張新利，汪晶*

0 前言

腫瘤性病變與神經(jīng)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(jié)構(gòu)特征的改變及神經(jīng)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(dāng)前最有前景的生物組織微結(jié)構(gòu)成像方法之一，在腫瘤、神經(jīng)成像中取得了極大的進步[1]。傳統(tǒng)dMRI如擴散加權(quán)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(jié)構(gòu)尺寸。微結(jié)構(gòu)成像是在傳統(tǒng)dMRI基礎(chǔ)上發(fā)展來的新技術(shù)，旨在獲取組織微結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)，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(shù)（apparent diffusion coefficient, ADC）的時間依賴性。通過建立數(shù)學(xué)模型，可以測得細胞直徑（diameter, d）、細胞外水分子擴散系數(shù)（extracellular water molecular diffusion coefficient, Dex）、細胞內(nèi)水分子體積分數(shù)（intracellular water molecular volume fraction,Vin）、細胞密度等微結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)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(yīng)用于神經(jīng)軸突測量相關(guān)的研究中。本文就OGSE 在腫瘤及神經(jīng)軸突中的研究進展進行綜述，以對相關(guān)疾病的診斷、診療規(guī)劃和預(yù)后評估等提供依據(jù)和參考。

1 OGSE的出現(xiàn)與原理

微結(jié)構(gòu)成像是在傳統(tǒng)dMRI基礎(chǔ)上發(fā)展來的新技術(shù)，能提供軸突直徑及方向、復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)、神經(jīng)軸突特征等更具體的微結(jié)構(gòu)信息[3]。目前，微結(jié)構(gòu)成像多使用PGSE進行。由于醫(yī)用人體設(shè)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(shù)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(shù)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(dāng)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(xiàn)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(nèi)更細微的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) 參 數(shù)（imaging microstructural parameters using limited spectrally edited diffusion,IMPULSED）作為OGSE的后處理模型，它結(jié)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(jié)構(gòu)成像通過建立數(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(xiàn)有的梯度系統(tǒng)的振蕩頻率不足以區(qū)分細胞內(nèi)各細胞器的尺寸，常常將細胞假設(shè)為空心球體，dMRI信號S來源于細胞內(nèi)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(nèi)、外每一體素對應(yīng)的信號強度，Din為細胞內(nèi)水分子擴散系數(shù)，常常被認為是固定的；b 為擴散加權(quán)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(nèi)，Dex與f 近似呈線性相關(guān)，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(shù)；因此模型的數(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)的重要指征，在描述測量微結(jié)構(gòu)尺寸和組織異質(zhì)性這兩個方面具有重要價值。

2 OGSE序列在腫瘤性病變的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)。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(zhì)瘤常由一群分布疏松的細胞組成，而高級別膠質(zhì)瘤通常有一個或數(shù)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(jié)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(jié)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(zhì)比存在差異的組織[12]，這意味著OGSE 方法對細胞內(nèi)部的變化更敏感。細胞核是細胞內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)，其大小的測量被認為與腫瘤增殖能力相關(guān)，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(shù)腫瘤是復(fù)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(zhì)、代謝產(chǎn)物、免疫成分以及治療引起的瘤內(nèi)改變。這種選擇促進了腫瘤組織和非腫瘤組織（如血管內(nèi)皮、細胞外基質(zhì)和免疫物質(zhì)）的多樣化，最終導(dǎo)致了一定程度的腫瘤內(nèi)異質(zhì)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(zhì)性。COLVIN 等[14]在大鼠腦膠質(zhì)瘤成像中發(fā)現(xiàn)OGSE 測得的ADC 值在腫瘤內(nèi)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(xiàn)ADC 值差異。因此，OGSE成像能表征腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性，且成像無輻射損害、無須注射藥物，具備良好的應(yīng)用前景。

2.1.2 評估腫瘤治療療效

腫瘤治療技術(shù)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(yīng)：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(jīng)過治療后，腫瘤單個細胞微結(jié)構(gòu)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(yīng)。OGSE能測量由于放療和化療引起的小鼠腦膠質(zhì)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(nèi)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(yīng)監(jiān)測的敏感性在結(jié)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(lǐng)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(guān)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(yīng)答效應(yīng)發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)。JIANG 等[23]使用IMPULSED 模型在小鼠結(jié)腸腺癌（MC38）模型中研究抗PD-1 和抗CTLA-4 的聯(lián)合免疫檢查點阻斷的腫瘤反應(yīng)，由于T 細胞小于結(jié)腸癌細胞，T細胞浸潤將導(dǎo)致瘤區(qū)平均細胞d值減小，結(jié)果顯示治療有反應(yīng)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(yīng)組，與病理一致。T 細胞與腫瘤相關(guān)巨噬細胞的相互作用在評估腫瘤的治療反應(yīng)和患者預(yù)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(nèi)T細胞、腫瘤相關(guān)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(xué)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(yīng)。生長旺盛的腫瘤區(qū)域內(nèi)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(xué)變化特征有強相關(guān)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(dǎo)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(guān)后處理參數(shù)：d、ADC 的時間依賴性能夠有效地早期監(jiān)測治療反應(yīng)，用于精準評估腫瘤實質(zhì)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(shè)備。近年來隨著梯度線圈系統(tǒng)硬件技術(shù)提升和研究序列的改進，OGSE逐步推廣應(yīng)用于臨床研究領(lǐng)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(nèi)人乳腺癌細胞大小,得到d、Vin和Dex三個參數(shù)。經(jīng)計算機模擬、體外細胞成像和動物體內(nèi)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(xiàn)：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(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)更佳，可以更好地表征腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性，在乳腺癌中與Ki-67 表達相關(guān)，可以提示預(yù)后相關(guān)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(jié)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(xué)意義。相較于其他參數(shù)，細胞密度在區(qū)分良惡性前列腺結(jié)節(jié)、不同級別的前列腺癌方面更具有價值。MAEKAWA 等[33]發(fā)現(xiàn)相較于低級別腦膠質(zhì)瘤，高級別腦膠質(zhì)瘤內(nèi)的ADC值的時間依賴性更強，提示OGSE有可能用于腦膠質(zhì)瘤的分級診斷。ZHANG等[6]在兒童膠質(zhì)細胞瘤中的研究發(fā)現(xiàn)，OGSE 在組織學(xué)分級和H3K27分子分型上具有很高的診斷性能，高級別膠質(zhì)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(zhì)瘤的Dex、d 值明顯小于H3K27 野生型膠質(zhì)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(jīng)瘤和垂體腺瘤患者的鑒別診斷研究中，ADC 值在這三種顱內(nèi)腫瘤中具有顯著性差異，因此ADC值的時間依賴性在顱內(nèi)腫瘤的診斷中有價值[34]。

惡性腫瘤具有侵襲性、容易轉(zhuǎn)移和復(fù)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(guān)重要。OGSE 未來有望成為腫瘤性病變的精準診斷、療效預(yù)測和隨訪量化腫瘤微結(jié)構(gòu)信息的重要無償性影像方法。

3 中樞神經(jīng)系統(tǒng)軸突測量的研究進展

神經(jīng)系統(tǒng)疾病多伴有軸突的損傷，例如腦腫瘤侵犯白質(zhì)纖維束、神經(jīng)退行性疾病中白質(zhì)脫髓鞘、腦創(chuàng)傷中軸索損傷等。軸突結(jié)構(gòu)的完整性與白質(zhì)功能狀態(tài)相關(guān)。探測軸突結(jié)構(gòu)的改變對于神經(jīng)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(jīng)連接處、U纖維等部位廣泛存在，且這些部位在神經(jīng)疾病發(fā)生和進展中有重要意義。

OGSE 能測量軸突內(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(zhì)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(guān)聯(lián)，研究發(fā)現(xiàn)ADC 的時間依賴性與軸突d 值相關(guān)，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(shù)量的減少可能參與軸突的退變過程。HARKINS 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，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(shù)、軸突d值異質(zhì)性分布和軸突內(nèi)外水交換的影響，且軸內(nèi)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(guān)，這與先前的發(fā)現(xiàn)相一致[38]?？傊?，利用OGSE 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(fù)雜的分析模型。目前，關(guān)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(nèi)軸突大小及走行方向的多樣性，未來應(yīng)該建立更為復(fù)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(jīng)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(jié)構(gòu)異質(zhì)性和測量微結(jié)構(gòu)尺寸上的能力，但OGSE 的臨床應(yīng)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(shè)計能夠使OGSE應(yīng)用到更多臨床疾病研究中。第二，擴散測量的結(jié)果需要構(gòu)建合適的生物物理模型來探究其臨床意義。目前，多數(shù)研究構(gòu)建細胞外和細胞內(nèi)的兩室模型，忽略細胞膜的通透性，這會使得細胞內(nèi)體積分數(shù)的測量值偏小[45]，應(yīng)該根據(jù)研究目的建立適當(dāng)?shù)纳镂锢砟Ｐ?，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(gòu)建時，如何對擴散數(shù)據(jù)進行解讀也尤為重要。目前已將擴散參數(shù)如細胞內(nèi)體積分數(shù)、細胞密度、細胞外擴散系數(shù)和ADC 的時間依賴性與病理結(jié)果進行對照，未來可以基于深度學(xué)習(xí)的算法，這可能為臨床疾病的診斷和治療帶來新的指導(dǎo)意義。

5 總結(jié)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(jié)構(gòu)特征。目前，該技術(shù)已經(jīng)能夠適應(yīng)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(xiàn)出較為肯定的應(yīng)用價值。微結(jié)構(gòu)成像的重要意義在于實現(xiàn)非侵入性的“數(shù)字化活檢”，輔助疾病診斷，指導(dǎo)醫(yī)生治療，隨訪監(jiān)測和預(yù)測治療反應(yīng)。隨著更先進的硬件設(shè)備的研發(fā)、更加優(yōu)化的序列設(shè)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(yù)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(shè)計本研究的方案，對稿件重要內(nèi)容進行了修改，獲得湖北省自然科學(xué)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(shù)據(jù)。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(zé)，確保本研究的準確性和誠信。