磁共振扩散张量成像诊断前列腺癌的理论基础

王倩，房俊芳，王滨

1.滨州医学院，烟台 264003

2.滨州医学院烟台附属医院放射科，烟台 264100

前列腺癌(prostate cancer，PCa)发病率、死亡率不断上升，已成为威胁老年男性健康的重要疾病[1]。随着人口老龄化和饮食结构改变，我国前列腺疾病的发病形势将更为严峻，加强前列腺疾病的基础和临床研究是目前迫切任务。MRI具有良好的软组织分辨率，可提供前列腺生理、生化、病理及解剖学的信息，目前被一致认为是前列腺疾病理想的检查方法[2]。MR扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI) 通过在多个方向施加扩散敏感梯度而测量水分子扩散程度的方向性，从而提供组织微观结构的信息[3]。目前，DTI在神经系统疾病中有广泛的应用，随着影像技术发展，DTI逐渐应用于其他系统疾病的研究，如用于骨骼肌、心肌肌肉纤维走行以及软组织肿瘤的评估等[4-5]。扩散张量的纤维示踪图像(diffusion tensor tractography，DTT)能直观地显示观察纤维束的走行、完整性和方向性[6]。笔者旨在对DTI诊断前列腺癌的理论基础进行综述。

1 前列腺的解剖和组织学特点

1.1 前列腺的解剖学特点

前列腺是不成对的实质性器官，以尿道前列腺为界，将其分为腺性组织和非腺性组织，即位于尿道前方的纤维肌肉性间质和位于尿道后方的固有腺体两大部分。McNeal[7]将前列腺细分为五个带区，其中非腺性组织参与构成前列腺的前部约1/3，称之为前纤维肌肉基质区；腺性组织参与构成前列腺后方大部，即固有腺体。后者又细分为四个带区：周围区、中央区、移行区及尿道周围腺区。其中周围区体积最大，呈马蹄形，约占整个前列腺体部的75%，位于中央区的两侧后方和下方，并向下包绕整个精阜以下的尿道后部，该区是前列腺癌的好发部位；中央区体积较小，呈锥形，约占前列腺体积的20%，位于前列腺基底部，近段尿道后方；移行区体积最小，约占前列腺组织的5%，位于近段尿道两侧和侧前方，由于临床工作中较难区分中央区、移行区及前纤维肌肉基质区，故通常将三者合成为中央腺区，而将周围区单独称为外腺或仍为周围区。

1.2 前列腺组织学及病理学特点

1.2.1 前列腺的组织学特点

前列腺组织主要有上皮、腺体及间质三种成分组成，而三种成分所占的比例中西方人存在差异[8-9]。并且成人前列腺随着年龄的增长上皮有减少的趋势，而间质有增多的趋势[9]。在正常成人构成前列腺各个区的组织成分亦有差异。前纤维肌肉基质区主要有混有纤维成分的肌组织构成；固有腺体均由导管和腺泡组成，其上皮排列有两层细胞；表面的分泌上皮和位于其下和基底膜之间的基底层细胞。各分区间腺泡及上皮的结构亦有差别[10]。中央区与众不同，其腺泡腔大，腺泡上皮呈柱状，形成许多复杂的乳头状嵴，突向管腔。胞质含较多颗粒，胞核大而色浅。而周围区、移行区以及尿道周围腺三者的腺泡和上皮细胞的形态均相似。腺泡小而圆，内壁较平坦，胞质透明，胞核小、深染，胞核排列规则，靠近基底膜。但各区间质均有所不同，中央区间质致密，含较多纵长排列的平滑肌束，紧密包绕腺泡；外周区的间质疏松，分布着稀疏的平滑肌；移行区的间质最致密，由交叉的平滑肌组成；而尿道周围腺则包裹在尿道周围的平滑肌内[11]。

1.2.2 前列腺的病理学特点

许多临床病理学家证实，前列腺不同解剖区带好发的疾病不同：前纤维肌肉基质带基本不发生原发疾病，中央区很少有原发病，移行区好发前列腺增生，前列腺炎好发于周围区，据McNeal等[12]研究前列腺癌约70%发生于周围区，20%发生在移行区，10%发生在中央区。

前列腺增生为中老年常见改变，前列腺增生主要病理特征为增生结节的形成，病理学将其分为四种类型：(1)纤维肌腺瘤样型，最常见，除腺体增生外，平滑肌和纤维组织也明显增生；(2)纤维肌型，以纤维组织和平滑肌组织增生为主；(3)腺瘤样型，以腺体增生为主，周围间质较少而绕之，似腺瘤，但不是真正的包膜；(4)纤维血管型，是较单纯的纤维组织和小血管增生，也无包膜，故与纤维瘤有别。前列腺癌源于前列腺上皮，病理学上表现为异型肿瘤上皮细胞的增多，细胞核大，核仁明显，不同程度地丧失了形成正常腺管的能力，堆积的恶性上皮细胞取代了正常的腺泡和导管。

2 常规MRI诊断前列腺疾病的价值及局限

MRI可以提供有关前列腺生理、生化、病理及解剖学的信息，能直接获得多方向的断面图像，软组织分辨率高，没有离子辐射损害，能显示其他许多检查方法所不能显示的组织结构，是前列腺疾病诊断的理想检查方法。但常规MRI在诊断前列腺疾病中存在不足。正常前列腺在T1WI上仅仅能显示前列腺的轮廓，各区带都表现为等或略低信号，无法进一步区分；而在T2WI上前列腺周围区呈高信号表现，信号强度高于中央区，中央区呈低信号。

前列腺增生多发生于移行区，逐渐占据中央区，增生结节融合使中央区体积增大，周围区逐渐受压变薄呈假包膜改变。增生结节在T1WI上表现为不均匀稍低信号，在T2WI由于成分不同信号表现有差异：以腺体增生为主，表现为高信号；以基质增生为主表现为不均匀低信号。前列腺癌多发生于周围区，在T2WI可以很好的显示，表现为周围区高信号中结节状或弥漫性的低信号，而发生于中央腺的前列腺癌表现为中央腺区的低信号。

尽管常规MRI检查具有良好的软组织分辨率，但是对于前列腺疾病的诊断仍然缺乏灵敏性与特异性[13]。比如：较难区分前列腺癌与慢性前列腺炎，两者均表现为周围区低信号；发生于中央腺的前列腺癌及增生较难鉴别[14-16]。

3 DTI的理论基础及临床应用

DTI成像原理在扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)的基础上发展起来的一项新技术，是DWI的发展和深化。DTI的成像基础也是利用水分子的随机运动，DTI除了能够测量组织水分子扩散运动速度以外，还可以显示水分子运动的方向性，更好地推测组织内部微观结构状态的细微变化。DTI在DWI的基础上施加6个以上非线性方向的扩散敏感梯度场，在每个方向采集信号或图像，DTI用一组三维矢量，即扩散张量(D)来描述固体物质内的张力及水分子三个方向的扩散及各扩散间的关系。从而对水分子的扩散运动进行更加精确的描述，并提供关于组织空间组成和病理生理状态下各组织成分之间水交换的功能状态，主要用来评价组织微观结构的完整性[3]。

DTI临床临床常用参数为表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值与各向异性分数(fractional anisotropy，FA)值，ADC值用于描述不同方向的分子扩散运动的速度和范围，ADC值越大，说明水分子的扩散能力越强；ADC值越小，说明水分子的扩散能力越弱[17]。FA值是指水分子各向异性成分占整个扩散张量的比例，FA取值范围0～1，当FA值趋近于1，各向异性最大；当FA值接近于0，表示各向同性[18]。正常或病理生理状态下各组织成分之间水分子的扩散能力、扩散方向及速度均会有所不同，因而通过ADC值、FA值的定量分析可以判断有否改变。扩散张量的纤维示踪图像(diffusion tensor tractography，DTT)的成像原理是通过第一个体素主本征向量的方向寻找下一个主本征向量与其最接近的体素，将这些体素连接起来达到显示组织纤维束的目的，因此能直观地显示观察纤维束的走行、完整性和方向性[6]。

由于呼吸运动伪影及信噪比等的影响，DTI一直局限于神经及骨骼肌肉系统，但由于近年来高场强设备的应用及并行回波技术的改善，DTI逐步应用于腹部及盆腔脏器的研究[3,19-20]。

4 DTI在前列腺中的应用

4.1 DTI在正常前列腺组织中的研究

通常情况下组织的扩散特性依赖于其微观结构和组织学特性，如细胞膜、大分子蛋白及纤维束走行可使扩散运动不同程度受限。前列腺是由多种组织结构构成的器官。中央腺结构致密，扩散受限程度大，故具有较大的各向异性，相应的具有较大的FA值，因水分子扩散能力较弱，所以具有较小的ADC值；周围区结构疏松，故各向异性较小，FA值小，扩散能力较强，ADC值较大[13]。Bengi等[20]用3.0 T MRI对30例平均年龄28岁的健康志愿者进行的前列腺研究，测得周围区的ADC值为(1.610±0.347)×10-3mm2/s，中央腺的ADC值为(1.220±0.271) ×10-3mm2/s，周围区的FA值为0.16，中央腺的FA值为0.26。不同的研究者们测得的数据有所差异：如王锡臻等[21]等用1.5 T MRI对正常前列腺进行研究测得的数据为：周围区和中央腺区的FA值分别为0.16±0.03和0.23±0.04；周围区和中央腺区的平均ADC值分别为(1.85±0.34)×10-3mm2/s和(1.37±0.27)×10-3mm2/s。可能原因是所选设备、成像参数及b值的选择有差异。

DTI可以完整的显示前列腺的空间解剖结构，前列腺的三维重组图像主要由三种方向的纤维束构成：前后、左后、头尾方向。分别由三种颜色显示：前后方向的绿色，左后方向的红色，头尾方向的蓝色。前列腺底部周围区主要为左右走行的红色纤维束及前后走行的绿色纤维束所形成的环形结构；底部和尖部主要为绿色的纤维束环，少量红色的纤维束；且周围区纤维束结构排列相对较疏松。正常前列腺中央腺体积较小，主要有头尾走行的蓝色纤维束构成，排列较紧密[22-24]。

4.2 DTI在前列腺癌中的应用及进展

目前DTI在前列腺癌的研究主要集中在两方面：一是癌区与非癌区的ADC值与FA值的比较，二是癌区与非癌区的纤维束走行的差异。

研究方法主要通过定量分析癌区与非癌区的ADC值、FA值，比较两者有无统计学差异；通过软件处理得到DTT图像，可以直观的显示前列腺的纤维走行，从而可以比较直观的显示病变区域。王翠艳等[25]、Kim等[26]及Morgan等[27]研究得出每一个区带的前列腺癌区的ADC值均低于非癌区的值，Bengi等[13]研究得出癌区与非癌区的ADC值及FA值均有差异，差异具有统计学意义；且癌区ADC值较非癌区低，FA值较非癌区高。有学者认为恶性程度高的组别中，ADC值明显降低；也有学者认为在恶性程度高的区域，细胞密度值大，而ADC值低；他们最终得出结论：ADC值与细胞密度具有相关性，并且可以在前列腺癌根治术前提供肿瘤细胞的恶性程度[13,28-29]。类似于FA值的相关研究目前没有报道。而且还有研究表明ADC值与FA值可用于评估肿瘤的治疗情况[30]。

DTI显示正常前列腺周围区及中央腺区纤维束走行规则，且周围区较中央区疏松；而癌区纤维束走行极不规则，且出现局部中断、消失而增生区纤维束排列致密，由于增生结节的推压而排列紊乱但并不出现中断[31]。

4.3 DTI研究前列腺癌存在的问题

目前DTI对于前列腺的研究，不同机构研究结果并不一致。Bengi等[20]运用3.0 T设备对正常志愿者前列腺中央腺区与周围区进行研究，该研究表示中央腺区的ADC值明显低于周围区，而中央腺区的FA值明显高于周围区的FA值。Manenti等[31]和Sinha等[19]的硏究显示：正常的中央腺和周围区的FA值并无明显差异；对于PCa患者的研究，各个机构得到的结论基本一致：即周围区肿瘤病变区域的ADC值明显低于正常周围区组织：中央腺肿瘤病变区域的FA值也明显低于中央腺正常组织[13,24,26]；而对于FA值的研究则存在颇多的争议：Bengi等[13]得到的结论是癌区FA值明显高于非癌区的FA值，但与Manenti等[31]的结果相反。此外，Xu等[32]则报道前列腺周围区癌区和非癌区的FA值之间无显著差异。导致FA值多变性的原因目前仍缺乏可信的解释，推测其可能与前列腺局部组织结构构成不同及前列腺癌的恶性程度有关。另外，值得注意的是，Xu等[32]指出，在DTI所得图像上测量各向异性值时，图像噪声的增加会导致所测数值偏大，尤其是在更短的T2值的癌区，因T2越短，信噪比的减低会越明显。这也在一定程度上解释了FA值的多样性。此外DTI在盆腔中的运用受呼吸运动伪影和磁场不均匀性等的影响，而且不同场强、不同厂家的设备，信噪比往往会不同；即使相同的场强，相同的设备，由于扫描参数的设置不同，其信噪比也会有差异。

扩散张量的纤维失踪图像也有其局限性：第一，仅能提供直观信息，但不能作定量测量和统计学分析；第二，无法准确判断纤维束受破坏的原因，多种因素可导致其中断及破坏，比如肿瘤直接浸润、肿瘤压迫、血管源性水肿等；第三，纤维束成像主要显示的是间质结构而不是腺体和腺管结构，因而显示病变具有一定的局限性[22]。

5 展望

总之，DTI作为MRI功能成像可提供前列腺癌早期的功能改变，这是常规MRI检查所达不到的。可为前列腺癌的诊治和研究提供更多的信息。伴随着3.0 T设备的广泛应用和更多通道线圈的研发应用，DTI在前列腺癌的研究中的积极作用逐渐显现。在以后更高场强设备的发展及成像条件的进一步完善，前列腺的研究可以积累更多资料，解决研究中的存在问题及争议，为其在前列腺癌的诊治中提供更好的应用前景。

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