集成MRI技術在腫瘤影像診斷中的應用

楊凡， 林蒙

集成磁共振成像技術是基于多回波多延遲采集方法，對每一層信號用不同的回波時間和延遲飽和以交錯的方式進行采集，是一種新的定量MRI技術。與其它多模態MRI技術相比，其可以通過一次圖像采集產生多個定量序列和常規加權序列，并且可以準確獲得定量縱向弛豫T1(1/R1)值、橫向弛豫T2(1/R2)值及質子密度(PD)值。集成MRI技術具有穩定性好、整體掃描時間短的優點，目前主要應用于中樞神經系統疾病的診斷和評價中。近年來，隨著集成MRI技術的不斷優化和研究的進一步深入，圖像信噪比及空間分辨率明顯提高，使得集成MRI技術的應用范圍擴大到了非中樞神經系統。目前，集成MRI技術在腫瘤相關領域中的研究日漸增多，本文將對集成MRI技術的特點及其在全身腫瘤中的應用進行綜述。

集成MRI技術的基本原理及特點

1.集成MRI技術的基本原理

目前臨床上使用的集成MRI采集技術包括多動態多回波序列(multidynamic multiecho，MDME)、穩定進動的分段反轉恢復快速成像序列(inversion recovery-prepared true fast imaging with steady-state precession，IR-TrueFISP)、磁共振指紋序列(magnetic resonance finger printing，MRF)、順序采集梯度回波序列(strategically acquired gradient echo，STAGE)及多路徑多回波序列(multipathway multiecho，MPME)等[1]。其中常用的MDME技術采集過程分為兩個階段：在第一個階段(飽和)，在層面m上施加一個120°飽和脈沖，隨之將其損毀；在第二個階段(采集)，使用90°激發脈沖a和多個180°重聚焦脈沖為層面n提供有效的飽和延遲時間，并進行采集。通過層面m和n的組合，可以獲得不同R1和R2弛豫的圖像矩陣[2]。最后選擇適當的TE和TR，能夠生成T1WI、T2WI和質子加權(proton density weighted image，PDWI)圖像，增加TI可生成反轉恢復圖像，如短TI反轉恢復脈沖序列(short T1 inversion recovery，STIR)和快速小角度激發反轉恢復序列(fluid attenuated inversion recovery，FLAIR)。

2.集成MRI技術的特點

集成MRI技術可定量評估及可重復性良好:集成MRI技術可以定量測量組織的T1、T2弛豫值及質子密度值(proton density，PD)，用于定量組織評估和治療療效監測[3]。在單次掃描結束后，集成MRI技術會生成R1、R2圖及PD圖，憑借R1、R2圖可生成T1、T2-mapping，之后再自動重建出各種對比加權圖像[4]。

Krauss等[5]應用集成MRI技術對健康志愿者使用兩種不同的頭部線圈進行掃描，采集兩次圖像中腦灰質、腦白質及腦脊液的T1、T2及PD值，結果發現兩次掃描之間組織弛豫值差異無統計學意義。此外，集成MRI技術的穩定性和可重復性也已經在乳腺、膝關節及脊柱等部位得到了驗證[6-8]。

集成MRI技術掃描時間短及對比度良好:集成MRI技術可以在6 min內重建10種對比加權圖像[4]，針對不同患者及臨床需求，可以回顧性地個性化調整參數，提高病灶的對比度。對腦轉移瘤的相關研究結果顯示對比增強的集成T1IR圖像的病灶-腦白質對比度和信噪比高于對比增強的常規T1IR圖像[9]。此外，對比增強的集成T1IR圖像不僅可以顯示更多的腦轉移病灶，還可以顯示常規增強圖像中被血流相關偽影隱藏的轉移灶，如乙狀竇周圍的轉移灶及鄰近淺表血管的腦皮質轉移灶等[9]。

Betts等[10]采用集成MRI技術評估30例兒童患者的中樞神經系統，發現集成MRI圖像可以替代常規T1、T2圖像，且集成MRI技術節省了約一半的掃描時間，有助于減少兒童因麻醉產生的風險和增加每日患者檢查量[4]。此外，更多研究表明集成MR有望用于癡呆、精神異常及孕婦等不能耐受長時間檢查的患者[3]。

集成MRI技術應用度較低及圖像質量良好:有研究發現集成MRI圖像的組內相關系數低于常規MRI圖像(分別為0.858和0.950)，原因可能是觀察者對集成MRI圖像生疏[11]。Blystad等[3]認為雖然集成MRI圖像質量低于常規圖像，但其診斷準確性與常規掃描圖像近似一致。另一項研究認為集成T2FLAIR圖像更容易受到流動偽影和白噪聲偽影的影響[12]，雖然不影響整體集成MRI圖像的診斷準確性，但在臨床工作中可能需要常規T2FLAIR圖像來輔助。未來隨著掃描技術的不斷優化以及集成MRI的廣泛應用，集成MRI技術會更加便利。

集成MRI技術在腫瘤性疾病中的應用

腫瘤的發生、發展、浸潤和轉移都與其內在結構變化密切有關，組織結構變化可引起T1、T2值的改變。對腫瘤組織弛豫特性進行定量分析有助于良惡性病變的鑒別、惡性腫瘤的分級及評估惡性腫瘤的浸潤情況等。集成MRI技術能夠定量分析腫瘤組織弛豫特性，為臨床診斷、治療等方面的研究提供了更多信息。

1.在腫瘤診斷方面的應用

不同病理類型及惡性程度腫瘤的弛豫特性存在不同程度差異,定量弛豫值的高低受到組織構成的影響，如大分子濃度、水合狀態和組織含水量等[13,14]。與良性腫瘤細胞相比，惡性腫瘤細胞體積較大，細胞質及細胞間質豐富，且常有淋巴細胞和漿細胞浸潤，這些微觀結構改變會導致定量T2值減低[6,15]。

對乳腺腫塊的相關研究結果顯示，惡性乳腺腫塊的定量T1值高于良性腫塊[分別為(1611.61±215.88) ms和(1242.86±139.27) ms]，而惡性腫塊的定量T2值低于良性腫塊[分別為(80.93±7.51) ms和(91.20±6.36) ms]；以定量T1值=1345.00 ms作為閾值時，診斷乳腺惡性腫塊的ROC曲線下面積為0.931[16]。此外，當聯合定量T1、T2值作為鑒別參數時，ROC曲線下面積提高到了0.978，Gao等[17]研究發現聯合定量T2、PD值和ADC值在鑒別乳腺腫塊良惡性方面比BI-RADS分級系統更高的診斷特異度(分別為87.50% 和75.00%)和陽性預測值(分別為94.50%和89.80%)。

鼻咽癌的定量T1、T2及PD值明顯低于鼻咽良性增生組織[18]，當以定量T2值=88.50 ms作為閾值時，診斷鼻咽癌的ROC曲線下面積為0.894，診斷敏感度、特異度分別為90.00%、80.00%。Shi等[19]研究發現甲狀腺乳頭狀癌(papillary thyroid carcinoma，PTC)的定量T2值[(21.73±2.09) ms]低于甲狀腺良性結節[(28.78±5.02) ms]，其可能原因是定量T2值的降低與腫瘤內鐵質沉積有關。

有關子宮腫塊良惡性鑒別的研究結果顯示子宮肉瘤的定量T2值更高[分別為(93.15±7.14) ms 和(66.78±10.94) ms]，當以T2值=82.50 ms作為閾值時，診斷子宮肉瘤的ROC曲線下面積為0.974，診斷敏感度、特異度分別為95.00%、92.00%，當聯合增強MRI和后處理得到的定量T2參數(T2WI上的腫瘤-子宮肌層對比率)進行鑒別診斷時，診斷敏感度達到100%，這避免了惡性腫瘤的漏診[20]。

Carter等[21]在37例卵巢腫塊患者中勾畫了109個腫塊ROI，根據ROI中囊實性成分比例主觀地分為81個囊性ROI和28個實性ROI。當只選取實性ROI作為統計對象時，惡性腫塊的T2值高于良性腫塊(分別為128.9 ms和81.92 ms)，而將全部ROI作為統計對象時，惡性卵巢腫塊的T2值低于良性腫塊(分別為271.38 ms和452.85 ms)，研究者分析可能原因是惡性卵巢腫瘤常表現為囊實性不均質腫塊，囊性均質腫塊常提示良性，而囊性區域通常會延長T2值。此外，實性卵巢腫塊的T2直方圖分布特性的組合(T2平均值、標準偏差、偏度和峰度)可為良惡性鑒別提供依據，其ROC曲線下面積為0.900[21]。

對前列腺癌的相關研究結果顯示，當腫塊位于移行帶時，前列腺癌組織的定量T1、T2值低于間質增生和腺體增生組織；當腫塊位于外周帶時，前列腺癌組織的定量T1、T2值低于非癌性增生組織，當以定量T1值=1248.35 ms作為閾值時，診斷外周帶前列腺癌的ROC曲線下面積為0.827，診斷敏感度、特異度分別為91.30%、66.67%[22]。Cui等[22]認為定量T1、T2值有助于鑒別前列腺結節的良惡性，但其診斷價值低于ADC值；而Mai等[23]研究認為定量T2值的診斷價值更高，兩項研究結論的差異可能是b值大小不同(分別為50/1400和50/1000，單位為s/mm2)導致的。

2.在腫瘤分級方面的應用

腫瘤分級是根據顯微鏡下腫瘤細胞外觀進行的分類系統，有助于預測腫瘤生物學行為。高級別腫瘤分化程度低，侵襲性高，其內部結構具有更高的異質性，這些不同導致了組織弛豫值發生改變[6]。

基于腎透明細胞癌的相關研究結果顯示高級別腎癌的定量T2值低于低級別腎癌[分別為(97.00±12.00) ms和(132.00±22.00) ms]，當以定量T2值=110.00 ms作為閾值時，ROC曲線下面積為0.930[24]，其可能原因是腫瘤內部存在密集的增殖細胞、間質網狀蛋白沉積和不規則的腫瘤脈管系統[25,26]。

Cai等[27]研究了集成MRI在膀胱癌分級中的應用，結果顯示高級別膀胱癌的定量T1、T2及PD值明顯低于低級別膀胱癌[兩者T2值分別為(106.00±19.00) ms和(124.00±23.00) ms]，以T2值=109.00 ms作為閾值時，ROC曲線下面積為0.723，診斷敏感度、特異度分別為77.80%、66.70%。Wang等[28]也發現高級別膀胱癌的定量R2值高于低級別膀胱癌[分別為(20.96±7.75)s-1和(16.55±5.54)s-1]，兩者之間差異有統計學意義，可能原因是高級別腫瘤生長迅速常伴壞死，細胞內大分子物質被釋放到細胞間隙等[6,29]。Cai等[27]研究發現雖然ADC值的診斷價值高于集成MRI，但由于集成MRI穩定性好及掃描時間短，在膀胱腫瘤相關應用中有很高的應用價值。

基于子宮頸癌的相關研究結果顯示低分化子宮頸癌的定量T2值低于高分化宮頸癌[分別為(83.80±9.50) ms和(92.80±9.50) ms]，差異有統計學意義，當以定量T2值=89.20 ms作為閾值時，ROC曲線下面積為0.768，且其診斷效能高于ADC值[30]。

相關研究發現集成MRI技術有助于前列腺癌的危險分層，其中高級別(Gleason評分≥7)前列腺癌的定量T2、PD值低于低級別(Gleason評分≤6)前列腺癌[T2值分別為(80.9±5.48) ms 和(87.66±5.89) ms，PD值分別為(73.79±4.60) ms和(79.47±7.29) ms]，兩者之間差異均有統計學意義[22]。

3.在腫瘤微浸潤方面的應用

淋巴血管間隙侵犯(lymphovascular space invasion，LVSI)被定義為淋巴管/血管內存在腫瘤細胞，是影響子宮頸癌預后的一個主要因素[31]。Li等[30]研究發現定量T2值在鑒別有無淋巴血管間隙侵犯方面優于ADC值，其中無淋巴血管間隙侵犯子宮頸癌的定量T2值高于有淋巴血管間隙侵犯的子宮頸癌[分別為(93.90±9.10) ms和(82.20±8.20) ms]，當以定量T2值=88.10 ms作為閾值時，診斷子宮頸癌淋巴血管侵犯的ROC曲線下面積為0.852，診斷敏感度、特異度分別為83.70%、85.00%。

腦組織惡性膠質瘤具有滲透性，周圍常伴組織水腫，故臨床上難以鑒別腫瘤浸潤與瘤周組織水腫。有學者發現比較增強前后T1縮短程度可以反映腫瘤的微小浸潤[32]。Blystad等[33]研究了20例惡性腦膠質瘤患者的瘤周R1值特點，結果顯示增強前后瘤周區域R1差值高于同層面對側正常腦實質[分別為(0.047±0.029)s-1和(0.032±0.029)s-1]，差異有統計學意義，可能原因為腫瘤微小浸潤伴新生血管，導致R1值發生變化，所以R1值的差異可能反映了難以在常規增強圖像顯示的腫瘤浸潤病變，與既往研究結果類似[34,35]。

4.在腫瘤分子分型方面的應用

由集成MRI技術獲得的定量T1、T2值有助于鑒別乳腺癌的分子標記及分子亞型[36]。Matsuda等[37]研究發現三陰性乳腺癌的定量T2值比其它類型乳腺癌更高[分別為(96.44±17.81) ms和(78.94±11.83) ms]，以定量T2值=83.50 ms作為截點時， ROC曲線下面積為0.780，診斷敏感度為93.80%，可能原因為三陰性乳腺癌比其它類型乳腺癌有更高水平的血管內皮生長因子以促進血管生成，進而提高了定量T2值[36,38]。Ki-67表達水平是乳腺癌中一個有價值的預后因子，相關研究發現增強后T1值的標準偏差在乳腺癌Ki-67高表達組(Ki-67≥14%)與低表達組(Ki-67<14%)之間差異有統計學意義(分別為135.07±55.37和60.35±36.26，P<0.05)，當以98.5作為閾值時，ROC曲線下面積為0.885，其診斷敏感度、特異度及準確度分別為77.80%，87.00%及82.00%[39]。

其它

集成MRI技術可以提供更高的軟組織分辨率，在以CT圖像為基礎的靶區勾畫中展現了很好的應用價值。部分研究借助雙金字塔網絡對男性盆腔CT圖像開發了一種集成MRI輔助的多器官分割方法[40,41]，通過雙金字塔網絡，結合CT圖像提供的骨結構信息和CT輔助的集成MRI圖像提供的軟組織信息，可以同時分割盆腔多種器官組織，有助于簡便目前放療計劃制定的工作流程。Dai等[42]研究發現集成MRI技術輔助的深度學習方法在頭頸部腫瘤危及器官的勾畫中優勢明顯，其可以快速準確勾畫危及器官，有助于頭頸部腫瘤放療計劃的制定。

集成MRI是一種新的圖像采集和分析方法，其可以定量測量組織T1、T2及PD值。在單次掃描中，集成MRI可以重建多種對比加權圖像，提高了掃描靈活性。目前，集成MRI技術在腫瘤中的應用主要是腫瘤診斷、腫瘤分化、腫瘤微浸潤及腫瘤分子分型等方面，但其具有穩定性高、可重復性好、掃描簡便等優勢，隨著MRI技術的快速發展和研究的進一步深入，集成MRI技術在腫瘤相關領域中的應用會更加開闊。