磁共振擴散張量成像診斷前列腺癌的理論基礎

王倩，房俊芳，王濱

1.濱州醫學院，煙臺 264003

2.濱州醫學院煙臺附屬醫院放射科，煙臺 264100

前列腺癌(prostate cancer，PCa)發病率、死亡率不斷上升，已成為威脅老年男性健康的重要疾病[1]。隨著人口老齡化和飲食結構改變，我國前列腺疾病的發病形勢將更為嚴峻，加強前列腺疾病的基礎和臨床研究是目前迫切任務。MRI具有良好的軟組織分辨率，可提供前列腺生理、生化、病理及解剖學的信息，目前被一致認為是前列腺疾病理想的檢查方法[2]。MR擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI) 通過在多個方向施加擴散敏感梯度而測量水分子擴散程度的方向性，從而提供組織微觀結構的信息[3]。目前，DTI在神經系統疾病中有廣泛的應用，隨著影像技術發展，DTI逐漸應用于其他系統疾病的研究，如用于骨骼肌、心肌肌肉纖維走行以及軟組織腫瘤的評估等[4-5]。擴散張量的纖維示蹤圖像(diffusion tensor tractography，DTT)能直觀地顯示觀察纖維束的走行、完整性和方向性[6]。筆者旨在對DTI診斷前列腺癌的理論基礎進行綜述。

1 前列腺的解剖和組織學特點

1.1 前列腺的解剖學特點

前列腺是不成對的實質性器官，以尿道前列腺為界，將其分為腺性組織和非腺性組織，即位于尿道前方的纖維肌肉性間質和位于尿道后方的固有腺體兩大部分。McNeal[7]將前列腺細分為五個帶區，其中非腺性組織參與構成前列腺的前部約1/3，稱之為前纖維肌肉基質區；腺性組織參與構成前列腺后方大部，即固有腺體。后者又細分為四個帶區：周圍區、中央區、移行區及尿道周圍腺區。其中周圍區體積最大，呈馬蹄形，約占整個前列腺體部的75%，位于中央區的兩側后方和下方，并向下包繞整個精阜以下的尿道后部，該區是前列腺癌的好發部位；中央區體積較小，呈錐形，約占前列腺體積的20%，位于前列腺基底部，近段尿道后方；移行區體積最小，約占前列腺組織的5%，位于近段尿道兩側和側前方，由于臨床工作中較難區分中央區、移行區及前纖維肌肉基質區，故通常將三者合成為中央腺區，而將周圍區單獨稱為外腺或仍為周圍區。

1.2 前列腺組織學及病理學特點

1.2.1 前列腺的組織學特點

前列腺組織主要有上皮、腺體及間質三種成分組成，而三種成分所占的比例中西方人存在差異[8-9]。并且成人前列腺隨著年齡的增長上皮有減少的趨勢，而間質有增多的趨勢[9]。在正常成人構成前列腺各個區的組織成分亦有差異。前纖維肌肉基質區主要有混有纖維成分的肌組織構成；固有腺體均由導管和腺泡組成，其上皮排列有兩層細胞；表面的分泌上皮和位于其下和基底膜之間的基底層細胞。各分區間腺泡及上皮的結構亦有差別[10]。中央區與眾不同，其腺泡腔大，腺泡上皮呈柱狀，形成許多復雜的乳頭狀嵴，突向管腔。胞質含較多顆粒，胞核大而色淺。而周圍區、移行區以及尿道周圍腺三者的腺泡和上皮細胞的形態均相似。腺泡小而圓，內壁較平坦，胞質透明，胞核小、深染，胞核排列規則，靠近基底膜。但各區間質均有所不同，中央區間質致密，含較多縱長排列的平滑肌束，緊密包繞腺泡；外周區的間質疏松，分布著稀疏的平滑肌；移行區的間質最致密，由交叉的平滑肌組成；而尿道周圍腺則包裹在尿道周圍的平滑肌內[11]。

1.2.2 前列腺的病理學特點

許多臨床病理學家證實，前列腺不同解剖區帶好發的疾病不同：前纖維肌肉基質帶基本不發生原發疾病，中央區很少有原發病，移行區好發前列腺增生，前列腺炎好發于周圍區，據McNeal等[12]研究前列腺癌約70%發生于周圍區，20%發生在移行區，10%發生在中央區。

前列腺增生為中老年常見改變，前列腺增生主要病理特征為增生結節的形成，病理學將其分為四種類型：(1)纖維肌腺瘤樣型，最常見，除腺體增生外，平滑肌和纖維組織也明顯增生；(2)纖維肌型，以纖維組織和平滑肌組織增生為主；(3)腺瘤樣型，以腺體增生為主，周圍間質較少而繞之，似腺瘤，但不是真正的包膜；(4)纖維血管型，是較單純的纖維組織和小血管增生，也無包膜，故與纖維瘤有別。前列腺癌源于前列腺上皮，病理學上表現為異型腫瘤上皮細胞的增多，細胞核大，核仁明顯，不同程度地喪失了形成正常腺管的能力，堆積的惡性上皮細胞取代了正常的腺泡和導管。

2 常規MRI診斷前列腺疾病的價值及局限

MRI可以提供有關前列腺生理、生化、病理及解剖學的信息，能直接獲得多方向的斷面圖像，軟組織分辨率高，沒有離子輻射損害，能顯示其他許多檢查方法所不能顯示的組織結構，是前列腺疾病診斷的理想檢查方法。但常規MRI在診斷前列腺疾病中存在不足。正常前列腺在T1WI上僅僅能顯示前列腺的輪廓，各區帶都表現為等或略低信號，無法進一步區分；而在T2WI上前列腺周圍區呈高信號表現，信號強度高于中央區，中央區呈低信號。

前列腺增生多發生于移行區，逐漸占據中央區，增生結節融合使中央區體積增大，周圍區逐漸受壓變薄呈假包膜改變。增生結節在T1WI上表現為不均勻稍低信號，在T2WI由于成分不同信號表現有差異：以腺體增生為主，表現為高信號；以基質增生為主表現為不均勻低信號。前列腺癌多發生于周圍區，在T2WI可以很好的顯示，表現為周圍區高信號中結節狀或彌漫性的低信號，而發生于中央腺的前列腺癌表現為中央腺區的低信號。

盡管常規MRI檢查具有良好的軟組織分辨率，但是對于前列腺疾病的診斷仍然缺乏靈敏性與特異性[13]。比如：較難區分前列腺癌與慢性前列腺炎，兩者均表現為周圍區低信號；發生于中央腺的前列腺癌及增生較難鑒別[14-16]。

3 DTI的理論基礎及臨床應用

DTI成像原理在擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)的基礎上發展起來的一項新技術，是DWI的發展和深化。DTI的成像基礎也是利用水分子的隨機運動，DTI除了能夠測量組織水分子擴散運動速度以外，還可以顯示水分子運動的方向性，更好地推測組織內部微觀結構狀態的細微變化。DTI在DWI的基礎上施加6個以上非線性方向的擴散敏感梯度場，在每個方向采集信號或圖像，DTI用一組三維矢量，即擴散張量(D)來描述固體物質內的張力及水分子三個方向的擴散及各擴散間的關系。從而對水分子的擴散運動進行更加精確的描述，并提供關于組織空間組成和病理生理狀態下各組織成分之間水交換的功能狀態，主要用來評價組織微觀結構的完整性[3]。

DTI臨床臨床常用參數為表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)值與各向異性分數(fractional anisotropy，FA)值，ADC值用于描述不同方向的分子擴散運動的速度和范圍，ADC值越大，說明水分子的擴散能力越強；ADC值越小，說明水分子的擴散能力越弱[17]。FA值是指水分子各向異性成分占整個擴散張量的比例，FA取值范圍0～1，當FA值趨近于1，各向異性最大；當FA值接近于0，表示各向同性[18]。正常或病理生理狀態下各組織成分之間水分子的擴散能力、擴散方向及速度均會有所不同，因而通過ADC值、FA值的定量分析可以判斷有否改變。擴散張量的纖維示蹤圖像(diffusion tensor tractography，DTT)的成像原理是通過第一個體素主本征向量的方向尋找下一個主本征向量與其最接近的體素，將這些體素連接起來達到顯示組織纖維束的目的，因此能直觀地顯示觀察纖維束的走行、完整性和方向性[6]。

由于呼吸運動偽影及信噪比等的影響，DTI一直局限于神經及骨骼肌肉系統，但由于近年來高場強設備的應用及并行回波技術的改善，DTI逐步應用于腹部及盆腔臟器的研究[3,19-20]。

4 DTI在前列腺中的應用

4.1 DTI在正常前列腺組織中的研究

通常情況下組織的擴散特性依賴于其微觀結構和組織學特性，如細胞膜、大分子蛋白及纖維束走行可使擴散運動不同程度受限。前列腺是由多種組織結構構成的器官。中央腺結構致密，擴散受限程度大，故具有較大的各向異性，相應的具有較大的FA值，因水分子擴散能力較弱，所以具有較小的ADC值；周圍區結構疏松，故各向異性較小，FA值小，擴散能力較強，ADC值較大[13]。Bengi等[20]用3.0 T MRI對30例平均年齡28歲的健康志愿者進行的前列腺研究，測得周圍區的ADC值為(1.610±0.347)×10-3mm2/s，中央腺的ADC值為(1.220±0.271) ×10-3mm2/s，周圍區的FA值為0.16，中央腺的FA值為0.26。不同的研究者們測得的數據有所差異：如王錫臻等[21]等用1.5 T MRI對正常前列腺進行研究測得的數據為：周圍區和中央腺區的FA值分別為0.16±0.03和0.23±0.04；周圍區和中央腺區的平均ADC值分別為(1.85±0.34)×10-3mm2/s和(1.37±0.27)×10-3mm2/s。可能原因是所選設備、成像參數及b值的選擇有差異。

DTI可以完整的顯示前列腺的空間解剖結構，前列腺的三維重組圖像主要由三種方向的纖維束構成：前后、左后、頭尾方向。分別由三種顏色顯示：前后方向的綠色，左后方向的紅色，頭尾方向的藍色。前列腺底部周圍區主要為左右走行的紅色纖維束及前后走行的綠色纖維束所形成的環形結構；底部和尖部主要為綠色的纖維束環，少量紅色的纖維束；且周圍區纖維束結構排列相對較疏松。正常前列腺中央腺體積較小，主要有頭尾走行的藍色纖維束構成，排列較緊密[22-24]。

4.2 DTI在前列腺癌中的應用及進展

目前DTI在前列腺癌的研究主要集中在兩方面：一是癌區與非癌區的ADC值與FA值的比較，二是癌區與非癌區的纖維束走行的差異。

研究方法主要通過定量分析癌區與非癌區的ADC值、FA值，比較兩者有無統計學差異；通過軟件處理得到DTT圖像，可以直觀的顯示前列腺的纖維走行，從而可以比較直觀的顯示病變區域。王翠艷等[25]、Kim等[26]及Morgan等[27]研究得出每一個區帶的前列腺癌區的ADC值均低于非癌區的值，Bengi等[13]研究得出癌區與非癌區的ADC值及FA值均有差異，差異具有統計學意義；且癌區ADC值較非癌區低，FA值較非癌區高。有學者認為惡性程度高的組別中，ADC值明顯降低；也有學者認為在惡性程度高的區域，細胞密度值大，而ADC值低；他們最終得出結論：ADC值與細胞密度具有相關性，并且可以在前列腺癌根治術前提供腫瘤細胞的惡性程度[13,28-29]。類似于FA值的相關研究目前沒有報道。而且還有研究表明ADC值與FA值可用于評估腫瘤的治療情況[30]。

DTI顯示正常前列腺周圍區及中央腺區纖維束走行規則，且周圍區較中央區疏松；而癌區纖維束走行極不規則，且出現局部中斷、消失而增生區纖維束排列致密，由于增生結節的推壓而排列紊亂但并不出現中斷[31]。

4.3 DTI研究前列腺癌存在的問題

目前DTI對于前列腺的研究，不同機構研究結果并不一致。Bengi等[20]運用3.0 T設備對正常志愿者前列腺中央腺區與周圍區進行研究，該研究表示中央腺區的ADC值明顯低于周圍區，而中央腺區的FA值明顯高于周圍區的FA值。Manenti等[31]和Sinha等[19]的硏究顯示：正常的中央腺和周圍區的FA值并無明顯差異；對于PCa患者的研究，各個機構得到的結論基本一致：即周圍區腫瘤病變區域的ADC值明顯低于正常周圍區組織：中央腺腫瘤病變區域的FA值也明顯低于中央腺正常組織[13,24,26]；而對于FA值的研究則存在頗多的爭議：Bengi等[13]得到的結論是癌區FA值明顯高于非癌區的FA值，但與Manenti等[31]的結果相反。此外，Xu等[32]則報道前列腺周圍區癌區和非癌區的FA值之間無顯著差異。導致FA值多變性的原因目前仍缺乏可信的解釋，推測其可能與前列腺局部組織結構構成不同及前列腺癌的惡性程度有關。另外，值得注意的是，Xu等[32]指出，在DTI所得圖像上測量各向異性值時，圖像噪聲的增加會導致所測數值偏大，尤其是在更短的T2值的癌區，因T2越短，信噪比的減低會越明顯。這也在一定程度上解釋了FA值的多樣性。此外DTI在盆腔中的運用受呼吸運動偽影和磁場不均勻性等的影響，而且不同場強、不同廠家的設備，信噪比往往會不同；即使相同的場強，相同的設備，由于掃描參數的設置不同，其信噪比也會有差異。

擴散張量的纖維失蹤圖像也有其局限性：第一，僅能提供直觀信息，但不能作定量測量和統計學分析；第二，無法準確判斷纖維束受破壞的原因，多種因素可導致其中斷及破壞，比如腫瘤直接浸潤、腫瘤壓迫、血管源性水腫等；第三，纖維束成像主要顯示的是間質結構而不是腺體和腺管結構，因而顯示病變具有一定的局限性[22]。

5 展望

總之，DTI作為MRI功能成像可提供前列腺癌早期的功能改變，這是常規MRI檢查所達不到的。可為前列腺癌的診治和研究提供更多的信息。伴隨著3.0 T設備的廣泛應用和更多通道線圈的研發應用，DTI在前列腺癌的研究中的積極作用逐漸顯現。在以后更高場強設備的發展及成像條件的進一步完善，前列腺的研究可以積累更多資料，解決研究中的存在問題及爭議，為其在前列腺癌的診治中提供更好的應用前景。

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