PET/MRI多模态成像预测肿瘤放化疗疗效研究进展

张 乐综述，孙洪赞审校

(中国医科大学附属盛京医院放射科，辽宁 沈阳 110004)

PET/MRI多模态成像预测肿瘤放化疗疗效研究进展

张 乐综述，孙洪赞*审校

(中国医科大学附属盛京医院放射科，辽宁 沈阳 110004)

近年来，PET/MRI作为一种新兴的多模态成像技术正逐步应用于临床检查。不同患者或疾病对放化疗的敏感性存在差异，在治疗前及治疗初期快速、准确、无创、有效地预测肿瘤对放化疗的敏感性对制定个体化治疗方案具有重要意义。PET/MRI可同时提供肿瘤的生物学和微环境信息，在预测疗效方面具有巨大的潜力。本文对PET/MRI多模态成像预测肿瘤放化疗疗效的研究进展进行综述。

磁共振成像；体层摄影术，正电子发射型；多模态成像技术；疗效预测

PET/CT作为一种多模态成像技术在临床中的应用已较为广泛，但由于PET/CT本身存在软组织分辨力较低、具有X线辐射等局限性，加之近年来MRI技术的迅速发展，共同促进了PET/MRI这一新的多模态成像技术的发展。放化疗作为肿瘤综合治疗的重要方法，已被广泛应用于治疗各个部位的肿瘤，放化疗疗效关系到患者的生存质量和生存期。肿瘤细胞对放化疗的敏感性与肿瘤细胞含氧量、细胞密度、血管生成及血供等因素密切相关，富氧状态下电离辐射可形成更多的氢氧自由基，能够增强射线对肿瘤DNA的损伤作用，疗效是乏氧状态下的2～3倍[1]。在治疗前测定氧合状态，当氧分压分数低于2.5 mmHg时对放疗疗效有预测作用。另外对于血供较差的肿瘤，化疗药物不能充分进入肿瘤组织发挥作用[2]。PET/MRI多模态功能成像可敏感地综合反应以上信息，因此可对放化疗的疗效进行预测。本文对PET/MRI多模态成像在预测肿瘤放化疗疗效中的相关技术与方法进行综述。

1 PET/MRI成像技术

PET/MRI多模态成像技术将MRI的软组织对比度、功能序列和PET的分子信息结合，可同步采集，并从功能、分子、形态等多方面提供肿瘤的生物学及微环境信息[3]。FDG-PET直接反应肿瘤细胞的葡萄糖代谢活性，可提供多个反应细胞活性的定量指标，如标准化摄取值(standardized uptake value， SUV)、病灶总糖酵解值(total lesion glygolysis， TLG)和纹理特征(textural features)；MR功能成像序列如DWI、动态增强MRI(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging, DCE-MRI)、血氧水平依赖(blood oxygen level dependent, BOLD)功能MRI等均可用于肿瘤放化疗疗效预测。

1.1 MRI

1.1.1 DWI DWI是观察活体水分子微观运动的成像方法，利用MRI对运动检测敏感的基本特性，可从分子水平反映人体各组织水分子的扩散功能变化，从而反映组织变化特征[4]。DWI图像的对比主要取决于组织间的ADC值，ADC值可反映瘤体内细胞密度、细胞膜完整性及肿瘤对于新辅助治疗的敏感性等[5]。由于肿瘤细胞增殖速度快，单位体积中细胞密度高，细胞外容积减少，同时细胞膜的限制阻止了肿瘤内水分子扩散，致肿瘤组织ADC值低于正常组织。而在患者接受放化疗后，由于受放射线或药物的影响使细胞膜完整性缺失，致ADC值上升[6]。

1.1.2 DCE-MRI DCE-MRI是一种微创的MR功能成像技术，通过组织时间-信号强度曲线及数学模型进行半定量及定量计算，反映血流灌注特征，并间接反映组织缺血、乏氧情况，在评价肿瘤微血管的结构和功能中发挥着重要作用[7]。DCE-MRI图像中显示的高灌注区域表明其血供丰富且细胞含氧量高，癌细胞分布集中，对放化疗敏感。相反，低灌注区域则血供不足，癌细胞散在分布，对放化疗发生抵抗性的概率较大。据此，可以利用DCE-MRI图像预测肿瘤对治疗的反应[8]。

1.1.3 BOLD fMRI BOLD fMRI基于血红蛋白氧饱和水平进行成像，其通过计算血液中氧合血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(dHb)的比例以判断组织的氧分压情况。BOLD fMRI通常采用表观横向弛豫率(R2*)作为量化指标。高R2*值代表dHb含量增加，即组织氧含量较低，而低R2*值则代表组织氧含量较高。目前BOLD fMRI在预测肿瘤的放化疗疗效中的应用较少，但研究[9]表明由于治疗后肿瘤组织减少，相应区域氧分压降低，使R2*值相应升高。因此，治疗后R2*的变化情况将可能用于预测治疗效果。

1.2 FDG-PET

1.2.1 SUV与TLG SUV是PET显像中常用的半定量分析参数，SUV值可用以比较显像剂在肿瘤组织与正常组织中的摄取情况。由于肿瘤组织内代谢异常活跃，其SUV值明显增高，而治疗后由于肿瘤组织减少，显像剂摄取减少，使SUV值下降。将一定比值的 SUVmax值(通常为40%～50%)作为阈值来划定肿瘤分割边界，以此估算肿瘤代谢体积(metabolic tumor volumes， MTV)。ROI内平均SUV值与MTV的乘积即为TLG，反映整个肿瘤组织内葡萄糖的代谢情况，根据治疗后TLG的变化可以推断肿瘤的退化程度[10]。

1.2.2 纹理特征 纹理是指图像灰度的分布情况，而纹理特征是对图像中纹理内部灰度级变化的特征进行量化得出的数值。最近，纹理特征分析作为一种新的影像生物标志物被应用到肿瘤学成像领域，成为一种评估肿瘤内部异质性的非侵袭性方法。异质性高的肿瘤预后差，提示异质性可能可用于反映肿瘤本身的侵袭性或对治疗的抵抗性[11]。

2 PET/MRI在预测肿瘤放化疗疗效中的应用

PET/MRI作为一种新的多模态成像技术，与PET/CT相比有诸多优点。PET/MRI可以明显减低辐射量，MR检查无辐射，PET/MRI的少量放射性仅来自PET显像剂，研究[12]显示儿科患者累积50 mGy剂量后患白血病风险增加3倍，累积60 mGy剂量后患脑部肿瘤风险增加近3倍。且MRI软组织分辨力高。在PET/CT中，PET组分占主要方面，而在PET/MRI中，两者的重要性几乎相同[3]。PET/MRI的诸多优势使其在预测各种肿瘤的放化疗反应方面有独特的优点。

2.1神经胶质瘤 尽管脑部组织结构复杂，但MRI的高空间分辨率和高软组织分辨率使其可以清晰描绘出肿瘤的侵袭范围，在对脑部肿瘤进行分期及制定治疗策略中具有优越性。神经胶质瘤是脑部最具侵袭性的肿瘤，患者生存期一般不超过2年。对术后的放化疗疗效进行预测有助于及时调整治疗策略。Jung等[13]使用11C-甲硫氨酸PET/CT对42例接受放化疗的神经胶质瘤患者进行检查，发现当MTV<60 cm3时生存期(overall survival， OS)较长，表明MTV可以作为预测治疗反应的指标。Brynolfsson等[14]对高级别神经胶质瘤患者的研究表明ADC值可以提供可靠的预后信息。由此可见，若将两种参数结合可能获得更加准确的预测结果。

Federspiel等[15]采用PET/MRI一体机对神经胶质瘤患者进行研究发现PET检查可以为临床提供肿瘤各阶段的信息，而与MRI结合后对疾病状态的评估会更高效，对疗效做出更准确的评估。将PET/MRI一体机应用于神经胶质瘤的疗效预测明显优于MRI或PET单独使用，主要原因有：PET/MRI一体机图像具有高软组织对比分辨力，对术后残存肿瘤的发现具有更高的敏感性；两种图像同步采集获得数据，消除了二次定位可能带来的偏差，使预测数据更加精准[16]。

2.2 非小细胞肺癌 为制定最佳的治疗计划，准确评估肺癌患者治疗反应、及早发现复发病灶十分重要。Ohno等[17]对64例Ⅲ期非小细胞癌患者在放化疗前行DWI和FDG PET/CT检查，发现应用ADC值预测放化疗疗效的灵敏度和特异度均高于SUVmax。最近的研究[18]表明，对于肺癌患者，PET的一些其他参数如MTV、TLG等是较SUVmax更好的预测指标，MTV和TLG与复发风险和死亡风险的联系更密切。Kim等[19]采用PET/CT对91例Ⅰ～ⅢA期的非小细胞癌患者的研究也证实，无论以多少百分比的SUVmax值作为阈值进行MTV的计算，具有更小MTV值和更低TLG值的患者的生存期更长，其中MTV>30 ml对预测OS最有意义，而SUVmax预测非小细胞肺癌治疗反应的灵敏度较差。

对于非小细胞肺癌患者，若未发生远处转移，淋巴结转移状态可能是最重要的预后因素[20]，PET/CT在探测淋巴结转移中具有很高的灵敏度。而PET/MRI同步扫描结合PET对监测转移癌细胞的高灵敏度与MRI在形态学显像中的高准确性及从DWI中可获得大量功能信息等优点，使其在检测全身转移病灶方面较PET/CT更加可靠，在预测发生远处转移的非小细胞肺癌的治疗反应中可能更具优势[21]。

2.3 宫颈癌 宫颈癌是盆腔最常见的恶性肿瘤，在治疗早期对放化疗反应进行预测有助于治疗策略的调整。Kidd等[22]对287例宫颈癌患者进行研究后发现，放化疗前测得的SUVmax值越高，患者的5年生存率越低，治疗前的SUVmax值对于预测放化疗反应有重要意义。治疗早期，使用从治疗前到治疗开始后2周的ADCmean变化较ADC的绝对值更能准确预测患者的结局，然而使用PET进行预测的最佳时间点还未确定，目前倾向于治疗开始后4周这一时间点[23]。放化疗后，PET检查同样可以对患者的生存状况进行预测。而一项采用PET/CT研究[24]的结果表明，相对于MTV≤20 ml的患者，MTV>20 ml的患者无病生存期显著减少，表明MTV可以作为宫颈癌治疗反应的独立预测因素。

DCE-MRI能够评估肿瘤血管结构和血流灌注，从DCE-MRI中获得的影像参数也可预测结局。Yuh等[25]研究发现，放化疗早期(治疗开始后2.0～2.5周)对宫颈癌患者进行DCE-MRI后获得的残存肿瘤体积可以预测治疗是否成功，且在该时间点进行检查的预测准确性优于治疗前或治疗后。另外，Kim等[26]对30例宫颈癌患者进行BOLD fMRI后发现，治疗前肿瘤组织平均R2*值明显低于治疗后，提示BOLD可能是预测宫颈癌治疗反应的潜在生物学标记，但仍需更多相关研究证实。

总之，目前PET和MR检查中用于预测宫颈癌治疗反应的主要是SUV和ADC[27]。Brandmaier等[28]采用PET/MRI一体机对31例宫颈癌患者进行检查，发现除复发转移瘤患者外，其他患者的SUVmean与ADC、SUVmax与ADC均呈负相关。考虑治疗早期ADC上升可能提示细胞密度的减低，而此时SUV下降则提示显像剂摄取的减少，反映细胞密度的减低，所以两者呈负相关一定程度上反映了较好的预后。另外，Brandmaier等[28]亦认为采用PET/MRI一体机进行治疗反应预测的最佳时机为治疗早期。由于ADC值在宫颈癌的疗效预测中发挥重要的作用，PET/MRI预测的准确性可能优于PET/CT。

3 小结与展望

PET/MRI作为一种全新的多模态成像技术,兼有PET能够提供肿瘤生物分子信息以及MRI的高软组织分辨力和可提供功能信息的优势，具有预测肿瘤对放化疗反应的潜能。采用PET/MRI进行疗效预测在许多方面优于PET/CT，但是关于预测的最佳时间点和准确性还未达成共识，需要对更多类型的肿瘤进行更详细的研究，以证实PET/MRI在预测放化疗疗效中的潜在价值。

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Progresses of PET/MRI in predicting tumor response to chemoradiotherapy

ZHANGLe,SUNHongzan*

(DepartmentofRadiology,ShengjingHospitalofChinaMedicalUniversity,Shenyang110004,China)

Recently， as a newly developed multi-modality imaging technology， PET/MRI is gradually applied to clinical examination. The sensitivity of chemoradiotherapy shows great differences between different patients and different diseases. It is important to predict tumor sensitivity to chemoradiotherapy easily, accurately, noninvasively and effectively before and after treatment for individual therapy. PET/MRI can provide information about tumor biology and microenvironment, and has a huge potential to predict tumor response to chemoradiotherapy. The research progresses of PET/MRI in predicting tumor response to chemoradiotherapy were reviewed in this article.

Magnetic resonance imaging； Tomography, positron-emission; Multi-modality imaging; Response prediction

国家自然科学基金青年基金(81401438)、辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2014308)。

张乐(1993—)，男，山东威海人，在读硕士。研究方向：宫颈癌放化疗的疗效预测。E-mail： zhangle3308@163.com

孙洪赞，中国医科大学附属盛京医院放射科，110004。

E-mail: sunhz@sj-hospital.org

2016-06-23

2016-10-20

R445; R73

A

1003-3289(2017)01-0137-04

10.13929/j.1003-3289.201606123