CT紋理分析在消化系統(tǒng)惡性腫瘤中的應(yīng)用進(jìn)展

， ， ， ，宏偉，

(川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院放射科，四川 南充 637000)

據(jù)2015年中國惡性腫瘤死亡率流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果，肺癌、肝癌、胃癌、食管癌和結(jié)直腸癌是我國死亡率最高的5種惡性腫瘤[1]，其中4種為消化系統(tǒng)惡性腫瘤。消化系統(tǒng)惡性腫瘤在我國的發(fā)病率和死亡率均較高，但其早期診斷、療效評(píng)價(jià)和預(yù)后評(píng)估仍然是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界的難題。紋理分析有別于既往基于形態(tài)學(xué)研究的技術(shù)，可作為影像生物學(xué)標(biāo)記，用于鑒別不同疾病、預(yù)測治療效果及評(píng)估患者預(yù)后等[2]。目前紋理分析技術(shù)已應(yīng)用于分析CT、MRI、PET/CT等多種影像學(xué)資料[3]。CT因其空間分辨率高、檢查費(fèi)用相對(duì)低等優(yōu)勢，成為目前腫瘤檢查的主要方法之一。CT紋理分析(CT texture analysis， CTTA)是一項(xiàng)新的CT圖像后處理技術(shù)，也是影像組學(xué)的新興領(lǐng)域，其在惡性腫瘤中的應(yīng)用備受關(guān)注。本文對(duì)CTTA在消化系統(tǒng)惡性腫瘤中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 CTTA應(yīng)用于惡性腫瘤的原理

異質(zhì)性是惡性腫瘤的普遍生物學(xué)特征，是指腫瘤細(xì)胞在生長過程中經(jīng)過多次分裂增殖，其子細(xì)胞呈現(xiàn)出分子生物學(xué)或基因方面的改變，使腫瘤在生長速度、侵襲能力、對(duì)藥物的敏感性、預(yù)后等各方面產(chǎn)生差異[4]。腫瘤在細(xì)胞水平、基因水平和表型水平均具有異質(zhì)性，并且在細(xì)胞密度、血管生成和細(xì)胞壞死方面具有空間異質(zhì)性[5]。異質(zhì)性大的腫瘤惡性程度可能更高，對(duì)治療的抵抗性可能更大。

紋理分析通過分析圖像中像素或體素灰度間的分布和關(guān)系而對(duì)腫瘤的異質(zhì)性進(jìn)行客觀定量評(píng)價(jià)[6]。目前基于統(tǒng)計(jì)、模型和轉(zhuǎn)換的紋理分析方法均被廣泛應(yīng)用，其中基于統(tǒng)計(jì)的方法最常用于描述圖像灰度值間的關(guān)系。在基于統(tǒng)計(jì)的模型中，一階統(tǒng)計(jì)評(píng)估給定感興趣區(qū)像素強(qiáng)度直方圖的灰度頻率分布，包括均值、閾值、熵、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度和峰度等，但一階直方圖分析不能顯示像素的位置，且缺少灰度值間空間關(guān)系的參考。二階統(tǒng)計(jì)建立在共現(xiàn)矩陣的基礎(chǔ)上，包含二階熵、能量、同質(zhì)性、差異性和相關(guān)性等。二階統(tǒng)計(jì)量也可由一個(gè)在特定方向分析紋理的灰度游程矩陣推導(dǎo)得出。采用高階統(tǒng)計(jì)如對(duì)比度、粗糙度和繁忙度等，可以使用局部灰度差分矩陣來觀察3個(gè)及3個(gè)以上像素間的位置關(guān)系。高階特征能夠考慮到與鄰近體素的關(guān)系，有利于評(píng)估局部背景下的體素。基于模型的紋理分析使用高數(shù)方法如分形分析，而基于轉(zhuǎn)換的方法是將空間信息轉(zhuǎn)換為頻率和/或小波信息。

CTTA屬于影像組學(xué)領(lǐng)域，可作為量化腫瘤異質(zhì)性的工具[7]，并可對(duì)CT圖像中的定量特征進(jìn)行高通量提取、分析和解釋，是一種潛在的影像生物標(biāo)志物[8]；但有研究者[9]擔(dān)心與CT技術(shù)相關(guān)的金屬偽影、噪音、圖像重建算法等可能影響圖像采集，進(jìn)而掩蓋潛在真實(shí)的腫瘤生物學(xué)異質(zhì)性。Ganeshan等[10]報(bào)道，CTTA可通過使用圖像過濾減輕CT技術(shù)對(duì)圖像采集的影響，且不同觀察者對(duì)CTTA結(jié)果判斷的一致性較高[11]。臨床研究[12-13]發(fā)現(xiàn)，CTTA在預(yù)測結(jié)直腸癌、頭頸部惡性腫瘤、食管癌、肺癌和腎細(xì)胞癌等的病理特征、對(duì)治療的反應(yīng)以及預(yù)后方面效果較好。

2 CTTA在消化系統(tǒng)惡性腫瘤中的應(yīng)用

2.1 鑒別腫瘤良惡性 目前診斷消化系統(tǒng)腫瘤的主要問題是如何以無創(chuàng)性方法準(zhǔn)確鑒別良惡性病變。對(duì)于多數(shù)腫瘤而言，在良惡性病變之間存在可量化的紋理差異，通常惡性病變具有更大的異質(zhì)性。因此，CTTA對(duì)于可疑腫塊具有“虛擬活檢”的功能。

Raman等[14]利用隨機(jī)森林模型鑒別肝臟富血管性病變，結(jié)果顯示該模型對(duì)肝臟局灶性結(jié)節(jié)性增生、肝腺瘤和肝細(xì)胞癌的診斷準(zhǔn)確率分別為94.4%、91.2%和98.6%。王慧慧等[15]對(duì)肝臟局灶性結(jié)節(jié)性增生與肝細(xì)胞癌的增強(qiáng)CT紋理特征進(jìn)行比較，結(jié)果顯示二者動(dòng)脈期偏度、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、能量及自相關(guān)，門靜脈期偏度、平均值、峰度及自相關(guān)，延遲期平均值及自相關(guān)之間的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，提示CT紋理參數(shù)對(duì)鑒別肝臟局灶性結(jié)節(jié)性增生與肝細(xì)胞癌有一定幫助，其中以灰度平均值參數(shù)的鑒別診斷價(jià)值最高。Canellas等[16]對(duì)117例良惡性門靜脈栓塞進(jìn)行鑒別，發(fā)現(xiàn)紋理特征正像素平均值和熵對(duì)二者鑒別診斷的AUC分別為0.97和0.93，正像素平均值聯(lián)合熵的AUC為0.99；進(jìn)一步研究顯示，正像素平均值和熵對(duì)良惡性門靜脈栓塞的鑒別診斷效果優(yōu)于單獨(dú)Hounsfield單位衰減(AUC=0.91)和放射科醫(yī)師對(duì)CT圖像的主觀判斷(AUC=0.61)。

Hanania等[17]采用CTTA鑒別診斷低級(jí)別發(fā)育不良和高級(jí)別發(fā)育不良胰腺導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀黏液性腫瘤，結(jié)果顯示相對(duì)于基于福岡共識(shí)的影像學(xué)特征，CTTA識(shí)別高級(jí)別發(fā)育不良病灶的效果更好，其中最佳紋理特征灰度共生矩陣鑒別診斷二者的AUC為0.82，約登指數(shù)為0.537 2時(shí)，對(duì)應(yīng)的敏感度為85%、特異度為68%；交互驗(yàn)證邏輯回歸模型的AUC為0.96，敏感度為97%、特異度為88%。梁萌等[18]回顧性分析20例胰腺漿液性囊腺瘤、12例胰腺黏液性囊性腫瘤的增強(qiáng)CT圖像，發(fā)現(xiàn)黏液性囊性腫瘤的最大囊腔長徑、囊液CT值、總體素及熵均高于漿液性囊腺瘤，提示CT紋理參數(shù)有助于2種疾病的鑒別診斷。

2.2 評(píng)估療效及預(yù)后 一般來說，腫瘤異質(zhì)性改變可能與治療反應(yīng)和療效有關(guān)。多項(xiàng)研究[19-20]使用CTTA作為常規(guī)影像學(xué)檢查的輔助手段，以確定惡性腫瘤對(duì)治療的反應(yīng)。Fu等[19]使用CTTA技術(shù)對(duì)經(jīng)TACE(n=197)和經(jīng)TACE+索拉非尼(n=64)治療的261個(gè)肝細(xì)胞癌病灶進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)TACE+索拉非尼對(duì)于小波低者的療效好于小波高者，且小波與患者總生存期和疾病進(jìn)展時(shí)間相關(guān)。胡飛翔等[20]采用基線CT門靜脈期圖像的直方圖預(yù)測新輔助治療對(duì)于34例結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移的療效，結(jié)果顯示治療后緩解組(n=21)的均值、方差、偏度和百分位數(shù)均低于非緩解組(n=13)，提示CT門靜脈期直方圖可用于預(yù)測結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移患者新輔助治療效果。Yip等[21]觀察36例于手術(shù)切除腫瘤前接受新輔助化療和放療的食管癌患者，發(fā)現(xiàn)治療后CTTA顯示低熵和高勻質(zhì)性患者的生存時(shí)間更長。

消化系統(tǒng)惡性腫瘤死亡率高，評(píng)估患者預(yù)后是消化系統(tǒng)惡性腫瘤管理的一個(gè)重要步驟。雖然目前臨床分期仍然是預(yù)測消化系統(tǒng)惡性腫瘤患者生存期最重要的指標(biāo)，但研究[22-23]顯示CTTA可以為消化系統(tǒng)惡性腫瘤患者的生存期提供獨(dú)立預(yù)測因子。Eilaghi等[22]對(duì)30例胰腺導(dǎo)管腺癌患者于術(shù)前行CT檢查，并計(jì)算腫瘤大小和紋理特征，發(fā)現(xiàn)差異性和倒數(shù)差分矩與患者總生存期相關(guān)，而腫瘤大小和其他紋理特征包括均質(zhì)性、熵、相關(guān)性與總生存期均無關(guān)，提示差異性和倒數(shù)差分矩是預(yù)測胰腺導(dǎo)管腺癌患者手術(shù)治療后總生存期的影像學(xué)標(biāo)志物。Yoon等[23]通過CTTA對(duì)經(jīng)曲妥單抗治療后的26例人類表皮生長因子受體2陽性進(jìn)展期胃癌患者進(jìn)行生存期預(yù)測，首先基于總生存期12個(gè)月這一時(shí)間點(diǎn)將患者分為生存期可觀組和非可觀組，然后檢測包括對(duì)比度、方差和相關(guān)度在內(nèi)的紋理特征識(shí)別可觀組生存期的能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)紋理特征識(shí)別可觀組生存期的AUC均高于0.7。Ng等[12]通過使用帶有過濾的容積性紋理對(duì)55例原發(fā)性結(jié)直腸癌患者進(jìn)行預(yù)后評(píng)估，發(fā)現(xiàn)多種紋理特征(熵、均質(zhì)性、峰度、偏度、標(biāo)準(zhǔn)差)均可預(yù)測患者生存期，且不依賴于腫瘤分期，具有較低熵、峰度和標(biāo)準(zhǔn)差的患者預(yù)后更差。另一項(xiàng)研究[24]使用CTTA對(duì)治療前結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移患者的預(yù)后進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)熵和標(biāo)準(zhǔn)差與腫瘤病理分級(jí)呈負(fù)相關(guān)，且熵與生存期呈負(fù)相關(guān)。

2.3 識(shí)別基因突變 多項(xiàng)研究[25-26]評(píng)估了CTTA對(duì)識(shí)別結(jié)直腸癌中K-ras基因突變的價(jià)值，結(jié)果顯示約30%～40%的結(jié)腸癌存在K-ras基因突變，存在K-ras基因突變的結(jié)直腸癌對(duì)作用于表皮生長因子受體的藥物具有耐藥性。盡管目前相關(guān)研究有限，但CTTA已顯示出與K-ras基因狀態(tài)可能存在聯(lián)系。Miles等[25]報(bào)道，正像素均值聯(lián)合氟脫氧葡萄糖攝取和CT灌注可以識(shí)別K-ras基因突變，并對(duì)其表型進(jìn)行分類。王國蓉等[26]利用CTTA回顧性分析33例經(jīng)病理證實(shí)的直腸癌患者的CT圖像，其中K-ras基因突變型18例、野生型15例，發(fā)現(xiàn)當(dāng)平掃CT圖像空間縮放因子取2～4時(shí)，野生型病灶的熵高于突變型，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而增強(qiáng)CT圖像上各紋理參數(shù)值在突變型與野生型的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示CTTA能夠?qū)︻A(yù)測直腸癌患者有無K-ras基因突變提供一定信息。

3 小結(jié)與展望

CTTA目前廣泛用于鑒別消化系統(tǒng)腫瘤的良惡性、評(píng)估惡性腫瘤治療后的效果及預(yù)后等，各種紋理參數(shù)可為放射科醫(yī)師提供更客觀的評(píng)估依據(jù)，提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。但是，CTTA應(yīng)用于消化系統(tǒng)惡性腫瘤尚存在以下不足：①紋理分析類型、分割類型、后處理技術(shù)、紋理特征輸出的數(shù)量和質(zhì)量在不同平臺(tái)和不同研究中存在廣泛差異，且病變形態(tài)、位置和圖像采集參數(shù)等均影響紋理特征參數(shù)值；②關(guān)于紋理特征尚無統(tǒng)一的測量或報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同研究結(jié)果之間的比較具有挑戰(zhàn)性；③關(guān)于CTTA應(yīng)用于消化系統(tǒng)惡性腫瘤的研究多來自單中心回顧性研究。目前對(duì)CTTA的研究還處于初級(jí)階段，尚未廣泛應(yīng)用于臨床，未來需要大型、多中心、前瞻性假說驅(qū)動(dòng)研究，以推動(dòng)紋理分析作為臨床常規(guī)工具，通過CTTA尋找更強(qiáng)大的影像生物學(xué)標(biāo)志物，以期于分子及基因水平無創(chuàng)診斷消化系統(tǒng)惡性腫瘤。