牛 衡，牛广明

·综 述·

定量动态增强MRI在脊柱肿瘤中的研究进展

牛 衡，牛广明

脊柱肿瘤是临床上常见的较难确诊的疾病，因为在影像学上很难区别良、恶性，且两者之间还会存在交错重叠情况，在具体肿瘤类型上也很难鉴别。而近些年随着影像学不断发展，特别是MRI新技术在临床上的应用，使得脊柱肿瘤的临床确诊率越来越高。定量动态增强MRI的不同定量参数可对脊柱肿瘤性病变进行诊断、鉴别诊断、肿瘤分级及疗效评价。作者就定量动态增强MRI的基本原理及其在脊柱病变中的应用进展进行综述。

磁共振成像；动态增强；定量；脊柱；肿瘤

动态增强MRI(dynamic contrast-enhanced MRI，DCE-MRI)即注射小分子钆类对比剂，引起不同组织的信号变化，然后在灌注程度和渗透性不同的组织中测量毛细血管通透性及灌注分布，从而进行成像。后期经过对原始图像的处理，DCE-MRI可以进行定性分析、半定量分析、定量分析。应用定量分析的不同定量参数可对脊柱病变，如脊柱肿瘤性病变进行诊断、鉴别诊断、肿瘤分级及疗效评价。作者就定量DCE-MRI的基本原理及其在脊柱病变中的应用进展进行综述。

1 定量DCE-MRI的研究背景

在早期的临床肿瘤研究中，人们通过观察病灶的形态学改变来评价肿瘤进展程度与治疗疗效，但病灶形态学的改变远迟于生物学行为的改变，同血清肿瘤标志物一样，这2种方法缺乏足够的敏感性及特异性，对于早期的诊疗及疗效的检测不利。肿瘤的血供及血管状况是肿瘤发展的关键[1]，它与肿瘤的发生、进展和远处转移密切相关。目前微血管密度(micro-vessel density，MVD)与血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)可以评价肿瘤新生血管水平[2]。但VEGF、MVD并不能直接反映血管的生物学功能。有研究认为血管新生会对血管微环境产生非单一的影响，包括MVD、血管容积、血管通透性，而且新生血管的生长速度并不单纯取决于VEGF，而是由血管数量、VEGF水平、血管壁对VEGF的敏感程度3个因素共同决定[3]。由此可见，MVD或VEGF并不能全面反映肿瘤血管微环境，并且因其两者有创的取材方式、对精准取材的依赖性、随访的不可重复性，不利于临床实际应用。DCE-MRI因其无创性、可重复性的特点，已被越来越多地应用于临床评估肿瘤微环境。

1.1 DCE-MRI的基本原理DCE-MRI通过注射小分子非特异性对比剂进行成像，如二乙烯三胺乙酸钆等[4-6]。钆对比剂进入人体并通过组织时可引起组织局部磁场不均匀，进而引起T1信号的增高和T2信号的减低，这是由于钆类对比剂的多个不成对电子与质子形成了偶极子，从而导致组织T1时间和T2时间缩短[4-5]。对比剂影响MRI信号的净效应程度取决于MRI的不同成像参数及成像序列[6]。目前，动态MRI根据对比剂净效应的不同分为:①利用T1缩短效应的DCE-MRI；②利用T2缩短效应的动态磁敏感对比MRI。DCE-MRI主要对血管外细胞外间隙(extravascular extracellular space，EES)内的对比剂敏感，反映组织灌注、通透性及EES的大小，因此适合渗透性成像[7]；DSC-MRI适合灌注成像，因其对血管内对比剂敏感，可以反映组织的血流量和血管容量[8]。DCE-MRI进行定性、半定量及定量分析是基于其各种药物代谢动力学模型的建立，作者只就这一狭义DCE-MRI进行讨论。

1.2 DCE-MRI基本扫描技术DCE-MRI因注入对比剂后，使用不同的T1加权像扫描序列对病变区域进行快速动态扫描，通常采用的T1加权像序列为快速3D梯度回波序列[9]，然后测量注入对比剂前后T1信号强度随时间的变化。并行采集技术及Z轴方向的填充技术也经常用来缩短K空间填充时间，提高时间分辨力。上述序列均首先用于腹部的多期动态增强扫描中，现在已发展成熟。扫描参数的优化虽然可以实现其他部位的动态增强扫描，但要得到血流动力学的量化参数，则需要更苛刻的条件即更高的时间分辨力。另一种提高扫描速度的方式是应用时间分辨随机轨道成像技术，该技术通过以螺旋轨道填充K空间提高扫描速度，每帧采集时间缩短到6.4 s。运用该技术可连续采集50～60帧图像，总采集时间约为6 min，明显提高了动态增强扫描的时间分辨力[10]。

1.3 DCE-MRI的定性分析定性分析即通过动态增强扫描获得组织时间-信号强度曲线(time-signal intensity curve，TIC)，再通过评价曲线的形态来对病变进行定性诊断和疗效评价。TIC形态可分为Ⅰ型持续上升型、Ⅱ型平台型、Ⅲ型速升速降型3种类型[11]。Ⅰ型曲线主要用于鉴别肿瘤的良、恶性，Ⅱ、Ⅲ型曲线在肿瘤良、恶性的鉴别中无特殊意义[12-13]。定性分析有诸多优点，如对于扫描序列及设备依赖性小、仅需要TIC曲线等。但其不能提供与潜在的生理组织特征直接相关的参数。由于信号强度不能量化且易受扫描参数影响，在对肿瘤化疗疗效的评价中甚至部分良、恶性病变的TIC重叠。在对肿瘤化疗疗效的评价中，Lavini等[14]认为定性分析价值不大。

1.4 DCE-MRI的半定量分析量化分析TIC曲线后可以提供更客观、更综合的信息。不同研究需求的半定量参数不同，常用的半定量参数有曲线下面积、强化峰值、血流量、血容量、平均通过时间、达峰时间及上升或下降斜率[15-17]。半定量分析应用简便且量化指标较为明确，对曲线形态的描述也较为客观，但其缺点也较为明显即组织中对比剂的浓度不能得到准确反映，但有些研究[18]指出半定量分析可能与组织生理学潜在点存在广泛的关联。

1.5 DCE-MRI的定量分析与前两者相比，定量分析可以量化组织内亚结构即通过药物代谢动力学分析来评估组织微血管生成及其功能[19]。药物代谢动力学模型分析可使DCE-MRI成像空间分辨率达到毫米级，从而使获得组织内亚结构间对比剂浓度变化之间的相互联系并生成参数成为可能[19-20]。目前，四参数模型中的Tofts两室腔药物代谢动力学模型最为应用广泛[7，21]。DCE-MRI的4个定量参数得到了标准化:对比剂从血浆渗透至EES的容量转移常数Ktrans(/min)；血管外细胞外容积分数Ve，0＜Ve＜1；血浆容积分数Vp以及对比剂从EES返回至血浆的速率常数Kep(Kep=Ktrans/Ve)。其中，Ktrans和Ve是与生理过程直接相关的参数；组织中血管渗透性的高低由Ktrans表示，Ktrans值越大血管渗透性越高，内皮细胞损伤越严重；组织坏死及组织细胞化程度由Ve表示，Ve值越大血管外细胞外间隙容积越大，坏死程度越高或细胞化程度越低[22]；Vp代表单位体积组织内血浆的体积，Vp和Ve的关系必须满足Vp+Ve≤1[19]。因此，定量分析适合更深层次研究组织微结构的改变及血流灌注情况。

2 定量DCE-MRI在脊柱病变中的应用

2.1 定量DCE-MRI在脊柱病变中主要用于对脊柱肿瘤的诊断目前，脊柱肿瘤的诊断主要依靠常规影像学检查，如X线、CT、MRI等，这些检查对于病变及脊柱的形态学改变可以很好地提供医学信息，但部分脊柱肿瘤形态学表现类似，因此不能提供更多准确的信息。定量DCE-MRI因其与脊柱肿瘤的病理学检查结果有良好相关性而被广泛用于鉴别良、恶性肿瘤，评估骨肿瘤的侵袭性、临床分期与治疗效果以及监测骨肿瘤复发与残留等[23-25]。

2.1.1 鉴别良、恶性肿瘤与评估肿瘤侵袭性在部分病例中脊柱良性肿瘤和恶性肿瘤的形态学表现类似，但良、恶性肿瘤的病情进展、治疗方法及预后有很大不同。常规的影像学检查如CT、MRI不能提供准确的信息。Fayad等[24]对经病理证实的良性肿瘤与恶性肿瘤进行DCE-MRI定量分析，结果显示恶性肿瘤组Ktrans值较高。Zha等[25]对经病理证实脊柱肿瘤的患者行术前DCE-MRI检查，得出侵袭性强的肿瘤组Ktrans值及Ve值均高于侵袭性低的肿瘤组结果。但研究者同时认为，研究结果的准确性可能受到影响，因为研究中包含各种组织病理学类型不同的肿瘤。不典型的脊柱转移瘤与脊柱骨髓瘤有时很难鉴别，而脊柱转移瘤的Ktrans值及Ve值明显高于脊椎骨髓瘤，可能的原因是脊柱转移瘤较脊柱骨髓瘤血供丰富，血管内皮细胞损伤严重而且细胞外间隙容积大，坏死程度越高。

2.1.2 疗效评价对肿瘤性病变进行放疗和化疗，其疗效与癌变组织的放化疗敏感性直接相关。故预测肿瘤对放化疗的敏感性对于肿瘤患者治疗方案的选择有重要的意义。定量DCE-MRI可以客观地提供病变组织血流灌注、血管渗透性的信息，因此可以作为预测肿瘤对放化疗敏感性的指标[26-27]。Chikui等[26]研究表明，肿瘤对放化疗敏感性取决于Ktrans、Ve值的高低，通常呈正相关。另外一些学者[28-29]的相关研究也得出类似结果，有些肿瘤患者在接受放化疗后，肿瘤的形态尚未明显改变但其Ktrans、Ve值明显减低，并且放化疗后Ktrans、Ve值明显减低的肿瘤患者预后较好。

2.2 定量DCE-MRI在其他脊柱病变中的应用定量DCE-MRI可用于评价个体罹患骨质疏松(osteoporosis，OP)的风险以及监测疗效。Liu等[30]报道雌性OP大鼠(卵巢切除+饮食控制或糖皮质激素)在造模12个月后，腰椎、骨盆以及股骨的Kep值显著下降，病理及免疫组织化学检查显示OP大鼠骨髓血管稀疏，但血管成熟度增加，血管直径未受影响。另外，一些临床研究也发现类似结果。Biffar等[31]发现OP组患者椎体骨髓的血流量显著低于正常组，其血容量与定量CT测得的骨矿物质含量呈正相关。定量DCE-MRI可以很好地评价血管微环境及组织坏死及组织细胞化程度，因此也可用于对脊柱感染性病变如布鲁杆菌脊柱炎、脊柱结核的评价。但国内外有关DCE-MRI应用于脊柱感染性病变的研究鲜见报道。

DCE-MRI能够进行定性、半定量、定量分析，提供较常规MRI更多的组织微观信息，为脊柱病变的诊断、鉴别诊断、疗效评价等提供更多帮助。但DCE-MRI也存在一些问题:①定量分析仍处于早期研究阶段，在脊柱病变尤其是感染性病变中的相关研究较少；②扫描序列和技术不统一，没有标准化的参数；③选用的药物代谢动力学模型及相应软件不同，导致测量数据存在差异，缺乏可比性[32-33]。

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Quantitative dynamic contrast-enhanced MRI in spinal tumor

NIU Heng，NIU Guangming
(Department of Imaging，Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University，Hohhot Inner Mongolia 010050，China)

Spinal tumor used to be a kind of disease which was hard to diagnose by neuroimage.Because of some overlap of benign and malignant tumor，it was also difficult to tell the classification directly.In recent years，with the continuous development of new techniques of imaging，especially MRI in clinical application，the diagnostic accuracy of spinal tumor gradually improved. Quantitative dynamic contrast-enhanced MRI(DCE-MRI)was conducted by different parameters，and then applied in the diagnosis，differential diagnosis，and the classification of tumors and therapeutic evaluations.In this review we summarized the applications of the quantitative DCE-MRI in the spinal lesions.

Magnetic resonance imaging(MRI)；Dynamic contrast-enhanced；Quantification；Spine；Neoplasm

R445.2；R738.2

A

2095-3097(2015)05-0302-04

10.3969/j.issn.2095-3097.2015.05.014

2015-07-21 本文编辑:张在文)

国家自然科学基金(81460259)

010050内蒙古呼和浩特，内蒙古医科大学附属医院影像科(牛 衡，牛广明)

牛广明，E-mail:cjr.niuguangming＠vip.163.com