前列腺癌磁共振波谱成像的研究
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[摘要] 前列腺癌是世界上威胁老年男性健康的常见肿瘤之一。在我国前列腺癌的发病率呈明显上升趋势。目前磁共振成像（MRI）被认为是前列腺癌早期诊断及评估分期最佳的影像学检查方法。MRI使得前列腺癌的诊断取得了显著进步，但常规MRI检查有其局限性。磁共振波谱成像（MRS）是一种检测活体前列腺代谢、生化水平及化合物定量分析的无创性检查方法，在常规MRI基础上加上MRS代谢信息能显著提高前列腺癌MR诊断的准确性，弥补了常规MRI的不足，为前列腺癌的诊断提供了广阔的前景。本文就MRS的技术发展和在前列腺癌诊断中的定性、定位、分期、侵袭性的评估以及治疗中的作用予以综述。
[关键词] 前列腺癌；磁共振；波谱成像
[中图分类号] R445.2；R737.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2015）15-0156-05
[Abstract] Prostate cancer is one of the most common tumor threaten the old men's health in the world. In our country， the incidence of prostate cancer has a tendency of going up obviously. Magnetic resonance imaging （MRI） is now accepted as the best imaging modality for early diagnosis and staging in prostate cancer. MRI has made significant progress in the diagnosis of prostate cancer. But the conventional MRI has its limitations. Magnetic resonance spectroscopy （MRS） is a kind of non-invasive examination method for detecting prostate metabolism， biochemical levels and quantitative analysis of compounds in vivo. The combination of MRI and MRS can significantly improved MR diagnosis accuracy for prostate cancer. MRS has made up for inadequacy of MRI and provides a broad prospect for the diagnosis of prostate cancer. In this article， we reviewed the technological development of MRS and its qualitative diagnosis， locating， staging， assessing the invasiveness， the role in clinical treatment for prostate cancer.
[Key words] Prostatic cancer； MRI； MRS
前列腺癌（prostate cancer，PC）是世界上威胁老年男性健康的常见肿瘤之一[1]。我国人口老龄化及生活方式的改变，前列腺癌的发病率呈明显上升趋势，而且流行病学调查显示我国前列腺癌病例构成多属于晚期[2]。因此，前列腺癌的早期发现、准确分期、合理治疗尤为重要。随着磁共振新方法、新技术的发展，磁共振成像已成为前列腺疾病诊断更加准确、敏感的检查技术。磁共振波谱成像技术（magnetic resonance spectroscopy，MRS）是近年来随着磁共振设备的更新而迅速发展起来的新兴技术，是目前唯一能无损伤探测活体组织化学和代谢特征的方法。MRS从代谢水平评估前列腺组织内的代谢产物，对前列腺疾病的定性诊断具有重要意义。当三维MRS获得的前列腺代谢信息与高分辨率的MRI图像相结合时，能明显提高肿瘤的定位和空间分布以及肿瘤侵袭性的预测、治疗效果的评估[3]。现将MRS原理及其在前列腺癌诊断中的临床应用作一综述。
1 前列腺MRS的临床应用基础
1.1 前列腺MR解剖
前列腺形如板栗，正常年轻成人大小一般为4 cm×3 cm×2 cm，老年人体积增大。MRI上前列腺可分为4个部分：尿道腹侧的纤维基质部、尿道背侧的外周带（peripheral zone，PZ）、中央带（central zone，CZ）及移行带（transitional zone，TZ）。纤维基质部由平滑肌和少量横纹肌构成，无腺体结构，本身不属于前列腺腺体组织。年轻人该部体积较大，老年人该部体积逐渐缩小。外周带占据前列腺后外侧部，约占前列腺体积的70%，主要由腺体组织构成。中央带位于两侧外周带前内侧，约占前列腺体积的20%，腺体较少，而含基质较多。移行带约占5%，由尿道周围腺体及纤维基质构成，常规MRI检查一般无法显示。成年人MRI上中央带和移行带常无法区分，一般皆有程度不等的前列腺增生，故将中央带与移行带统称为中央腺（central gland，CG）[4，5]。约70%的前列腺癌发生在外周带，30%发生于中央腺体。
1.2 正常前列腺MRS的波谱特征
MRS可以反映前列腺组织的功能代谢变化。目前国内外临床上利用MRS对前列腺代谢功能的研究主要集中在枸橼酸盐（citrate，Cit）、胆碱（choline，Cho）和肌酸（creatine，Cre）三种代谢物。前列腺是一个外分泌器官，腺体组织分泌前列腺液、其腺管具有浓缩前列腺液的能力，正常前列腺液中含有高浓度的枸橼酸盐，约为血浆的240～1300倍[6]。目前为止，对枸橼酸盐在整个正常或异常的前列腺中的分布有了初步了解，但对它的生理意义及基因调控仍不清楚[7]。正常周围带腺体丰富而含有高浓度的枸橼酸盐，在MRS谱线上表现为2.6 ppm处形成的高耸波峰。正常周围带含有中等浓度的总胆碱，包括胆碱、磷酸胆碱、甘油磷酸胆碱、氨基乙醇、磷酸氨基乙醇、肌醇等。研究表明Cho化合物与细胞膜合成、降解有关。在MRS谱线上表现为3.2 ppm处较高的波峰（低于Cit波峰）。肌酸参与体内的能量代谢。在MRS谱线上与胆碱峰部分重叠，不易分离。由于检查条件的差异，可在一定程度上影响活体波谱的强度。因此不能直接比较不同个体之间各种代谢产物的绝对值，为此个体波谱需标准化。通常采用（胆碱+肌酸）/枸橼酸盐[（Cho+Cre）/Cit]比值作为衡量不同个体之间前列腺代谢差异的指标。正常年轻人前列腺PZ的Cit共振峰最高。正常年轻人前列腺中央腺体含腺体数量较少，其Cit浓度低于周围带（约为外周带的58%），但波峰不应低于胆碱类代谢物[6]。不同解剖区域的Cho和Cre的共振峰无显著差异。由于外周带的Cit高于中央，所以外周带（Cho+Cre）/Cit比值均低于中央带。
随着年龄的增长，中老年人正常前列腺由于腺管逐渐扩张，腺管内所含前列腺液增多，外周带与中央腺Cit水平升高[8，9]。正常前列腺外周带与中央带的Cho代谢差异随年龄变化不明显。中老年人中央腺体虽然影像学、临床检查正常，但仍有可能伴随较轻的前列腺增生（benign prostatic hyperplasia，BPH）Cho水平稍高，但无统计学意义[8-11]。Cre的浓度在正常前列腺各部分组织中无明显差异。随年龄增长，正常前列腺外周带及中央带（Cho +Cre）/Cit比值均有所降低。但也有作者认为外周带的Cit浓度随年龄增长变化不明显，（Cho+Cre）/Cit比值变化不明显。也有文献报道，随年龄增长中央带Cit浓度相对不变，Cho小幅上升，（Cho+Cre）/Cit比值增高，介于正常外周带与前列腺癌之间[6]。目前MRS对正常前列腺代谢随年龄的变化尚未取得统一。
1.3 前列腺癌的MRS波谱特征
前列腺癌病灶内结构紊乱，腺泡拥挤，癌细胞体积小、数量多，结构紧密，失去特征性的腺管结构。从而导致其分泌、储存、浓缩Cit的能力降低。导致Cit在恶性肿瘤中的含量较正常组织降低。细胞增殖率增加，细胞膜合成、降解增加，从而产生大量胆碱复合物，使前列腺癌灶内Cho浓度升高。肌酸的浓度在前列腺癌与正常组织中含量无明显差异。前列腺癌的MRS波谱特征为Cit波峰明显降低，个别体素Cit波峰甚至缺失。Cho波峰明显升高。Cit波峰低于Cho和Cre波峰。
1.4 前列腺增生的MRS波谱特征
前列腺增生根据结节的成分大致分为以基质增生为主型（stromal BPH，sBPH）、腺体增生为主型（glandular BPH，gBPH）以及混合型。临床上最常见的类型为混合型增生[12]。Schiebler等[13]发现上皮细胞的量和枸橼酸盐浓度之间有粗糙线性相关性，这种关系被标本组织的离体波谱研究证实。gBPH组织含腺体、腺管较多，Cit水平较高，接近外周带，（Cho+Cre）/Cit比值与正常外周带相似，而sBPH组织含腺体、腺管较少，Cit水平较低，（Cho+Cre）/Cit比值升高，与前列腺癌更为接近[10]。混合型增生则介于二者之间。一般认为BPH组织增殖率较快，Cho可有小幅上升。
2 前列腺MRS技术发展
2.1 MRS的临床应用发展
前列腺癌的MRS研究最早开始于20世纪80年代末，早期是在实验室以前列腺手术后提取物或实验动物在高场强（5～7 T）MR设备上利用31P进行体外研究，并初步证实了MRS在前列腺的应用价值[14]。但其在场强1～2 T MR设备上效果欠佳。1H的自然丰度及敏感性较高，容易检测，随着场强1.5T MR机的临床应用，特别是直肠内线圈（endorectal coil，ERC）的应用，前列腺的1H-MRS研究从实验室走向临床。前列腺MRS检查需高场强≥1.5T的MR设备，对主磁场强度及均匀度要求较高。另外需具备盆腔阵列线圈（pelvis phased array coil，PPA）及ERC。采用体线圈激发，ERC单独接受信号，可获得MRS，明显提高对代谢物的敏感性[3，15]，能获得高质量的谱线图。采用体线圈激发，ERC及PPA联合应用接收信号，则获得高信噪比及高分辨率的前列腺MRI图像。在1.5 T场强下应用脊柱相控阵表面线圈进行前列腺MRS检查虽然可行，但获得的波谱的质量及信噪比明显低于使用ERC的谱线图[16]。但ERC的使用，虽增加了图像分辨率、谱线信噪比及对代谢物的敏感性，但易受脂峰影响，干扰因素多（运动伪影、近场效应伪影等），且检查时间较长、操作繁琐。患者较难耐受，使MRI在前列腺疾病的应用受到限制。3.0 T MR的临床应用使MRS对前列腺的信噪比和代谢物的分辨率得到很大提高，提高了MRS对前列腺癌定位、定性及分级的准确性[17]。国内外初步研究认为：3.0 T MR比1.5 T MR具有更高的信噪比及空间分辨力，不需要使用ERC，也能清晰地显示前列腺癌及其波谱变化，与使用ERC的定性效能接近，临床具有可行性[18-21]。另外，MRS检查必须具有前列腺波谱专用脉冲序列、图像信号校正的软件、前列腺波谱分析专用软件。扫描时，必须抑制水和脂肪中1H产生的共振信号。
2.2 MRS的空间定位技术
MRS的定位技术可分为单体素波谱（single voxel spectroscopy，SVS）技术和多体素波谱（multi voxel spectroscopy，MVS）技术。SVS技术的兴趣区（volume of interest，VOI）定位通过层面选择性脉冲来确定，常用的定位采集技术主要有两种：一种是激励回波采集模式（stimulated echo acquisition mode，STEAM），优点是水抑脂充分，但信噪比较低，对运动敏感。另一种是点分辨波谱（point resolved spectroscopy，PRESS），优点是信噪比较高，谱线质量好，但会导致短TE代谢物的丢失。MVS又称化学位移成像（chemical shift imaging，CSI）或磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy imaging，MRSI），可分为二维、三维多体素采集方式。优点是采集覆盖范围大，在选定空间内可得到多个体素的代谢物谱线。与单体素波谱技术相比，其对硬件、软件的要求更高，需要完成的时间更长，更易受到场强不均匀的影响。谱线的质量及稳定性不如单体素可靠，谱线的校正、拟和也更复杂。多体素波谱技术既能获得单个体素的波谱，也能获得多个体素的波谱，甚至能根据代谢物的浓度获取代谢物伪彩图而直观显示肿瘤位置、范围。因此MVS技术能全面了解前列腺的代谢状态。当三维MRS获得的前列腺代谢物信息与高分辨率的MRI图像相结合时，能提供肿瘤的定位和空间分布，提高对前列腺癌包膜侵犯诊断的准确性，并评估肿瘤治疗效果[22-24]。
3 MRS的临床应用
在MRI图像基础上加上MRS代谢信息会提高前列腺癌检出的敏感性及诊断、定位的特异性。在评估前列腺癌的侵袭性、测量肿瘤体积及前列腺包膜受侵情况、观察肿瘤治疗效果等方面有一定的临床价值。
3.1 MRS应用于前列腺癌的定性、定位
MRI是目前对前列腺癌诊断、定位具有较高敏感性的一项检查手段，但其诊断特异性不高。除肿瘤以外的其他因素，如出血、前列腺炎、前列腺增生等都可表现为与肿瘤相似的T2WI减低信号，鉴别诊断困难。MRS可提供前列腺组织生化、代谢变化，可进一步鉴别异常信号的性质。Casciani等[25]研究认为常规MRI诊断前列腺癌的敏感性、特异性、阳性预测值、阴性预测值分别为84%、50%、76%、63%，联合应用MRS技术，能将肿瘤检测提高到89%、79%、89%、79%。MRS能提高MRI对前列腺癌诊断的准确性。国外研究等[10，26]认为，正常前列腺组织、前列腺增生组织（Cho+Cre）/Cit比值小于正常外周带比值加上2倍方差（0.75）；前列腺癌组织的（Cho+Cre）/Cit比值大于正常外周带比值加上3倍方差（0.86）；比值在二者之间的为可疑前列腺癌。国内，王霄英等[27]和王翠艳[28]等研究提出，以（Cho+Cre）/Cit比值>0.99作为前列腺癌诊断标准，获得诊断的敏感性、特异性、准确度分别为96%、94.7%、95.1%。对临床可疑前列腺癌人群时选用单个体素标准，用于指导穿刺活检定位时选用阳性体素比（>0.519）。但不同研究结构显示前列腺癌的（Cho+Cre）/Cit比值与前列腺增生、前列腺炎有一定重叠，这增加了前列腺癌的诊断难度。欧美国家前列腺疾病较为普遍，较早地开展了许多相关性工作，国内，前列腺癌的MRS研究已有不少相关报道，但大多数研究集中在外周带。针对中央腺体病变，尤其是对中央腺体癌的研究较少。目前，国内对前列腺癌的MRS诊断标准尚未明确，需大样本的调查研究进一步证实和修订该标准。
前列腺内小癌灶的检测及定位对临床治疗具有重要意义。MRS数据可以叠加到MRI横断图像上，形成伪彩色代谢物数据分布图，能更直观地显示癌肿位置、大小。Scheidler等[26]研究认为MRI和三维MRS联合应用，对前列腺六分区内癌的定位能力相较于单独应用MRI有明显提高；两者联合应用较单独一项对癌肿的显示有较高的特异度（>91%）和敏感度（>95%）。因此，两者联合应用能提高定位、活检前列腺癌的敏感度及特异度。对于PSA阳性但经直肠超声导引活检阴性的患者应行MRI及MRS联合检查。因为这些患者可能由于癌肿位置较特殊而导致活检难度加大。
3.2 MRS应用于前列腺癌的侵袭性
前列腺癌的生物学特性差异较大，可以生长迅速，呈现典型恶性程度较高肿瘤的特点。也可以生长非常缓慢，经检出后多年保持不变。因此判断癌肿的生物学特性，预估癌肿的侵袭性对临床选择治疗方案具有重要意义。MRS可通过分析前列腺癌内部代谢物的浓度变化，反映癌肿生长增殖等生物学特性，简便易行。细胞分化差的癌肿，形成腺管能力较低，其分泌、浓缩Cit的能力降低，因此Cit浓度下降较多。同时，其癌细胞生长增殖较快，细胞密度较高，细胞膜合成。降解增快，产生Cho浓度较高。因此，MRS提供的代谢物信息能间接反映癌肿的侵袭性。研究认为，Cho升高的值对Gleason分级的预测更有意义。Cho在高分级的癌（Gleason 7、8分）较中等级别的癌（Gleason 5、6分）明显升高[29]。Zakian[30]等研究认为（Cho+Cre）/Cit比值与Gleason评分呈正相关，并认为MRS联合Gleason评分在预测前列腺癌进展和侵袭性方面有巨大潜力。国内赵阳等[31]的研究也支持Zakian等研究的结果，并且结果表明（Cho+Cre）/Cit比值>0.948时提示低分化癌的可能性大，且Gleason评分多>7分，同时随（Cho+Cre）/Cit比值的增加Gleason评分呈上升趋势。
3.3 MRS用于了解癌肿体积及包膜侵犯情况
常规MRI联合MRS技术可了解腺体内不同区域代谢状况的差异，使癌肿病灶体积测量更准确，三维MRS可从代谢水平更准确地估计肿瘤体积。Coakley等[32]认为联合应用MRI及三维MRS测量前列腺癌的精确度，但其对较小肿瘤的体积测量效果欠佳。使用直肠内线圈的MRI是目前诊断包膜被侵犯最准确的方法，但受阅片者主观经验影响较大。MRS检查为量化指标，与阅片者经验无关，可对怀疑包膜侵犯的病灶进行验证。
3.4 MRS在癌肿治疗中的应用.
目前，直肠内超声引导下穿刺活检仍然是前列腺癌确诊的金标准。穿刺后出血在MRI上与癌肿无法鉴别。MRI联合MRS技术显著提高穿刺后出血前列腺癌的诊断准确性。前列腺癌内分泌治疗后，常规MRI显示癌肿较为困难，对于判断前列腺癌治疗效果有明显影响。MRS可反映肿瘤及正常前列腺的代谢变化，弥补常规MRI的不足。癌肿组织与正常组织代谢水平均下降，但癌肿组织Cit下降较Cho及Cre下降更早、更快。因此可用Cit缺乏多为诊断癌肿的一项指标。MRS也可参与前列腺癌放疗计划的制定、随访。
3.5 MRS在低危癌肿观察随访中的应用
在选择观察等待的前列腺癌随访过程中，利用MRS进行肿瘤的观察及随访，尤其是无法耐受穿刺活检的肿瘤患者及低危癌肿患者。
4 MRS最新研究进展
随着MR设备的更新、新技术的涌现，MRS有了更新的技术及进展。
Nagarajan等[33]利用NUS EP-JRESI新序列进行采集，压缩感知技术进行重建后处理来研究前列腺癌的代谢变化。结果显示可以分辨出10种代谢物，拓宽了MRS的应用范围。Keshari等[34]利用超极化13C标记的乳酸作为生物标记物进行前列腺癌的MRS研究，认为可以用超极化13C标记的丙酸铜探测重组葡萄糖、标记乳酸来探测前列腺癌的代谢变化。
综上所述，MRS可无创地反映前列腺内的生化、代谢情况，已成为前列腺检查的一项重要技术，与常规MRI检查有很大的互补性。在常规MRI检查的基础上应用MRS，能提高前列腺癌诊断的敏感性、特异性。MRS可以从宏观、微观方面观察前列腺癌，除应用于肿瘤分期、治疗外，影像科医生还用MRI及MRS图像叠加来检出早期、较小的前列腺癌。欧美国家前列腺癌较为普遍，对前列腺癌的MRS应用已作了许多研究工作。国外对前列腺癌MRS研究还包括参与放疗计划的制定。国内对前列腺MRS的研究才刚刚起步，随着高场强MR设备、特别是3.0 T MR设备的应用，MRS在前列腺癌的临床应用中必将发挥更重要的作用。MRS与其他成像技术（DWI、DCE等）、检验指标相结合，可获得更多的信息，进一步提高前列腺癌的检出、体积评估、侵袭性的评估以及分期。目前还有许多问题急需解决，最重要的是国人前列腺癌的MRS诊断标准也尚未确定。
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（收稿日期：2015-03-25）