Use of Multiparametrric Magnetic Resonance Imaging (mpMRI) for Prostate Cancer: A Journey from 1.5 to 10 Tesla
Cite this chapter Cacciamani, G.E. et al. (2021). Use of Multiparametrric Magnetic Resonance Imaging (mpMRI) for Prostate Cancer: A Journey from 1.5 to 10 Tesla. In: Huri, E., Veneziano, D. (eds) Anatomy for Urologic Surgeons in the Digital Era. Springer, Cham. https:///10.1007/978-3-030-59479-4_8 多参数磁共振成像 (mpMRI) 治疗前列腺癌：从 1.5 到 10 Tesla的旅程
磁共振成像 (MRI) 在 1980 年代中期，首次用于对人体前列腺进行成像。从那时起，MRI 已被广泛接受，并广泛用于临床前列腺成像，用于肿瘤检测和定位、治疗计划、侵袭性评估以及前列腺癌的分期，最近还用于促进针对前列腺癌的超声引导活检。在过去十年中，与其前身 1.5 Tesla MR 系统相比，3 Tesla MRI 系统的出现使得 MRI 序列序列的质量有了显着提高。关键词8.1 mpMRI 用于前列腺癌 (PCa) 检测的简史从历史上看，前列腺的首选成像方式是经直肠超声。随着 MRI 在 1970 年代初期 [ 1 ] 的出现，全身成像以及后来的前列腺成像的临床应用迅速跟进。虽然 1982 年第一次前列腺成像使用了 0.08 特斯拉 (T) 磁体，但技术进步已经验证了 1.5 T 和 3 T MRI 扫描仪在前列腺癌 (PCa) 的临床诊断中的应用。1989 年直肠内线圈的发展也在初步研究中提高了空间分辨率并减少了前列腺在成像过程中的局部运动，尽管最近开始减少普及 。多参数 MRI (mpMRI) 方法是一种不断发展的前列腺癌检测技术。早期的出版物描述了使用 T2 加权成像 (T2WI) 对前列腺腺下结构进行可视化和表征。T2WI 用作过渡区的主要评估，并将癌症检测为中等低信号强度的焦点区域。T1 加权成像 (T1WI) 可以确定出血的存在和位置，也可以在 T2WI 上表现为低信号。除了 T1 和 T2WI 提供的解剖信息，mpMRI 还包括功能信息。前列腺的扩散加权成像 (DWI) 可用于识别前列腺的周边区域。它可以使用不同的 b 值进行采样，较低的 b 值结合了更多的 DWI 和 T2WI 信息，而较高的 b 值仅显示 DWI 效应 [ 10 ]。此外，表观扩散系数 (ADC) 的计算可用于识别具有较低 ADC 值的可疑病变，表明与癌细胞的相关性较高。另一个序列，动态对比增强成像 (DCE)，有助于诊断和捕获异常血管分布。虽然磁共振波谱成像 (MRSI) 可用于评估前列腺内的代谢特征，但它并未包含在 PI-RADS v2 指南中。在开发标准化系统之前，汇总分析表明 mpMRI 对前列腺癌具有较高的敏感性 (0.74) 和特异性 (0.88) [ 5 ]。目前，mpMRI 的解释最广泛地基于 PI-RADS v2 分级系统。在进一步的荟萃分析中，PI-RADS v2 分级系统在检测前列腺癌方面显示了 0.89 的综合敏感性和 0.73 的特异性，比 PI-RADS v1 。虽然指南在推荐 mpMRI 的细节上有所不同，但美国国家综合癌症网络 (NCCN)、美国泌尿外科协会 (AUA) 和英国国家健康与护理卓越研究所 (NICE) 一致认为，应该在初始治疗之前提供或考虑 mpMRI活检。欧洲泌尿外科协会 (EAU) 强烈建议对初次活检和重复活检阴性的患者进行 mpMRI。PI-RADS v2、EAU 前列腺指南和 mpMRI 的 AUA 标准操作程序指出 1.5 T 和 3Ta 适用于检测前列腺癌，同时承认 3 T 提供改进的信噪比并增加空间和时间分辨率 。临床试验表明，mpMRI 引导的诊断途径优于超声引导的诊断途径，所需的总体活检更少，临床意义更大，检测到的临床意义不大的前列腺癌也更少。8.2 3 T mpMRI 在 PCa 检测方面的局限性和缺陷 虽然 3 T mpMRI已被证明可以改善前列腺癌的诊断途径，并且通常推荐超过 1.5 T，但它并非没有限制 [ 3、23 ]。与 1.5 T 相比，3 T 已被证明具有增加的信噪比 (SNR)，但磁场强度的增加伴随着敏感性伪影、模糊和几何失真。尽管 3 T 在荟萃分析中提高了检测灵敏度和总体 T3 阶段，但对前列腺外延伸 (EPE) 和精囊侵入 (SVI) 的敏感性仍然适中（分别为 0.61 和 0.57）[ 26 ]。因此，不建议将 mpMRI 用于低风险患者的局部分期。当跨机构和研究平均时，读者间的一致性也适中]。然而，对单个机构的更仔细检查揭示了个体放射科医师之间潜在的显着差异。这些发现的临床意义将导致避免活检的百分比变化 2 倍，高达 13-60% 的 PI-RADS <3 病变包含临床显着疾病。分析建议亚专科医生进行解释，以改善 NPV 和 PPV，并在前列腺 mpMRI 中对放射科医师进行更多培训。多位专家已经确定了 3 T mpMRI 应避免的诊断缺陷 。在前列腺内，有许多 PCa 的解剖学模拟物。在 T2WI 上，肥厚的前纤维肌间质表现为均匀的低信号强度和低 ADC 的区域。过渡区和外周区之间的交界处，即手术囊，可能会出现类似的发现。前列腺的中心区可能被误解为从外周区或过渡区延伸的病变，并被视为高度怀疑肿瘤。口译员还必须注意避免“陷阱中的陷阱”，当肿瘤模仿中心区域时，不到 5% 的前列腺癌起源于。良性前列腺增生可以将 PCa 模拟为富含基质的结节或双侧良性前列腺增生增生。此外，前列腺周围的解剖结构也会导致混乱。前列腺周围静脉复合体在与前列腺前部交通并引流到髂内静脉之前横向环绕前列腺。根据血液的速度和湍流，静脉可能具有 T2WI 和 ADC 图的低信号强度。神经血管束也位于外周区域附近，并且可能被误解为外周区域内的病变。同样，由于 DWI 上的空间分辨率低，前列腺周围淋巴结可能似乎扩散受限并且位于前列腺内。 除了患者解剖结构外，某些疾病状态也会导致诊断不确定性。外周区局灶性前列腺炎是一种常见的良性病变，很难与前列腺癌区分开来。肉芽肿性前列腺炎是另一种实体，可在直肠指检时表现为坚硬结节和前列腺特异性抗原升高。它也可能有异常的 T2WI 和 ADC 并累及前列腺周围脂肪，这可能被误诊为前列腺外延伸。因此，组织病理学仍然是唯一确定的诊断方法。根据 mpMRI 的时间，活检后出血可以模仿或掩盖肿瘤。虽然 T1WI 可用于识别肿瘤出血，但它会限制对 DCE 的解释。肿瘤的范围和尺寸仍然难以定位。8.3 7 T核磁共振 自磁共振成像 (MRI) 时代开始以来，科学家和工程师一直在推动在临床实践中实现尽可能高的磁场 [ 35 , 36]。更高磁场的好处是它为成像提供更高的场强，从而导致更高的信噪比 (SNR)、对比度与噪声比 (CNR) 和空间分辨率。此外，如果不需要更高的分辨率，则更高的场强还允许以更低的分辨率（相当于 1.5 T 或 3 T）进行更快的扫描。因此，科学界多年来已从第一代 MRI 扫描仪（小于或等于 0.5 T）过渡到传统（1.0-1.5 T），然后是高场 3 T 扫描仪。随着过去几年开发了从 7 T 到 11.7 T 的几个超高场 MRI (UhFMRI) 系统，向更高磁场的推动仍在继续 。在与 7 T MRI 扫描仪相关的安全性、易感性相关伪影、不均匀性、其他技术问题和相对成本方面取得了重大进展，以允许其在临床环境中使用，但在其广泛应用之前需要在这些领域进行更多研究在临床实践中采用。就上下文而言，临床实践中从 1.5 T 过渡到 3.0 T 需要近 15 年才能被广泛接受。 大多数针对 7 T MRI 临床适用性的早期研究都集中在研究人脑的解剖结构以及人脑的功能方面。UhFMRI 能够在 T1 加权成像中实现非常高的分辨率，在流体衰减反转恢复 (FlAIR) 成像和飞行时间 MR 血管造影 (TOF-MRA) 中实现高 CNR，并能够检测微出血T2 加权序列非常适合评估人脑的解剖学方面。关于大脑的功能成像，7 T 相对于 1.5 T–3 T 成像具有优势，因为它能够提供更高的信噪比来测量功能 MRI (fMRI) 的 BOLD 效应。由于这些优点，7 T MRI 已被用于研究大脑及其在多发性硬化症、脑血管疾病、退行性脑部疾病（如阿尔茨海默病痴呆和帕金森病）、脑肿瘤和癫痫等疾病中的活动。除了在神经放射学中的应用外，UhFMRI 还在肌肉骨骼、乳房、腹部和前列腺成像中进行研究。7 T MRI 对上述所有身体部位和器官的成像结果非常有希望，科学界的进一步调查工作仍在继续。8.4 7 T MRI 在前列腺癌检测中的新证据 放射科医师在临床实践中采用了前列腺癌的多参数 MR 成像，以提高前列腺癌的准确性和诊断。多参数 MRI 包括各种成像序列，例如 T2 加权 MR 图像加上功能性 MR 成像，例如动态对比剂增强 MR 成像、扩散加权 (DW) 成像和 MR 光谱成像。在过去的十年中，与其前身 1.5 Tesla MR 系统相比，3 Tesla MRI 系统的出现使上述序列的质量得到了显着提高。使用 3 Tesla MRI 对前列腺成像质量的改进非常显着，以至于 3 T 系统现在已在许多中心常规使用。随着 7 Tesla MR 成像系统的出现，鉴于其优于 3 Tesla 系统的潜在优势，人们对其更准确地成像前列腺的能力非常乐观。 从当前的 1.5 T 和 3 T MR 系统迁移到 7 T 等 UhFMRI 系统提供了临床优势，因为它能够提供增加的信噪比，这在理论上可用于提高空间分辨率以改善对前列腺进行解剖评估或减少成像时间。此外，高场前列腺的 MR 光谱具有增加光谱峰分离的优点，以及对胆碱、肌酸、柠檬酸盐、磷和精胺等新代谢物进行成像的选择。此外，7 T 系统提供了使用以前无法使用 1.5 T 和 3 T 系统（例如动脉自旋标记）的对比技术对前列腺癌进行成像的可能性和多核成像 ]。这些功能序列可以提供对肿瘤生物学和代谢的体内洞察，例如提高我们检测临床显着和侵袭性肿瘤的能力。在前列腺的多参数 MRI 中，此类功能序列将与足够的解剖参考成像结合使用。Kobus 及其同事进行的一项小型研究表明，在 MR 光谱学领域，使用磷对前列腺进行成像并识别潜在的肿瘤。此外，Durand 等人的研究。已经寻求评估 7 T MR 系统在其在体内微观水平评估前列腺的能力中的作用，并显示出有希望的结果（参考）。然而，在超高磁场下对前列腺进行成像具有许多挑战，例如射频 (RF) 不均匀性、组织加热增加、射频场穿透性降低。由于其在骨盆中的深层位置所带来的挑战，前列腺的充分 MR 成像需要发射-接收线圈。由于一些研究人员已经创建了足够质量成像所需的此类线圈阵列，因此该领域正在不断取得进展。这种线圈的出现已经导致使用 7 T MRI 对前列腺的高质量 T2W 成像感到满意。 UhFMRI 系统在改进前列腺成像方面提供了巨大的潜力，虽然我们在使用 7 T MR 系统对前列腺成像的能力方面取得了长足进步，但在广泛采用之前，还需要更多的工作来标准化技术、图像序列和外部线圈。临床实践。8.5 7 T MRI 及其他 前列腺 MRI 目前在临床环境中使用 1.5 或 3 特斯拉 (T) 扫描仪进行。7-T MRI 已在世界各地的研究实验室中使用，2017 年，第一个 7-T 模型被批准用于临床，目前主要用于脑成像。然而，超高场扫描仪（超过 7-T）正在兴起。一些机构已经使用 10.5 T 设备进行了第一次体内体 MRI。11.7-T MRI 已在动物身上进行了广泛的测试，并已准备好在人体上进行首次测试。德国、中国和韩国正在考虑建造 14-T 人体扫描仪。最后，可以使用 21-T MRI，其内部空间直径仅为 10.5 厘米，太小而无法用于人体。 超高场扫描仪的发展主要是由信噪比 (SNR) 的相关增加推动的，这可以提高空间和/或时间分辨率。这意味着更强的磁铁可以捕获更高分辨率或相同分辨率的图像，但采集时间更短。此外，更高的时间分辨率有可能提高动态对比增强 MRI 的性能。 即使大多数关于 7-T MRI 的研究都是针对脑部疾病进行的，但关于腹部成像的报道很少。拉德等人比较了 10 名健康志愿者的腹部成像的 1.5、3 和 7-T MRI。场强从 1.5 增加到 3-T 提供了具有可比图像质量的更高空间分辨率的成像，并且没有相关的伪影恶化。将场强进一步增加到 7 特斯拉，证明了其对 T1 序列的高成像潜力，可以更准确地诊断腹部实质和脉管系统疾病。然而，7-T MRI 也被证明更容易受到伪影的损害，包括残留的 B1 不均匀性、易感性和化学位移伪影，从而导致 T2w 序列的诊断质量降低 。 罗森克兰茨等人报道了两名活检证实为前列腺癌并接受根治性前列腺切除术的患者的类似发现。使用前列腺的整个部分作为比较，肿瘤在 7-T 的 T2w 上作为低信号病变在两名患者中很容易看到。此外，虽然两个病灶都与包膜相邻，但 7-T T2w 正确表明两名患者都没有额外的前列腺延伸。然而，肿瘤与 PZ 的对比和 PZ 异质性在 7-T 时略有下降，表明需要在临床环境中继续优化序列 。 在另一项研究中，三位放射科医师独立对 17 名前列腺癌患者的图像进行评分，这些患者在 7-T 下仅使用外部发射/接收阵列线圈进行了 T2w 成像。可以常规获得质量令人满意到良好的 T2w 序列，并且可以看到癌症病变。最后，7-T MRI 提供盆腔淋巴结的高分辨率成像，以准确显示它们的大小和形态以及与周围组织的关系。 必须记住，超高场扫描仪的硬件工程正在不断发展。到目前为止，关于腹部成像的数据有限，只有 7-T MRI。如果在 7-T 时局部功率沉积得到缓解，则确实可以实现更高的 SNR，这可用于更高的空间分辨率甚至进一步缩短成像时间。需要进一步的研究来优化成像采集的协议。此外，上述研究均未测试功能成像技术，例如 DWI 与 ADC 图、DCE 序列和可能的 MRI 光谱，这些技术对可疑前列腺病变的诊断有很大影响。
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