CN1012997B - 采用核磁共振进行癌症检测的装置 - Google Patents
采用核磁共振进行癌症检测的装置Info
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Abstract
所公开的是一个用核磁共振检测癌症的装置，具体说，确定出脂的甲基和/或亚甲基质子核磁共振参数并将其与健康人的对应值相比较。在优选实施方案中采用一个核磁共振仪结合傅立叶变换器以产生血液、血清或血浆中非水成份的共振谱，从中测出半高处的甲基和/或亚甲基的线宽，由此确定自旋驰豫时间T2，将其用做与健康对照相比较的参数。必要时可进行水质子信号的抑制以获得非水成份的适当质子谱。
Description
本发明涉及一种检测病人活体内癌症的诊断装置。
在先有技术中利用核磁共振（NMR）技术来协助达到癌症的临床诊断的偿试是人所共知的。
Damadian首先提出了核磁共振（NMR）的医学应用，这是用于恶性肿瘤的检测，参见R.Damadian的“用核磁共振检测肿瘤”科学杂志171：1151-1153（1971）（“Tumor Detection by Nuclear Magnetic Resonance”，Science）。授予Damadian的3，789，832号美国专利中包括一种将核磁共振应用到外科切除的样本上的装置和方法，以此来测量质子驰豫时间T1和T2，通过与健康组织的值相比较，这些测量值被用作癌症的指标。授予Damadion的4，411，270和4，354，499号美国专利中包括用整体样本的核磁共振成像和扫描来检测癌症的装置和方法。
其他一些研究人员也报导了带肿瘤动物的器官中水质子的核磁共振弛豫时间（T1）比健康动物的器官中水结构的相应T1值要高。参见Frey等人在J.Natl.Cancer Inst.杂志49，903（1972）;Inch等人在J.Natl.Cancer Inst.杂志52，353（1974）;Iijima等人在Physiol.Chem and Physics杂志5，431（1973）以及Hazlewood等人在J.Natl.Cancer Inst.杂志52，1849（1974）的有关报导。
目前，尽管详细机制尚不明确，人们都知道在恶变细胞中发生的生物物理变化经常导致质子核磁共振信号的改变。参见D.G.Taylor等人的“简评生物组织的磁共振响应及其对核磁共振辐射诊断癌症的应用”。Computed Tomography杂志，5，122-133（1981）。这样变化构成了用质子核磁共振成像检测肿瘤的物理基础，参见R.Zimmerman等人的“脑核磁共振：由具有阻抗核磁共振的部分饱合技术进行的脑肿瘤诊断评价”，Neuroradiology杂志27：9-15（1985），和K.Ohtomo的“肝肿瘤：用磁共振成像的横向驰豫时间（T2）进行鉴别”，Radiology杂志，155：421-423（1985）。然而，由于操作和经济的因素，核磁共振成像不大可能被广泛地应用于恶性肿瘤的筛选试验。
对从试验动物和病人身上切除的肿瘤以及血浆和血清的质子核磁共振的研究经常表明驰豫参数T1、T2和T＊ 2作为恶性度函数的差值。这样的发现已由以下人员予以报导：
L.Mclachlan，“癌症导致人血浆质子NMR驰豫速率的下降”Phys.Med.Biol 25：309-315（1980）;
F.Smith等人的：“胰脏的核磁共振成像”，Radiology 142：677-680（1982）;
P.Beall等人的“升高的组织和血清驰豫时间对患癌症的动物和人体内水的系统作用”《NMR基本原理和进展》P.Diehl等人，19：39-57（1981）;
R.Floyd.“在发展腹水肿瘤的鼠体内组织水质子自施-晶格驰豫的时间历程”Cancer Res 34：89-91（1974）;
C.Hazelwood等人“带肿瘤与不带肿瘤鼠的组织内水和作用与质子核磁共振驰豫时间之间的关系;和
R.Klimek等人“以自身组织的消耗结构来解释肿瘤的核磁共振驰豫时间，以及用NMR共轭成像对其进行研究”Ginekol P Pol 52：493-502（1981）。
然而，由于组间的广泛重叠和组均数间的微小差别，这些方法在临床并不实用。
尽管上述绝大多数先有技术描述了NMR对组织分析的应用，但将体液接受这种分析也已为人所知。例如，这已由以上的Beall等人描述过。
以上先有技术中的研究和方法，以及先有技术中检测恶性肿瘤的所有其它NMR方法均依赖于对从组织中或从样本内取出的血液中全部质子所产生的复合NMR信号的观察。这一复合信号以水质子为主，掩蔽了来自样本的其它含质子成份的NMR信号。确实，在先有技术中相信。恶性肿瘤与所观察的NMR参数变化之间显著的相互关系是由于“水结构的变化”，（引自以上的Frey等人）。
在质子NMR谱线法的其它应用中，人们知道应抑制来自样本中溶剂（如水）的信号。
目前，尚未发展一种可靠的，统计学上明确的NMR方法来诊断病人活体内存在的癌症。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于诊断病人活体内存在的癌症的装置。
另一个目的是提供这样一种装置，它可作用于从病人体内取出的一个体液样本。
本发明的再一个目的是以可达到上述目的的方式应用NMR共振仪。
通过阅读本发明的以下说明，本领域内的熟练人员将能了解本发明的上述的和其它的目的及特征。
本发明起自这样的认识，即，具有有意义的预定值的NMR谱线的部分可以被样本中的其它成份掩蔽掉。通过消除掩蔽（如消除水的信号）以前被掩蔽掉的这些谱线部分即被揭示出来。
根据本发明，用核磁共振仪作用于一个病人的体液样本以产生一个核磁共振谱线。选择由样本的非水成份产生的一条共振线，并在（例如）其高度的一半处测量该共振线的整个宽度，已证明如此测量的整个宽度是病人体内存在或不存在癌症的一个统计学上可靠的测量。
在一个优选实施方案中提供了用于存储一个预定值或预定值范围的装置，这些值与不存在癌症的个体相关。还提供了将测量的线宽与存储的值或取值范围相比较的装置。
在优选实施方案中，该体液是指血液，脊液或骨髓浆;血液是特别适用。所感兴趣的成份是脂，并最好是脂蛋白脂的甲基和亚甲基;而水的信号则被抑制掉以使所感兴趣成份的共振线更加显著。
在附图中：
图1是一个健康对照的血浆样本中非水成份的典型NMR谱线，其中心是在360MHz，是用根据本发明的装置而获得;
图2是获得图1谱线的同一血浆样本的NMR谱线，采用了相同的设备和脉冲频率，只是未进行水抑制（Water suppression）;
图3是图1中甲基和亚甲基区的一个扩展图;
图4类似于图3，但它取自一个未经治疗的恶性肿瘤患者;和
图5示意性地示出根据本发明的装置。
由人血浆获得的水抑制质子NMR谱线是以血浆脂蛋白脂的共振为主。没有水抑制，这些非水的共振会被水严重地掩盖，在强磁场中，即使有水共振的存在，经过信号平均也可观察到一些与非水体液成分相连基团的共振。然而，现代NMR共振仪能够几乎全部抑制掉水质子的共振，这就便于实施本发明。经水抑制的血浆质子NMR谱线基本上就是血浆脂蛋白和水数低分子量分子的谱线。血浆蛋白的质子很不清楚，因为它们包括一个未分解共振的宽痕迹。更加活动的脂蛋白质子的尖锐共振是叠加在这一宽背景之上。
图1示出一个健康对照的水抑制质子谱线，而图2示出同一样本没有水抑制的质子谱线，图2中水的平头共振谱线标记为A，在2和3ppm（共振频率的百万分之一）之间的共振线是出自脂蛋白脂的甲基和亚甲基。图3中示出一个正常对照的质子谱线在这一区域的放大图，而图4中是一个未经治疗的恶性肿瘤患者。因此，在本发明的优选实施方案中利用了一些常规的水抑制技术之一，即，抑制水质子NMR信号的技术。在其它场合已经设计了抑制水质子NMR信号的多种技术。它们可以大致分为两类：（1）那些旨在不激发水质子信号的技术，如快速扫描关联谱线法和选择性激发技术;（2）在施加观察射频（kf）脉冲时将水质子磁化安排为极小的技术：如反转恢复技术和饱合技术。这些以及其它溶剂抑制技术由P.J.Hore在“傅立叶变换核磁共振中的溶剂抑制”一文中说明，参见Journal of Magnetic Resonance 55，283-300（1983）以及在其脚标中的参考文献。在本发明中优先选择利用水抑制技术是取决于在区分溶剂质子信号和所感兴趣基团的信号时对装置的限制。因此，一个有足够灵敏度的装置将无须进行水抑制。
在本发明的一个优选实施方案中，与血浆脂蛋白的脂相连的基团（如甲基和亚甲基）共振的半高处的线宽被用作所感兴趣的变量。NMR共振谱线在半高处的整个宽度W1/2（线宽）与显著的自旋驰豫时间（T＊ 2）成反比，即：W1/2＝（1/πT＊ 2）。
本发明的装置作用于任何含脂的体液，如血液、脊液或骨髓。可采用全血、血清或血浆。尽管该项化验可对任何含脂体液进行，但目前的工作是集中于全血、血清和血浆。在血液中，脂类（包括胆固醇、甘油三酸脂和磷脂）是以脂蛋白的形式存在。癌症的化验一般在试管中进行，最好是用血清或血浆。
将一个可疑患者或其它癌症筛选人员的选定体液置于磁场和射频能量之中以产生一个核磁共振信号，然后处理该信号以获得脂的甲基和/或亚甲基质子的选定参数的一个值，如W1/2。可以采用一个相对较宽范围的质子频率，如60MHz或更高，最好是200-400MHz。
然后将选定参数的检测值与健康对照的相应值进行比较。在一优选实施方案中，将甲基和亚甲基的值求平均，将33Hz或更少的平均值（在360MHz（8.45T）或400MHz（9.40T）质子频率）作为恶性肿瘤的指标。
任何常规的现代NMR共振仪都可用于实施本发明。在一优选实施方案中采用了具有恒定场强磁铁的NMR共振仪并将NMR信号经傅立叶变换，用甲基和亚甲基质子共振在半高处的整个宽度作为所感兴趣的NMR参数。
本发明提供了未经治疗的恶性肿瘤患者，恶性肿瘤接受治疗的患者，良性肿瘤患者，怀孕妇女和对照组之间血浆蛋白脂谱线宽度测量的统计学和临床上有意义的差别。
以下实例用于进一步的说明本发明的一个优选实施方案。
血液样本取自215位个人。六位患者由于无法取得足够的记录而被取消。所报导的数据是余下的209人，除了血浆NMR测量外，对大多数样本测了HDL胆固醇水平。正常对照样本取自明显健康的医院工作人员，所选患者中既有住院病人也有门诊病人。在几次机会中通过对某日所有手术前病人的血液样本进行回溯，盲目地选择了具有未经
治疗的恶性肿瘤的病人，良性肿瘤病人以及一些可由外科校正的情况的病人。对并非恶性肿瘤疾病的患者也进行了研究以确定特定的疾患对NMR测量的作用。特别寻找了具有高细胞更新情况的患者（溃疡性结肠炎，牛皮癣，怀孕），代谢紊乱患者（肾衰竭，肝衰竭，甲状腺机能亢进，糖尿病）或恶病质和重症患者。参照临床和病理诊断，由临床及放射检查证明的疾病程度，以及试验室化验和试验治疗来详细观察每一病人的病程，以此为基础将病人分为表1所示的六组。
将血液收集到含有EDTA的Vacutainer试管中，有些情况下也取得柠檬酸样本用于同EDTA样本比较。同样也可使用肝素或其它抗凝剂以防血液凝为非液体的形式。然后每一样本经离心分离出红细胞，将表层浮的血浆取出用于NMR分析。
在360MHz或400MHz的射频脉冲处，用Bruker AM脉冲傅立叶变换共振仪和5mM OD质子探头获得质子NMR谱线，所有样本均在5mmOD试管中制备，在大多数情况下有最少0.4ml血浆。水抑制是由预饱合来实现，在90°观察脉冲之前将离散射频功率施加到水共振的位置上过六秒钟。将十六个自由感应的衰变进行信号平均，所求出的自由感应衰变经傅立叶变换求出一条如图1所示的谱线，脂肪区（0-2ppm）的扩大图被标为虚线并测出甲基（线C）和亚甲基（线B）共振在半高处的整个宽度W1/2。这两个值W1/2（B）和W1/2（C）的平均值以赫芝为单位作为指示参数。在8.45T（360MHz）与9.40T（400MHz）之间未发现明显差别，为了与以往的方法相比较来分析这些结果，有足够血浆量（0.8ml）的样本的T1值用标准倒相恢复脉冲序列在一台IBM mini-specPC-20型NMR共振仪中确定。在20MHz频率处观察到复合质子信号，如此为六组病人的每一组所获得的数据归纳在下一页的表1中。见文后
在实验中，线宽测量将检测出最小1Hz的变化，在对同一样本的多元判定中表示为差值的测量复验性也是1Hz。
在以下的表2-5中给出了肿瘤或疾病类型连同每一类型的线宽范围。表见文后
实验数据（表1-5）表明了第一组和第二组之间的显著性差别（P＜0.0001）。该数据证明脂蛋白脂的线宽在患有未控制的扩散性疾病的病人与正常对照之间进行了区分。这一结果与先有技术中已经报导的与试图识别恶性肿瘤病人有关的不同测量形成对照。先有技术中的两种方法是血浆高密度脂蛋白（HDL）胆固醇水平和血浆的全部质子谱的核磁共振自旋-晶格驰豫参数T1。表1示出，对第二组有一个T1平均值的小增加，但该组却和对照组之间有一个显著的重叠，病人的69%的T1值是在正常平均值的一个标准离差之内，而96%是在两个标准离差之内。因此，测量全部血浆质子的T1已表明无助于恶性肿瘤的诊断。与此类似，显然在第二组中HDL胆固醇平均值下降，但与对照组的重叠过大使其不能用于诊断。
与第一组相比，良性肿瘤（第三组）病人和恶性肿瘤之外其它疾病的病人（第四组）的平均脂蛋白线宽有一个小的下降（0.02＜P＜0.05）。第三和第四组均明显地区别与第二组（P＜0.0001）。然而，怀孕妇女（第五组）与第二组之间有着显著的重叠（P＞0.05）。第六组在临床上是最混杂的，并且具有最大的线宽值范围。
已发现线宽测量对恶性肿瘤可进行诊断，但不能诊断出肿瘤的类型或肿瘤的程度（表2）。
第三组的病人由活组织检查报告证实全都患有良性肿瘤。这些病人的取样平均线宽是在活组织检查前很短时间内取得，它低于正常的健康成人的平均值，将第二组和第三组的病人相比较，并将良性肿瘤与恶性肿瘤配对表明两组间的线宽测量是有区别的（表3）（P＜0.0001）。一位高年的良性前列腺肥大病人是唯一的例外，这就产生这位病人有一个小的未检测到的恶性肿瘤病灶的可能性。
第四组病人选自非肿瘤疾病并包括多种多样的疾患（表4）。这些人员中包括从轻到严重的疾病，重点是在严重疾病。这一组被特别设计为包括高龄病人和营养状况不良的病人，急性感染。肾衰竭、内分泌失调，或扩散性非肿瘤疾病（如：红细胞增多，溃疡性结肠炎，牛皮癣）。选择这些病人的目的是要确定在没有临床或病理的恶性肿瘤证据时，严重疾病本身是否会引起线宽测量与恶性肿瘤病人相同，结果表明严重疾病或扩散性疾病本身并不产生可与恶性肿瘤相比的脂蛋白线宽的变化。然而，已经观察到这组病人的平均线宽值低于对照组（0.02＜P＜0.05）。46个病个中有18个，其中包括急性心肌梗死，溃疡性结肠炎，红细胞增多症，以
及骨髓纤维变性的病人，他们的值是在正常均数的两个标准离差之内，而其他的人则略低一些，然而，在这一组中只有一位病人（线宽等于33Hz）与第二组的恶性肿瘤病人重叠。这位是男性，28岁，患有脐疝。
对一小组孕妇也作了研究（第五组）。选择这些病人的道理是：如果对恶性肿瘤观察到的变化反映了迅速的扩散性生长，那么孕妇的值应处于良性与恶性肿瘤病人之间，结果表明这一假设是正确的。样本取自五位足月妇女，两位第三期开始时的妇女，三位第二期的妇女和两位第一期的妇女。如同肿瘤病人，单独一个样本不反映胎儿大小，但确实表明了生长活动。
第六组包括各种各样正在接受或近期内（小于6个月）刚完成治疗的肿瘤病人，对他们来说，确定对治疗的反应还为时过早。这一组也包括了最大的线宽测量范围，这正如所预料的一样（表5），尽管结果暗示着治疗过程中单个肿瘤病人脂蛋白线宽的变化可反映对该病人的治疗效果。这样，一系列的测量可反映出病人对治疗的反应。
现参见图5，所示为一个核磁共振仪2，在优选实施方案中该共振仪能够产生质子核磁共振谱，并且它最好是但并非必须是能够抑制水的NMR信号。共振仪2用于检查样本4，在这个实例中该样本是盛在试管6中的人血浆。
根据本发明，共振仪2还包括装置8，用于从样本4的核磁共振谱中选择至少一个但最好是多个（如两个）NMR共振线并测量所选共振线的线宽。最好该线宽是在其高度一半处进行测量，但并非必须如此，线宽也可在该线高度的一个预定比例处测量。最好用线高一半处测量因为这是在NMR谱线领域内进行的一个标准测量。
共振仪2具有常规的结构，并在其所有其它结构之外另外包括一个装置10，用于存储一个值或一个取值范围，在优选实施方案中，由直接测量得出或从多次直接测量结果中导出的线宽与代表所期望的正常人（即没有癌症的人）的值或取值范围的一个值或取值范围相比较。根据本发明，共振仪2还包括装置12，用于将测量或导出的线宽根据存储的信息区分为正常（即没有癌症）或异常（即有癌症）。这可通过比较，相减或任何其它的适当数学运算来完成。
在优选实施方案中，选择和测量装置8被预先调整为测量脂蛋白脂的甲基和亚甲基的线宽。这可以通过抑制来自样本4的核磁共振谱中水的信号来完成，或者也可直接进行，这时共振仪要有足够的灵敏度。
在优选实施方案中，甲基和亚甲基的线宽经过平均以产生一个复合线宽，它是两者的数学平均数。然后最好将这复合线宽与33Hz相比较，这就是存储在装置10中的值。实际比较是由区分装置12来进行，当比较表明该复合线宽小于33Hz时，这就表明样本4不正常（有癌症）。
无须背离本发明的实质和基本特征，即可以其它的特定形式来实现本发明。因此，现有的实施方案在各个方面仅被用于说明，并不具有限制性，本发明的范围是由所附的权利要求书来指明而不取决于以上的说明。因此，任何在权利要求的等效物意义和范围内的变化都被认为已包括在其中。
表1
a.一位患者在治疗前进行了化验，但治疗后病情发展了。
b.四位患者也是在治疗前做的化验。
c.见正文的进一步评价。
注：总共有214位患者年龄组从20-91岁。
表2
第二组病人的肿瘤分布和线宽范围
主要肿瘤 数字 线宽范围
乳房 12 28.0-32.5
胃肠 8 23.0-33.5
（结肠、胃、胰癌）
淋巴 6 27.5-32.5
（扩散的组织细胞，分化不良的结）
白血病 9 25.5-31.0
（CLL，AMMOL，AML，CML）
泌尿生殖 12 22.0-33.0
（前列腺、膀胱、丸、肾细胞、卵巢、
子宫、畸胎癌）
肺 6 24.5-31.5
（腺癌、鳞状细胞癌、燕麦形细胞）
中枢神经系统 5 27.5-33.0
（神经肉瘤、脑膜瘤恶性胶质瘤）
头颈 2 31.0-31.5
其它 4 23.0-31.5
（黑素瘤、胸腺瘤间皮瘤，尤因氏肉瘤）
表3
第二组病人的肿瘤状况和线宽范围
肿瘤状况 数字 线宽范围
局部 21 23.0-33.0
局部侵润 14 22.0-31.5
转移 20 24.0-33.5
全身（白血病） 9 25.5-31.0
表4
第四组病人的疾病分布和线宽范围
疾病 数目 线宽范围
心血管 6 35.5-38.5
肺 2 39.0-41.5
矫形 4 36.5-41.5
胃肠 7 34.5-40.0
脓毒病 4 34.5-37.0
内分泌 3 35.0-37.5
肾 3 34.5-37.0
中枢神经系统 3 34.0-39.5
血液 4 36.0-40.5
泌尿生殖 5 34.0-43.0
其它 5 33.0-40.0
表5
第六组病人的肿瘤分布和线宽范围
原发肿瘤 数字 线宽范围
乳房 7 28.5-38.5
胃肠 1 30
淋巴 1 29.2
白血病 9 25-39
泌尿生殖 4 28-41
肺 2 31.33
中枢神经 1 34.5
头颈 1 34.5
内分泌 1 33.5
其它 1 39.5
Claims (13)
1、一种用于诊断病人活体内存在的癌症的装置，其特征在于该装置包括：
a)从病人的体液样本产生质子类型核磁共振谱的装置，该核磁共振谱中对水的信号进行了抑制；
b)从上述共振谱中选择一条共振线并在其高度的一个预定比例处测量上述共振线的宽度的装置；
c)数值存储装置；和
d)对测量的宽度进行处理以便与存储的值相比较，从而将测量的宽度区分为正常的宽度或不正常的宽度的装置。
2、权利要求1的装置，其进一步的特征在于：
所述质子共振的频率高于60MHz。
3、权利要求2的装置，其进一步的特征在于：
所述质子共振的频率是在200-400MHz的范围之内。
4、权利要求1的装置，其进一步的特征在于：
所述装置b）从所述共振谱中选择多条共振线并测量每一共振线的宽度;并且
所述装置d）对所测量的上述多个宽度进行处理以导出一个复合宽度，并将该复合宽度与存储值相比较从而将其区分为正常宽度或不正常宽度。
5、权利要求4的装置，其进一步的特征在于：
所述装置d）通常计算数学平均数求出该复合宽度。
6、权利要求4的装置，其进一步的特征在于：
所述多条共振线是两条。
7、权利要求1的装置，其进一步的特征在于：
所述装置b）从该样本的非水成份的共振谱中选择一条核磁共振线并在该共振线高度的一半处测量其整个宽度。
8、权利要求7的装置，其进一步的特征在于：
所述非水成份是脂。
9、权利要求8的装置，其进一步的特征在于：
所述体液样本是血液脊髓液或骨髓浆;
所述选定的共振线是来自脂蛋白脂的甲基和/或亚甲基。
10、权利要求1的装置，其进一步的特征在于：
所述装置c）存储了与未患癌症者的含脂体液中除水之外的某一成份相关的至少一个基团的至少一个核参数;和
所述装置a）从一位接受癌症检查的同类体液中产生核磁共振谱。
11、权利要求10的装置，其进一步的特征在于：
所述核参数是该基团的核磁共振线在高度一半处的整个宽度。
12、权利要求10的装置，其进一步的特征在于：
所述核参数是甲基和亚甲基质子共振线在其高度一半处的整个宽度的平均值。
13、权利要求10的装置，其进一步的特征在于：
所述核参数是显著自旋驰豫时间T2。
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