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中国人前列腺的3D-MRS检查
正常成年男性、前列腺增生及前列腺癌的定量分析

北京大学第一医院 医学影像科 泌尿外科
王霄英 周良平 丁建平 山刚志 王刚 蒋学祥

目的:用三维磁共振波谱分析(Three Dimensional Magnetic Resonance Spectroscopy, 3D MRS)方法定量测量中国正常成年男性前列腺中央带和外周带、前列腺增生及前列腺癌患者病灶区的代谢水平。材料和方法:1)10例20到40岁的成年男性,临床无前列腺疾病的征象。在前列腺的中央带和外周带、右侧和左侧的底部、中间和尖部各取一兴趣区,共12个兴趣区,测量其(胆碱+肌酸)/枸椽酸盐[(Choline+Creatine)/Citrate, (Cho+Cre)/Cit]的比值。2)经手术病理或穿刺活检证实的前列腺癌患者31例和良性前列腺增生(benign prostate hyperplasia, BPH)患者33例,在MRS代谢图上标记出手术病理或穿刺活检取材位置,分别测量其 (Cho+Cre)/Cit的比值,计算平均值。结果:1)正常成年组前列腺中央带各区(Cho+Cre)/Cit的比值之间无显著性差异(P>0.05),平均值为0.75±0.33;外周带各区(Cho+Cre)/Cit的比值之间无显著性差异(P>0.05),平均值为0.51±0.20。前列腺中央带与外周带之间的(Cho+Cre)/Cit比值有显著性差异(P<0.01)。2)33例BPH患者共计算248个兴趣区,(Cho+Cre)/Cit的平均值为0.60±0.37。3)31例前列腺癌患者共系统穿刺304针,其中175针为前列腺癌。此175处(Cho+Cre)/Cit的平均值为2.23±1.00。4)前列腺癌和BPH及正常成年男性前列腺外周带(Cho+Cre)/Cit之间有统计学差异(P<0.01),而BPH与正常成年男性前列腺外周带之间(Cho+Cre)/Cit无统计学差异(P>0.05)。结论:中国男性前列腺的代谢情况可用MRS来定量评价,前列腺癌患者与正常成年男性前列腺外周带及前列腺增生患者的前列腺代谢水平有显著差别。

关键词:磁共振波谱,前列腺癌,良性前列腺增生

Three dimensional magnetic resonance spectroscopy in prostate gland of Chinese males: quantification analysis of normal young adult, benign prostate hyperplasia and prostate adenocarcinoma patients

Radiology Department of Peking University First Hospital
Jiang Xue-xiang, Wang Xiao-ying, Zhou Liang-ping, Ding Jian-ping, Shan Gang-zhi, Wang Gang, Gao Yu-jie

Purpose: To quantitatively evaluate the metabolic level of normal prostate gland in Chinese male adults, and that of benign prostate hyperplasia(BPH) and prostate adenocarcinoma(PCa) patients using three dimensional magnetic resonance spectroscopy(3D MRS). Material and Method: 1) 10 cases with no clinical indication of prostate disease were examined using MRI and MRS. The right and left side of the peripheral and central zone were divided into bottom, middle and tip regions. So 12 samples were obtained from each case. The metabolic ratio of (Choline+Creatine)/Citrate, [(Cho+Cre)/Cit] was measured. 2) 33 patients with pathologically proved BPH and 31 patients with PCa proved by ultrasound guided systemic biopsy were enrolled in this study. All the puncture locations were marked and the corresponding (Cho+Cre)/Cit ratios were calculated on the basis of the MRS metabolic map. Result: 1) In the normal group(n=10), the mean ratios of (Cho+Cre)/Cit in the central zone of different individuals were not significantly different(P>0.05), the mean value was 0.75±0.33 (mean± standard deviation). The mean ratios of (Cho+Cre)/Cit in the peripheral zone of different individuals were not significantly different(P>0.05), the mean value was 0.51±0.20 (mean±standard deviation). Statistically significant variation in metabolic levels with peripheral zone and central zone was detected (P<0.05). 2) In the BPH group(n=33), 248 samples were obtained. The average (Cho+Cre)/Cit ratio in these positions was 0.60±0.37 (mean±standard deviation). 3) In the PCa group(n=31), 304 samples were obtained and 175 were diagnosed as cancer. The average (Cho+Cre)/Cit ratio in these 175 positions was 2.23±1.00 (mean±standard deviation). 4) There is no significant statistical difference of the metabolic level in the peripheral zone between the normal adult and the BPH patients(P>0.05), whereas there is significant statistical difference between the PCa and the other two groups(P<0.01). Conclusion: The metabolic levels of prostate gland could be evaluated quantitatively. The metabolic level of the PCa patients is different from that of the normal and BPH patients.

Key Words: magnetic resonance spectroscopy; prostate, neoplasm; benign prostate hyperplasia

磁共振波谱分析(Magnetic Resonance Spectroscopy, MRS)是一种检测前列腺代谢水平的无创性方法[1],在前列腺癌的早期诊断、准确分期中有重要价值,尤其是当一些因素(如合并有穿刺后出血、内分泌和放射治疗后改变等)使常规MRI诊断的准确性降低时[2,3],MRS提供的代谢信息能提高对肿瘤残存和复发的诊断准确性[4]。国内初步研究的结果认为前列腺的MRS检查对中国人是可行的[5]。本文用三维磁共振波谱分析(Three Dimensional Magnetic Resonance Spectroscopy, 3D MRS)方法定量测量中国正常成年男性前列腺中央带和外周带、良性前列腺增生(Benign Prostate Hyperplasia, BPH)及前列腺癌患者病灶区的代谢水平。

材料和方法
1.1 病例选择
正常中国成年男性:2002年9月到2003年1月,共检查10例成年男性,其中3例为健康志愿者,2例患腺性膀胱炎,1例有苗勒氏管囊肿,1例2年前盆腔外伤,2例曾患精囊炎已痊愈,1例2年前曾有血精,后消失。检查当时均无前列腺疾病的症状和体征。年龄21-40岁,平均34.7岁。

前列腺增生和前列腺癌患者:2002年9月到2003年3月,共158位患者行前列腺的MRI和MRS检查。其中31位经超声引导下系统穿刺活检证实为前列腺癌。年龄57-87岁,平均67.7岁。33位经超声引导下系统穿刺活检及经尿道前列腺电切术(TURP)证实为BPH。年龄62-86岁,平均70.9岁。活检时间与MR检查前后间隔不超过1个月。每位患者系统活检6或13针(六分区法或五区13针法),部分患者加做病灶局部活检,由操作医师记录活检位置,并绘图记录(图1)。穿刺针的直径为16G,组织条长度约2cm,为半圆柱形。

1.2 线圈放置
患者检查前一天进食少渣饮食并口服缓泻剂,以保证直肠内清洁。盆腔MRI检查用腹部相控阵线圈(TORSOPA)。将腹部相控阵线圈放置于患者的前后盆壁,使前后线圈的中心一致。盆壁前方的线圈外面用绑带固定以尽量减少呼吸运动对图像的影响。前列腺3D MRS检查时将直肠内线圈和腹部相控阵线圈联合使用(ENDOATD)。置入直肠内线圈时嘱患者张口呼吸,腹部放松,将线圈缓慢置入直肠内。确认位置合适后向球囊内注入30-100ml空气,使线圈紧贴在前列腺的后方。

1.3 MRI扫描
使用GE1.5TSignaTwinSpeed磁共振扫描仪行MRI和3DMRSI检查。盆腔MRI检查发体线圈为射频发射线圈,以腹部相控阵线圈为接收线圈。前列腺局部行轴位和冠状压脂SET2WI(TR/TE=3500/85;ETL=19;层厚=5mm;层距=0.5mm;FOV=24cm;NEX=4;距阵=320×256)和T1WI薄层扫描(TR/TE=450/12;层厚=5mm;层距=0.5mm;FOV=24cm;NEX=2;距阵=256×192)。从前列腺基底部至主动脉分叉水平扫描轴位T1WI,并行盆腔正中矢状T1WI扫描(TR/TE=450~500/12;层厚=5~8mm;层距=1~2mm;FOV=28~40cm;NEX=2;距阵=256×192)或相应位置的屏气FSPGR序列扫描(TR=125ms;TE=2.3/4.6ms;层厚=8mm;层距=1.5mm;FOV=30~34cm;NEX=1;距阵=256×160)。

1.4 3D MRS扫描
先以ATDTORSO线圈行3平面定位像扫描,检查直肠内线圈的位置,必要时重新调整。再以直肠线圈行FSET2WI扫描(FOV=13-16cm;TR/TE=3500/85;ETL=19;层厚=3mm;层距=0mm;NEX=4;距阵=320×256)。相位编码方向设为左右作为3D MRS检查的定位像和代谢图叠加的解剖图。以PROSE序列行3D MRS检查(TR=1000; TE=130;FOV=11cm;NEX=1;距阵=16×8)。扫描时间约17-19分钟。扫描方向为轴位,3D矩形兴趣区平面内的范围和上下界应尽量包括全部前列腺组织而尽量少包括前列腺周围脂肪和直肠内气体。轴位上在兴趣区边缘加饱和带以消除矩形兴趣区内前列腺周围脂肪的影响。必要时可在矢状定位像上兴趣区的前、后部加饱和带以消除前列腺前方脂肪及后方直肠内气体的影响。采集MRS数据前进行常规自动预扫描,包括自动匀场和抑水,通常情况下要求线宽小于15,方可进行MRS数据采集。

1.5 数据分析
在MR扫描仪上以functoolCSI软件对扫描数据进行自动后处理。对正常成年男性,将前列腺在冠状面由上到下分为底部、中间和尖部三部分,分别测量双侧中央带和外周带相应区域的(胆碱+肌酸)/枸椽酸盐[(Choline+Creatine)/Citrate, (Cho+Cre)/Cit]的比值(图1)。每个受试者共测量12个兴趣区,每个兴趣区包括2-8个体素。可用体素的标准是:75%以上位于外周带或中央带,没有受到水和脂肪信号的污染,主要代谢物波谱的信噪比大于5。因受射精管内出血(3例)和苗勒氏管囊肿(1例)的影响,未测量尿道旁前列腺代谢物比值。对前列腺癌和BPH患者,根据活检医生标记的取材位置计算相应外周带区域的(Cho+Cre)/Cit的比值。

1.6 统计学分析
所有数据以SPSS10.0软件包进行统计学处理。对前列腺中央带和外周带两组内各数据的比较用F检验,对前列腺中央带和外周带两组间数据的比较用t检验。对正常前列腺外周带、前列腺癌和BPH病灶之间数据的比较用t检验。

中国人前列腺的3D-MRS检查
正常成年男性、前列腺增生及前列腺癌的定量分析

结 果

2.1 正常成年男性结果
MRI表现
在MRIT2图像上,10例被检者都能清晰显示前列腺的分带解剖,中央带为中等信号,外周带为高信号(图1)。3例可见射精管内少量积血,呈T1高、T2高信号。1例可见苗勒氏管囊肿,呈T1低、T2高信号。 MRS结果

谱线:磁共振谱线上可见2.6-2.7ppm处较高的枸椽酸盐(Citrate, Cit)峰。在3.25及3.05ppm处可见胆碱(Choline, Cho)峰和肌酸(Creatine, Cre)峰,两者距离较近,常不能完全分离(图2)。

定量分析:表1为10例正常前列腺用MRS定量分析的结果。
表1 10例正常前列腺用MRS定量分析的结果

10例正常前列腺中央带各区(Cho+Cre)/Cit比值之间无显著性差异(P>0.05),平均为0.75±0.33;外周带各区(Cho+Cre)/Cit比值之间无显著性差异(P>0.05),平均为0.51±0.20。前列腺中央带与外周带之间的(Cho+Cre)/Cit比值有显著性差异(P<0.01)。

2.2 BPH患者检查结果
病理结果
33例患者27例经系统穿刺活检证实,6例经TURP证实。27位患者共穿刺176针。依活检医师记录的位置采取相应区域的MRS数据。6例行TURP术患者将前列腺在冠状面由上到下分为底部、中间和尖部三部分,分别测量双侧相应区域的(Cho+Cre)/Cit]的比值,每患者测量12个兴趣区。故全部BPH患者共计算248个兴趣区。

MRI表现
33例患者的MRI表现为:前列腺不同程度体积增大,中央带信号不均匀,外周带可受压变薄,19例患者T2WI无信号减低,14例患者外周带可见局限性或弥漫性信号减低。

MRS结果
谱线:磁共振谱线上可见2.6-2.7ppm处较高的Cit峰。在3.25及3.05ppm处较低的可见Cho峰和Cre峰。
定量分析:单个兴趣区(Cho+Cre)/Cit比值最小值为0.17,最大值为1.89。全部兴趣区平均值为0.60,标准差为0.37。

2.3 前列腺癌患者检查结果
活检结果
31例患者行超声引导下系统穿刺,共穿刺304针(图3),其中175针为前列腺癌,gleason score平均值为6.7。其余8针为上皮内不典型增生,39针为慢性炎症,51针为正常前列腺组织,11针镜下无组织,20针未做特别说明。

MRI表现
31例患者中29例出现外周带T2WI单发或多发低信号结节或外周带弥漫性信号减低,20例伴包膜外侵犯,6例伴淋巴结转移,3例伴骨转移。1例合并显著的前列腺增生,外周带受压变薄,未见明显异常信号。1例前列腺外周带无明显信号异常,但精囊腺破坏。

MRS结果
谱线:磁共振谱线上2.6-2.7ppm处的Cit峰明显降低或消失。在3.25及3.05ppm处的Cho峰和Cre峰明显升高(图4-6)。
定量分析:单个癌灶(Cho+Cre)/Cit比值最小值为0.63,最大值为4.10。全部癌灶平均值为2.23,标准差为1.00。

2.4 正常成年男性前列腺外周带、BPH外周带及前列腺癌外周带病灶的代谢比较
前列腺癌外周带病灶和BPH外周带及正常成年男性外周带(Cho+Cre)/Cit之间有统计学差异(P<0.01),而BPH与正常男性前列腺外周带之间无统计学差异(P>0.05)(表2)。

    

图1 MRIT2图像。显示前列腺分带解剖清楚,中央带呈中等信号,外周带呈高信号。白色矩形框显示MRS扫描的兴趣区。紫色方框为测量(Cho+Cre)/Cit的兴趣区,左、右中央带和左、右外周带各取一个。
图2 左侧外周带兴趣区所对应的谱线,可见位于2.6-2.7ppm的较高的Cit峰和位于3.0-3.2ppm的较低的(Cho+Cre)峰。
图3 前列腺超声引导下系统穿刺活检示意图。为前列腺冠状位后面观。L,示前列腺左侧。R,示前列腺右侧。1-6,示系统穿刺第1到6针的位置。7-9,示超声下所见异常回声结节处穿刺第7-9针的位置。
    

图4 86岁男性,因乏力待查、PSA增高入院。图中白框示MRS检查的兴趣区。
图5 与图4同一患者。示左侧前列腺外周带异常谱线。谱线相对应的(Cho+Cre)/Cit的比值为1.82。
图6 与图4同一患者。示左侧外周带穿刺活检病理,为前列腺癌,gleason score 3/3,sum=6。
中国人前列腺的3D-MRS检查
正常成年男性、前列腺增生及前列腺癌的定量分析

讨 论
前列腺恶性肿瘤是欧美男性泌尿系统最常见的肿瘤,是导致男性死亡的主要原因之一。世界范围内前列腺癌的发病率差别很大,与地区、种族、内在因素以及周围环境等有关。我国高龄男性中前列腺癌的发病率虽然较低,但近年来,其发病有上升趋势,临床与影像报道也日渐增多[2,3,5]。国内顾方六收集了1989至1992年间北京和上海的321例尸检前列腺标本,60例膀胱癌全切的附带前列腺标本,均无前列腺癌的临床征象,经连续切片病理检查,发现前列腺潜伏癌发病情况:41到50岁为2.2%,51到60岁为9.3%,61到70岁为5.9%,70岁以上为25%。可以预见,随着我国老龄人口的增加,前列腺癌的发生将越来越多,应引起临床及影像医生的重视。1996年Kurhanewicz等报道3D MRS可用于前列腺癌的诊断[1],欧美的研究结果认为前列腺的3D MRS检查可提高前列腺癌的诊断及分期准确率,并提出了前列腺癌的MRS诊断标准[6],但国内仅有初步研究的结果[5],中国人前列腺癌的诊断标准尚未建立。

3.1 前列腺内的代谢产物
Citrate(枸椽酸盐,Cit)、Choline(胆碱,Cho)和Creatine(肌酸,Cre)是前列腺MRS检查中最易观察到的代谢物,也是最有价值的指标。Cit是精液的主要成分。正常和增生的前列腺组织有分泌和浓缩Cit的能力,因此Cit含量较高,而前列腺癌组织则分泌和浓缩Cit的能力减少或丧失,因此Cit含量较低[7]。正常前列腺外周带含有较多的腺管,因此外周带Cit水平显著高于中央带。Cho与细胞膜的合成与降解有关。前列腺癌组织的细胞增殖速度快,细胞膜合成与降解活跃,因此Cho较正常组织含量高[8]。Cre的浓度在前列腺癌与正常前列腺组织中的含量无明显差异[9],用1.5TMR扫描仪得到的MRS谱线中,其化学位移共振峰位于3.05ppm,与位于3.25ppm的Cho峰部分重叠,不易分离,因此多与Cho合并计算。由于检查条件的不同(如:线圈的位置、前列腺的大小、设备因素等)可在一定程度上影响波谱中代谢物的信号强度,因此不能直接比较不同个体之间的波谱,而应先标准化。比较不同个体间前列腺代谢的差别通常用(Cho+Cre)/Cit的比值。国外研究结果认为正常和增生的前列腺组织(Cho+Cre)/Cit比值约为0.6,而前列腺癌(Cho+Cre)/Cit比值约为2.10,有显著性差异[1]。本研究发现中国人正常前列腺外周带组织(Cho+Cre)/Cit比值为0.51±0.20,与国外报道相似。但由于例数较少,尚不能判断此数值与年龄的相关性。

3.2 BPH 的代谢特点
BPH是男性膀胱下尿路梗阻性疾病中最常见和最重要的疾患,约占膀胱下尿路梗阻性病例的80%以上。BPH绝大多数起源于移行区,少部分起源于尿道周围区。很少发生在外周带。病理上主要表现为移行区体积增大,伴大小不等的增生结节。组织学变异很大,MRI表现复杂。根据增生结节的成分将可BPH分为3种类型:基质型、腺体型和混合型。基质型MRI在T2WI上表现为低信号;病理显示增生结节含有较多的胶原和基质细胞(包括纤维母细胞和以平滑肌细胞),腺体成分较少。腺体型在T2WI上表现为高信号;病理显示含有大量扩张的腺管成分和潴留囊肿,基质成分较少。混合型BPH根据腺体和基质成分的比率表现为偏高或偏低信号,大多数BPH均为混合性BPH。

BPH的代谢文献报道不一,但多数研究者认为腺体型BPH的Cit升高,而基质型BPH的较低,其(Cho+Cre)/Cit的比值与前列腺癌重叠较多,MRS也鉴别困难。混合型BPH的MRS表现则界于两者之间。Kurhanewicz等报道BPH的Cit和Cho水平与正常前列腺外周带接近,(Cho+Cre)/Cit的比值约为0.61[1]。本组BPH结果与文献相仿,(Cho+Cre)/Cit比值为0.60±0.37,与前列腺癌差别明显。但少数兴趣区明显高于此值,最高可达1.89,病理检查结果为基质增生,这种类型的前列腺增生病灶与前列腺癌的鉴别有一定困难。

3.3 前列腺癌的代谢特点
国外的文献报道MRS可定量研究前列腺癌的代谢异常,但中国人前列腺癌的代谢情况则尚无报道。国外研究结果认为前列腺癌(Cho+Cre)/Cit比值约为2.10,明显高于正常和增生的前列腺组织[1]。本研究发现中国人穿刺活检阳性的前列腺癌(Cho+Cre)/Cit的平均值为2.23±1.00,与国外文献比较稍有差异。本组病例数不多,不除外有采样误差,也可能与以下因素有关:(1)种族因素:中国人与欧美人前列腺癌的发病率有明显差异,受诸多因素的影响,种族因素是其中之一,当然也可能会影响癌组织的代谢特性。(2)证实的方式不同:国外文献报道前列腺癌的MRS结果多是用根治切除术后逐层切片病理结果做对照,能发现很多较早期、侵袭性较低、体积较小的癌灶,并计算其代谢物浓度比值。而本研究则用穿刺活检的病理结果做对照。穿刺活检取材范围小,假阴性率高,有理由认为那些较晚期、侵袭性较高、体积较大的癌灶更易被穿刺证实,而较早期、侵袭性较低、体积较小的癌灶则更易被漏穿。有研究认为侵袭性较高的前列腺癌其(Cho+Cre)/Cit的比值也较高[10],则可以解释本研究所得前列腺癌代谢物比值较国外相应结果稍高。

3.4 用MRS鉴别前列腺癌与BPH
统计学显示前列腺癌和BPH的(Cho+Cre)/Cit差异有显著性,BPH的(Cho+Cre)/Cit明显低于前列腺癌。BPH很少见于外周带,但亦有文献报道。原因可以是中央带增生挤压生长所致,也可以是异位腺体增生所致。与正常外周带相比增生的结节大多表现为MRIT2像低信号或混杂信号,不易与前列腺癌鉴别。用MRS定量测量的(Cho+Cre)/Cit值则有助于鉴别。但以基质增生为主的BPH其(Cho+Cre)/Cit值可能与癌接近,有时鉴别有一定困难。

中央带前列腺癌的诊断在临床上一直是个难题,长期以来一直只能依靠PSA监测和穿刺活检诊断,或因BPH行TURP或前列腺摘除时偶然发现。但穿刺活检组织条的取材范围有限,中央带癌的假阴性率较高。在常规MRI图像上中央带的增生与癌信号无明显差别,不易被检出。MRS定量测量的(Cho+Cre)/Cit值对发现中央带的癌提供了更多的帮助。

参考文献

[1] Kurhanewicz J, Vigneron DB, Hricak H, et al. Three-dimensional H-1 Spectroscopic Imaging of the in Situ Human Prostate with High (0.24-0.7cm3) Spatial Resolution. Radiology, 1996, 198: 795-805.

[2] 王霄英, 蒋学祥, 肖江喜, 等. 前列腺癌内分泌治疗疗效的MRI评价. 中华放射学杂志, 2000, 34: 402-404.

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[4] Kaji Y, Kurhanewicz J, Hricak H, et al. Localizing prostate cancer in the presence of postbiopsy changes on MR images: role of proton MR spectroscopic imaging. Radiology, 1998; 206(3): 785-790.

[5] 王霄英, 周良平, 蒋学祥. 前列腺三维磁共振波谱成像的初步研究. 中国医学影像技术, 2002, 18(11): 1154-1157.

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[8] Ackerstaff E, Pflug BR, Nelson SJ, et al. Detection of increased choline compounds with proton nuclear magnetic resonance spectroscopy subsequent transformation of prostatic epithelial cells[J]. Cancer Research 2001, 61(9): 3599-3603.

[9] Cornel EB, Smits GAHJ, Oosterhof GON, et al. Characterization of human prostate cancer benign prostate hyperplasia and normal prostate by in vitro 1H and 31P magnetic resonance spectroscopy[J]. J Urol 1993, 150: 2019-2024.

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