磁共振扩散峰度成像及体素不相干运动成像在鉴别前列腺癌与前列腺增生中的应用

刘颖 综述 陈敏 审校

前列腺癌(prostatic carcinoma ,Pca)多发生于老年男性。世界范围内，前列腺癌患病率居男性恶性肿瘤第2位，居男性癌症死亡率的第6位[1]。随着我国人口的老龄化和人们生活水平及生活方式的变化，前列腺癌发病率呈明显上升趋势[2]。目前，MRI是前列腺癌早期诊断及定位的最准确的无创性检查方法，但仅凭借常规序列诊断有时仍存在困难。功能成像技术如DWI、动态对比增强MRI(dynamic contrast-enhanced MRI，DCE-MRI)及MRS能够提高前列腺癌的诊断准确性，但均有各自的局限性[3]。DCE-MRI是一种反映组织微循环血流灌注情况的MRI检查方法，它基于顺磁性对比剂注入血管导致组织T1缩短这一事实，使用重复成像记录组织信号强度的变化以跟踪对比剂随时间扩散到周围组织中的情况，是研究肿瘤微血管渗漏特征的定量MRI技术[4]，但参数Ktrans值在癌变区域和过渡带组织上有很大的重叠，使得诊断特异性大大降低，特别是因为前列腺增生(benign prostatic hyperplasia，BPH)所引起的血管增生[5]；此外，MRI-DCE参数众多，使得医生难以从图像中提取直接信息[6]。DWI通过检测水分子在体内不同组织内的布朗运动进行成像，采用单指数模型模拟DWI信号强度随b值衰减，可以得到表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值；前列腺癌通常在DWI上表现为高信号，在ADC图上表现为低信号，提示病灶区域扩散受限；但单指数模型的一个局限之处在于假设水分子的热运动服从高斯分布，而事实上由于细胞膜、细胞器以及大分子的存在，组织内扩散往往是非高斯性的[7]。扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)弥补了这一不足，以非高斯分布模型模拟生物体内水分子的扩散运动，来反映组织微观结构的变化[8-9]。此外生物体组织是非均质性结构，包括细胞内水分子运动和更多细胞外水分子运动，多指数衰减形式更符合信号衰减，b值越大越明显。体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion，IVIM)基于双指数模型，施加足够不同b值进行DWI采样时，采用最小二乘法求解，试图分开血液灌注及组织内单纯水分子运动影响，获得微循环灌注信息。DKI及IVIM在分子水平对前列腺进行无创性成像，能更加真实、准确地把握人体组织微观结构信息。本文就DKI和IVIM在鉴别前列腺癌与良性组织以及评估前列腺癌侵袭性中的应用价值进行综述。

扩散峰度成像基本原理

扩散峰度成像技术是基于DWI及DTI基础上发展起来的。DWI及DTI均以人体组织内的水分子运动服从高斯分布为基础而提出来的，都在一定程度上反映了活体组织水分子的扩散情况[10]。但人体组织微观结构复杂，受微环境等各种因素的影响，水分子运动并不服从高斯分布。2005年Jensen等[8]首次提出扩散峰度成像，探查水分子非高斯运动的功能成像技术，能更加真实地反映组织微观结构及细胞特性，其主要计算公式包括:

In[S(b)]=ln[S(0)]-bDapp+1/6b2D2appKapp+0(b3)

(1)

S=S(0)exp(-bD+b2·D2·K/6)

(2)

公式(1)中S(b)为不同回波时间的信号强度，0(b3)为 b 的三阶无穷小项，Kapp与Dapp分别表示某个扩散敏感梯度方向的峰度系数与扩散系数，前者描述水分子在生物组织内受限扩散的程度，后者描述扩散加权成像中不同水分子扩散运动的速度[8-9]。公式(2)中，K被称为平均扩散峰度(mean kurtosis，MK)，是指所有梯度方向的扩散峰度平均值，主要反映组织整体扩散的不均匀性，其大小不依赖于组织结构的空间方位，而是取决于组织结构的复杂程度，结构越复杂，非正态分布水分子扩散受限越显著，MK也越大，大小介于0～1之间。D值是指经这种非高斯分布矫正过的ADC值[11]。

DKI技术可获得的主要参数包括平均峰度(mean kurtosis,MK)、轴向峰度(axial kurtosis,AK)、径向峰度(radial kurtosis,RK)，MK是DKI技术最关键的参数，代表空间各梯度方向的扩散峰度平均值[12]，是衡量组织结构复杂程度的指标[13]。MK值与组织复杂程度呈正比，结构越复杂(如癌细胞分化程度越低、细胞密度越大)，水分子运动阻碍则越显著，MK值越大[14]；AK和RK分别指与扩散张量平行及垂直方向上扩散峰度的平均值，其大小量化了此方向水分子扩散受阻程度[15-16]。

体素内不相干运动成像基本原理

体素内不相干运动扩散加权成像是在DWI基础上发展起来的[17]，IVIM是一种双指数模型，能够无创区分活体组织内水分子运动的真性扩散及微循环灌注的假性扩散信息，在不需要对比剂的情况下反映组织灌注信息。Le Bihan等[18-19]于1988年首次提出IVIM模型，用于观察体素内分子的微观运动，包括细胞内外水分子的扩散和血液的微循环灌注，其信号变化与所用b值间的关系可用公式(3)来表示：

Sb/S0=(1-f)·exp(-b·D)+f·exp(-b·D*)

(3)

公式(3)中b为扩散敏感因子，单位为s/mm2；Sb和S0分别代表b取某个b值(b≠0)及b=0时的信号强度；D为真实水分子扩散系数，表示体素内单纯的水分子扩散效应；D*为假性扩散系数，表示体素内由于微循环灌注所致扩散效应，与血流速度和毛细血管几何形态有关；f为灌注分数，表示感兴趣区内局部微循环所致灌注效应占总体扩散效应的容积比率，大小介于0～1之间；常规DWI不能真实反映组织扩散情况，特别是当b值在0～200s/mm2范围内时，组织扩散情况受微循环灌注影响较大[20]。

IVIM-DWI采用4个及以上的b值通过双指数模型拟合获得IVIM-DWI相关参数，包括真实扩散系数(diffusion coefficient，D)、灌注相关扩散系数(diffusion coefficient from the perfused compartment，D*)及灌注分数(perfusion fraction，f)。D值反映的是组织单纯水分子的真性扩散，D*值反映的是组织微循环产生的假性扩散，f值反映的是组织微循环灌注占整体扩散效应的容积百分比。

DKI及IVIM在前列腺癌中的应用现状

1.DKI在前列腺癌中的应用

DKI是近年来发展起来的一种功能成像技术，相对于DTI更具优势，DKI采用的扩散敏感梯度方向数更多，更能反映水分子的真实运动情况和非正态分布特性。DKI的参数K值、D值、Ka值等在Pca的诊断及鉴别诊断中有很高的价值[21]。 研究发现前列腺癌区的K值高于非癌区，D值低于非癌区，Tamura等[22]的研究证实了这一观点，并证实K值的敏感性最高，这可能主要是因为前列腺癌组织结构更为复杂，具有丰富的血管及腺管结构，细胞稠密，异型性更大，排列无序，细胞间隙更窄，核质比更高，从而导致其K值较非癌区更高。金刚等[23]对40例前列腺癌患者进行研究后发现，外周带前列腺癌的FA值及MK值均高于正常外周带组织，而ADC值低于正常组织，差异有统计学意义(P<0.01)。Roethke等[24]对55例外周带前列腺癌患者行DKI及DWI检查，分别测量肿瘤发病区域及对侧正常组织的扩散系数(Dapp)、峰度系数(Kapp)及ADC值，结果显示Dapp 值及Kapp值与从DWI图获得的ADC值相比，在前列腺癌的检测和分级上，没有明显优势。Rosenkrantz等[25]对47例外周带前列腺癌进行研究，发现前列腺癌的ADC值及D值低于正常前列腺组织，在前列腺癌的鉴别诊断中，K值的敏感度高于ADC值，但特异度基本相当；并且发现K值区分高低级别PCa的敏感度高于ADC值与D值，但特异度低于ADC值和D值。综上所述，DKI的参数K值及D值有助于诊断与鉴别PCa，且多数研究者认为DKI比常规DWI在鉴别前列腺癌与良性病变及对前列腺癌的分级中具有更高价值；但鉴于目前研究结果还存在不一致之处，尚需扩大样本量进行深入研究证实结论。总之，DKI能在前列腺癌的鉴别诊断中提供更多定量参数信息，在前列腺癌的鉴别诊断及分级中具有较高的敏感度及特异度。

2.IVIM在前列腺癌中的应用

相关研究表明前列腺癌D值较前列腺良性病变明显减低，差异具有统计学意义[26]，这主要是由于前列腺癌细胞增殖迅速，细胞数目增多，排列紧密，细胞外间隙变窄，水分子扩散受限，导致D值明显减低。冷晓明等[27]对24例前列腺癌患者的IVIM数据进行分析，使用双指数模型拟合算法获得病变组织的纯水分子扩散系数D值和灌注分数f值，比较两者在前列腺癌与前列腺增生组间的差异，结果显示前列腺癌组的D值明显低于前列腺增生组，组间差异有统计学意义；前列腺癌组的f值高于前列腺增生组，组间差异有统计学意义。张杨贵等[28]对20例前列腺疾病患者进行研究，发现前列腺癌组D值较良性组织低，差异有统计学意义，但D*值、f值在前列腺癌与良性组织之间的差异没有统计学意义。分析其原因，与前列腺癌组织具有异质性，发生于不同解剖区域及分化程度不同的癌组织D*值与f值可能有差异，可能会与前列腺良性组织有重叠有关。此外，D*值与f值对图像信噪比的要求很高，很容易受到运动伪影及邻近结构的影响。Döpfert等[29]对13例前列腺癌患者进行研究，发现与正常前列腺组织相比，前列腺癌组织的D值及f值明显减低，这与Pesapane等[30]的研究结果相符，但Riches等[31]的研究发现，只有D值差异有统计学意义，f值差异无统计学意义，另外，D*值差异亦无统计学意义，这可能与只选取两个b值(0、50s/mm2)有关。Shinmoto等[32]对26例前列腺癌患者的IVIM-DWI参数进行分析，发现ADC值、D值及f值在前列腺癌中明显低于正常前列腺组织，但f值对鉴别前列腺癌与前列腺增生无统计学意义，可能的原因是f值不仅包含微血管的血流灌注，还包含了腺体的分泌、腺管内液体的流动等，因而导致f值偏离实际水平，另外D*值在前列腺癌、前列腺增生及正常前列腺组织中无明显差异。国内外部分研究者报道D值与前列腺癌侵袭性具有相关性，对鉴别高低级别前列腺癌具有一定价值[33-34]，这主要是由于前列腺癌细胞生长迅速，细胞致密、细胞外间隙变窄，水分子在细胞外间隙运动受限，D值减低。前列腺癌恶性程度越高，增生血管生长越迅速，微血管密度越大，管壁通透性增高，组织灌注越明显f值越大，但f值在前列腺癌鉴别诊断及恶性程度评估中的价值尚存在争议，有待继续深入研究。总之，IVIM的扩散系数D值、伪扩散系数D*值及灌注因子f值等，能同时反映组织内水分子扩散和灌注状态，精确评估组织内水分子扩散状况，在不使用对比剂的情况下分别得到组织内单纯扩散与微循环灌注关系，有助于鉴别前列腺癌与前列腺增生，为临床前列腺癌的定位及诊断提供重要参考信息，但目前国内外对IVIM扫描参数的设定、b值的选择等尚未达成一致意见，导致所测值存在差异，有待于进一步研究。

总结与展望

初步研究结果表明，IVIM及DKI在前列腺癌的发现、肿瘤的侵袭性及最终病理结果的预测中可能比常规磁共振扩散加权成像有更高的价值[35]。 然而，IVIM及DKI对前列腺良恶性病变的量化值有部分重叠，且DKI扫描时间过长[36]。这些新技术可提高诊断价值及诊断的准确性，但尚处在早期研究阶段，有待继续深入研究[37]。