動脈自旋標記序列對前列腺癌血流灌注無創定量測量的可行性研究

張曉東，蔡文超，王晶，張玨，楊學東，王霄英

·前列腺MRI專題·

動脈自旋標記序列對前列腺癌血流灌注無創定量測量的可行性研究

張曉東，蔡文超，王晶，張玨，楊學東，王霄英

目的探討基于流動敏感交替反轉恢復標記技術(FAIR)結合單次激發快速自旋回波(SSFSE)成像技術的動脈自旋標記(ASL)序列無創定量測量前列腺血流灌注(PBF)的可行性。方法15例經臨床活檢確診的前列腺癌患者納入本組研究，每例患者同時采集4個不同反轉時間(1000、1200，1400和1600 ms)下的ASL數據，以獲得最優的標記血流到前列腺時間來估算其PBF。結果前列腺正常組織區域測得的PBF為(52.04±8.69) ml/min/100g，前列腺癌區測得的PBF為(79.28±28.89) ml/min/100g，兩者差異有統計學意義(P<0.01，最優TI)，表明前列腺癌區有更大的血流灌注。結論初步結果表明基于流動敏感交替反轉恢復標記技術結合單次激發快速自旋回波成像技術的動脈自旋標記序列(FAIR-SSFSE-ASL)可以無創、定量測量前列腺血流灌注，可探測到由于前列腺癌而引起的血流灌注改變。

前列腺腫瘤；灌注成像；磁共振成像

磁共振動脈自旋標記(arterial spin labeling，ASL)MRI成像是將磁化標記后的動脈血中的水作為內源性示蹤劑，實現無創性組織血流灌注的測量，已廣泛應用于顱腦血流灌注成像，可評價血管病變、中風和腫瘤[1-4]。由于受呼吸、心跳、腸蠕動及腹部磁敏感偽影等影響，ASL在腹盆部的開發和應用受到限制[5-6]。近年來，采用流動敏感交互反轉恢復(flow-sensitive alternating inversion recovery，FAIR)標記技術結合回波平面成像(echo planar imaging，EPI)的ASL方法被證實可定量測量前列腺灌注(prostate blood flow，PBF)[7-9]。本研究利用FAIR標記技術結合單次激發快速自旋回波(single-shot fast spin-echo，SSFSE)成像的ASL序列無創定量評價經活檢病理證實的前列腺癌的血流灌注，旨在探討FAIR-SSFSE-ASL序列無創定量測量PBF的可行性。

材料與方法

1.研究對象和檢查方法

15例經臨床活檢證實為前列腺癌的志愿者納入本組研究(年齡44～82歲)。對研究內容充分了解后，所有志愿者均簽署了知情同意書，實驗方案得到了醫院倫理委員會的批準。所有受試者都要求在實驗前禁食禁水12 h。

MRI檢查在3.0T MR掃描儀上進行(Signa Excite TM;GE Medical Systems,Milwaukee,Wisconsin,USA)，最大梯度場40 mT/m，梯度爬升率120 T/m/s，8通道TORSOPA腹部相控陣線圈。首先采用矢狀面T1WI雙回波序列得到前列腺ASL定位像。前列腺ASL序列由FAIR標記模塊和SSFSE成像模塊組成。前列腺軸面成像掃描參數：TR 3500 ms，TE 40 ms，翻轉角90°，帶寬62.5 kHz，層厚5 mm，圖像分辨力0.94 mm×0.94 mm×5.00 mm。為了消除不完全標記導致的邊緣效應，FAIR選擇性標記區域的厚度為30 mm；每次交替采集8幅FAIR-ASL圖像，其中4幅為大范圍非選擇反轉的標記相，4幅為前列腺區選擇性反轉的參考相，平均后得到參考相和標記相各1幅。然后采用無FAIR標記的SSFSE序列采集8幅M0圖像，為了保證弛豫恢復完全，TR選擇為6000 ms，其他參數與FAIR-ASL掃描時相同。另外，為了得出最優的標記血到前列腺的時間，每個志愿者均采集4個不同反轉時間(inversion time，TI)的ASL數據，TI時間分別為1000、1200、1400和1600 ms。為了減少運動偽影，志愿者盡量要求在屏氣時進行掃描，包括ASL和M0單層數據完整的前列腺灌注掃描可在5 min之內完成。本研究除行FAIR-ASL序列掃描外，還同時采集了常規的前列腺檢查掃描序列數據，包括T1WI、T1WI-雙回波、T2WI、DWI及動態增強磁共振成像(dynamic contrast enhanced MRI，DCE-MRI)。

圖1 FAIR-SSFSE-ASL序列定位示意圖。紅色為大范圍非選擇性磁化反轉標記相區域，黃色為成像層面的選擇性反轉參考相區域。圖2 ASL灌注信號隨反轉時間變化示意圖。a) M0圖，紅色方塊為所選前列腺ROI區域；b) 灌注信號峰值(ΔM/M0)在4個不同TI的變化曲線。圖3 前列腺癌區及正常組織區ROI選擇示意圖。a) DCE-T1WI圖像；b) 相應的DCE灌注曲線；c) M0圖，紅色區域表示癌區ROI范圍，藍色區域為正常組織區ROI范圍；d) 前列腺PBF分布圖疊加在M0原始圖上，顏色尺度條的范圍為0～200。

2.FAIR-ASL原理及其血流灌注定量模型

本研究選擇FAIR方法標記前列腺成像層面[10-11](圖1)。首先，通過一個非選擇性反轉脈沖使包含前列腺成像層面在內的較大范圍動脈血被磁化標記，標記的血流進入前列腺區域組織灌注，經反轉時間處理后成標記相圖。然后，再由流動敏感射頻脈沖對前列腺區域進行選擇性反轉獲得參考相圖，標記相與參考相圖相減所得差值圖即為只含標記動脈血灌注信息的圖像。ASL利用磁化標記后的動脈血作為內源性示蹤劑，研究中采用示蹤劑稀釋單室模型[12-13]對前列腺血流灌注(blood flow，BF)進行定量估算：

(1)

公式(1)中CT(t)為組織示蹤劑濃度，Ca(t)為動脈示蹤劑濃度，Cv(t)為靜脈示蹤劑濃度。反轉標記的動脈血作為內源性示蹤劑，其濃度即為磁化矢量強度M(t)，衰減系數為其縱向弛豫率R1(R1=1/T1)，弛豫到穩態后磁化強度為M0，則由標記相與參考相相減得到ASL差值信號磁化強度ΔM為：

(2)

公式(2)中λ=CT(t)/Cv(t)，是水分比常數(約為0.90)，τ為灌注時間，即標記的動脈血從進入成像平面到離開的時間。在已知t=TI、M0以及T1值時，即計算出ΔM，進而PBF可以利用公式(3)計算得出：

(3)

3.最優反轉時間TI的選擇

由于磁化標記的動脈血到達前列腺成像層面需要一定的時間，較短的TI時間會導致灌注不完全，而太長的TI時間又會使磁化標記效果因為弛豫效應而大大降低，從而影響灌注定量測量的準確性。為了更加準確地測量前列腺血流灌注，實際采集數據時我們分別在4個不同TI時間(TI=1000、1200、1400和1600 ms)下測量ASL信號，比較其灌注信號峰值(ΔM/M0)，從中找到最優的TI時間(圖2)，從而大大減少了由于個體動脈磁化標記血傳輸時間差異而引起的灌注信號波動。

4.結果分析及統計學處理

ASL圖像后處理程序由Matlab (MathWorks Inc.Natick，MA，USA)編寫完成。局部前列腺灌注值采用興趣區域分析法。M0圖像具有良好的組織對比，作為ROI選擇的背景圖像，由5區13針活檢病理位置結合T2WI圖像及DCE動態曲線確定前列腺癌區及正常組織區的ROI位置，并要求每個手動勾畫的ROI至少包括20個像素(圖3)。本研究采用Welch獨立樣本t檢驗(Welch Two Sample t-test)比較前列腺正常組織區與癌區的血流灌注差異，以P<0.05為差異有統計學意義。

結果

15例志愿者均成功完成數據采集，其中ASL標記相和參考相圖像質量可接受，無顯著磁敏感偽影或變形，所有MR序列掃描特定吸收率(specific absorption rate，SAR)值都在安全范圍之內。15例志愿者均得出前列腺在癌區和正常組織區的PBF值及得到該值的最優TI時間(表1)；前列腺癌區的PBF為(79.28±28.89)ml/min/100g，而正常組織區PBF為(52.04±8.69)ml/min/100g，前列腺癌區PBF值明顯高于正常組織區，差異有統計學意義(t=3.4964,df=16.514,P=0.002868<0.01)。圖4和圖5分別顯示了15名志愿者的前列腺血流灌注PBF在癌區與正常區整體及個體的變化。

表1 PBF在癌區和正常組織區的數值及其相應的最優TI時間

討論

1.前列腺癌與前列腺血流灌注水平變化之間的病理生理關系

血管增生與腫瘤早期生長密切相關[14]，而血管增生水平也是評估腫瘤級別及其轉移可能性的關鍵病理生理特征[15-16]。血管增生使血供增加以支持腫瘤生長，對于前列腺來說，前列腺血流灌注異常增加是前列腺癌的重要病理生理特征之一[17-18]，因此，前列腺血流灌注可能成為對前列腺癌進行早期鑒別診斷、分級、治療和預后療效評估的重要生理指標。

圖4 15名志愿者的前列腺血流灌注PBF在癌區與正常區整體均值及標準差示意圖。圖5 15名志愿者在癌區與正常區個體前列腺血流灌注PBF的變化示意圖。

2.動脈自旋標記技術的優勢

與正電子發射計算機體層成像(positrom emission tomography，PET)、DCE-MRI等灌注成像方法相比，ASL技術不需要外源性對比劑，能夠無創、定量地評估前列腺血流灌注水平。臨床中特別是對于不適用對比劑的患者，ASL是一種評估前列腺灌注水平的有效方法。在本研究中，由FAIR-SSFSE-ASL序列測得的前列腺血流灌注在癌區較正常組織區顯著增加，這與理論預測一致，證實了FARI-SSFSE-ASL測量前列腺血流灌注的可行性。

3.FAIR標記技術的優勢

當器官的動脈血供網絡不是從固定的一端流入，而是有可能從兩側同時流入時，FAIR是穩妥謹慎的動脈血磁化標記技術，這種標記方法可以確保完全標記所有流入的動脈血，不會遺漏任何一側流入該器官的動脈血供。另外，對于單層成像，FAIR的RF反轉脈沖寬度較窄，標記邊界輪廓更銳利，故FAIR標記技術更加有利于前列腺灌注的定量估算。

4.SSFSE成像的優勢

本研究采用SSFSE對FAIR-ASL信號成像，SSFSE改變了傳統自旋回波序列填充K空間的方法[9]，一次RF射頻激發可以采集多個回波信號數據，在一個TR時間內完成整個K空間的填充，有效縮短了掃描時間；并且前列腺ASL序列中SSFSE成像模塊采用對稱式K空間填充方式，有效減少了FAIR標記效率在成像過程中的損失。SSFSE圖像信噪比及分辨力較高(0.94mm×0.94mm×5.00mm)，相對于常規回波平面成像序列受器官運動影響較小，磁敏感偽影較少，適用于前列腺等腹、盆器官的血流灌注定量評估。

5.感興趣區的選擇原則

臨床常規前列腺MRI掃描序列T2WI、DWI及DCE動態曲線結合5區13針穿刺活檢可以對前列腺癌進行鑒別診斷。本研究中以5區13針穿刺活檢提示癌區并結合T2WI、DWI及DCE共同確定前列腺癌區ROI位置(圖3)。由于MRI圖像與活檢穿刺位置相關但并非嚴格一一對應，故本研究對前列腺癌區及正常組織區域ROI的選擇存在一定誤差，即正常組織區ROI中可能包括部分癌變組織，反之亦然。

6.本研究的不足

ASL灌注模型的選擇:本研究采用單室模型估算前列腺血流灌注值，其原理簡單、計算復雜度較低，能夠在滿足定量分析的基礎上最大程度地減少掃描時間。但由于前列腺等目標器官的灌注速度及磁場強度不同，單室模型可能會低估或高估血流灌注值。

呼吸運動對PBF測量結果的影響:ASL在腹部及盆腔的應用受到呼吸、心跳及腸道蠕動等運動的影響。與腎臟等腹部器官相比，位于盆腔底部的前列腺位置相對固定，受呼吸運動影響較小；而且本研究利用SSFSE快速成像技術有效縮短了掃描時間，并通過圖像后處理將運動導致的ASL異常信號所在MRI層面剔除，但運動仍可能對PBF估算產生影響。

ASL序列標記及成像模塊的選擇:本研究中所用的FAIR標記模塊只限于單層數據采集模式，實際上3D全前列腺灌注具有更加重要的臨床意義，這就需要將來進一步提高序列的標記效率及其成像速度，以實現3D全前列腺灌注。

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本刊可直接使用的醫學縮略語

醫學論文中正確、合理使用專業名詞可以精簡文字，節省篇幅，使文章精煉易懂。現將放射學專業領域為大家所熟知的專業名詞縮略語公布如下(按照英文首字母順序排列)，以后本刊在論文中將對這一類縮略語不再注釋其英文全稱和中文。

ADC (apparent diffusion coefficient)：表觀擴散系數

ALT：丙氨酸轉氨酶；AST：天冬氨酸轉氨酶

BF (blood flow)：血流量

BOLD (blood oxygenation level dependent)：血氧水平依賴

BV (blood volume)：血容量

b：擴散梯度因子

CAG (coronary angiography)：冠狀動脈造影

CPR (curve planar reformation)：曲面重組

CR(computed radiography)：計算機X線攝影術

CT (computed tomography)：計算機體層成像

CTA (computed tomography angiography)：CT血管成像

CTPI(CT perfusion imaging):CT灌注成像

內浮頂的結構要求：鋁(不銹鋼)制浮頂與油面(內浮頂蓋板的下表面與油面的上表面)間的油氣空間，鋁制內浮頂允許(70～100)mm±10mm，不銹鋼允許(110～130)mm±10mm。

DICOM (digital imaging and communication in medicine):醫學數字成像和傳輸

DR(digital radiography):數字化X線攝影術

DSA (digital subtraction angiography)：數字減影血管造影

DWI (diffusion weighted imaging)：擴散加權成像

DTI (diffusion tensor imaging)：擴散張量成像

ECG (electrocardiography):心電圖

EPI (echo planar imaging)：回波平面成像

ETL (echo train length)：回波鏈長度

FLAIR (fluid attenuation inversion recovery)：快速小角度激發反轉恢復

FLASH (fast low angel shot)：快速小角度激發

FOV (field of view)：視野

FSE (fast spin echo)：快速自旋回波

fMRI (functional magnetic resonance imaging)：功能磁共振成像

IR (inversion recovery)：反轉恢復

Gd-DTPA：釓噴替酸葡甲胺

GRE (gradient echo)：梯度回波

HE染色：蘇木素-伊紅染色

HRCT(high resolution CT):高分辨率CT

MPR (multi-planar reformation)：多平面重組

MIP (maximum intensity projection)：最大密(強)度投影

MinIP (minimum intensity projection)：最小密(強)度投影

MRA (magnetic resonance angiography)：磁共振血管成像

MRI (magnetic resonance imaging)：磁共振成像

MRS (magnetic resonance spectroscopy)：磁共振波譜學

MRCP(magnetic resonance cholangiopancreatography)：磁共振胰膽管成像

MSCT (multi-slice spiral CT)：多層螺旋CT

MTT (mean transit time)：平均通過時間

NEX (number of excitation)：激勵次數

PACS (picture archiving and communication system)：圖像存儲與傳輸系統

PC (phase contrast)：相位對比法

PET (positron emission tomography)：正電子發射計算機體層成像

PS (surface permeability)：表面通透性

ROC曲線(receiver operating characteristic curve):受試者操作特征曲線

SPECT (single photon emission computed tomography)：單光子發射計算機體層攝影術

PWI (perfusion weighted imaging)：灌注加權成像

ROI (region of interest)：興趣區

SE (spin echo)：自旋回波

STIR(short time inversion recovery)：短時反轉恢復

TACE(transcatheter arterial chemoembolization)：經導管動脈化療栓塞術

T1WI (T1weighted image)：T1加權像

T2WI (T2weighted image)：T2加權像

TE (time of echo )：回波時間

TI (time of inversion )：反轉時間

TR (time of repetition)：重復時間

TOF (time of flight)：時間飛躍法

TSE (turbo spin echo)：快速自旋回波

VR (volume rendering)：容積再現

WHO (World Health Organization)：世界衛生組織

NAA(N-acetylaspartate):N-乙酰天門冬氨酸

Cho(choline):膽堿

Cr(creatine)：肌酸

(本刊編輯部)

Feasibilityofnon-invasivequantitativemeasurementsofprostatebloodflowinprostatecancerusinganarterialspinlabelingsequence

ZHANG Xiao-dong，CAI Wen-chao，WANG Jing，et al.

Department of Radiology,Peking University First Hospital，Beijing 100034，P.R.China

Objective:The purpose of this study was to demonstrate the feasibility of arterial spin labeling (ASL) sequence for non-invasive quantitative measurements of prostate blood flow (PBF) in prostate cancer.MethodsWhether the measurement of PBF by FAIR-SSFSE-ASL can reflect prostate blood flow changes induced by prostate cancer in 15 prostate cancer subjects (confirmed by biopsy) with a mean age of 70.9 years was evaluated.Moreover,different levels of inversion times (TI=1000,1200,1400 and 1600ms) were utilized to obtain the optimal time of the inflow of labeled blood into prostate on the estimation of PBF.ResultsThe estimated PBF was (52.04±8.69)ml/min/100g in the prostate normal region,and significant increase of PBF in the prostate cancer region was (79.28±28.89)ml/min/100g (P<0.01 at optimal TI),reflecting an increase of blood flow in the prostate cancer region.ConclusionIn summary,we have demonstrated that non-invasive quantitative measurement prostate blood flow can be obtained using an FAIR-SSFSE-ASL sequence.The measurement can reflect the expected prostate perfusion changes induced by prostate cancer.

Prostatic neoplasms; Perfusion imaging; Magnetic resonance imaging

100034 北京，北京大學第一醫院醫學影像科(張曉東、蔡文超、楊學東、王霄英)；100871 北京，北京大學物理學院(王晶)；100871 北京，北京大學前沿交叉學科研究院功能成像中心(張玨、王霄英)

張曉東(1979-)，男，山西人，博士，技師，主要從事醫學物理研究工作。

王霄英，E-mail: cjr.wangxiaoying@vip.163.com

高等學校博士學科點專項科研基金(20110001120053)；首都衛生發展科研專項項目(2011-4021-02)資助

R737.25; R445.2

A

1000-0313(2014)05-0469-05

2014-03-25

2014-04-04)