張 樂綜述，孫洪贊審校

(中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽 110004)

PET/MRI多模態(tài)成像預(yù)測腫瘤放化療療效研究進(jìn)展

張 樂綜述，孫洪贊*審校

(中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽 110004)

近年來，PET/MRI作為一種新興的多模態(tài)成像技術(shù)正逐步應(yīng)用于臨床檢查。不同患者或疾病對放化療的敏感性存在差異，在治療前及治療初期快速、準(zhǔn)確、無創(chuàng)、有效地預(yù)測腫瘤對放化療的敏感性對制定個(gè)體化治療方案具有重要意義。PET/MRI可同時(shí)提供腫瘤的生物學(xué)和微環(huán)境信息，在預(yù)測療效方面具有巨大的潛力。本文對PET/MRI多模態(tài)成像預(yù)測腫瘤放化療療效的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

磁共振成像；體層攝影術(shù)，正電子發(fā)射型；多模態(tài)成像技術(shù)；療效預(yù)測

PET/CT作為一種多模態(tài)成像技術(shù)在臨床中的應(yīng)用已較為廣泛，但由于PET/CT本身存在軟組織分辨力較低、具有X線輻射等局限性，加之近年來MRI技術(shù)的迅速發(fā)展，共同促進(jìn)了PET/MRI這一新的多模態(tài)成像技術(shù)的發(fā)展。放化療作為腫瘤綜合治療的重要方法，已被廣泛應(yīng)用于治療各個(gè)部位的腫瘤，放化療療效關(guān)系到患者的生存質(zhì)量和生存期。腫瘤細(xì)胞對放化療的敏感性與腫瘤細(xì)胞含氧量、細(xì)胞密度、血管生成及血供等因素密切相關(guān)，富氧狀態(tài)下電離輻射可形成更多的氫氧自由基，能夠增強(qiáng)射線對腫瘤DNA的損傷作用，療效是乏氧狀態(tài)下的2～3倍[1]。在治療前測定氧合狀態(tài)，當(dāng)氧分壓分?jǐn)?shù)低于2.5 mmHg時(shí)對放療療效有預(yù)測作用。另外對于血供較差的腫瘤，化療藥物不能充分進(jìn)入腫瘤組織發(fā)揮作用[2]。PET/MRI多模態(tài)功能成像可敏感地綜合反應(yīng)以上信息，因此可對放化療的療效進(jìn)行預(yù)測。本文對PET/MRI多模態(tài)成像在預(yù)測腫瘤放化療療效中的相關(guān)技術(shù)與方法進(jìn)行綜述。

1 PET/MRI成像技術(shù)

PET/MRI多模態(tài)成像技術(shù)將MRI的軟組織對比度、功能序列和PET的分子信息結(jié)合，可同步采集，并從功能、分子、形態(tài)等多方面提供腫瘤的生物學(xué)及微環(huán)境信息[3]。FDG-PET直接反應(yīng)腫瘤細(xì)胞的葡萄糖代謝活性，可提供多個(gè)反應(yīng)細(xì)胞活性的定量指標(biāo)，如標(biāo)準(zhǔn)化攝取值(standardized uptake value， SUV)、病灶總糖酵解值(total lesion glygolysis， TLG)和紋理特征(textural features)；MR功能成像序列如DWI、動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging, DCE-MRI)、血氧水平依賴(blood oxygen level dependent, BOLD)功能MRI等均可用于腫瘤放化療療效預(yù)測。

1.1 MRI

1.1.1 DWI DWI是觀察活體水分子微觀運(yùn)動(dòng)的成像方法，利用MRI對運(yùn)動(dòng)檢測敏感的基本特性，可從分子水平反映人體各組織水分子的擴(kuò)散功能變化，從而反映組織變化特征[4]。DWI圖像的對比主要取決于組織間的ADC值，ADC值可反映瘤體內(nèi)細(xì)胞密度、細(xì)胞膜完整性及腫瘤對于新輔助治療的敏感性等[5]。由于腫瘤細(xì)胞增殖速度快，單位體積中細(xì)胞密度高，細(xì)胞外容積減少，同時(shí)細(xì)胞膜的限制阻止了腫瘤內(nèi)水分子擴(kuò)散，致腫瘤組織ADC值低于正常組織。而在患者接受放化療后，由于受放射線或藥物的影響使細(xì)胞膜完整性缺失，致ADC值上升[6]。

1.1.2 DCE-MRI DCE-MRI是一種微創(chuàng)的MR功能成像技術(shù)，通過組織時(shí)間-信號(hào)強(qiáng)度曲線及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行半定量及定量計(jì)算，反映血流灌注特征，并間接反映組織缺血、乏氧情況，在評價(jià)腫瘤微血管的結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮著重要作用[7]。DCE-MRI圖像中顯示的高灌注區(qū)域表明其血供豐富且細(xì)胞含氧量高，癌細(xì)胞分布集中，對放化療敏感。相反，低灌注區(qū)域則血供不足，癌細(xì)胞散在分布，對放化療發(fā)生抵抗性的概率較大。據(jù)此，可以利用DCE-MRI圖像預(yù)測腫瘤對治療的反應(yīng)[8]。

1.1.3 BOLD fMRI BOLD fMRI基于血紅蛋白氧飽和水平進(jìn)行成像，其通過計(jì)算血液中氧合血紅蛋白(HbO2)和去氧血紅蛋白(dHb)的比例以判斷組織的氧分壓情況。BOLD fMRI通常采用表觀橫向弛豫率(R2*)作為量化指標(biāo)。高R2*值代表dHb含量增加，即組織氧含量較低，而低R2*值則代表組織氧含量較高。目前BOLD fMRI在預(yù)測腫瘤的放化療療效中的應(yīng)用較少，但研究[9]表明由于治療后腫瘤組織減少，相應(yīng)區(qū)域氧分壓降低，使R2*值相應(yīng)升高。因此，治療后R2*的變化情況將可能用于預(yù)測治療效果。

1.2 FDG-PET

1.2.1 SUV與TLG SUV是PET顯像中常用的半定量分析參數(shù)，SUV值可用以比較顯像劑在腫瘤組織與正常組織中的攝取情況。由于腫瘤組織內(nèi)代謝異常活躍，其SUV值明顯增高，而治療后由于腫瘤組織減少，顯像劑攝取減少，使SUV值下降。將一定比值的 SUVmax值(通常為40%～50%)作為閾值來劃定腫瘤分割邊界，以此估算腫瘤代謝體積(metabolic tumor volumes， MTV)。ROI內(nèi)平均SUV值與MTV的乘積即為TLG，反映整個(gè)腫瘤組織內(nèi)葡萄糖的代謝情況，根據(jù)治療后TLG的變化可以推斷腫瘤的退化程度[10]。

1.2.2 紋理特征 紋理是指圖像灰度的分布情況，而紋理特征是對圖像中紋理內(nèi)部灰度級變化的特征進(jìn)行量化得出的數(shù)值。最近，紋理特征分析作為一種新的影像生物標(biāo)志物被應(yīng)用到腫瘤學(xué)成像領(lǐng)域，成為一種評估腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性的非侵襲性方法。異質(zhì)性高的腫瘤預(yù)后差，提示異質(zhì)性可能可用于反映腫瘤本身的侵襲性或?qū)χ委煹牡挚剐訹11]。

2 PET/MRI在預(yù)測腫瘤放化療療效中的應(yīng)用

PET/MRI作為一種新的多模態(tài)成像技術(shù)，與PET/CT相比有諸多優(yōu)點(diǎn)。PET/MRI可以明顯減低輻射量，MR檢查無輻射，PET/MRI的少量放射性僅來自PET顯像劑，研究[12]顯示兒科患者累積50 mGy劑量后患白血病風(fēng)險(xiǎn)增加3倍，累積60 mGy劑量后患腦部腫瘤風(fēng)險(xiǎn)增加近3倍。且MRI軟組織分辨力高。在PET/CT中，PET組分占主要方面，而在PET/MRI中，兩者的重要性幾乎相同[3]。PET/MRI的諸多優(yōu)勢使其在預(yù)測各種腫瘤的放化療反應(yīng)方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

2.1神經(jīng)膠質(zhì)瘤 盡管腦部組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但MRI的高空間分辨率和高軟組織分辨率使其可以清晰描繪出腫瘤的侵襲范圍，在對腦部腫瘤進(jìn)行分期及制定治療策略中具有優(yōu)越性。神經(jīng)膠質(zhì)瘤是腦部最具侵襲性的腫瘤，患者生存期一般不超過2年。對術(shù)后的放化療療效進(jìn)行預(yù)測有助于及時(shí)調(diào)整治療策略。Jung等[13]使用11C-甲硫氨酸PET/CT對42例接受放化療的神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)MTV<60 cm3時(shí)生存期(overall survival， OS)較長，表明MTV可以作為預(yù)測治療反應(yīng)的指標(biāo)。Brynolfsson等[14]對高級別神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者的研究表明ADC值可以提供可靠的預(yù)后信息。由此可見，若將兩種參數(shù)結(jié)合可能獲得更加準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

Federspiel等[15]采用PET/MRI一體機(jī)對神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)PET檢查可以為臨床提供腫瘤各階段的信息，而與MRI結(jié)合后對疾病狀態(tài)的評估會(huì)更高效，對療效做出更準(zhǔn)確的評估。將PET/MRI一體機(jī)應(yīng)用于神經(jīng)膠質(zhì)瘤的療效預(yù)測明顯優(yōu)于MRI或PET單獨(dú)使用，主要原因有：PET/MRI一體機(jī)圖像具有高軟組織對比分辨力，對術(shù)后殘存腫瘤的發(fā)現(xiàn)具有更高的敏感性；兩種圖像同步采集獲得數(shù)據(jù)，消除了二次定位可能帶來的偏差，使預(yù)測數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)[16]。

2.2 非小細(xì)胞肺癌 為制定最佳的治療計(jì)劃，準(zhǔn)確評估肺癌患者治療反應(yīng)、及早發(fā)現(xiàn)復(fù)發(fā)病灶十分重要。Ohno等[17]對64例Ⅲ期非小細(xì)胞癌患者在放化療前行DWI和FDG PET/CT檢查，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用ADC值預(yù)測放化療療效的靈敏度和特異度均高于SUVmax。最近的研究[18]表明，對于肺癌患者，PET的一些其他參數(shù)如MTV、TLG等是較SUVmax更好的預(yù)測指標(biāo)，MTV和TLG與復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和死亡風(fēng)險(xiǎn)的聯(lián)系更密切。Kim等[19]采用PET/CT對91例Ⅰ～ⅢA期的非小細(xì)胞癌患者的研究也證實(shí)，無論以多少百分比的SUVmax值作為閾值進(jìn)行MTV的計(jì)算，具有更小MTV值和更低TLG值的患者的生存期更長，其中MTV>30 ml對預(yù)測OS最有意義，而SUVmax預(yù)測非小細(xì)胞肺癌治療反應(yīng)的靈敏度較差。

對于非小細(xì)胞肺癌患者，若未發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移狀態(tài)可能是最重要的預(yù)后因素[20]，PET/CT在探測淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中具有很高的靈敏度。而PET/MRI同步掃描結(jié)合PET對監(jiān)測轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞的高靈敏度與MRI在形態(tài)學(xué)顯像中的高準(zhǔn)確性及從DWI中可獲得大量功能信息等優(yōu)點(diǎn)，使其在檢測全身轉(zhuǎn)移病灶方面較PET/CT更加可靠，在預(yù)測發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的非小細(xì)胞肺癌的治療反應(yīng)中可能更具優(yōu)勢[21]。

2.3 宮頸癌 宮頸癌是盆腔最常見的惡性腫瘤，在治療早期對放化療反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測有助于治療策略的調(diào)整。Kidd等[22]對287例宮頸癌患者進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，放化療前測得的SUVmax值越高，患者的5年生存率越低，治療前的SUVmax值對于預(yù)測放化療反應(yīng)有重要意義。治療早期，使用從治療前到治療開始后2周的ADCmean變化較ADC的絕對值更能準(zhǔn)確預(yù)測患者的結(jié)局，然而使用PET進(jìn)行預(yù)測的最佳時(shí)間點(diǎn)還未確定，目前傾向于治療開始后4周這一時(shí)間點(diǎn)[23]。放化療后，PET檢查同樣可以對患者的生存狀況進(jìn)行預(yù)測。而一項(xiàng)采用PET/CT研究[24]的結(jié)果表明，相對于MTV≤20 ml的患者，MTV>20 ml的患者無病生存期顯著減少，表明MTV可以作為宮頸癌治療反應(yīng)的獨(dú)立預(yù)測因素。

DCE-MRI能夠評估腫瘤血管結(jié)構(gòu)和血流灌注，從DCE-MRI中獲得的影像參數(shù)也可預(yù)測結(jié)局。Yuh等[25]研究發(fā)現(xiàn)，放化療早期(治療開始后2.0～2.5周)對宮頸癌患者進(jìn)行DCE-MRI后獲得的殘存腫瘤體積可以預(yù)測治療是否成功，且在該時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行檢查的預(yù)測準(zhǔn)確性優(yōu)于治療前或治療后。另外，Kim等[26]對30例宮頸癌患者進(jìn)行BOLD fMRI后發(fā)現(xiàn)，治療前腫瘤組織平均R2*值明顯低于治療后，提示BOLD可能是預(yù)測宮頸癌治療反應(yīng)的潛在生物學(xué)標(biāo)記，但仍需更多相關(guān)研究證實(shí)。

總之，目前PET和MR檢查中用于預(yù)測宮頸癌治療反應(yīng)的主要是SUV和ADC[27]。Brandmaier等[28]采用PET/MRI一體機(jī)對31例宮頸癌患者進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)除復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移瘤患者外，其他患者的SUVmean與ADC、SUVmax與ADC均呈負(fù)相關(guān)?？紤]治療早期ADC上升可能提示細(xì)胞密度的減低，而此時(shí)SUV下降則提示顯像劑攝取的減少，反映細(xì)胞密度的減低，所以兩者呈負(fù)相關(guān)一定程度上反映了較好的預(yù)后。另外，Brandmaier等[28]亦認(rèn)為采用PET/MRI一體機(jī)進(jìn)行治療反應(yīng)預(yù)測的最佳時(shí)機(jī)為治療早期。由于ADC值在宮頸癌的療效預(yù)測中發(fā)揮重要的作用，PET/MRI預(yù)測的準(zhǔn)確性可能優(yōu)于PET/CT。

3 小結(jié)與展望

PET/MRI作為一種全新的多模態(tài)成像技術(shù),兼有PET能夠提供腫瘤生物分子信息以及MRI的高軟組織分辨力和可提供功能信息的優(yōu)勢，具有預(yù)測腫瘤對放化療反應(yīng)的潛能。采用PET/MRI進(jìn)行療效預(yù)測在許多方面優(yōu)于PET/CT，但是關(guān)于預(yù)測的最佳時(shí)間點(diǎn)和準(zhǔn)確性還未達(dá)成共識(shí)，需要對更多類型的腫瘤進(jìn)行更詳細(xì)的研究，以證實(shí)PET/MRI在預(yù)測放化療療效中的潛在價(jià)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

國家自然科學(xué)基金青年基金(81401438)、遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2014308)。

張樂(1993—)，男，山東威海人，在讀碩士。研究方向：宮頸癌放化療的療效預(yù)測。E-mail： zhangle3308@163.com

孫洪贊，中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)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