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体素内不相干运动MRI在宫颈癌中的研究进展

作者:李瑶,张雪峰,内蒙古医科大学

 

宫颈癌居世界女性常见恶性肿瘤的第三位,占据了女性新发肿瘤的9%,严重威胁着女性的生命健康。在众多影像学检查方法中,MRI具有较高的软组织分辨能力,是宫颈癌诊断的首选影像学检查方法。在宫颈癌的诊断、分期以及治疗效果的监测中起着重要作用。随着磁共振技术的快速发展,越来越多的新技术逐渐应用到宫颈癌的研究中。扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)技术是20世纪90年代中期发展起来的,是唯一能够反映活体水分子扩散运动的无创性影像学技术,并可通过测量表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)获得量化的水分子扩散情况。

 

起初DWI在脑部的临床应用中获得了广泛认可,而后随着影像技术的不断发展逐渐应用于体部成像。但通过单指数模型所获得的ADC值有着固有的局限性,尤其是忽视了活体组织中动静脉毛细血管微循环系统对ADC值的影响。1986年,Le等首次提出了基于体素内不相干运动(introvoxelineoherent motion,IVIM)理论的DWI(即多b值双指数衰减模型DWI)。他们通过更加复杂的方式,进一步精确描绘了信号衰减与b值之间的关系。通过此种方法,将组织扩散与微循环灌注量化地区分开来。但由于当时MRI硬软件的限制,IVIM-DWI并没有得到广泛的临床应用。

 

近年来,随着磁共振技术的不断发展,越来越多的学者对IVIM又重拾兴趣。其在体部的研究也越来越多,也有部分学者将IVIM-DWI应用于宫颈癌的研究中去。因此,本文就对IVIM-DWI在宫颈癌中的研究现状进行如下综述。

 

1.基本原理

 

1.1DWI

 

早在临床上得到了广泛的认可及应用。它通过在常规磁共振序列的基础上,施加一对方向相反,强度及持续时间都相同的扩散敏感梯度场(即b值)。这使得运动的水分子质子产生失相位,从而造成信号衰减。若水分子运动受限,则相位漂移不明显,信号不衰减。因此通过测量组织信号强度的变化即可获得水分子扩散运动是否受限的信息。量化参数ADC值的计算,需要至少扫描两个不同b值的DWI,以体素为基础,进行线性拟合后获得回归斜率,若应用更多的b值来计算便可获得更加精准的ADC值。在进行常规拟合时,假定DWI的信号呈单指数衰减,公式如下:SI=SI0exp(-bADC)。其中SI代表有扩散加权时的信号强度,SI0代表无扩散加权时的信号强度,b值为扩散因子,所以,ADC=In(S1-S2)/(b2-b1)。随着b值的增加信号强度下降,ADC值增高,这代表着水分子扩散不受限。

 

通过上述公式可看出,选择不同的b值,得到的ADC值也有所不同。但总的来说,细胞密度较高的组织(如肿瘤组织)ADC值常常低于正常组织,代表水分子扩散运动受限,这使得病变可以更好的显示。

 

1.2IVIM-DWI

 

随着科学技术的发展,如梯度场、平行采集技术等的改进及脂肪抑制技术的提高,使得应用多b值采集高质量的DWI图像成为可能。在使用单指数模型时,小b值的DWI不仅反映了组织水分子扩散,也同时受毛细血管灌注的影响,这两种过程共同作用于DWI上,使得ADC值被高估。而Le等提出的IVIM可以用量化的参数来反映组织水分子运动以及灌注情况。事实上,IVIM是通过一个特殊的三维扩散加权成像序列来区分“扩散”和“灌注”的。它通过由小到大多个b值扫描获得,其中尤其强调低b值(<200s/mm2)与高b值(>200s/mm2)之间的联合应用,从而准确有效的测量病变区的ADC值。

 

其中,小b值范围内扩散加权信号快速衰减是由微血管灌注引起的,抑制血液信号后,小b值部分以与高b值部分相同的速度呈单指数衰减。当b值趋近于0s/mm2时便可认为是微循环灌注。相反地,高b值对微循环灌注不敏感。通过选择高b值部分,并排除灌注成分便可以计算出慢速表观扩散系数(ADC slow,D),即与灌注无关的,组织内水分子纯扩散系数。除此之外IVIM-DWI技术还可以估算出快速表观扩散系数(ADC fast,D*),即微循环灌注相关系数,它与肿瘤血管密度有关;以及快速扩散所占容积分数(Ffast,f),即微循环灌注在DWI信号衰减中所占的比重,它随着肿瘤组织灌注的增加而增加。Wang等发现,恶性病变的D值和D*值明显低于良性病变。该项研究结果与Ichikawa等的研究结果相一致。但也有其他研究表明,良恶性病变之间的D*值没有较大差别。

 

2.IVIM-DWI与磁共振动态增强在宫颈癌中一致性研究

 

动态增强磁共振(dynamic contrast-enhanced MRI,DCE-MRI)在临床工作及临床研究中都有着广泛的应用,常用于不同疾病的非侵入性探测、分类以及疗效评价。它与IVIM-DWI获得组织功能信息的成像原理不同。动态增强扫描图像的获得,需要在一个快速T1WI序列之前或同时静脉注射对比剂。感兴趣区体素内的信号强度,因对比剂积聚量的不同,产生不同的变化。理论上,以上两种方法对灌注的评估应该具有较高的一致性。因为,两者的灌注信息都是依靠血管内血流状态而获得的。但也有部分学者认为其原理上的差距有可能造成结果的不一致。

 

Lee等对IVIM-DWI和DCE-MRI在宫颈癌灌注方面的相关性进行了研究。其中,DEC-MRI应用药动学和时间信号曲线,分析获得振幅系数(amplitude factor,A)、最大强化率(maximum relative enhancement,MaxRE)、时间信号曲线下面积(area under the signal-time curve,AUC)以及血浆与血管外细胞外间隙(extra vascular extracellular space,EES)间容量转移常数(volume transfer constant,Ktrans),它主要反映内皮细胞的完整性和血管的渗透性。在对23例宫颈鳞癌患者的研究发现,通过f值和D*值获得的流量相关系数(fD*)与Ktrans表现出较好的一致性,它反映了宫颈癌组织的毛细血管渗透以及血流量。同时,fD*与A及MaxRE成正相关。f值也与AUC具有一定相关性,可以一定程度上反映血容量,因此也证明了,DEC-MRI与IVIM两者的灌注参数间具有一定联系这一假说。

 

总之,IVIM-DWI的灌注参数与DCE-MRI定量及半定量参数,表现出了较好的相关性。虽然动态增强磁共振可以预测宫颈癌的预后,但需注射外源性对比剂,对肾脏功能较差和过敏的病人不宜进行,而IVIM-DWI不存在上述问题。

 

3.对宫颈癌的临床应用

 

3.1病理分型中的相关性研究

 

宫颈癌中常见的病理类型为鳞癌和腺癌,约占整体的90%以上,其中腺癌仅占到10%左右。而这两种不同病理类型的预后以及治疗方式存在一定差别,因此,早期确定病理类型意义重大。目前,临床多采取活检的方式来确定肿瘤的病理类型。但由于标本数量以及肿瘤异质性等多种因素,有时活检结果与术后病理仍然存在一些偏差。张洁等发现,宫颈鳞癌的D值低于腺癌,D*值与f值高于腺癌。此外,鳞癌分化程度越差D值越低,但D*值及f值未见明显差异。

 

该研究认为,腺癌细胞内粘液成分较多,因此水分子扩散受限不明显,D值偏高。鳞癌肿瘤组织中不成熟毛细血管网较为丰富,血流灌注明显,因此,D*值与f值较腺癌高。这一结果与Liu等对34例宫颈鳞癌及8例宫颈腺癌的平均ADC值的比较结果相一致。Liu等研究发现,宫颈鳞癌的平均ADC值低于腺癌,但两者的平均ADC值存在交叉,这可能因为,应用单指数模型所测得的ADC值会受到部分血流灌注的影响。

 

3.2宫颈癌放化疗疗效研究

 

对于宫颈癌的治疗,不同的临床分期选用不同的治疗方法。传统的对于中晚期宫颈癌的治疗,首选同步放化疗。但也有部分选用新辅助化疗(neoadjuvant chemotherapy,NACT)来治疗晚期宫颈癌。目前,应用IVIMDWI预测及评价治疗效果的研究也逐渐增多。这对治疗方法的制定和及时调整具有很大帮助,从而获得较好的临床治疗效果。对宫颈癌治疗效果的评定,需要从以下几个方面进行观察:治疗中肿瘤体积缩小率、ADC值、D值以及灌注相关系数的变化情况。在Li等发现,最开始宫颈癌组织处的ADC值及D值明显低于正常组织,而肿瘤组织中ADC值高于D值,这是因为单指数衰减模型过高的估算了水分子的自由运动,里面仍包含了部分毛细血管微循环灌注的影响。

 

治疗后ADC值和D值都逐渐增高,这是因为肿瘤组织坏死,使得水分子扩散受限减轻。这种表现最早出现在放疗后两周左右。因此,ADC值和D值可以对肿瘤的早期放疗效果进行评估。Wang等发现,有效果组在治疗之前ADC值及D值明显高于无效果组。然而,有效组和无效组间的D*值并未存在较大差别。造成这样的结果,可能是b值选取的不同,以及计算D*值的方法影响了测量的精确性,最重要的是D*值不稳定,对信噪比水平要求较高。因此,各项研究结果差距较大,可重复性差。若D*值能提高稳定性及可重复性,那么它也许能够用于评估肿瘤的治疗效果。此外,该研究表明,f值在NACT过程中及治疗结束后,有效组f值升高,且高于无效组,但这种差别并不显著。对于f值及D*值的变化情况,不同研究所得到的结果不尽相同。部分研究认为f值在治疗初两周左右增高,4周左右降低。然而,李靖等在IVIM对宫颈癌放化疗效果的研究中发现,f值、ADC值及D*值放化疗前后的差别并无统计学意义。

 

这与GaetaM等的研究结果相一致,GaetaM等研究显示f值在直肠癌的治疗过程中没有明显变化。这种矛盾情况可能与不同肿瘤组织的病理类型以及毛细血管网分布情况有关。也与不同研究中采用的不同成像技术以及临床治疗方法有关。f值反映的是肿瘤组织的血管体积分数,会受到众多因素的影响,如肿瘤毛细血管网的数量、毛细血管通透性、表面交换面积和组织间液压等。

 

综上所述,IVIM是在DWI基础上的一种延伸技术。较传统MRI及传统多b值扫描更具有优势,它秉承了DWI对病变敏感性的同时又具有自身新的特性—同时获得组织的水分子扩散以及灌注情况。随着磁共振技术软件与硬件的不断发展,此项扫描更加省时省力,只需一次扫描便可获得多b值的图像,这也为它今后的发展打好了坚实的基础。

 

目前,该技术仍然处于研究阶段,尚未广泛应用于临床。但从以上各类研究中表现出广泛的应用前景。本文也提到了一些不容忽视的问题,例如,b值的选择缺乏一定标准;D*值的不稳定性;各个研究的局限性;缺乏大样本研究等。在每项新技术投入临床工作前,都需要大量的研究来确保其结果的可靠性,以便更好的服务临床。随着各项研究的进一步深入,上述问题有望逐步得到解决,其作用和价值也必将得到更加充分、全面的认识。

 

来源:功能与分子医学影像学(电子版)2016年10月第5卷第4期


 

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