超极化气体磁共振成像在放射性肺损伤方面的研究进展*

潘淑豪

（安徽医科大学第一附属医院 肿瘤放疗科，安徽 合肥 230022 ）

2022 年国家癌症中心发布的中国癌症疾病负担数据显示胸部肿瘤约占新发病例34%［1］。在胸部恶性肿瘤的放射治疗中，放射性肺损伤（RILI）是放疗后常发生的一种严重并发症。早期的放射性肺炎（RP）和晚期的放射性肺纤维化（RILF）是RILI 在临床上的两种表现形式。RP 多发生于放疗后的4～12 周，临床表现为发热、咳嗽、胸痛、呼吸困难等，不过早期干预有望恢复；RILF 常发生于放疗后数月至数年，会导致逐渐加重的肺泡结构紊乱和不可逆肺纤维组织重构，最终引起呼吸功能衰竭，目前尚无有效治疗药物［2-3］。超极化气体的磁共振成像在肺功能及结构成像方面有独特优势，目前主要使用3He 及129Xe 等，可用于RILI 特别是RP 的及时、有效评估［4］。本文就超极化气体磁共振成像在RILI 方面的研究进行文献综述。

1 RILI 临床评估手段

临床评估RILI 的主要手段是肺功能测试（PFTs）及X 射线成像（包括胸透、CT 等）［5-6］。然而，PFTs 是全肺测量，不能识别肺功能的局部缺陷，会降低PFTs 对RP 的敏感度。在临床症状出现前CT 尚不能观察到由RP 引起的解剖结构变化［7-8］。RILF 的CT 成像是目前鉴别肺肿瘤复发和纤维化的金标准，但多发生在放疗后数月，无法影响任何治疗方案以减轻RILF。

核医学成像可获得肺功能信息。单光子发射断层扫描（SPECT）功能显像可提供肺的通气和灌注图［9-11］，放疗后3～4 个月后会发生灌注和通气的剂量相关性减少［12-13］，不过这些指标与全肺功能的相关性很弱，需额外的工作来评估局部损伤［14］。氟脱氧葡萄糖（18F-FDG）正电子发射断层扫描（PET）显像显示肺癌患者18F-FDG 摄取增加与RILI相关，然而，该技术严重依赖于组织对18F-FDG 的摄取，且易受高假阳性率的影响［15］，且18F-FDG的高摄取与炎症和肿瘤生长均相关，故目前不能明确区分RILI 与肿瘤［16-17］。使用灌注SPECT/CT和FDG PET/CT 成像发现功能肺的异质性和剂量学与放射性肺炎间存在一定的相关性［18］。此外，SPECT 及PET 成像空间分辨率有限，缺乏特异性，会对患者产生额外的放射剂量。

传统的（即质子）MRI 已经可以通过测量局部灌注［19］和T2 弛豫时间［20］来发现RILI。然而，肺内仅包含约20%的软组织，质子信号低，限制了质子MRI 在肺内的应用［21-22］；且肺内气体/组织界面磁化率差异明显，进一步降低了质子信号；另外，呼吸运动会造成图像模糊和其他伪影。利用超极化3He 或129Xe 气体，可以在一次屏气内实现气道和肺泡的高空间分辨率成像［23-24］；超极化气体MRI 可利用表观扩散系数（ADC）进行肺的形态学肺测量。RP 的特征如上皮损伤引起的肺泡功能丧失、肺泡和毛细血管壁增厚、表面活性剂失活导致通气和灌注减少等都是超极化气体MRI的有效靶点。基于RP 的及时发现，有望改变放射治疗的分割方式，更早引入辅助治疗以减轻RILI并改善患者预后。

2 超极化3He 气体MRI 在RILI 中的应用

3He 在组织中信号强且不溶，可利用其通气缺陷和ADC 来探测与RILI 相关的功能和微结构变化。超极化3He 气体通气缺陷已被用于RILF 的研究，包括识别与RILI 相关的通气缺陷进展、停滞和下降［25-27］；配准3He 图像与CT 图像，从而获得可避免功能性肺缺损的最佳放疗方案［28-29］。

ADC 成像对通气肺中与RP 相关的微结构变化更敏感，因为RP 和纤维化会导致肺泡气隙减少，这与肺气肿造成的肺泡扩大相反。研究发现在与照射暴露相关的纤维化区域3He 的ADC 值降低［30］。

3 超极化129Xe 气体MRI 在RILI 中的应用

129Xe 气体的扩散尺度可更好地匹配肺泡尺寸，可发现通气缺陷［31］，也许更适合测量由RILI 引起的微结构变化。129Xe 的MRI 能够检测并量化由放疗引起的局部肺功能变化［32-33］。129Xe 具有可溶性，故在肺组织中，平衡状态下的129Xe 具有气相和溶解相两种物理状态，基于此可实现不同功能成像［34-36］。

3.1 气相成像

研究发现照射肺中的RP 特征即肺泡壁增厚明显，这种增厚会影响129Xe 的原子扩散［37］，且利用129Xe MRI 和气体交换曲线可以在放疗两周后检测出局部RILI［38］。受照射小鼠的终端气道内半径、外半径R 和平均肺泡弦长（Lm）会显著降低［39］，该结果与组织学上测量的RP 变化一致，证明炎症引起的RP 改变会导致肺泡壁增厚，但在RILI 相对早期阶段并没有严重影响通气。其中，可利用加速Lm 估计快速完成Lm 提取［40］。利用129Xe MRI 发现，受照射肺的通气与红细胞（RBCs）局部气体交换相关性降低［41］。

3.2 溶解相成像

肺癌的局部放射治疗和肺外胸部肿瘤的治疗可导致复杂的空间剂量分布。因此空间解析RILI（特别是RP）的能力，对优化治疗方案有突出价值，超极化129Xe 的化学位移成像可用于此目的。经照射区域肺的RBCs 一组织图像平均信号比明显下降，MRI 空间和时间分辨率更高，故MRI 利于研究照射区域组织和RBC 的129Xe 信号对RILI 的响应，其中，非笛卡尔空间编码可用于气体交换曲线的区域制图［42］。

ZANETTE 等［37］利用129Xe MRI 观察到RILI 大鼠部分肺的肺组织结构和灌注发生局部改变，照射后右肺的肺组织信号强度增加，不均匀性增强，RBC 信号不均匀性增强。DRIEHUYS 等［43］首次报道了129Xe 溶解相成像在RILI 检测中的应用，在对大鼠进行单次剂量为28 Gy 的照射3 个月后，发现其RBC 图像强度降低。红细胞峰值的减少可能是由于组织屏障增厚导致的气体交换受损，或由于血管损伤导致的红细胞数量减少，或两者兼有。气体交换的量化可用于解释溶解相129Xe 的图像强度，也可定量提供与RILI 气体交换损伤有关的微观解剖学信息。

3.3 气相-溶解相交换成像

基于气相和溶解相间的Xe 转移，已发展了多种气体交换测量方法。RUPPERT 等［44］首次报道了Xe 转移对比在RILI 检测中的应用，向兔右肺分三次累计照射20 Gy，4 个月后其Xe 转移信号减少，反映出气体交换减少；利用动态化学选择性饱和恢复（CSSR）光谱研究辐射照射后2 周和6 周的RP，发现Xe 转移时间的增加与PaO2减少、肺泡气屏障增厚及表面体积比减少相一致［33］；ZANETTE 等［45］利用溶解的129Xe 对局部伴有RILI的大鼠进行生理气体交换参数的绘制，并与肺定量组织学和RBC 分布相比较，发现空间解析的气体交换绘图对局部损伤敏感。

4 展望

RILI 是限制胸部肿瘤放疗疗效的一个重要因素，尤其是肺癌。缓解RILI 特别是随后的不可逆纤维化，得益于RP 的及早发现。基于超极化气体的MRI 能为RP 的检测提供一种有效的方法。将超极化气体运送到肺损伤部位，能为了解RILI 所伴随的微结构和功能改变提供有价值的信息。

超极化气体表观弥散的MRI 是量化与RP 相关的区域微观解剖变化的有力工具，因为这些气体的弥散长度对末端气道和肺泡的形态测量很敏感。特别是，基于129Xe 形态测量法测量的肺泡大小和末端气道半径减小与RP 相关炎症一致。超极化129Xe 观察与RILI 相关的功能和解剖变化的双重能力更益于RP 检测，因为功能缺陷（如气体交换和灌注）被认为与形态学变化一致或可能先于形态学变化。能够区分溶解在肺组织腔室和血液腔室（即红细胞）的129Xe，并测量这些腔室129Xe 信号的相对动态，可在2 周内测量与RP 炎症相关的气体交换减少。将溶解于肺组织的129Xe 的气体交换变化与末端气道的微观解剖变化进行比较，也许有助于区分RP 和纤维化，这是一个重要的临床问题，因为前者是可逆的，而后者不是。

尽管超极化气体磁共振成像技术前景光明，但由于该技术的输出和可用性有限，其临床研究仍然滞后。在放疗前或放疗后的最初几周内将超极化MRI 整合到治疗计划中应该是最有用的。利用超极化气体MRI 检测早期RP 可以监测乳腺癌、食管癌和其他可能易发生RILI 的胸部肿瘤的持续放疗。这些信息可以作为修改放疗（或化疗）计划的反馈，也可以用来确定抗炎药物是否有用。由于每个患者的生理结构可能略有不同，超极化气体MRI 可以帮助进行个性化治疗；且可以对每个患者的肺功能进行绘制，以用于正在进行的治疗干预。MRI 的非电离特性也允许对患者进行重复扫描，以进行持续监测，而PET 和CT 可能无法做到这一点。持续监测对于追踪癌症患者的肿瘤反应和RP 具有重要意义。

综上所述，超极化气体MRI 技术，为检测RILI 相关的解剖和功能变化提供了非常有前途的方法。基于这些新兴的成像方法，可进行RILI 相关的RP 早期和区域检测，这对于个性化放疗和辅助治疗有着重要意义，从而改善预后。