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动态增强磁共振成像(Dynamic Contrast-Enhanced MRI:DCE-MRI)是在注射磁共振对比剂前后连续采集磁共振图像,实时记录对比剂进入和排出肿瘤组织的动力学过程,因而能够用于观察肿瘤组织微血管生物学的特性。最近,DCE-MRI越来越广泛地用于肿瘤的多种治疗手段的疗效评估,区分肿瘤良恶性和恶性肿瘤分级。DCE-MRI方法分为定性、半定量和定量DCE-MRI,其中定量DCE-MRI通过严格的数学模型准确地计算出反映肿瘤组织微血管渗透性和其他生理功能的参数,是当前MRI领域的研究前沿,受到磁共振科学家的广泛关注。
定量乳腺DCE-MRI有助于比较患者在治疗前后肿瘤组织微血管的功能状态。定量分析临床采集的乳腺DCE-MKI数据还存在3个技术上的困难:1)很难从临床采集乳腺DCE-MRI中准确获得动脉输入函数(Arterial Input Function:AIF)-供血血管血浆中的对比剂浓度随时间变化的曲线;2)定量分析DCE-MRI需要有准确的组织的T1值,但是获得准确的T1值需要很长采集时间;3)受到噪声的影响,药物代谢动力学参数的估计容易有较大的误差。此外,使用定量DCE-MRI方法还要考虑临床实用性和校正的问题。目前一般通过两次注射对比剂分别采集T2*-加权和T1-加权的DCE-MRI得到定量灌注和药物代谢动力学参数。两次对比剂注射需要额外的医学成本和采集时间。而且从T1-加权DCE-MRI测量药物代谢动力学参数会受到T2*的影响,从T2*-加权DCE-MRI估计灌注参数也会受到T1的影响。
本论文的研究目标是:1)基于临床现有的乳腺和子宫DCE-MRI数据采集协议,建立定量DCE-MRI分析方法;2)针对现有方法的局限性和临床需要,提出新DCE-MRI方法,实现一次对比剂注射同时测量组织的定量灌注和药物代谢动力学参数。
本论文的主要贡献可以归纳为以下三点:
1.提出一种结合固定T1方法,模糊聚类分析(Fuzzy C-Means:FCM)方法和改进的参考区域(Reference Region:RR)模型的定量DCE-MRI方法(T1-FCM),避开了测量动脉输入函数和T1(0)的困难。计算机模拟结果证明,T1-FCM方法能比其他的方法更准确地得到药物代谢动力学参数。临床分析33位经穿刺病理证实的乳腺癌病人的新辅助化疗前和两个疗程之后DCE-MRI结果显示,新辅助化疗两个疗程前后Ktrans的改变在病理显著反应和非显著反应组之间存在显著性差异(p＜0.01),证明T1-FCM方法用于评估乳腺癌新辅助化疗的疗效是可行和有效的。
2.提出了一种用于定量分析临床常规采集子宫DCE-MRI数据的MRR-FCM方法。MRR-FCM方法首次考虑参考区域药物代谢动力学模型中血浆容积分数的影响。使用MRR-FCM方法分析6个经病理证实宫颈癌病人的子宫DCE-MRI数据,发现Ktrans在肿瘤区域的值显著(p＜0.01)高于正常组织的值。
3.发展了一种基于双回波采集的定量DCE-MRI方法。这种方法能通过一次对比剂注射同时测量组织的定量灌注和药物代谢动力学参数,而且校正了从T1-加权DCE-MRI图像中估计药物代谢动力学参数的T2*效应和从T2*-加权DCE-MRI图像中得到灌注参数的T1影响。同时使用FCM方法提高从扩展Toft模型估计药物代谢动力学参数的准确度和精确度。动物实验结果证明了该方法的可行性和有效性。比较经过和未经T2*校正的定量T1-加权DCE-MRI分析结果发现,肿瘤区域的Ktrans估计受T2*的影响比正常区域更大。计算机模拟结果证明FCM能提高从扩展Toft模型估计药物代谢动力学参数估计的准确度和精确度。