磁共振全身弥散加权成像在肿瘤影像诊断中的应用.doc

磁共振全身弥散加权成像在肿瘤影像诊断中的应用医学综述2OO9年5月第l5卷第l0期MedicalR磁共振全身弥散加权成像在肿瘤影像诊断中的应用张秀莉,徐凯(徐州医学院附属医院放射科,江苏徐州221002)中图分类号:R818.8文献标识码:A文章编号:1006-2084(2009)10.1568-04摘要:磁共振全身弥散加权成像能提供细胞水平的定性和定量信息,反映肿瘤细胞构成及细胞膜完整性的变化,尤其是近几年发展的磁共振全身弥散加权成像技术,在诊断全身肿瘤原发灶,筛查全身肿瘤转移灶方面具有一定的优势,本文就其在肿瘤筛查,肿瘤特征描述,肿瘤良恶性鉴别,肿瘤疗效评估等方面的作用予以综述.关键词:磁共振成像;弥散加权成像;全身成像;肿瘤;肿瘤影像AppiicationsofWhOkBodyDiffusion-weightedImagingwithBackgroundBodySignalSup?pression(DWIBS)inOncologicImagingZHANCXiu-li,XUKai.(DeparmentofRadiology,A.ffilia-tedHospitalofXuzhouMedicalCollege.Xuzhou221o02.ina)Abstract:Diffusionweightedimagingcanprovidequalitativeandquantitativeinformationatcellu-lallevelabouttumorcellularityandtheintegrityofcellmembranes.EspeciallyDWIBSdevelopedinseveralyears,hasuniquedominanceinprimaryandmetastasislesions.Thispaperdebatesvalueoftheteehniqueabouttumordetection,tumoreharacterization,distinguishingtumorfromnontumortissue,1IIO-nitoringandpredictingtreatmentresponse.Keywords:MRI:Diffusionweightedimaging;Wh0le-bodyimaging;Cancer;Oncologicimging恶性肿瘤是威胁人类健康的重要疾病,而影像学检查是筛查转移灶的主要手段,常用的全身转移性病灶筛查方法有两种:正电子发射断层摄影(posi.tronemissiontomographycomputedtomography,PET/CT)和核素骨扫描.PET/CT因能显示骨,软组织及淋巴结的转移情况,成为癌症诊断和分期确定的主要手段,但由于存在假阳性,加之费用高,放射性辐射等缺点,PET/CT难以广泛应用于多数肿瘤患者.骨扫描仅能显示骨骼情况,不能提供软组织和淋巴结的情况.鉴于此,无电离辐射,优秀的软组织对比和高空间分辨率而广泛应用于临床的磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)成为一种有希望用于恶性肿瘤分期的技术,弥散加权成像技术(diffu.sionweightedmagneticresonanceimaging,DWI)作为功能MRI的一项新技术,在肿瘤诊断方面已表现出独特优势.1DWI的基本原理在常规sE序列基础上,在180.聚焦射频脉冲前后加上一个位置对称极性相反的弥散敏感梯度,利用平面回波快速成像技术(echoplanarimaging,EPI)对自由水质子在横向磁化上产生相位移处理形成MRI的弥散加权图像.对于弥散低或静止的水分子,由于其在弥散加权梯度方向上没有位置漂移,第1次梯度脉冲所致的质子自旋去相位会被第2个梯度脉冲再聚焦,信号不减低;而对于弥散强的水分子,第1个梯度脉冲所致的质子自旋去相位离开了原来的位置,不能被第2个梯度脉冲再聚焦,导致信号的降低.弥散加权成像的信号衰减参数称为表面弥散系数(apparentdiffusioncoefficient,ADC),ADC=一In(Sn/So)/(bnb0),式中Sn和so代表DWI上两个不同b值(bn和bo)同一兴趣区的信号强度,DWI的程度受b值的数目与强度的影响,b=r2g28(65/3),(r为H质子磁旋比,g为弥散梯度场强,8为梯度场持续时间,为弥散时间),当r,8,值一定时,b值越高,产生的弥散梯度场越强,造成信号下降越大.2DWI的病理生理基础弥散是一种生物组织内热诱导的水分子运动,即布朗运动J,在活体组织中,弥散运动包括细胞内,细胞外,跨细胞运动及微循环灌注.其中,细胞外水分子运动及微循环灌注是形成DWI信号的主要因素.在不同的组织,微循环灌注对DWI信号的贡献是不一样的,比如在富血供的肿瘤组织,微循环灌注产生的DWI信号可能占较高的比例.另外,扩散能力间接与扩散障碍(如细胞膜,紧密连接,纤维大分子,细胞器)的数量呈反比_6J,在快速增长高能量循环的组织,如不均质肿瘤的实性部分,细胞一般表现为核大,核质比高,细胞排列密集,细胞外间隙少,因而水分子运动受限,扩散能力下降,在DWI图像上表现为高信号,而不均质肿瘤囊性部分因弥散受阻少,信号衰减大,在DWI上表现为低信号,因此不同组织间的水弥散差异是DWI描述肿瘤病变特征的基础.3DWI的优化DWI图像组织对比度越高,检测和描述疾病特征就越敏感,准确,因此在扫描时应选择最佳的扫描参数,使病灶与周围正常组织对比增高,且使伪影和其他混淆DWI对比效应的因素降到最低.3.1b值选择当选择应用于DWI的b值大小和数目时,应考虑DWI技术,预期图像信噪比,评估靶器官和是否DWI主要用于定性或定量分析.随着b值增加,腹部器官信号强度衰减在体部临床成像应医学综述20o9年5月第15卷第1O期MedicalR用范围内(例如,b=01000s/mm)呈指数变化,信号强度开始随着低b值(100s/mm,又称为AD.Cfast)迅速衰减,接着是一段信号逐渐衰减期(b>100s/mm,又称为ADCslow).ADCfast敏感的反映体内毛细血管的灌注情况,组织弥散的程度很弱,图像接近12图像;ADCslow对毛细血管灌注相对不敏感,而更凸显组织细胞构成和细胞膜的信息,从而增加病变组织与正常组织的对比度.随b值增加,图像的弥散权重越大,图像的空间分辨率降低,这是因为b值的增加主要是通过延长8和来完成的,这样使回波时间增加,而长回波时间使信号衰减.把ADC值结果分级到ADCfast和ADCslow可能对评估肿瘤治疗疗效有潜在的价值,例如抗肿瘤药物可能减少肿瘤血供(降低ADCfast)或破坏肿瘤细胞完整性(增加ADCslow),因此b值可体现MR各成像序列对弥散运动表现的敏感程度J.3.2脂肪抑制使用脂肪抑制序列能增加DWI图像动态范围,减少普遍存在于EH中的化学位移伪影,常用的脂肪抑制技术方法很多,如频谱预饱和反转恢复序列,短时反转恢复技术(shortTIinversionrecovery,STIR),Dixon技术,化学位移选择成像等.在体部局部的靶区,频谱预饱和反转恢复序列或化学位移选择成像可能会产生更高的信噪比.STIR对主磁场均匀度及场强要求不是很高,当在体部执行大范围DWI或全身弥散加权成像时,STIR能产生更均匀脂肪抑制.Mtirtz等在全身弥散的研究中对多种抑脂序列作对比研究,发现STIR技术可以使全身弥散加权成像技术(wholebodydiffusionweightedimagingwithbackgroundbodysignalsuppression,DWIBS)获得出色的脂肪抑制,基本能完全抑制体部的背景信号.另外,STIR信号抑制的选择性较低,对某些接近于脂肪的组织(如亚急性血肿)也可能被抑制为低信号,频谱预饱和反转恢复序列对主磁场均匀性及场强要求高.3.3减少伪影DWI的成像因易受运动,磁敏感性,化学位移性等相关因素的影响,往往会引起图像质量的下降,ADC值测量误差.运动伪影分为单次采集过程中人体组织的连续性运动产生的伪影(如呼吸运动),多次采集过程静态组织所处位置不同形成的伪影(患者的移动).呼吸运动被看做近似协调运动,Muro等的研究发现,均匀呼吸运动可能不导致DWI信号显着下降或ADC值的明显误差,尤其在呼吸几乎一致器官(如肝脏).然而呼吸运动仍能导致小局灶性病灶ADC值的测量误差,这可能由于周围组织信号污染引起的.肠蠕动也可认为是协调运动.相比之下,心脏运动显得不连贯,造成肝左叶及纵隔信号的严重丢失.DWI对磁敏感伪影比较敏感,在腹部胃肠道气体引起的磁敏感伪影使邻近结构模糊.螺旋桨技术是以FSE序列为基础,对磁敏感伪影不敏感,因此不易出现伪影且能最小化运动效应.4DWI在肿瘤影像诊断中的应用DWI最早应用于颅内疾病的评估,尤其是对脑梗死早期缺血半暗带的确定,为临床上的早期诊断和治疗赢得了宝贵时间.但是早期的DWI由于扫描时间较长,运动伪影等缺点,并不适用于受生理运动影响大的脏器如肝,脾,肾等.随着MRI技术(如呼吸门控及心脏触发技术,EPI技术及多通道相控阵线圈成像技术)的进步,大大缩短了扫描时间,减弱了运动伪影,使DWI由神经系统逐渐应用到体部j.然而,屏气的体部弥散加权MR/不允许有足够信噪比的薄层成像和多重刺激,不能实现全身大范围的肿瘤筛查及了解肿瘤远隔脏器,骨骼,淋巴结的转移情况,体部局部弥散加权MRI的临床应用必然受到限制.为克服以上缺陷,Takahara等首次将全身弥散加权成像引入1.5T,并利用三种不同的技术方案对其研究,发现技术方案(b=1000s/mm,自由呼吸,由扫描所得的4mm层厚的源图像(430S)重建8mm,层厚的DWI)的表观对比噪声比较其他两种方案均高,且可获得高分辨率,多平面重建和最大强度投影图像,该方案即正常呼吸情况下带有背景躯体信号抑制的磁共DWIBS技术,又称为类PET技术,它采用STIREPIDWI(shortTIinversionrecoverydif-fusionweightedechoplanarimaging)序列,起到抑制部分短T1信号的作用,周围组织中的血管,II肪,肌肉的磁共振信号被充分抑制,从而突出病变的对比度.健康志愿者骨骼呈低至等信号,双肺,纵隔及肝脏呈低信号,椎问盘,颅脑,脾脏,双肾,前列腺外周带,睾丸,卵巢,子宫内膜,脊髓可显示为高信号.DWI在疾病诊断中已发挥出巨大潜力,在此本文重点讨论DWI(尤其是DWIBS)在肿瘤影像学中的应用.4.1肿瘤筛查方面的价值DWIBS不仅可应用于恶性肿瘤,也可用于全身长T:信号良性病变的筛查,如结节性甲状腺肿,肝囊肿,肾囊肿,子宫肌瘤,因此,DWIBS可以作为一种健康体检的手段.Yi等将DWIBS与MRI全身一体化技术相融合(即wholebodyMRI技术),在小细胞肺癌的研究中将其与PET/CT作比较,发现与PET/CT比较,whole-bodyMRI能更好的发现脑,肝脏的转移瘤.4.1.1骨骼转移灶方面骨髓中的大量脂肪成分决定了其在DWIBS使用的STIREPI序列中呈低信号.在全身正常骨骼系统低信号的背景下,骨骼系医学综述2009年5月第15卷第l0期MedicalRecapitulate,May2o09.Vo1.15.No.10统病变,尤其是肿瘤病灶,由于其长T特征及特殊的组织学特点(核大,核质比高,细胞排列密集,细胞外问隙少),在DWIBS凸显为高信号.目前,核素骨扫描在全身骨骼转移方面的诊断价值已被高度认可,徐白萱等把它与DWIBS做对比研究,认为DWIBS在脊柱病灶发现方面优于核素骨扫描.因此,MRI技术有望成为筛查骨骼转移的主要手段之一.但是DWIBS空间分辨率低,Whole.bodyMRI技术虽对骨骼早期损害敏感性优于核素骨扫描,但仍存在信息量大,易漏诊,对肋骨病变敏感性低等缺点,因此DWIBS和WholebodyMRI技术的联合应用,对骨骼病灶诊断的敏感度及符合率可达94%,91%,可以发现最小2mm的病灶,远远优于核素骨扫描5mm的敏感性.4.1.2淋巴结转移方面淋巴结转移是肿瘤扩散的重要途径,应用18FDG.PET代谢成像对恶性肿瘤的淋巴结转移进行术前评估已被学界所认同.但因其价格昂贵,放射性辐射等缺点,使其难以应用于所有的肿瘤患者.而近年来,有学者利用局部DWI研究鼻咽癌颈部转移淋巴结及前列腺癌盆腔转移淋巴结,发现恶性淋巴结的ADC值小于良性淋巴结.李烁等用淋巴结动物模型实验表明VX2肿瘤转移性淋巴结ADC值(0.78-4-0.07)10.mm/s),炎性淋巴结ADC值(1.14-4-0.02)10mm/s,正常对照组的淋巴结ADC值分别为(1.350.15)10mm/s,且三者之间存在明显的统计学差异,所以DWIBS不仅可以发现病灶,在病灶的良恶性鉴别方面亦具有重要价值.4.2肿瘤良恶性鉴别方面的价值Noguchi等应用ADC值对脑内囊性病变进行分析,发现脑脓肿ADC值(平均值约0.6310mm/s)较囊性及坏死性转移灶(平均ADC值约2.7010mm/s)低.Nasu等发现,DWI用于检测肝转移瘤比超顺磁性氧化铁增强磁共振成像更准确,前者的灵敏性和特异性均高于后者.各研究报道的肝脏病变的ADC值不尽一致,Taouli等应用DWI研究肝脏局灶性病变,认为肝脏转移瘤,肝细胞肝癌,良性肝细胞病变,血管瘤,囊肿的平均ADC值依次升高,并指出当界定ADC值1.510mm/s为良恶性病变的诊断阈值时,诊断的敏感度,特异度,阳性预测值和准确率分别为84%,89%,87%和86%.虽然良恶性病变间的ADC值具有一定的统计学意义,但利用个别ADC值前瞻I生描述病变性质仍存在一定困难,因为良恶性病变之间的ADC值之间存在重叠,这种现象可能是由于肿瘤组织的不同生物学特性造成的.在卵巢病变的研究中,Katayama等发现将子宫内膜囊肿和皮样囊肿这两种ADC值较低的病变归入良性病变时,良恶性病变组间的ADC值差异才有统计学意义.在前列腺癌中,常规T2WI上鉴别肿瘤和其他导致前列腺低信号的病变是困难的,而在DWI上前列腺癌的ADC值低于邻近前列腺正常组织,然而二者之间仍存在一定的重叠.国内王霄英等首次提出利用DWI进行前列腺癌精囊侵犯的评价,前列腺癌侵犯,良性前列腺增生,健康志愿者的精囊腺ADC值分别为:(0.300.08)10mm/s,(0.960.10)10一mm/s,(0.970.33)10mm/s,良恶性病变间差异有统计学意义(P<0.05).Issa等提出前列腺中央带低ADC值伴其各向异性丧失更提示病灶的肿瘤性.DWI在骨骼方面的主要应用是椎体良恶性压缩性骨折的鉴别.Baur等应用稳态自由衰减序列DWI的研究表明,恶性肿瘤浸润的病理性骨折在DWI上呈高信号,与大量肿瘤细胞堆积引起细胞间隙容积减小有关,而良性骨折如骨质疏松,急性外伤等则为低或等信号,与骨髓水肿及出血导致细胞外容积增加有关.但是稳态自由衰减.DWI极易受T穿透效应的影响,因此DWI对骨髓浸润的评价需要一些定量指标.4.3预测治疗反应有效的抗癌治疗使肿瘤体积缩小,细胞膜完整性丧失,细胞外间隙增加,从而导致水弥散的增加.Moffat等认为,化疗后或放疗后不久,肿瘤细胞肿胀,导致ADC值降低,接着肿瘤细胞发生坏死和溶解,ADC值升高;治疗也能诱发肿瘤凋亡,导致细胞皱缩及ADC值升高,凋亡的肿瘤细胞也能进行第二次溶解;治疗完成后,有细胞外液再吸收的平衡过程,导致ADC值下降;肿瘤再生也可导致ADC值下降.然而Moffat的理论没有考虑到实际上存在于肿瘤内的血管内灌注对弥散测定的影响,因此靶向肿瘤血管的治疗也可能引起ADC值下降,尤其用低b值(对血管灌注较敏感)获得的弥散加权成像.在恶性肿瘤患者应用DWIBS时发现ADC值在某些方面可以预测肿瘤对化疗,放疗的反应,Mardor等_2对直肠癌,结肠直肠肝转移,脑胶质瘤的研究显示治疗前低基线ADC值的肿瘤患者较治疗前高基线ADC值患者具有更高的放,化疗敏感性,这可能是由于ADC值较高的肿瘤往往有较多的坏死成分,而这类肿瘤是低氧代谢的,酸性且血供相对较少,导致对放化疗的敏感性下降.Schepkin等【28,29也利用动物实验证明了ADC值评估和预测肿瘤治疗的有效性.因此,ADC值对于肿瘤的疗效有一定的预测能力,是一种潜在,有价值的肿瘤评估手段.医学综述2009年5月第l5卷第1O期MedicalRecapitulate,May2009,Vo1.15,No.105问题与展望DWI在评估淋巴瘤和宫颈癌患者的肿瘤分期及疗效评估方面已表现出巨大的应用价值.但是其在肿瘤评估中也遇到一些挑战,其中最主要的是缺乏诊断标准,包括b值选择及所用不同技术引起的相同部位同种疾病ADC值之间的差异,因此,图像采集和跨越成像平台数据分析的标准方案(如b值,序列类型,运动梯度的方向选择)的确定至关重要.DWIBS受其扫描范围和FOV的限制,难以显示上肢及下肢远端的病灶;由于颅脑高信号的干扰,颅骨的病灶易被掩盖;颈部图像易变形,难以区分大血管和淋巴结;胃肠道高信号的干扰易导致临近骨骼病灶的假阴性和假阳性;全身弥散图像的空间分辨率差,难以实现对病灶的准确定位;这些都依赖于DWI新技术的开发.在当前商业平台上用于DW1分析的软件工具只能进行视觉分析或最基本的定量分析(如ADC值和ADC图),无法对病变有更详尽的研究,且ADC值的重复性仍未有确切的研究理论支持;通过确定肿瘤兴趣区的方法不能充分的反映病变的异质性,因此应该研究出其他的定量指标如独立各向异性和病灶灌注情况,开发更多描述病灶特征的复杂数据分析软件.在临床药物试验中,理解肿瘤ADC值如何随着特定药物的疗效而变化至关重要,当肿瘤对治疗反应时,一定时间内ADC值可能下降,但历经一段时问后有可能升高,或肿瘤再生时有可能再升高,所以ADC值的最佳测量时间对于肿瘤对药物治疗反应的评估尤为重要.参考文献1NakanishiK,KobavashiM,NakaquchiK,eta1.WholebodyMRIfordetectingmetastaticbonetumor:diagnosticvalueofdiffusion-weightedimagesJ.MagnResonMedSci,2007,6(3):147155.2KohDM,CollinsDJ.DiffusionWeightedMRIintheBody:applicationsandchallengesinOncologyJ.MRAmJRoentgenol,2007,188(6):16221635.3LeBihanD,BretonE,LallemandD,eta1.MRimagingofintravoxelincoherentmotions:applicationtodiffusionandperfusioninneurologicdisordersJ.Radiology,1986,161(2):401-407.4KomoriT,NarabayashiI,MatsumuraK,eta1.2-Fluorine一18一flnoro-2一deoxyDgluc0s.positronemissiontomography/computedtomographyversuswhole?-bodydiffusion-?weightedMRIfordetectionofmalignantlesions:initialexperienceJ.AnnNuclMed,2007,2l(4):209-215.5ThoenyHC,DeKeyzerF,VandecaveyeV,eta1.Effectofvasculartargetingagentinrattumormodel:dynamiccontrastenhancedver-SUSdiffusion?weightedMRimagingJ.Radiology,2005,237(2):492-499678910【1112131415161718192O2122232425262728GuoY,CaiYQ,CaiZL,eta1.Differentiationofclinicallybenignandmalignantbreastlesionsusingdiffusion-weightedimagingJ.JMagnResonImaging,2002,16(2):172178.29JTaouliB,VilgrainV,DumontE,eta1.Evaluationofliverdiffusionisotropyandcharacterizationoffocalhepaticlesionswithtwosin?gleshotecho-planarMRimagingsequences:prospectivelystudyin66patientsJ.Radiology,2003,226(1):71-78.?1571?MiirtzP,KrautmacherC,TraberF,eta1.Diffusion-weightedwholebodyMRimagingwithbackgroundbodysignalsuppression:afeasibilitystudyat3.0TeslaJ.EurRadiol,2007,17(12):3031-3037.MumI,TakaharaT,HorieT,eta1.Influenceofrespiratorymotioninbodydiffusionweightedimagingunderfreebreathing(examina-tionofamovingphantom)j.NipponHoshasenGijutsuGakkaiZasshi,2005,61(11):1551-1558.TakaharaT,ImaiY,YamashitaT,eta1.Diffusionweightedwhalebodyimagingwithbackgroundbodysignalsuppression(DWIBS):technicalimprovementusingfreebreathing,STIRandhighresoh-tion3DdisplayJ.RadiatMed,2004,22(4):275-282.徐贤,张金山,马林,等.3.0T磁共振全身扩散加权成像的正常表现和初步临床研究J.中国医学影像技术,2007,23(6):793-796.李烁,薛华丹,金征宇.磁共振扩散加权成像用于动物模型淋巴结病变的实验研究J.Il缶床放射学杂志,2008,27(7):952-956.YiCA,ShinKM,LeeKS,eta1.Nonsmallceillungcancerstag-ing:efficacycomparisonofintegratedPET/CTversus3.0-TwholebodyMRimagingJ.Radiology,2008,248(2):632-642.徐白萱,关志伟,徐贤,等.全身MR弥散加权与核素骨显像对骨转移诊断的对比研究J.首都医科大学,2008,29(1):19-22.OhnoY,KoyamaH,OnishiY.eta1.Nonsmallcelllungcancer:whole.bodyMRExaminationforM.-stageassessment-utilityforwhole-bodydiffusion-weightedimagingcomparedwithintegratedFDGPET/CTJ.Radiology,2008,248(2):643-654.SchmidtGP,SchoenbergSO.SchmidR,eta1.Screeningforbonemetastases:whole.bodyMRIusinga32一channelsystemversusdualmodalityPETCTlJ】.EurRadiol,2007,17(4):939-949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