前列腺癌扩散加权成像的研究进展

高洪波　周良平

放射技术学

前列腺癌扩散加权成像的研究进展

高洪波周良平*

MR扩散加权成像（DWI）可以无创地检测活体组织水扩散特性的改变，反映分子水平的病理生理过程，其对前列腺癌的早期诊断、临床分期及侵袭性评估具有重要价值。就DWI对前列腺癌的应用价值，尤其是多种DWI函数模型以及多参数MRI对前列腺癌的应用价值予以综述。

扩散加权成像；前列腺癌；函数模型；多参数；磁共振成像；鉴别诊断

前列腺癌是发达国家男性最常见的恶性肿瘤之一，近年来在我国男性中的发病率也逐步上升。MRI是诊断前列腺癌的重要影像检查方法，其中扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）可以无创性检测活体组织的水扩散特性，反映分子水平的病理生理过程，并且能够对前列腺癌组织进行定量分析，对前列腺癌的检出及鉴别、侵袭性评估、疗效评价等具有较大优势。尤其随着DWI函数模型（如双指数函数模型、扩散峰度模型、拉伸指数模型等）的开发及应用，使得DWI对于前列腺癌的诊断显示出更为明显的优势。

1 DWI对前列腺癌的应用价值

1.1前列腺癌的检出目前大多数研究是利用DWI评价外周带前列腺癌。Osugi等［1］对37例前列腺癌病人进行研究，结果显示T2WI、动态增强MRI （DCE-MRI）、DWI影像及ADC图 （b=1 000 s/mm2）诊断外周带前列腺癌的敏感度分别为 31.4%、37.1%、51.4%、71.4%，阳性预测值分别为78.6%、92.9%、94.7%、96.0%。Miao等［2］的研究表明T2WI诊断前列腺癌的敏感度及特异度分别为76%和70%，DWI为86%和80%。由此可见，DWI对前列腺癌的检出具有明显优势。

1.2前列腺癌的鉴别

1.2.1与前列腺良性病变鉴别对于前列腺良恶性病变的鉴别，近年来的研究主要集中在通过测量组织ADC值来实现对前列腺癌和良性病变的定量分析。通常前列腺癌的ADC值低于前列腺良性病变，这为两者的鉴别提供了依据。Nagel等［3］对130例可疑前列腺癌病人ADC值与MR引导穿刺下的病理结果对照分析，得出正常前列腺组织、前列腺炎、高分化前列腺癌（Gleason评分=2，3）、低分化前列腺癌（Gleason评分=4，5）的ADC值（×10-3mm2/s）分别为1.22±0.21、1.08±0.18、0.88±0.15、0.88±0.13，虽然ADC值有部分重叠，但其差异具有统计学意义。Nagayama等［4］对45例前列腺癌病人的ADC值研究发现，取不同ADC界值，前列腺癌诊断的准确率有明显差异，当界值为1.35×10-3mm2/s时，诊断前列腺癌最高准确度为93%。以上研究结果表明虽然良恶性组织之间的ADC值有部分重叠，但只要选取

*审校者合适界值，对前列腺癌的诊断仍具有较高的准确性。然而在临床实际应用中由于技术条件（b值、线圈等）及研究对象的不同，确定最适诊断界值具有一定难度，将来可以通过大样本研究探寻最优技术条件以寻求最适界值范围。

1.2.2与前列腺增生的鉴别前列腺增生好发于移行带，在T2WI上前列腺增生和前列腺癌可以具有相似的影像表现，而DWI可以根据其水分子扩散差异做出较好的鉴别。Ren等［5］研究发现移行区恶性结节ADC值明显低于良性结节，T2WI联合DWI与T2WI单独诊断前列腺癌的受试者操作特征曲线下面积 （area under curve，AUC）值分别为0.991和0.884，表明DWI对前列腺癌的检出具有明显优势。Jung等［6］也得出类似的结论，但认为与T2WI相比，DWI对于体积＜0.5 cm3或者Gleason评分＜7分的前列腺癌无明显优势，这可能与部分病例使用1.5 T MR设备有关或者受技术条件限制。

1.3前列腺癌侵袭性的评价已有大量研究表明，前列腺癌ADC值与Gleason评分呈负相关。Nowak等［7］对66例前列腺癌病人癌区ADC值进行分析，结果显示，当以1.005×10-3mm2/s为界值时，ADC值对于区分Gleason＜7和Gleason≥7的癌区敏感度和特异度分别为90.5%和62.5%（AUC=0.789）。Donati等［8］通过对131例前列腺癌病人平均ADC值、中位ADC值、第10百分位ADC值、第25百分位ADC值与根治术后逐层大切片病理对照得出，第10百分位ADC值与Gleanson评分相关性最好，其区分前列腺癌评分为6分与7分的效能最高 （AUC= 0.758）。虽然大量病例分析表明ADC值可以很好地评估前列腺癌的恶性程度，但在实际临床运用中，由于不同等级前列腺癌ADC值之间存在部分重叠，因此目前尚未有统一的ADC值界限用来区分不同分化程度的前列腺癌，而且前列腺癌的侵袭性与其体积［9］和病灶数量［10］等也有一定关系，单纯依靠ADC值来判断其侵袭性尚有困难。而Rosenkrantz等［11］应用峰度模型中K值提高了鉴别高低分化前列腺癌效能（0.70∶0.62，P=0.01），这将是一个值得深入研究的方向。

近年一些研究还表明DWI有助于预测前列腺癌包膜外转移。Kim等［12］对167例前列腺癌病人ADC值进行研究分析，结果显示有包膜外转移与无包膜外转移的前列腺癌平均ADC值分别为（1.00±0.21）× 10-3mm2/s和（1.30±0.32）×10-3mm2/s（P＜0.001），以1.091 0×10-3mm2/s为界值，ADC值预测包膜外转移的敏感度与特异度分别为 75%和 70%（AUC= 0.771）。Chong等［13］报道DWI结合T2WI预测包膜外转移的敏感度与特异度分别为94.5%和91.7%，高于单独使用 T2WI的敏感度与特异度 （87.2%和81.2%）。随着研究的不断深入，ADC值将不失为一种预测前列腺癌包膜外转移的较好指标，并且可以尝试与前列腺特异性抗原水平、临床分期、Gleason评分、年龄等结合运用，以提高预测效能。

2　函数模型的应用价值

2.1单指数函数模型单指数模型通过分析单一b值DWI的ADC临界值来判断前列腺病变的性质。b值是影响DWI的重要因素，临床常用的b值范围主要在500～1 000 s/mm2之间，可获得较好的影像质量。b值的提高利于增加扩散权重，提高DWI对水分子扩散的敏感性，减少T2穿透效应，更加真实地反映组织的扩散特性［14-15］。Wang等［16］对73例病理证实为前列腺癌病人的DWI（b值分别取1 000、1 500、2 000 s/mm2）与ADC图进行分析。结果表明，当b=1 500 s/mm2时，病变区信噪比明显优于其他b值者更有助于前列腺癌的诊断。Manenti等［17］对78例前列腺癌病人的DWI影像及ADC图研究发现，对于年轻（经验较少）医生，当b值取2 000 s/mm2时应用DWI及ADC图诊断外周带前列腺癌的准确度优于b=1 000 s/mm2时，但利用ADC图诊断外周带前列腺癌的准确度差异无统计学意义；而对于有经验的医生，虽然更高b值可以提高其诊断准确度，但两者差异均无统计学意义。Rosenkrantz等［18］也认为超高b值 （b＞1 000 s/mm2）DWI可提高前列腺癌的诊断准确度，而ADC图对于前列腺癌诊断的准确度差异无统计学意义。以上研究表明超高b值的应用更有助于年轻医生诊断前列腺癌的准确率提高，并且结合ADC图和DWI是十分必要的。然而随着b值的升高，信噪比相应降低，随之影像质量下降，其诊断结果受到相应的影响［19］，因此有研究者得出相反的结论，Kim等［19］通过分析b值分别为1 000 s/mm2及2 000 s/mm2时前列腺癌组织的ADC值，结果表明b值取2 000 s/mm2时并不能提高移行带前列腺癌的诊断准确率。Koo等［20］认为，与b=2 000 s/mm2相比，b=1 000 s/mm2时具有更高的诊断效能。可见并不是b值越高越好，Clark等［21］认为在脑部进行超高b值（b＞1000 s/mm2）DWI时，组织的信号强度与b值偏离了直线关系，而呈曲线关系，DWI信号的衰减背离了单指数模型。前列腺癌DWI是否也遵循此规律尚需要进一步研究。

计算得出的DWI影像（computed DWI，cDWI）是近年兴起的一种新技术，其原理是通过对至少两个不同低b值DWI影像数据进行计算分析而得到的高b值DWI影像，这样不仅癌区与非癌区信号对比度得到提高而且信噪比损失和影像失真会被极大降低或消除［22-23］。如果知道每个体素的ADC值，那么高b值时每个体素的信号强度就可以通过以下公式计算出来：Sb=S0·e-（b-b0）ADC=S1·e-（b-b1）ADC，Sb、S0、S1为b取高b值、b0、b1时每个体素的信号强度。Blackledge等［24］对比了10例前列腺癌病 b=2 000 s/mm2时获得的cDWI影像和b=900 s/mm2时直接获得的DWI影像，结果显示前者获得的cDWI影像对前列腺癌诊断敏感度和特异度更高（96.0%∶89.4%和96.6%∶87.5%，P＜0.01）。Andrew等［25］报道，通过b=0、1 500 s/mm2和0、1 000 s/mm2计算得到的 b=1 500 s/mm2时的cDWI影像与b=0、1 000 s/mm2和0、1 500 s/mm2直接得到的DWI影像对比发现，良性前列腺组织信号得到更好的抑制，而且影像伪影更少，失真程度更低，b=1 500 s/mm2时的cDWI影像对于诊断前列腺癌的敏感性和阳性预测值高于直接得到的DWI影像，但两者差异并无统计学意义。虽然cDWI对于前列腺癌诊断效能尚值得进一步探讨，但因其时间成本以及对软件要求并不高，若技术成熟，在临床上利用cDWI诊断前列腺癌将会有较好的应用空间。另外，cDWI是否存在最适b值也是一个值得探讨的问题。

有研究者［26］提出，多组b值DWI可以提高计算ADC值的准确性。而Park等［27］分析了48例可疑前列腺癌病人双b值与多组b值（单指数函数）所得ADC值诊断前列腺癌的信度和变异度，多组b值的最终ADC值采用最小二乘法拟合多组双b值分别得到的ADC值而获得，结果显示两种方法得到的ADC值之间具有良好的相关性，且差异微小。可见，在临床工作中仅从时间成本考虑，单指数模型下多组b值DWI对于前列腺癌诊断并无太大优势，单指数模型下可以优先考虑利用双b值DWI。

2.2双指数函数模型单指数函数模型主要针对水扩散的总体情况进行运算，而双指数函数模型可区分不同扩散速率的水分，其计算公式为S/S0= fexp（-bADCf）+（1-f）exp（-bADCS），S0为b=0时的信号强度，ADCf为快扩散系数，代表自由水，ADCS为慢扩散系数，代表结合水，f为快扩散成分比例。传统的双指数函数模型其多b值呈等差数列排列［28］（本段双指数函数模型均指传统双指数函数模型）。双指数函数模型可以提供前列腺组织特性的附加参数，有研究［28］表明前列腺癌ADCf、ADCS、f值分别低于正常前列腺组织、良性前列腺增生、前列腺炎的相应值，f和ADCS对于鉴别前列腺癌与良性前列腺组织的准确性低于ADC值，ADCf值与ADC值对于鉴别前列腺癌与良性前列腺组织具有相似的准确性。一项对中央区前列腺癌的研究表明，双指数函数模型DWI有助于前列腺癌与前列腺间质性增生的鉴别，其ADCf鉴别能力优于ADC值［29］。另外与单指数函数模型相比，双指数函数模型处理多组b值与高b值的采样信息更强，正常前列腺组织及前列腺癌组织的水分子扩散衰减特性可以得到精确的描绘［30］。Jambor等［31］通过研究48例健康志愿者前列腺组织的ADCS、ADCf、f认为，正常前列腺组织的双指数函数模型下最优b值数量为8～10，低噪声水平下的最优b值分布为0～400、650～1 200、1 700～2 000 s/mm2。目前尚未有关于如何选择前列腺癌双指数函数模型DWI最优b值的报道，并且关于利用双指数函数模型评价前列腺癌侵袭性的研究也鲜有报道，故对前列腺双指数函数模型仍需进一步研究。

体素内不相干运动模型 （intravoxel incoherent motion，IVIM）为一种双指数函数模型，但较上述传统双指数函数模型不同，其b值主要分布在较低范围内，其计算公式为S/S0=（1-f）exp（-bD）+fexp（-bD*），D值代表水分子扩散系数，D*值代表灌注相关扩散系数，f代表灌注系数。有研究表明，与良性前列腺组织相比，前列腺癌区D、f值降低（P＜0.05）；虽然D*也相应降低，但其差异并无统计学意义，尽管如此，IVIM DWI对前列腺癌的诊断准确率低于单指数函数模型下的ADC值［32］。Zhang等［33］把IVIM应用到评价前列腺癌的侵袭性上，其结果表明D值对于鉴别高低分化前列腺癌的效能明显优于传统ADC值，这将成为IVIM DWI评估前列腺癌的一大优势，值得进一步研究。

2.3扩散峰度模型单指数函数模型假设体内水分子扩散呈高斯分布，然而水分子扩散受限时，水分子扩散并不遵循高斯分布。2005年Jensen等［34］建立了峰度模型，描述了在扩散加权中水分子偏离高斯分布的现象，其公式为：Sb=S0exp（-b ADCkurt+1/6b2ADC2kurtK），K为峰度系数，表示偏离高斯分布的程度，ADCkurt为非高斯分布中相应的ADC值 （即下文D值），S0为b=0时对应的信号强度。扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）是基于体内水分子非高斯扩散的特性，可以更好地反映复杂组织的微观结构，非高斯模型对前列腺癌及正常组织信号强度的拟合优度明显高于单指数函数模型，癌区与非癌区对比度更高［34-35］。DKI首先被用于神经系统，现已经被普遍应用于脑梗死、神经胶质瘤等脑部疾病的诊断，近年来有研究者开始探讨DKI模型对前列腺癌的诊断价值。Rosenkrantz等［11］应用峰度模型和单指数模型分析47例前列腺癌病人的K值、D值和ADC值，认为前列腺癌组织K值明显高于正常前列腺组织，应用K值诊断前列腺癌的敏感度高于相应D值及ADC值的 （分别为93.3%、78.5%和83.5%，P＜0.001），尤其在评价前列腺癌侵袭性方面，K值更是优于ADC值，但K值对于诊断前列腺癌的特异性与ADC值相比并无明显差别。Suo等［36］也得出了类似的结论，并认为K值与前列腺癌评分呈正相关（r=0.729），与ADC值相比D值与K值在鉴别良性前列腺病变与前列腺癌的重叠更小（其b最大值为2 000 s/mm2）。然而Tamura等［37］的研究显示，虽然K值对于前列腺癌的诊断敏感性高于ADC值，但DK影像与标准DWI影像对于前列腺癌的诊断具有相似的准确性（AUC值无明显差异）。该研究纳入的病例数仅为20例，b值范围在0～1 500 s/mm2之间。因此，DK模型对于前列腺癌的诊断准确率是否优于单指数模型仍需通过更大病例量及更高b值进一步研究。Mazzoni等［38］对比了单指数模型与双指数模型和峰度模型对于前列腺癌的诊断价值，结果表明b值范围在0～2 300 s/mm2或0～1 800 s/mm2之间时，DK影像对于诊断前列腺癌的准确性高于单指数与双指数模型所得到的DWI影像，然而b值范围在0～800 s/mm2之间时其准确率并无明显差异。这表明DK影像对于前列腺癌的诊断及评价具有较高的价值，而其诊断效能与b值密切相关。Rosenkrantz等［11］认为DK影像是利用图像后处理技术通过标准DWI影像（b值数量大于3）获得，其最大b值需为2 000 s/mm2左右，以保证其峰度相对精确。关于不同b值对DK影像诊断前列腺癌价值的影响以及以此确定最优b值范围可以作为峰度模型的一个研究方向。

2.4拉伸指数模型Bennett等［39］认为双指数模型描述组织扩散时过于简单化，理想化的组织扩散是将体素内连续分布的扩散系数假设为两个部分，因此进一步提出了拉伸指数模型，其公式为Sb/S0=exp ［-（b×DDC）a］，其中DDC表示分布扩散系数，代表体素内平均扩散率，a代表体素内的异质性，反应体素内扩散的不均匀性，大小在0～1之间，Sb是扩散系数为b时的信号强度，S0是无扩散时的信号强度。a越接近0，说明体素内扩散异质性就越高；反之，异质性越低。拉伸指数模型最先用于神经系统影像研究，Kwee等［40］利用拉伸指数模型DWI评价高级别胶质瘤，结果表明a在肿瘤区明显低于正常的脑组织区，而DDC在肿瘤区明显高于正常脑组织区，并且DDC与a呈负相关，利用DDC和a能很好地评估高级别胶质瘤的生物特征。目前拉伸指数模型DWI应用于前列腺癌的研究较少，Liu等［41］对比了27例前列腺癌单指数模型与拉伸指数模型DWI数据，结果前列腺癌DDC值低于正常前列腺组织，其ADC值与DDC值呈强相关性。拉伸指数模型DWI为前列腺癌的诊断提供了新的参数，将来可以从以下两方面进一步探讨其价值：①前列腺癌与正常组织的差异；②DDC与ADC值的强相关性。

3　多参数MRI对前列腺癌的应用价值

前列腺多参数MRI（multiparametric MRI，MPMRI）扫描方案的最优化是目前研究的一大热点。MP-MRI是指常规序列结合功能序列的MRI扫描，功能序列主要包括MR DWI、MRS、DCE-MRI。高分辨力T2WI联合两个以上功能序列的MP-MRI可明显提高前列腺癌诊断的敏感性和特异性。欧洲泌尿放射学会前列腺MR检查指导意见推荐T2WI+ DWI+DCE-MRI作为前列腺癌诊断的扫描方案［42］。Kim等［43］对110例前列腺癌病人多参数MRI研究认为，MP-MRI诊断前列腺癌的准确性明显高于T2WI联合DWI、T2WI联合DCE-MRI以及各序列单独成像（P＜0.05）。也有研究者［44］报道T2WI+DWI+DCEMRI方案略优于T2WI+DWI方案，但两种扫描方案差异无统计学意义。由于T2WI联合两种以上功能序列的MP-MRI检查时间长、费用昂贵，目前在临床很难推广应用。综合比较而言，T2WI联合DWI方案可能是目前比较适合的检查方案。因此，MP-MRI中最优化组合还需要进一步深入的研究和探讨。

4　展望

DWI以其无创、无需对比剂以及可反映分子水平病理变化等优点，在前列腺癌检出及鉴别、侵袭性评估、预后检测等方面具有重要价值。目前面临的主要问题仍是ADC值重叠问题，如何缩小ADC重叠应作为将来研究的一个方向。随着高b值的应用以及多种模型的开发和深入研究，DWI将会在前列腺疾病诊断中发挥更加积极的作用。

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Research progress in diffusion weighted imaging of prostate cancer

GAO Hongbo，ZHOU Liangping.Department of Diagnostic Radiology，Fudan University Shanghai Cancer Center，Shanghai 200032，China

【Abstract】Diffusion weighted imaging（DWI）can detecte the change of water diffusion properties of living organisms nonivasively and reflect the physiological processes of molecular pathophysiology.It plays a important role in the detection，staging，and aggressiveness assessment of prostate cancer.This article reviews its application values，especially the appliacation values of DWI functional models and multiparametric MRI in prostate cancer.

Diffusion weighted imaging；Prostate cancer；Functional models；Multiparametric；Magenetic resonance imaging；Differential diagnosis Int J Med Radiol，2016，39（1）：49-54

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.06.Z3369

复旦大学附属肿瘤医院放射诊断科，上海 200032

周良平，E-mail：zhoulp-2003@163.com