多模态影像引导前列腺靶向穿刺技术的研究进展

申艳光 叶慧义 王海屹△

1中国人民解放军总医院放射科 100853 北京

综 述

多模态影像引导前列腺靶向穿刺技术的研究进展

申艳光1叶慧义1王海屹1△

1中国人民解放军总医院放射科 100853 北京

△审校者

前列腺癌在我国呈逐年上升趋势，早期前列腺癌的筛查及诊断尤为重要。随着医学影像学诊断技术的进步，利用多模态成像技术引导前列腺靶向穿刺有了较大进步，提高了前列腺癌检出率，降低了穿刺并发症。本文就多模态影像技术引导下前列腺癌穿刺的现状与进展进行综述。

前列腺；肿瘤；多模态影像；靶向穿刺

前列腺癌是老年男性常见恶性肿瘤之一，2015年中国肿瘤登记年报显示我国前列腺癌位列男性恶性肿瘤发病率第6位，近10年发病率上升趋势明显，且随年龄增长而增长[1,2]。早期诊断对提高患者生存期有重要意义，早期前列腺癌治疗首选根治术[3]。

早期前列腺癌筛查手段有前列腺特异性抗原、直肠指诊，超声成像、磁共振成像等多模态成像等，确诊仍需前列腺穿刺活检。经直肠超声成像(transrectal ultrasonography,TRUS)引导前列腺穿刺活检是临床常用的方法，初筛人群初次穿刺阳性率26%～40%，漏诊率30%～50%，重复活检率较高[4,5]。为改善TRUS的缺陷，近年引导前列腺穿刺的影像学技术有较大进展，本文综述有关技术进展。

1 多模态影像成像概念

多模态影像成像指联合多种影像成像技术、融合机体解剖成像和人体功能或代谢成像等不同模态图像信息，多组信息互补及交叉验证，提高诊断疾病的综合成像模式[6]。解剖成像包括普通X线、CT、MRI、超声成像(US)、数字减影血管造影术等。功能成像有功能磁共振成像、扩散张量成像、磁共振波谱分析、灌注成像、动态增强成像、单光及正电子发射计算机体层成像等。临床上对同一患者常行多种模态或同一模态的多次成像。

2 多模态超声成像引导前列腺穿刺的应用

随着TRUS由单模态成像发展为多模态成像，如经直肠前列腺三维成像、前列腺实时弹性成像及前列腺超声造影等，有利于前列腺癌灶精确靶向穿刺及提高穿刺活检阳性率。

2.1 经直肠二维超声成像引导前列腺穿刺

经直肠二维超声成像(two-dimensional transrectal ultrasonography,2D-TRUS)优点是操作灵巧及实时动态扫查，是引导前列腺穿刺的常用方法。缺点是解剖结构分辨率低、癌灶检出率低、穿刺阳性率低[7]，原因除与2D-US成像本身缺陷外，还与临床医生自己发挥空间想象力来确定靶点而产生偏差有关；也与系统穿刺部位(易于漏诊前列腺前部、尖部及近尿道部肿瘤)、前列腺癌多灶性及多样性有关。为提高穿刺检出率，许多学者建议增加穿刺点数，但即使饱和穿刺在初次TRUS穿刺中仍有大部分前列腺癌被漏诊。随着超声技术的发展，其常与超声造影、三维成像等联合应用。

2.2 经直肠三维超声成像引导前列腺穿刺的应用

经直肠三维超声成像(three-dimensional transrectal ultrasonography,3D-TRUS)通过旋转超声探头同时获取二维和三维成像信息，帮助定位系统识别解剖标志，提供三维实时穿刺路径模型，精确定位引导靶向穿刺，记录穿刺针位置，覆盖足够感兴趣区，有利于明确靶点及重复活检病例。Cool等[8]、Long 等[9]认为3D-TRUS活检准确性、检出率、可重复性均优于2D-TRUS。

2.3 经直肠超声组织弹性成像引导前列腺穿刺

经直肠超声组织弹性成像(transrectal real-time tissue elastography,TRTE)指利用数字信号或图像处理技术，将不同组织弹性用不同颜色编码成像来显示病灶。恶性肿瘤组织因细胞增殖快、细胞密度大，所以病灶较硬，具有部分压缩弹性或无压缩性的特点。Pallwein等[10]发现癌症患者中TRTE引导前列腺靶向穿刺活检的阳性率是系统活检的2.9倍，并可减少一半的穿刺活检针数。Brock等[11]认为TRTE引导前列腺靶向穿刺活检阳性率较2D-TRUS高，但仍不能代替系统穿刺活检。

2.4 经直肠超声造影成像引导前列腺穿刺

经直肠超声造影成像引导(contrast-enhanced transrectal ultrasonography,CE-TRUS)指利用低机械指数声能接收微泡震荡产生的非线性基波超声信号成像。机理为增加了前列腺恶性结节微血管灌注，提高了恶性结节的可视化，诊断特异度较2D-TRUS明显提高，利于引导靶向穿刺。Sano等[12]认为CE-TRUS引导靶向穿刺阳性率高于系统穿刺阳性率。Strazdina等[13]认为CE-TRUS 对Gleason 评分高的前列腺癌易检出；对评分较低、浸润范围较广的前列腺癌敏感性较低，有较大局限性；与690例患者研究结果相似[14]。

尽管超声多模态成像提高了对前列腺癌的检出率及引导靶向穿刺阳性率，但仍无法与MR成像相媲美。为此有学者提出通过图像融合技术引导前列腺靶向穿刺，互补不足。

3 超声成像与MR图像融合引导前列腺靶向穿刺的应用

基于MRI的融合技术常见MRI/TRUS融合、认知融合[15]。

3.1 MRI/TRUS融合成像引导前列腺靶向穿刺进展

MRI/TRUS融合成像通过多模态医学图像配准和融合技术，结合MRI与TRUS各自优势，被认为是引导前列腺靶向穿刺技术发展的主要趋势之一。融合图像关键是两种模态图像的精确配准。

图像融合基本模型：①形状统计模型和生物力学模型的前列腺MRI-TRUS图像非刚体配准方法。②自适应聚焦形变模型，经典方法。③个性化统计形变模型[16]。以上方法解决了MRI-TRUS配准误差以及个性化差异问题，但临床医生仍需大量时间分割MRI和US数据，常因分割结果不稳定而影响配准效果。

图像融合基本过程：①穿刺前，行MRI多模态成像及超声检查并分别重建三维图像，依尿道、射精管等为定标点融合，或选取最大横断面经过尿道的纵切面或前列腺尖部、基底部等切面融合。②操作者可在融合图像上模拟穿刺计划。③穿刺过程可实时在屏幕上显示探头位置，并记录并在图像上融合穿刺针轨迹[15]。Singh等[17]认为融合成像引导定位穿刺前列腺癌的敏感度和特异度明显增加。Ukimura等[18]进行MRI/3D US融合引导下穿刺，准确率为89%。而Sonn等[19]研究105例前列腺穿刺阴性后PSA持续增高的患者行MRI/TRUS融合成像引导的靶向穿刺，穿刺阳性率为34%，阳性者中有临床意义者明显高于系统穿刺活检。也有文献报道认为融合成像引导靶向穿刺较系统活检对前列腺临床显著癌检出率增加22%[20]。

总之，融合图像引导前列腺穿刺有一定优势，但存在融合过程费时费力、易有误差等缺点。近来又有学者研究3D打印技术辅助认知融合引导前列腺穿刺[15]，所谓认知融合指医师在前列腺穿刺前通过阅读MRI影像选取可疑区域后在TRUS引导下穿刺。

3.2 3D打印技术辅助认知融合引导前列腺靶向穿刺

通过Mp-MRI定位诊断信息精确地对前列腺肿瘤进行空间3D建模、利用计算机模拟穿刺及利用3D打印技术行3D图像重现辅助认知融合引导前列腺靶向穿刺。3D打印技术利用透明树脂材料客观显示肿瘤位置、形状、大小，并模拟穿刺及制订个体化穿刺方案。较传统认知融合提高了认知融合效率，避免严重依赖医师经验，具有一定精确性和可重复性。缺点：①前列腺作为软组织器官的数据的图像处理较骨骼等高密度组织难度大；②精确的建模需在数据建模阶段熟悉盆腔解剖结构及在影像科医师的协助下才能较好完成；③前列腺癌具有多灶性，磁共振多模态成像尚不能发现体积较小的癌灶，因此3D打印技术也难以全部显示。

因此，基于多模态的融合图像引导的靶向穿刺仍是间接引导，尚不能完全取代系统穿刺，而精确靶向穿刺的发展依赖于更高敏感性和特异性的影像学的发展，对避免漏诊高危前列腺癌具有重要意义。

4 MR成像引导前列腺靶向穿刺

4.1 多模态MR成像在前列腺癌诊断中的作用

多模态MR成像(multi-parametric magnetic resonance imaging,Mp-MRI)是目前公认前列腺癌诊断最好的影像检查方法，可发现80%～90%体积大于0.5 ml的前列腺癌，从解剖和功能上很好定义病灶体积和相关功能特征[21]。2012 年欧洲泌尿与生殖放射协会推荐用 Mp-MRI，至少包括横断位高分辨率 T2WI 的解剖像和两个功能像(DWI、动态增强成像)[22]。Mp-MRI 对于体积<0.5 ml、Gleason 评分≤6分的前列腺癌检出率并不高，但随着病灶体积增大、Gleason评分增高，检出率明显增高。Mp-MRI 对于体积>0.5 ml，尤其Gleason 评分>7分的前列腺癌有高度的准确性[23]。

MRI越来越多用于早期前列腺癌诊断、癌灶定位，为有效避免早期诊断中TRUS穿刺的假阴性问题，2013年美国泌尿外科学会年会指出“MRI是提升前列腺穿刺准确度的有力工具”；2014 年欧洲泌尿外科协会专业指南推荐，对经超声活检阴性的患者重复活检应采用直接Mp-MRI引导的靶向穿刺活检[24]。

4.2 MR引导前列腺靶向穿刺技术的应用

Mp-MRI成像引导前列腺穿刺技术近年取得较大发展：①由开放式低场强MR到高场强引导靶向穿刺。2000年D'Amico等[25]首次用0.5 T MR经前列腺T2WI图像引导经会阴穿刺前列腺取得成功，但图像质量差。随着穿刺设备的发展，1.5 T及3.0 T MRI直接引导穿刺获得应用，提高了影像质量。Zangos等[26]首次研究利用1.5 T MRI及穿刺辅助系统在尸体上行前列腺穿刺取得成功。2014年Zamecnik等[27]在3.0 T MR引导靶向穿刺活检11例，64%患者穿刺活检前列腺癌阳性。265例TRUS穿刺阴性后PSA持续升高且Mp-MRI发现可疑癌灶者，3.0 T MRI引导靶向穿刺阳性率为41%，87%的有临床意义[28]。②应用快速成像引导序列，缩短了靶向穿刺时间。Zamecnik等[27]利用实时纯相位交叉相关算法序列(phase-only cross correlation)自动跟踪导引经直肠前列腺穿刺活检，该序列每秒成像一层的时间分辨率，接近实时成像，与超声实时成像相似，提高了穿刺效率。③由人工手动调整穿刺针到机器辅助自动穿刺。应用与MR匹配的机器辅助自动穿刺设备，克服了操作空间的局限性，利于穿刺针准确放置、定位。Tilak等[29]认为使用自动穿刺模板较手动穿刺模板准确率高，穿刺活检样本时间短及前列腺癌阳性率高。④患者穿刺并发症减少。Egbers等[30]认为患者疼痛感、忍受程度、出血量在经MR引导的穿刺活检前列腺较超声好，受到广大患者的首选。⑤前列腺癌穿刺活检阳性率提高。多个研究表明MR引导的前列腺靶向穿刺阳性率达51%～59%[31,32]，而Moore等[33]在TRUS阴性者经MR引导前列腺靶向穿刺，阳性率可达70%。⑥前列腺介入治疗应用。早期前列腺癌可局部放射治疗，Mp-MRI成像较超声更好的引导及显示前列腺癌放射治疗粒子植入情况[34]。

4.3 MR引导前列腺靶向穿刺的局限性

①靶向穿刺仅适用于Mp-MRI检查有明确可疑前列腺癌灶者，极少数影像学表现不典型及MR扫描禁忌的患者不适用于此。②穿刺用一次性耗材费用相对较高。③MR引导靶向穿刺仍是非实时显像、术中仍需反复扫描定位。④较小病灶活检可因穿刺针的伪影而掩盖。⑤穿刺针较传统钢针柔软，每次穿刺样本量较传统少，需同轴套管多次穿刺取样本组织[35,36]。

5 小结

总之，前列腺Mp-MRI成像是目前诊断前列腺疾病最好的手段，由于超声方便及廉价，TRUS引导前列腺系统穿刺仍是主要手段。相信在未来，MRI直接引导下前列腺靶向穿刺越来越成为主要手段，并在穿刺辅助系统帮助下能缩短手术操作时间、提高穿刺活检精确性及阳性率。

[1]韩苏军,张思维,陈万青,等.中国前列腺癌发病现状和流行趋势分析.临床肿瘤杂志,2013,18(4):330-334.

[2]Chen W,Zheng R,Baade PD,et al.Cancer statistics in China,2015.CA Cancer J Clin,2016,66(2):115-132.

[3]付遵峰,段秀芳,杨秀华,等.经直肠超声引导下前列腺癌穿刺活检的现状与进展.中华男科学杂志,2015,21(3):272-276.

[4]Dominguez-Escrig JL,McCracken SR,Greene D.Beyond diagnosis:evolving prostate biopsy in the era of focal therapy.Prostate Cancer,2011:386207.

[5]Birs A,Joyce PH,Pavlovic ZJ,et al.Diagnosis and monitoring of prostaticlesions:A Comparison of three modalities:Multiparametric MRI,fusion MRI/Transrectal ultrasound (TRUS),and traditional TRUS.Cureus,2016,8(7):e702.

[6]Tong ZH,Wang RF.Advancement of clinical application based on multi-molecualr imaging.Computerized Tomography Theory & Applications,2014,23(4):707-714.

[7]Cool DW,Zhang X,Romagnoli C,et al.Evaluation of MRI-TRUS fusion versus cognitive registration accuracy for MRI-targeted,TRUS-guided prostate biopsy.AJR Am J Roentgenol,2015,204(1):83-91.

[8]Cool D,Downey D,Lzawa J,et al.3D prostate model formation from non-parallel 2D ultrasound biopsy images.Med Image Anal,2006,10(6):875-887.

[9]Long JA,Daanen V,Moreau-Gaudry A,et al.Prostate biopsies guided by three-dimensional real-time (4-D) transrectal ultrasonography on a phantom:comparative study versus two-dimensional transrectal ultrasound-guided biopsies.Eur Urol,2007,52(4):1097-1104.

[10]Pallwein L,Mitterberger M,Struve P,et al.Comparison of sonoelastography guided biopsy with systematic biopsy:impact on prostate cancer detection.Eur Radiol,2007,17(9):2278-2285.

[11]Brock M,Bodman CP,Calisaar RJ,et al.The impact of real-time elastography guiding a systematic prostate biopsy to improve cancer detection rate:a prospective study of 353 PCa patients.J Urol,2012,187(6):2039-2043.

[12]Sano F,Terao H,Kawahara T,et al.Contrast-enhanced ultrasonography of the prostate:various imaging findings that indicate prostate cancer.BJU Int,2011,107(9):1404-1410.

[13]Strazdin A,Krumina G,Sperga M.The value and limitations of contrast-enhanced ultrasound in detection of prostate cancer.Anticancer Res,2011,31(4):1421-1426.

[14]Mitterberger M,Pinggera GM,Hornigher W,et al.Comparison of contrast enhanced color Doppler targeted biopsy to conventional systematic biopsy:impact on Gleason score.J Urol,2007,178(2):464-468.

[15]王燕,高旭,阳青松,等.3D打印技术辅助认知融合在前列腺穿刺活检术中的应用.临床泌尿外科杂志,2016,31(2):104-107.

[16]Wang Y,Cheng JZ,Ni D,et al.Towards personalized statistical deformable model hybrid point matching for robust MR-TRUS registration.IEEE Trans Med Imaging,2016,35(2):589-604.

[17]Singh AK,Kruecker J,Xu S,et al.Initial clinical experience with real-time transrectal ultrasonography-magnetic resonance imaging fusion-guided prostate biopsy.BJU Int,2008,101(7):841-845.

[18]Ukimura O,Desai MM,Palmer S,et al.3-Dimensional elastic registration system of prostate biopsy location by real-time 3-dimensional transrectal ultrasound guidance with magnetic resonance/transrectal ultrasound image fusion.J Urol,2012,187(3):1080-1086.

[19]Sonn GA,Chang E,Natarajan S,et al.Value of targetad prostate biopsy using magnetic resonance ultrasound fusion in men with prior negative biopsy and elevated prostate-specific abtigen.Eur Urol,2014,65(4):809-815.

[20]Jiang X,Zhang J,Tang J,et al.Magnetic resonance imaging - ultrasound fusion targeted biopsy outperforms standard approaches in detecting prostate cancer:A meta-analysis.Mol Clin Oncol,2016,5(2):301-309.

[21]Jagannathan NR.Prostate MR:Current status,challenges and future directions.NMR Biomed,2014,27(1):1-2.

[22]Barentsz JO,Richenberg J,Clements R,et al.ESUR prostate MR guidelines 2012.Eur Radiol,2012,22(4):746-757.

[23]Bratan F,Niaf E,Melodelima C,et al.Influence of imaging and histological factors on prostate cancer detection and localisation on multiparametric MRI:a prospective study.Eur Radiol,2013,23(7):2019-2029.

[24]Heidenreich A,Bastian PJ,Bellmunt J,et al.EAU guidelines on prostate cancer.Eur Urol,2014,65(1):124-137.

[25]D'Amico AV,Tempany CM,Cormack R,et al.Transperineal magnetic resonance image guided prostate biopsy.J Urol,2000,164(2):385-387.

[26]Zangos S,Melzer A,Eichler K,et al.MRcompatible assistance system for biopsy in a high-field-strength system:initial results in patients with suspicious prostate lesions.Radiology,2011,259(3):903-910.

[27]Zamecnik P,Schouten MG,Krafft AJ,et al.Automated real-time needle-guide tracking for fast 3-T MR-guided transrectal prostate biopsy:a feasibility study.Radiology,2014,273(3):879-886.

[28]Hoeks CM,Schouten MG,Bomers JG,et al.Three Tesla magnetic resonance-guided prostate biopsy in men with inceased prostate-specific antigen and repeated,negative,random,systematic,transrectal ultrasound biopsies:detection of clinically significant prostate cancers.Eur Urol,2012,62(5):902-909.

[29]Tilak G,Tuncali K,Song SE,et al.3T MR-guided in-bore transperineal prostate biopsy:A comparison of robotic and manual needle-guidance templates.J Magn Reson Imaging,2015,42(1):63-71.

[30]Egbers N,Schwenke C,Maxeiner A,et al.MRI-guided core needle biopsy of the prostate:acceptance and side effects.Diagn Interv Radiol,2015,21(3):215-221.

[31]Dianat SS,Carter HB,Macura KJ.Magnetic resonance-guided prostate biopsy.Magn Reson Imaging Clin N Am,2015,23(4):621-631.

[32]Felker ER,Lee-Felker SA,Feller J,et al.In-bore magnetic resonance-guided transrectal biopsy for the detection of clinically significant prostate cancer.Abdom Radiol (NY),2016,41(5):954-962.

[33]Moore CM,Robertson NL,Arsanious N,et al.Image-guided prostate biopsy using magnetic resonance imaging-derived targets:a systematic review.Eur Urol,2013,63(1):125-140.

[34]Mason J,Al-Qaisieh B,Bownes P,et al.Multi-parametric MRI-guided focal tumor boost using HDR prostate brachytherapy:a feasibility study.Brachytherapy,2014,13(2):137-145.

[35]张志鹏,刘明,陈敏,等.磁共振靶向前列腺穿刺活检对前列腺癌诊断的研究.中华泌尿外科杂志,2016,37(3):161-164.

[36]Zangos S,Eichler K,Thalhammer A,et al.MR-guided interventions of the prostate gland.Minim Invasive Ther Allied Technol,2007,16(4):222-229.

Progress of multimodality image-guided prostate targeted biopsy

ShenYanguang1YeHuiyi1WangHaiyi1

(1Department of Pathology,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China)

Ye Huiyi,13701100368@163.com

Prostate cancer is increasing year by year in our country.Diagnosis of early prostate cancer is important.With the development of medical imaging technology,multimodality image-guided biopsy has improved the detection rate of prostate cancer,and reduced the complications.This review focused on the present status of and advances in multimodality imaging technology-guided biopsy for prostate cancer.

prostate; tumor; multimodality image; targeted biopsy

军队干部保健专项科研课题(14BJZ02)

叶慧义，13701100368@163.com

2016-12-03

R737

A

10.19558/j.cnki.10-1020/r.2017.03.015