动态增强MR成像在胰腺疾病中的应用

2019-01-14 09:13:00
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作者:胡然,杨华,重庆市中医院放射科;陈勇,解超莲,孙欢,陈天武,张小明,川北医学院附属医院放射科

 

随着MRI 技术的快速发展,其在腹部器官中的应用越来越广泛,在胰腺疾病诊断及预后判断中起着重要作用。胰腺是一个血供较丰富的器官,胰腺微循环障碍及血流动力学改变常常被认为是胰腺炎发病的主要原因之一,胰腺肿瘤性病变也会引起胰腺微循环及血流动力学异常。

 

虽然常规MRI 平扫加上增强序列可以大大提高胰腺病变的检出率及病变诊断的准确率,但是无法显示胰腺病变的微循环变化,也缺乏评价病变的定量指标。目前新发展起来的动态增强MR成像(DCE-MRI)是一种MR功能成像技术,即在静脉注入对比剂后的几分钟内,通过对选定层面进行连续、重复采集获取一系列T1WI影像,并经模型构建及计算,得到半定量和定量参数,这种技术不仅能够反映病变组织形态学改变,还能评估病变组织生理变化,从而为胰腺疾病提供更多有价值的信息。

 

1 . DCE-MRI 成像原理

 

正常组织微循环系统是由微动脉、毛细血管及微静脉有序构成,从而为机体生长提供足够的营养物质。而病变组织微循环系统容易发生改变,如肿瘤生长和转移离不开血管再生,随着肿瘤生长,营养物质需求逐渐增加,新的微血管形成代替了正常有序的微循环系统,而新生血管排列紊乱,血管壁通透性增加。内皮结构异常、内皮细胞内及细胞间大的间隙或通道形成、基底膜不连续及内皮细胞附着松散等原因也会导致肿瘤血管通透性增加。在炎症的发生发展过程中,各种蛋白水解酶、促炎细胞因子及血管活性物质的释放,也会导致内皮细胞损伤、微循环功能障碍。

 

DCE-MRI 正是利用病变组织与正常组织微循环状态的差异,通过静脉团注对比剂后快速连续获取一系列T1WI影像,动态监测对比剂从血管进入病变组织的情况,从而反映组织微循环及血流灌注状态。

 

1.1 常用的药代动力学模型及参数

 

DCE-MRI 数据分析常使用房室模型。因为房室模型所涉及的参数数量少、简单,同时能反映组织生理学状况,所以近年来得到了广泛应用。房室模型分为单室模型、双室模型及三室模型。单室模型认为血管内和血管外间隙是一个组织空间,对比剂流入后,进入到一个均匀混合的组织空间内,即认为毛细血管内容积可被忽略;双室模型则认为血管内和血管外细胞外间隙是2个组织空间;而三室模型将血管内、血管内细胞外和细胞内看成3个独立的空间。在实际应用中常选用参数简单且能反映组织生理学状况的双室模型。

 

DCE-MRI 常用的参数有半定量及定量参数。半定量参数是描述时间-信号强度曲线的形状和结构,常用的有达峰时间、初始曲线下面积(initial  area under the  curve,iAUC )、峰值信号强度、上升斜率、下降斜率等。它们具有图像采集简单且耗时短,可以直接通过时间-信号曲线进行估计,不需要将信号转换为对比剂浓度的优点。但半定量参数的测定及分析要受信号强度、MR扫描设备、扫描参数、对比剂剂量及注射流率的影响,因此不具有使用的重复性。此外,利用半定量参数对组织生理学状态进行解释时,同一现象可能存在不同的解释。

 

定量参数是经过合适的药代动力学模型动态获取组织浓度曲线,从而估计与血管分布相关的参数。常用的有容积转移常数(Ktrans ):是描述对比剂从血管内流向血管外细胞外间隙(extravascular  extracellular  space,EES )的转移常数,它可评估毛细血管渗透性和兴趣区组织中血流灌注量。速率常数(kep):是指对比剂从EES流回血浆中的转移参数,kep很大程度受毛细血管渗透性影响,血管渗透性增加,kep就增加。血管外细胞外间隙容积分数(ve):反映在EES内分布参与循环的对比剂的量,可反映EES的大小。Ktrans、kep、ve三者之间存在如下关系:kep=Ktrans/ve,ve一般在1%~100%之间,所以kep一般大于Ktrans。血管组织容积分数(vp):反映功能性血管容量,随着血管生成而增加,在血供丰富的肿瘤中,vp一般增加。

 

1.2 胰腺DCE-MRI扫描方案

 

胰腺DCE-MRI 扫描一般采用1.5T或者3.0TMRI进行。由于DCEMRI扫描时间长,无法一次屏气完成,但是呼吸伪影会影响影像质量,因此可以在检查前给病人加用腹带,抑制其腹式呼吸,减少腹部呼吸伪影;同时,在数据分析前要对获取的图像进行配准,使所获取的每期图像都在相同层面上,尽量避免因呼吸运动造成的误差。

 

在扫描技术上一般采用的是快速成像序列,如:3D 快速梯度回波序列、快速扰相梯度回波序列、快速小角度激发梯度回波序列、真实稳态进动快速成像序列等,重复时间(TR)尽量选择最小值,以达到最优的时间分辨率,通常在2~4ms。回波时间(TE)尽量选择最小值,以最小化T2*效应,通常在2~4ms,扫描范围35~950px,层厚4~5mm。固定翻转角一般为10°~15°,也可采用多翻转角。在注射对比剂前至少采集两期时相来准确计算基线信号强度,然后注入对比剂进行连续动态采集T1WI,DCE-MRI采集时间一般为4~5min。对比剂的用量根据病人体质量计算(0.1~0.2mmol/kg),使用高压注射器团注方法,注射流率通常为2~5mL/s,然后以相同流率注射20~40mL生理盐水冲管。也有研究应用小剂量对比剂团注的方法研究胰腺肿瘤病变,获得了满意的影像质量。

 

2 . 正常胰腺的灌注

 

胰腺是一个血供较丰富的器官。胰头和胰体尾部供血有所不同。胰头主要是由来自胃十二指肠动脉的胰十二指肠上动脉和来自肠系膜上动脉的胰十二指肠下动脉相互吻合供血;胰体尾部则是来自脾动脉或直接来自腹腔动脉的胰背动脉及其分支胰横动脉,以及由脾动脉的分支胰大动脉和胰尾动脉供应。赵等对68 名健康志愿者进行了胰腺灌注参数的定量评估,研究结果发现不同性别志愿者的胰腺灌注参数无差异,但胰头的vp值高于胰体尾部,老年组的ve值高于青年组和中年组。

 

Bali 等用DCE-MRI序列研究外源性促胰液素对10名22~29岁健康志愿者胰腺灌注的影响,发现在没有促胰液素的情况下胰头灌注参数要低于胰体尾部,在外源性促胰液素刺激下胰腺各部位的灌注均有所增加,且胰头灌注增加更为显著。上述研究表明,通过测量胰腺灌注参数值可以反映胰腺微循环状况,因为胰头和胰体尾部供血不同,所以胰头与胰体尾部灌注参数存在差异。同时不同年龄组胰腺灌注参数值存在差异。因此,DCE-MRI可以静息、无创、无辐射量化分析不同性别和年龄志愿者胰腺不同部位微循环和血流灌注情况,从而为研究疾病情况下胰腺微循环变化提供理论和实践基础。

 

3 . DCE-MRI 在胰腺癌中的应用

 

3.1 胰腺癌的诊断和鉴别诊断

 

胰腺癌大多数起源于胰管上皮细胞,富含纤维组织,肿瘤内微血管含量相对较少,故相对于正常胰腺组织呈现乏血供表现。DCE-MRI 不仅能够显示病变的形态学改变,而且能够提供病变组织的病理生理信息。有研究报道,胰腺癌的Ktrans、kep、vp值低于正常胰腺及胰腺癌病人胰腺的非癌组织,而胰腺癌的ve值要高于正常胰腺及胰腺癌病人胰腺的非癌组织。Kim等对24例胰腺癌、8例胰腺神经内分泌肿瘤、3例慢性胰腺炎及10例正常胰腺行DCE-MRI检查,4组间的Ktrans、kep、iAUC值的差异均有统计学意义,且胰腺癌的Ktrans、kep值低于慢性胰腺炎,Ktrans、kep、iAUC值也低于胰腺神经内分泌肿瘤。

 

由于胰腺癌的微血管密度相对较少,细胞外间隙纤维含量丰富,血管密度进一步减少,同时大量纤维蛋白的产生使细胞外间隙结构更加致密,对比剂渗透困难,故反映胰腺癌血流灌注、组织渗透性及功能性血管容量的DCEMRI 灌注参数值减小。而ve值是反映EES内分布参与循环的对比剂的量,也可反映EES大小。一般来说,细胞外间质与正常细胞按一定比例分布,细胞外间质为细胞提供生长所需的营养,通常情况下,恶性肿瘤内可见较多异常不成熟血管生成,导致EES增大,所以胰腺癌的ve值高于正常胰腺及胰腺癌病人胰腺的非癌组织。因此,通过DCE-MRI成像及影像后处理分析可以得到反映胰腺癌特征的潜在有效的灌注参数,用于胰腺癌的诊断和鉴别诊断。

 

3.2 胰腺癌的疗效评估

 

目前有研究发现,肿瘤在形态学改变之前其新陈代谢已经发生改变,所以只靠研究肿瘤的形态大小来观察肿瘤对治疗的反应并不可靠。肿瘤生长和转移离不开血管的再生,随着肿瘤生长,营养物质需求逐渐增加,新的微血管形成,代替正常有序的微循环系统。而微血管密度是估计肿瘤血管生成最可靠的方法,它与许多癌症(如乳腺癌、结肠直肠癌以及胰腺癌等)的总生存率和转移风险存在相关性。

 

Bali 等对28例可切除的胰腺良、恶性占位及非肿瘤组织的DCE-MRI灌注参数与其纤维化程度及微血管密度的相关性进行研究,发现两者之间具有相关性,其中肿瘤微血管密度与DCE-MRI灌注参数值中单室模型的分布分数值及双室模型的ve呈正相关。此外DCEMRI还能反映肿瘤治疗情况。Akisik等研究了11例病理上确诊的局部晚期不可切除胰腺癌病人对化疗及抗血管生成药物治疗的反应,在治疗前对所有病人行DCE-MRI检查,治疗平均28d后又行DCE-MRI,研究结果显示,治疗后胰腺癌的定量及半定量参数均有降低,但治疗前后肿瘤体积并没有发生明显变化;同时发现,若在治疗前Ktrans>0.78min -1 、kep >1.43min -1 ,则该病人对抗血管生成药物治疗效果可能会更好,但该研究仅纳入病人11 例,所以其结果仍然存在局限性。

 

综上,与常规的MRI 相比,DCE-MRI不仅能够提供肿瘤微血管生成等方面的信息,还能监测肿瘤的治疗效果。在胰腺癌生长过程中,除了肿瘤生长所需的血管外,胰腺癌细胞还会刺激胰腺星状细胞增殖,并诱导细胞外间隙大量纤维化合成。纤维化与胰腺癌的生长、转移及对化疗的抵抗性有着密切的关系,而各种化疗药物的目的就是阻止胰腺星状细胞诱导纤维蛋白原合成。

 

已有相关文献表明,由于成纤维细胞活化蛋白的过量表达及其在胰腺癌中的酶活性,其在肿瘤相关的成纤维细胞中的特异性诱导会导致胰腺癌的致瘤性和肿瘤生长速度增加。因此,抑制成纤维细胞活化蛋白表达及其蛋白水解活性就可作为预防和治疗胰腺癌的新方法。Ma 等应用DCE-MRI探讨了18例手术证实的胰腺癌灌注参数值与组织病理学参数的相关性,其发现胰腺癌Ktrans值与肿瘤纤维化程度和成纤维细胞活化蛋白染色评分呈负相关,ve值与肿瘤纤维化程度呈正相关。因此,DCE-MRI灌注参数值有望预测胰腺癌对抗纤维化治疗的效果。

 

4 . DCE-MRI 在胰腺炎中的应用

 

慢性胰腺炎是一种持续性炎症,会造成胰腺解剖及功能不可逆的损害。病理上表现为胰腺腺泡及胰岛组织萎缩,胰腺实质广泛纤维化及钙化,胰管结石形成。然而,常规MRI 扫描序列对形态学改变不明显的慢性胰腺炎病人诊断困难,且也不能对其微循环灌注状态进行评估。Coenegrachts等发现DCE-MRI灌注参数可量化评估慢性胰腺炎胰腺微循环灌注情况,同时实验室研究表明DCE-MRI灌注参数不仅能够检测慢性胰腺炎,而且与其严重程度具有良好的相关性。

 

在急性胰腺炎发生发展过程中,胰腺腺泡细胞受损,激活胰蛋白酶原及其他蛋白水解酶,并产生氧自由基,这些激活的蛋白水解酶及氧自由基又会刺激促炎细胞因子及血管活性因子(如,白细胞介素、一氧化氮等)释放。释放的蛋白水解酶、促炎细胞因子及血管活性物质可损伤内皮,引起微循环功能障碍,从而导致胰腺水肿、胰腺灌注不良及内皮功能障碍。

 

目前CT 灌注成像及MR多种成像技术均可直接或间接反映急性胰腺炎微循环变化。有研究显示,CT灌注成像不仅能够反映急性胰腺炎的严重程度,而且在急性胰腺炎发病早期阶段就能预测胰腺实质坏死。然而,相对于MRI来说,CT的辐射剂量大,软组织分辨力差,胆胰管显示欠佳。MR扩散加权成像(DWI)及体素内不相干运动可反映水分子的自由扩散和毛细血管微循环灌注状况,已有研究报道DWI及体素内不相干运动可用于胰腺炎及胰腺肿瘤性疾病的诊断及鉴别诊断,但不同研究者的研究结果差别较大。

 

DCE-MRI 可动态监测对比剂在病变组织中的分布及代谢情况,并且通过模型构建,可得到反映组织微循环灌注状态的定量及半定量参数,从而为临床诊断及治疗疾病提供更丰富、更精确的信息。虽然目前DCE-MRI在急性胰腺炎方面的研究尚未见报道,但相信DCE-MRI凭借其独特的优势,有望用于评价及监测急性胰腺炎发生发展过程中微循环变化情况。

 

5 . 在胰腺其他疾病中的应用

 

DCE-MRI 除应用于正常胰腺、胰腺癌及胰腺炎外,还应用于胰腺神经内分泌肿瘤、胆管癌胰腺浸润、胰腺转移瘤、胰腺绒毛状腺瘤以及肿块型胰腺炎的诊断及鉴别诊断中。Kim等应用DCE-MRI研究发现胰腺神经内分泌肿瘤与正常胰腺、胰腺癌、慢性胰腺炎的Ktrans、kep、iAUC值存在差异。此研究结果与Huh等的研究有相似之处。Bali等研究发现胰腺癌、胆管癌胰腺浸润、黑色素瘤胰腺转移、胰腺神经内分泌肿瘤RindiⅡ型的Ktrans值要低于肾上腺素瘤胰腺转移及胰腺神经内分泌肿瘤RindiⅠ型,同时也低于胰腺良性病变,如胰腺绒毛状腺瘤、良性的胰腺神经内分泌肿瘤及肿块型胰腺炎,研究还发现不同类型胰腺肿瘤性病变的时间-信号强度曲线存在不同程度的差异。所以,DCE-MRI在显示病变的同时还可以对病变的血流动力学特点进行量化评估,两者结合将提高胰腺疾病的诊断水平。

 

6 . 优势与不足

 

常规MRI 增强扫描虽然能提供胰腺病变的形态学信息,但缺乏定量指标,且在很大程度上受到观察者主观因素的影响。DCE-MRI弥补了这一缺点,利用其得到的定量参数,可客观、可靠地评价病变组织微循环灌注状态。然而作为一项不断发展的MRI技术,DCE-MRI仍然存在一些不足,有待改进。DCE-MRI是连续动态的获取组织T1WI影像,扫描时间较长,病人无法通过一次屏气完成扫描,故病人的呼吸伪影势必会影响到影像质量及参数测定,但随着快速扫描技术及呼吸门控等的发展,呼吸伪影对结果的影响必将得到改善。

 

DCE-MRI 成像方法、部分评价参数尚未统一,不同机构使用的扫描设备、扫描序列、对比剂种类及注射速度有所不同,这可能会影响到不同机构研究结果的比较。目前DCE-MRI已应用于肝癌、结直肠癌等方面的研究,随着其功能的完善,DCE-MRI扫描方法及评价参数将会更加规范,从而为临床提供更深层次的信息。

 

总之,在胰腺疾病的诊断、鉴别诊断及疗效评估方面,DCE-MRI 显示出了很大的优势,特别是在胰腺癌中的应用。虽然DCE-MRI在胰腺疾病中的应用存在一定的限制,但是随着MR扫描技术的发展,DCE-MRI将发挥越来越高的价值,从而为临床早期诊断及治疗疾病提供更丰富、更精确的信息。

 

来源:胡然, 杨华,陈勇,解超莲,孙欢,陈天武,张小明.动态增强MR成像在胰腺疾病中的应用[J].国际医学放射学杂志,2018,41(04):440-444.


 

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