0 前言

       在全球范围内，前列腺癌（prostate cancer, PCa）已经占据男性癌症发病率的首位，并且死亡率仅次于肺癌，在我国，PCa的发病率也逐年上升，严重影响老年男性群体的健康^[1]。MRI基于其良好的软组织分辨能力、空间分辨能力以及多方位直接成像和多参数成像等优点，已成为PCa诊断、分级、分期和监测以及靶向引导穿刺活检的首选无创影像学方法^{[2, 3, 4, 5, 6]}。2012年欧洲泌尿生殖放射学会基于专家共识发布前列腺影像报告和数据系统（Prostate Imaging Reporting and Data System, PI-RADS）对前列腺MRI评估和报告进行标准化，在临床得到广泛的推广和应用^[7]。由于PCa是一个异质性很高的肿瘤，仅有15%为临床意义显著癌（clinical significant PCa, CS-PCa），绝大多数临床意义不显著癌（clinically insignificant PCa, CI-PCa）即使不经任何治疗也不会因肿瘤致死或影响期望寿命^{[8, 9]}。为了能更好区分CS-PCa与CI-PCa，特别是移形带的PCa，2019年欧洲泌尿生殖放射学会发布基于多参数MRI的PI-RADS V2.1，将扩散加权成像（diffusion-weighted imaging, DWI）作为评价前列腺结节的重要序列之一^{[10, 11]}。DWI作为多参数MRI的重要功能成像序列，通过获得水分子沿扩散梯度场布朗运动导致的相位改变，可以在体反映组织或病变的微结构改变导致水分子扩散受限的程度，因此，DWI具有作为组织或病变微结构改变的影像学生物标记的潜能，被广泛应用于急性脑梗死^{[12, 13]}、神经纤维束张量成像^{[14, 15]}和肿瘤细胞密度^{[16, 17]}的诊断和评估。但是常规的DWI的扩散梯度场是脉冲梯度自旋回波（pulsed gradient spin-echo, PGSE），需要持续一定的时间获得足够的b值来区分水分子扩散受限的程度。37℃的自由水分子在一个持续时间为35 ms的扩散梯度场的位移距离L根据Einstein方程（<L²>=2DΔ，D为扩散系数，Δ为扩散时间）约为13 μm，大约是一个细胞大小。如果水分子以这一尺度进行扩散，则表观扩散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）值会减小，而如果以更小的尺度进行扩散，常规DWI则更难以区分其扩散差异。所以，常规DWI难以区分细胞尺度微结构改变导致的水分子扩散受限的程度。近年来发展的时间依赖扩散MRI（time-dependent diffusion MRI, TDD-MRI）能弥补常规DWI的这一缺点，它由振荡梯度自旋回波（oscillating gradient spin-echo, OGSE）序列代替PGSE序列采集不同扩散时间的MRI信号，通过改变OGSE序列梯度场的频率来获得不同尺度的扩散信号，从而在体反映细胞尺度微观结构改变，如细胞密度^[18]、轴突直径大小^{[19, 20]}、骨骼肌收缩发生的微结构改变^[21]等。因此，TDD-MRI能够获得细胞尺度水分子扩散的差异，能在体反映前列腺结节微结构改变，对于PCa的诊断、分级及治疗疗效评估有重要的临床意义。本文就TDD-MRI基本原理及其在PCa中的应用进行综述，探讨TDD-MRI是否有望作为在体无创且容易反复获得的影像学生物标记并用于PCa的诊断与风险分层，为临床PCa的个性化医疗提供决策支持。

1 TDD-MRI的基本原理

       人体内水分子布朗运动会受到各种生物膜和大分子物质的阻挡或发生碰撞，使得不同组织和病理状态下的水分子会依据其所处微结构环境以不同的特征进行扩散。DWI可以通过施加扩散梯度场在体获得水分子的扩散特征，并通过不同的模型计算出反映体素内水分子扩散特征的参数，如ADC、体素内不相干运动等^[22]。但常规DWI因采用PGSE难以获得细胞尺度微结构改变的扩散特征，除非扩散梯度场持续时间（Δ）非常短，在现有技术下PGSE难以在持续1 ms的时间中采集到扩散所致的信号衰减^[23]。TDD-MRI采用的扩散梯度是不同频率的正弦波，即OGSE，这样每个梯度持续时间较短，能够采集水分子较小尺度位移产生的信号衰减，多个梯度的叠加又可以获得可测量的扩散所致的信号衰减，而且可以通过改变OGSE的频率使其对不同尺度的扩散敏感（图1）。TDD-MRI的信号分析主要采用基于有限光谱编辑扩散成像微结构（imaging microstructural parameters using limited spectrally edited diffusion, IMPULSED）参数的二室模型进行数据拟合，可以计算出细胞直径、细胞内体积分数、细胞密度和细胞外扩散系数等反映微结构的扩散参数^{[18,24, 25, 26]}。动物实验研究^{[27, 28, 29, 30, 31]}表明TDD-MRI对接近或小于单个细胞大小的肿瘤微观病理特征很敏感并且能够有效地反映肿瘤在接近或小于细胞尺度的病理微观结构改变。JIANG等^[24]成功在体测量肿瘤细胞的大小和细胞密度，其中细胞密度与组织病理学测量的细胞密度具有较高的相关性（r=0.81；P＜0.001）。

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图1  脉冲梯度自旋回波序列（PGSE）及低频和高频振荡梯度自旋回波序列（OGSE），分别对应较长扩散时间及短扩散时间的示意图。
Fig. 1  Schematic diagram of pulsed gradient spin-echo (PGSE) and low frequency and high frequency oscillating gradient spin-echo (OGSE), corresponding to longer diffusion time and short diffusion time, respectively.

2 TDD-MRI的临床应用

2.1 PCa的诊断

       临床上PCa的评估主要依赖于Gleason评分（Gleason score, GS），但其需要基于手术切除或穿刺活检获得的组织标本。穿刺活检存在较高的创伤性，而且存在采样误差，难以在临床广泛推广和对需要临床积极观察的患者反复进行，不利于临床对异质性较高的PCa实施个性化医疗^[32]。GS主要基于前列腺组织切片苏木精-伊红染色中所见的癌细胞的排列方式和间质中生长方式进行评分^[33]。因此，PCa微结构改变与GS和恶性程度相关，如上皮细胞和肿瘤细胞的增殖导致间质和管腔体积的减少等微结构改变是CS-PCa的特征^{[34, 35]}。而TDD-MRI具备从细胞尺度反映水分子扩散特征，在体反映肿瘤微结构改变。已有初步研究表明TDD-MRI有助于PCa的诊断和风险分层^[18,36]。LEMBERSKIY等^[36]使用了6个扩散时间（20、35、50、100、200和350 ms）来区分高级别和低级别PCa，发现较短的扩散时间有助于肿瘤的分级并表明ADC值存在可测量的时间依赖性，而这种时间依赖性依赖于组织结构和GS。WU等^[18]进行的前瞻性研究发现，TDD-MRI得出的细胞密度指数在区分CS-PCa和CI-PCa时具有很高的准确性，其对CS-PCa的诊断准确率为92%，敏感度为89%，特异度为95%，AUC为0.96，优于传统的DWI；不同GS之间的TDD-MRI微结构参数具有很高的区分性，且与病理检查的微结构特征密切相关（r=0.83，P＜0.001）；在CS-PCa组和CI-PCa组之间，所有显微结构参数（如细胞内体积分数、细胞直径、细胞密度）都显示出显著的组间差异（P＜0.01）。因此，基于TDD-MRI的微结构参数能在体反映PCa病理学改变，展现出较好的应用前景，有助于指导临床对PCa患者的个性化医疗的制订与实施。但是TDD-MRI技术受梯度场强度及振荡频率限制，且扩散时间范围有限，这是仍需进一步解决的问题。

2.2 PCa疗效评估

       在对治疗有反应的肿瘤中，有研究数据表明这些变化对应于核平均大小的减小，而不是细胞密度或其他因素的减少，并且OGSE图像的信号变化比传统的ADC图像信号变化大^[23]。这更表明OGSE技术能够在更短的空间尺度上评估扩散效应，能够揭示肿瘤微环境中更大范围的空间特征及病理结构特征，且作为治疗反应的早期指标，可能比传统方法更敏感。此外，使用时间扩散光谱的MR细胞大小成像为非侵入性地定位细胞大小提供了可靠和实用的手段。对于临床应用，JIANG等^[37]已经开发了两种基于时间扩散光谱的方法，即IMPULSED和MRI细胞术^{[38, 39]}，分别用于无创性地绘制平均细胞大小和细胞大小分布的图，这两种方法都已得到全面验证，并显示出在各种疾病模型中描述组织特征的较好前景。由于细胞大小的变化通常是细胞对疾病或干预的反应的一部分，因此，TDD-MRI技术提供了一种独特手段来评估生物组织状态和对治疗的反应^[37,40]。但是IMPULSED不能将癌细胞与其他细胞区分开来，使用IMPULSED获得的平均细胞大小包括所有细胞类型（例如癌细胞、间质细胞和淋巴细胞），所以精确的癌细胞大小的变化仍需进一步研究。

3 TDD-MRI在PCa中的应用前景及与其他影像学检查的比较

       PCa具有较高的异质性，但是缺乏无创且容易反复获得的生物学标记对PCa进行风险分层，从而导致过度诊断和过度医疗。基于多参数MRI（主要为脂肪抑制T2WI和DWI）的PI-RADS v2致力于区分CS-PCa与CI-PCa，但由于其术语和定义较为模糊，导致观察者间一致性较差^{[41, 42, 43, 44]}。且较多项荟萃分析^{[45, 46, 47, 48]}表明PI-RADS v2或PI-RADS v2.1总体敏感度较高，但是特异度中等，如ZHANG等^[48]进行的荟萃分析集中于PI-RADS v2的检测和准确性，包括13项研究（2049名患者），合并分析的敏感度和特异度分别为85%（95% CI：78%～91%）和71%（95% CI：60%～80%）。然而TDD-MRI能够在细胞尺度揭示前列腺疾病之间的不同，其诊断敏感性及特异性均较高，并且可以反映其他影像技术难以获得的信息，例如CS-PCa的细胞内的体积分数、细胞密度比CI-PCa更大，细胞外扩散速率比CI-PCa更小，说明CS-PCa的细胞体积更大、细胞更密集，并且细胞外的组织成分也比CI-PCa更多。获得这些病理信息可以使更多的患者不通过穿刺活检就能得到准确的诊断及分级，使更多的患者能够安全地避免不必要的治疗。所以细胞尺度微结构的变化对于PCa的诊断、分级及治疗疗效评估有重要的临床意义。

       近年来发展的经直肠超声弹力成像和前列腺特异性膜抗原（prostate specific membrane antigen, PSMA）靶向正电子发射型计算机断层显像（positron emission computed tomography, PET）对PCa的诊断和评估展现出较好的应用前景，但是这些技术都有不同的局限性，比如经直肠超声实时弹力成像需要手动施压，难以获得稳定清晰的图像以及具有术者依赖性，最重要的是不同组织间的硬度存在不同的重叠从而导致假阳性或假阴性结果^[49]。PET-CT检查费用较为昂贵，并且大部分显像剂是通过泌尿系排泄，在膀胱浓聚，对于膀胱周围的PCa病灶会有一定的影响，并且前列腺增生及PCa都可以出现PSMA的高表达，所以一定程度上会影响早期或低级别PCa的诊断^[50]。但是TDD-MRI微结构参数是通过计算得出，这使评估更加精准、稳定、客观，弥补了传统MRI主观性强的弱点，同时弥补了超声弹力成像、PSMA-PET不能很好从微观角度显示不同GS的PCa病理变化的缺点。TDD-MRI在鉴别前列腺良恶性疾病、测量PCa微结构参数、无创评估PCa侵袭性及评估肿瘤治疗疗效等方面存在着巨大的潜在应用价值，但是这项技术尚不完善，且较多研究都是单中心、小样本，如果能解决梯度系统性能和振荡频率等问题，未来或许可以在不同疾病多中心、大样本的研究中应用。

4 小结

       综上所述，PCa的非侵入性诊断及其病理特征变化对指导治疗和预测临床预后具有重要意义。TDD-MRI是一种很有前景的研究肿瘤微结构的工具，在不同扩散时间观察到的扩散信号的变化可以为肿瘤微结构的表征提供重要信息。初步的试验和临床研究表明TDD-MRI有望作为在体无创且容易反复获得的影像学生物标记对PCa进行风险分层，解决PCa过度诊断和治疗的社会问题，促进PCa精准医疗的临床转化。