基于振蕩梯度自旋回波的擴散磁共振成像研究進展

張新利，汪晶*

0 前言

腫瘤性病變與神經系統(tǒng)疾病是世界人口殘疾及死亡的重要原因，評估腫瘤細胞微結構特征的改變及神經系統(tǒng)疾病中小軸突的損傷已逐漸成為研究熱點。擴散磁共振成像（diffusion MRI, dMRI）是當前最有前景的生物組織微結構成像方法之一，在腫瘤、神經成像中取得了極大的進步[1]。傳統(tǒng)dMRI如擴散加權成像、擴散張量成像（diffusion tensor imaging,DTI）、擴散峰度成像等多采用脈沖梯度自旋回波（pulsed gradient spin echo, PGSE）序列，其較長的擴散梯度時間限制了可測量的最小微結構尺寸。微結構成像是在傳統(tǒng)dMRI基礎上發(fā)展來的新技術，旨在獲取組織微結構參數的指標。振蕩梯度自旋回波（oscillating gradient spin echo, OGSE）序列是一種新型dMRI技術，它通過施加振蕩梯度，使可測量的水分子有效擴散時間縮短，并測得表觀擴散系數（apparent diffusion coefficient, ADC）的時間依賴性。通過建立數學模型，可以測得細胞直徑（diameter, d）、細胞外水分子擴散系數（extracellular water molecular diffusion coefficient, Dex）、細胞內水分子體積分數（intracellular water molecular volume fraction,Vin）、細胞密度等微結構特征。當前，OGSE 在腫瘤分級診斷及治療療效評估中的研究較多[2]，近年來也逐漸被應用于神經軸突測量相關的研究中。本文就OGSE 在腫瘤及神經軸突中的研究進展進行綜述，以對相關疾病的診斷、診療規(guī)劃和預后評估等提供依據和參考。

1 OGSE的出現與原理

微結構成像是在傳統(tǒng)dMRI基礎上發(fā)展來的新技術，能提供軸突直徑及方向、復雜纖維結構、神經軸突特征等更具體的微結構信息[3]。目前，微結構成像多使用PGSE進行。由于醫(yī)用人體設備梯度系統(tǒng)的限制，PGSE 可以探測的最小尺寸大于13 μm[4]，人體細胞的平均直徑在5～200 μm 之間，多數細胞d 值僅為幾個微米，因此PGSE難以評估細胞d值的信息。

為了克服PGSE 的技術瓶頸，GROSS 等[5]開發(fā)了OGSE成像方法。OGSE的擴散梯度由雙極脈沖梯度波形改為周期為T的振蕩波，例如正弦波，余弦波，梯度余弦波等，其有效擴散時間不依賴于梯度脈沖的間隔，而是依賴于振蕩頻率，當振蕩周期極短，即具有較高的振蕩頻率時，水分子擴散時間縮短，因此，OGSE能突破PGSE的限制，實現更短的擴散時間，提供一種潛在可行的方法評估人體組織內更細微的結構改變。受限于圖像的信噪比和回波時間，OGSE 的振蕩頻率往往高于17 Hz[4,6]，難以量化20 μm以上的尺寸。JIANG等[7]研發(fā)了使用有限頻譜的擴散成像微結構 參 數（imaging microstructural parameters using limited spectrally edited diffusion,IMPULSED）作為OGSE的后處理模型，它結合了多個低頻OGSE 測量和單個PGSE 采集，擴大了可研究的細胞d值范圍。

微結構成像通過建立數學模型，將MR 信號模型與多隔室模型通過優(yōu)化算法擬合，反映組織的微結構信息。OGSE 在擬合MR 信號時采用多隔室模型[8]，其中最常使用的是兩室模型，將組織分為隔室內和隔室外，忽略隔室間水交換以及血流灌注對信號衰減的影響。以細胞d值測量為例，由于現有的梯度系統(tǒng)的振蕩頻率不足以區(qū)分細胞內各細胞器的尺寸，常常將細胞假設為空心球體，dMRI信號S來源于細胞內和細胞外的信號之和，即S=Vin×Sin（d, Din, b）+（1-Vin）×Sex，Sin、Sex分別為細胞內、外每一體素對應的信號強度，Din為細胞內水分子擴散系數，常常被認為是固定的；b 為擴散加權因子，表示對擴散運動的敏感度，其大小取決于施加的擴散梯度的強度以及持續(xù)時間；其中，Sex=exp（-b×Dex）。研究表明，在低頻范圍內，Dex與f 近似呈線性相關，斜率定義為β；即Dex=Dex0+βf，Dex0代表無振蕩梯度時細胞外的平均擴散系數；因此模型的數學表達式為[9]：S=Vin×Sin（d, b）+（1-Vin）exp（-b×Dex0+βf）。除細胞的d值大小，ADC的時間依賴性改變也是微結構的重要指征，在描述測量微結構尺寸和組織異質性這兩個方面具有重要價值。

2 OGSE序列在腫瘤性病變的應用研究進展

2.1 OGSE在腫瘤性病變的臨床前研究進展

2.1.1 無創(chuàng)性表征腫瘤細胞的微結構特征

腫瘤細胞的d 值大小和細胞分布狀態(tài)是組織病理的重要形態(tài)特征，與腫瘤增殖狀態(tài)和病理分級相關。如細胞萎縮，d 值減小，提示腫瘤細胞凋亡；細胞增殖，d 值增大，提示腫瘤代謝活躍。低級別膠質瘤常由一群分布疏松的細胞組成，而高級別膠質瘤通常有一個或數個細胞分布密集的腫瘤核心區(qū)[10]。JIANG 等[7]使用IMPULSED 模型在體外測量腫瘤細胞d值，結果表明能夠準確地量化K562 細胞、MEL 這兩種腫瘤細胞分別在高密度、中密度和低密度的d 值、Vin以及抗腫瘤治療前后d 值的改變。在對人類結腸癌腫瘤細胞（DiFi、HCT116 和SW620）研究中也證實了IMPULSED模型對體外腫瘤細胞d值測量的準確性[11]。腫瘤細胞密度的差異有助于腫瘤的良惡性診斷。研究表明，OGSE 可以區(qū)分具有相同的密度但細胞核質比存在差異的組織[12]，這意味著OGSE 方法對細胞內部的變化更敏感。細胞核是細胞內的重要結構，其大小的測量被認為與腫瘤增殖能力相關，因此，OGSE成像具備評估腫瘤增殖狀態(tài)的影像標志物的能力。

大多數腫瘤是復雜的生態(tài)系統(tǒng)，在微環(huán)境的選擇下發(fā)生和演變，其中，微環(huán)境包括營養(yǎng)物質、代謝產物、免疫成分以及治療引起的瘤內改變。這種選擇促進了腫瘤組織和非腫瘤組織（如血管內皮、細胞外基質和免疫物質）的多樣化，最終導致了一定程度的腫瘤內異質性，促進腫瘤的進展和對治療的抵抗[13]。目前已有多種成像方式，如PET/CT（18F-FDG）示蹤劑顯像、MRI 功能成像、光熱成像等能表征腫瘤的異質性。COLVIN 等[14]在大鼠腦膠質瘤成像中發(fā)現OGSE 測得的ADC 值在腫瘤內部不同亞區(qū)有差異，且隨著施加振蕩頻率的升高，更多腫瘤亞區(qū)出現ADC 值差異。因此，OGSE成像能表征腫瘤內部的異質性，且成像無輻射損害、無須注射藥物，具備良好的應用前景。

2.1.2 評估腫瘤治療療效

腫瘤治療技術的發(fā)展給臨床成像帶來了新挑戰(zhàn)，如治療后改變與腫瘤假性進展的鑒別診斷[15]、療效的早期影像評估。強化的腫瘤體積的短暫增加可能被誤診為腫瘤進展，抗血管生成藥物治療后可能存在假性反應：由于血管正?；?，盡管MRI 顯示腫瘤水腫范圍縮小、強化程度下降，但腫瘤實際進展[16]。

在經過治療后，腫瘤單個細胞微結構的改變發(fā)生在腫瘤整體體積和密度改變之前。動物實驗研究表明OGSE能夠更早監(jiān)測早期治療反應。OGSE能測量由于放療和化療引起的小鼠腦膠質母細胞瘤細胞d值減小，通過ADC 值定量能夠有效區(qū)分正常腦組織、腫瘤生長區(qū)域、瘤內壞死區(qū)域和瘤周水腫區(qū)，各區(qū)域的分布與組織病理具有很好的一致性[17-19]。OGSE 對腫瘤早期治療反應監(jiān)測的敏感性在結腸癌動物實驗研究中得到了證實[20]。

免疫治療作為一種創(chuàng)新的治療方式，極大推動了腫瘤治療領域的發(fā)展[21-22]。免疫檢查點抑制劑細胞毒性T 淋巴細胞相關蛋白4（cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4, CTLA-4）和 程序性死亡受體1（programmed cell death protein 1, PD-1）先后被美國食品和藥物管理局批準為人體可用的藥物。免疫檢查點抑制劑進入人體后通過激活T細胞對腫瘤的免疫應答效應發(fā)揮抗腫瘤效應。JIANG 等[23]使用IMPULSED 模型在小鼠結腸腺癌（MC38）模型中研究抗PD-1 和抗CTLA-4 的聯合免疫檢查點阻斷的腫瘤反應，由于T 細胞小于結腸癌細胞，T細胞浸潤將導致瘤區(qū)平均細胞d值減小，結果顯示治療有反應組的瘤區(qū)平均細胞d 值明顯小于對照IgG 治療組和ICB 無反應組，與病理一致。T 細胞與腫瘤相關巨噬細胞的相互作用在評估腫瘤的治療反應和患者預后具有重要價值，HOFFMANN 等[24]在乳腺癌中證實通過測量癌細胞平均d值的變化，能夠反映治療前后腫瘤內T細胞、腫瘤相關巨噬細胞的浸潤情況。因此，可以通過IMPULSED 模型擬合細胞d 值來評估治療效果。

細胞凋亡是具有特定的形態(tài)學特征的細胞程序性死亡，往往以細胞皺縮為特征。監(jiān)測細胞凋亡能幫助評估腫瘤治療反應。生長旺盛的腫瘤區(qū)域內具有高密度的腫瘤細胞，水分子擴散受限。晚期凋亡區(qū)域主要由受損細胞、細胞碎片和壞死區(qū)域組成，共同特征為細胞密度減低、水分子擴散自由。JIANG 等[25]使用IMPULSED 模型計算的d 值及ADC 值的時間依賴性變化與細胞凋亡的形態(tài)學變化特征有強相關性。體外細胞實驗研究表明，OGSE能無創(chuàng)地進行AML-5細胞凋亡成像，并能區(qū)分細胞凋亡、壞死等細胞死亡狀態(tài)[26]。對腫瘤進行抗有絲分裂治療后，OGSE 能夠識別由于有絲分裂停滯導致的人卵巢癌細胞d值增大，而對于耐藥性腫瘤細胞沒有明顯變化[27]。

因此，使用IMPULSED 模型對OGSE 序列采集到的MR 信號進行擬合，得到的相關后處理參數：d、ADC 的時間依賴性能夠有效地早期監(jiān)測治療反應，用于精準評估腫瘤實質和瘤周水腫范圍、鑒別假性進展，輔助醫(yī)生制訂診療計劃。

2.2 腫瘤性病變的OGSE臨床研究進展

由于受限于梯度系統(tǒng)和較長的掃描時間，以前的研究以體外模型模擬、計算機模擬、細胞和動物成像為主，所使用的梯度系統(tǒng)強度常高于臨床使用的設備。近年來隨著梯度線圈系統(tǒng)硬件技術提升和研究序列的改進，OGSE逐步推廣應用于臨床研究領域。

XU 等[28]首先使用振蕩頻率高達50 Hz 的OGSE 利用IMPULSED 模型估計體內人乳腺癌細胞大小,得到d、Vin和Dex三個參數。經計算機模擬、體外細胞成像和動物體內成像驗證，IMPULSED 能夠可靠地測量乳腺癌細胞d值大小。BA等[29]進一步研究發(fā)現：乳腺癌患者中HER-2（+）和LN（+）組的d 值更大，PR（-）組的Vin更高，Dex更低，證明了使用基于OGSE的顯微結構特征區(qū)分乳腺癌中HER-2、PR、LN 免疫表型的可行性。IIMA 等[30-31]發(fā)現分別使用OGSE 和PGSE 序列獲得的ADC 值的差異可以鑒別頭頸和乳腺的良惡性腫瘤，其中相對ADC 值[（ADCOGSE-ADCPGSE）/ADCPGSE×100%]在鑒別良惡性腫瘤上表現更佳，可以更好地表征腫瘤內部異質性，在乳腺癌中與Ki-67 表達相關，可以提示預后相關的信息。WU 等[32]采取了更接近臨床使用的梯度強度（40～50 mT/m），研究OGSE在前列腺癌分級診斷中的研究價值。結果表明細胞密度、d、Dex、Vin以及不同振蕩頻率的ADC 值在不同級別前列腺癌中差異有統(tǒng)計學意義。相較于其他參數，細胞密度在區(qū)分良惡性前列腺結節(jié)、不同級別的前列腺癌方面更具有價值。MAEKAWA 等[33]發(fā)現相較于低級別腦膠質瘤，高級別腦膠質瘤內的ADC值的時間依賴性更強，提示OGSE有可能用于腦膠質瘤的分級診斷。ZHANG等[6]在兒童膠質細胞瘤中的研究發(fā)現，OGSE 在組織學分級和H3K27分子分型上具有很高的診斷性能，高級別膠質瘤Dex更低、細胞密度更高，d值更小，細胞密度具有最高的診斷效能。H3K27 突變型的膠質瘤的Dex、d 值明顯小于H3K27 野生型膠質瘤，細胞密度和Vin明顯升高，d 與Vin的組合診斷效能最好。在OGSE 對腦膜瘤、聽神經瘤和垂體腺瘤患者的鑒別診斷研究中，ADC 值在這三種顱內腫瘤中具有顯著性差異，因此ADC值的時間依賴性在顱內腫瘤的診斷中有價值[34]。

惡性腫瘤具有侵襲性、容易轉移和復發(fā)的特點，因此早期診斷和評估療效對腫瘤病變的精準治療、延長患者生存時間至關重要。OGSE 未來有望成為腫瘤性病變的精準診斷、療效預測和隨訪量化腫瘤微結構信息的重要無償性影像方法。

3 中樞神經系統(tǒng)軸突測量的研究進展

神經系統(tǒng)疾病多伴有軸突的損傷，例如腦腫瘤侵犯白質纖維束、神經退行性疾病中白質脫髓鞘、腦創(chuàng)傷中軸索損傷等。軸突結構的完整性與白質功能狀態(tài)相關。探測軸突結構的改變對于神經疾病的診斷與療效監(jiān)測具有重要意義。目前有多種基于PGSE的MR 擴散序列用于軸突直徑的測量[35-36]。PGSE 僅能測量大軸突的d值，而小軸突在神經連接處、U纖維等部位廣泛存在，且這些部位在神經疾病發(fā)生和進展中有重要意義。

OGSE 能測量軸突內水分子徑向擴散速率（D⊥）的時間依賴性[37]，通過改變振蕩頻率實現短的擴散時間，對1～2 μm d 值的小軸突敏感[38-39]。通常情況下使用非滲透性相互平行的圓柱體模型進行建模分析，而在體內實際組織中，軸突的分布并非嚴格地相互平行，而是分散在多個方向上。在軸突取向分散的情況下，低頻OGSE 在軸突d 值測量方面比PGSE 更準確[40-41]，且低頻OGSE能在不降低圖像質量的前提下縮短掃描時間[42]，更有利于臨床推廣。TéTREAULT 等[43]使用DTI 探究人胼胝體軸突直徑與年齡和性別的關聯，研究發(fā)現ADC 的時間依賴性與軸突d 值相關，胼胝體膝部和壓部的軸突比體部軸突d值更大，男性比女性在胼胝體膝部軸突的d值更大。此外，女性隨著年齡的增長軸突d值增加，說明小軸突數量的減少可能參與軸突的退變過程。HARKINS 等[44]研究發(fā)現，水分子徑向擴散速率的時間變化率（△D⊥）可以用來作為度量軸突d 值的指標，其不受軸突外體積分數、軸突d值異質性分布和軸突內外水交換的影響，且軸內外區(qū)域的擴散信號對于ADC 值的影響和其所在區(qū)域的軸突d 值的大小分布相關，這與先前的發(fā)現相一致[38]?？傊肙GSE 的短擴散時間優(yōu)勢，小d 值軸突的測量更為可行。它克服了PGSE采集時間長的限制，也不需要復雜的分析模型。目前，關于對軸突測量的研究集中在胼胝體和脊髓，這是由于這些部位具有相對簡單的軸突d值分布，便于建模研究。由于人體內軸突大小及走行方向的多樣性，未來應該建立更為復雜精確的模型，在更大的人群中深入研究人軸突的大小及分布特征，這對臨床神經系統(tǒng)疾病的診斷和治療評價有重要意義。

4 OGSE目前存在的限度

盡管多項研究表明OGSE具有描述微觀結構異質性和測量微結構尺寸上的能力，但OGSE 的臨床應用仍然處于起步階段。其主要限度包含以下幾個方面：第一，對梯度系統(tǒng)的要求。臨床梯度條件下振蕩頻率受到限制，開發(fā)更為先進的臨床可用梯度系統(tǒng)或改進序列的設計能夠使OGSE應用到更多臨床疾病研究中。第二，擴散測量的結果需要構建合適的生物物理模型來探究其臨床意義。目前，多數研究構建細胞外和細胞內的兩室模型，忽略細胞膜的通透性，這會使得細胞內體積分數的測量值偏小[45]，應該根據研究目的建立適當的生物物理模型，最大程度地模擬病理生理機制。最后，在確定的硬件系統(tǒng)和模型構建時，如何對擴散數據進行解讀也尤為重要。目前已將擴散參數如細胞內體積分數、細胞密度、細胞外擴散系數和ADC 的時間依賴性與病理結果進行對照，未來可以基于深度學習的算法，這可能為臨床疾病的診斷和治療帶來新的指導意義。

5 總結與展望

總之，OGSE 序列以擴散的時間依賴性為突破點，得到d、Vin、細胞密度等微結構特征。目前，該技術已經能夠適應臨床可用的梯度系統(tǒng)，掃描時間也已大大縮短，初步的臨床研究已在腦腫瘤、頭頸、乳腺腫瘤等腫瘤性病變、胼胝體和脊髓等軸突病變中開展探索，展現出較為肯定的應用價值。微結構成像的重要意義在于實現非侵入性的“數字化活檢”，輔助疾病診斷，指導醫(yī)生治療，隨訪監(jiān)測和預測治療反應。隨著更先進的硬件設備的研發(fā)、更加優(yōu)化的序列設計以及大樣本前瞻性研究的逐步開展，OGSE 將不斷發(fā)展成熟，在更多的病種的診斷、治療療效監(jiān)測及預后評估中提供更多、更全面的信息[46-50]。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：汪晶設計本研究的方案，對稿件重要內容進行了修改，獲得湖北省自然科學基金資助；張新利起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數據。全體作者同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。