的。

2.在腫瘤分級方面的應(yīng)用

腫瘤分級是根據(jù)顯微鏡下腫瘤細(xì)胞外觀進(jìn)行的分類系統(tǒng)，有助于預(yù)測腫瘤生物學(xué)行為。高級別腫瘤分化程度低，侵襲性高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有更高的異質(zhì)性，這些不同導(dǎo)致了組織弛豫值發(fā)生改變[6]。

基于腎透明細(xì)胞癌的相關(guān)研究結(jié)果顯示高級別腎癌的定量T2值低于低級別腎癌[分別為(97.00±12.00) ms和(132.00±22.00) ms]，當(dāng)以定量T2值=110.00 ms作為閾值時，ROC曲線下面積為0.930[24]，其可能原因是腫瘤內(nèi)部存在密集的增殖細(xì)胞、間質(zhì)網(wǎng)狀蛋白沉積和不規(guī)則的腫瘤脈管系統(tǒng)[25,26]。

Cai等[27]研究了集成MRI在膀胱癌分級中的應(yīng)用，結(jié)果顯示高級別膀胱癌的定量T1、T2及PD值明顯低于低級別膀胱癌[兩者T2值分別為(106.00±19.00) ms和(124.00±23.00) ms]，以T2值=109.00 ms作為閾值時，ROC曲線下面積為0.723，診斷敏感度、特異度分別為77.80%、66.70%。Wang等[28]也發(fā)現(xiàn)高級別膀胱癌的定量R2值高于低級別膀胱癌[分別為(20.96±7.75)s-1和(16.55±5.54)s-1]，兩者之間差異有統(tǒng)計學(xué)意義，可能原因是高級別腫瘤生長迅速常伴壞死，細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)被釋放到細(xì)胞間隙等[6,29]。Cai等[27]研究發(fā)現(xiàn)雖然ADC值的診斷價值高于集成MRI，但由于集成MRI穩(wěn)定性好及掃描時間短，在膀胱腫瘤相關(guān)應(yīng)用中有很高的應(yīng)用價值。

基于子宮頸癌的相關(guān)研究結(jié)果顯示低分化子宮頸癌的定量T2值低于高分化宮頸癌[分別為(83.80±9.50) ms和(92.80±9.50) ms]，差異有統(tǒng)計學(xué)意義，當(dāng)以定量T2值=89.20 ms作為閾值時，ROC曲線下面積為0.768，且其診斷效能高于ADC值[30]。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)集成MRI技術(shù)有助于前列腺癌的危險分層，其中高級別(Gleason評分≥7)前列腺癌的定量T2、PD值低于低級別(Gleason評分≤6)前列腺癌[T2值分別為(80.9±5.48) ms 和(87.66±5.89) ms，PD值分別為(73.79±4.60) ms和(79.47±7.29) ms]，兩者之間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義[22]。

3.在腫瘤微浸潤方面的應(yīng)用

淋巴血管間隙侵犯(lymphovascular space invasion，LVSI)被定義為淋巴管/血管內(nèi)存在腫瘤細(xì)胞，是影響子宮頸癌預(yù)后的一個主要因素[31]。Li等[30]研究發(fā)現(xiàn)定量T2值在鑒別有無淋巴血管間隙侵犯方面優(yōu)于ADC值，其中無淋巴血管間隙侵犯子宮頸癌的定量T2值高于有淋巴血管間隙侵犯的子宮頸癌[分別為(93.90±9.10) ms和(82.20±8.20) ms]，當(dāng)以定量T2值=88.10 ms作為閾值時，診斷子宮頸癌淋巴血管侵犯的ROC曲線下面積為0.852，診斷敏感度、特異度分別為83.70%、85.00%。

腦組織惡性膠質(zhì)瘤具有滲透性，周圍常伴組織水腫，故臨床上難以鑒別腫瘤浸潤與瘤周組織水腫。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)比較增強(qiáng)前后T1縮短程度可以反映腫瘤的微小浸潤[32]。Blystad等[33]研究了20例惡性腦膠質(zhì)瘤患者的瘤周R1值特點，結(jié)果顯示增強(qiáng)前后瘤周區(qū)域R1差值高于同層面對側(cè)正常腦實質(zhì)[分別為(0.047±0.029)s-1和(0.032±0.029)s-1]，差異有統(tǒng)計學(xué)意義，可能原因為腫瘤微小浸潤伴新生血管，導(dǎo)致R1值發(fā)生變化，所以R1值的差異可能反映了難以在常規(guī)增強(qiáng)圖像顯示的腫瘤浸潤病變，與既往研究結(jié)果類似[34,35]。

4.在腫瘤分子分型方面的應(yīng)用

由集成MRI技術(shù)獲得的定量T1、T2值有助于鑒別乳腺癌的分子標(biāo)記及分子亞型[36]。Matsuda等[37]研究發(fā)現(xiàn)三陰性乳腺癌的定量T2值比其它類型乳腺癌更高[分別為(96.44±17.81) ms和(78.94±11.83) ms]，以定量T2值=83.50 ms作為截點時， ROC曲線下面積為0.780，診斷敏感度為93.80%，可能原因為三陰性乳腺癌比其它類型乳腺癌有更高水平的血管內(nèi)皮生長因子以促進(jìn)血管生成，進(jìn)而提高了定量T2值[36,38]。Ki-67表達(dá)水平是乳腺癌中一個有價值的預(yù)后因子，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)后T1值的標(biāo)準(zhǔn)偏差在乳腺癌Ki-67高表達(dá)組(Ki-67≥14%)與低表達(dá)組(Ki-67<14%)之間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(分別為135.07±55.37和60.35±36.26，P<0.05)，當(dāng)以98.5作為閾值時，ROC曲線下面積為0.885，其診斷敏感度、特異度及準(zhǔn)確度分別為77.80%，87.00%及82.00%[39]。

其它

集成MRI技術(shù)可以提供更高的軟組織分辨率，在以CT圖像為基礎(chǔ)的靶區(qū)勾畫中展現(xiàn)了很好的應(yīng)用價值。部分研究借助雙金字塔網(wǎng)絡(luò)對男性盆腔CT圖像開發(fā)了一種集成MRI輔助的多器官分割方法[40,41]，通過雙金字塔網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合CT圖像提供的骨結(jié)構(gòu)信息和CT輔助的集成MRI圖像提供的軟組織信息，可以同時分割盆腔多種器官組織，有助于簡便目前放療計劃制定的工作流程。Dai等[42]研究發(fā)現(xiàn)集成MRI技術(shù)輔助的深度學(xué)習(xí)方法在頭頸部腫瘤危及器官的勾畫中優(yōu)勢明顯，其可以快速準(zhǔn)確勾畫危及器官，有助于頭頸部腫瘤放療計劃的制定。

集成MRI是一種新的圖像采集和分析方法，其可以定量測量組織T1、T2及PD值。在單次掃描中，集成MRI可以重建多種對比加權(quán)圖像，提高了掃描靈活性。目前，集成MRI技術(shù)在腫瘤中的應(yīng)用主要是腫瘤診斷、腫瘤分化、腫瘤微浸潤及腫瘤分子分型等方面，但其具有穩(wěn)定性高、可重復(fù)性好、掃描簡便等優(yōu)勢，隨著MRI技術(shù)的快速發(fā)展和研究的進(jìn)一步深入，集成MRI技術(shù)在腫瘤相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用會更加開闊。