能譜CT 在肺癌中的應(yīng)用進(jìn)展

田雙鳳，夏建國

1.大連醫(yī)科大學(xué)研究生院，遼寧 大連 116044；2.眉山市人民醫(yī)院影像科，四川 眉山 620000；3.泰州市人民醫(yī)院影像科，江蘇 泰州 225300；

肺癌是全球癌癥相關(guān)死亡的主要原因[1]。常規(guī)CT是篩查和診斷肺癌的主要方法，但其成像方式單一，且不同元素組成的組織可以表現(xiàn)為非常相似甚至相同的CT值。能譜CT除揭示病灶的形態(tài)特征外，還能提供更多的定量信息，揭示組織的生物學(xué)行為。在胸部CT檢查中，能譜成像與常規(guī)掃描的射線劑量相當(dāng)，但其可有效降低圖像噪聲，改善圖像質(zhì)量[2]。目前，能譜CT的多參數(shù)技術(shù)主要包括虛擬單能量或單色圖像（virtual monoenergetic or monochromatic imaging，VMI）、能譜衰減曲線、物質(zhì)分解圖（碘/水基物質(zhì)分解圖）及有效原子序數(shù)（material effective atomic number，Zeff）。能譜CT可以利用多參數(shù)成像技術(shù)在提高病灶檢測率、肺良惡性結(jié)節(jié)鑒別、評估肺癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、病理分型、療效及預(yù)后等方面有一定價值。本文總結(jié)能譜CT成像方法及上述4種技術(shù)在肺癌方面的相關(guān)研究結(jié)果并進(jìn)行綜述。

1 能譜CT 成像方法

CT廠商已經(jīng)研發(fā)了一些技術(shù)采集能譜CT成像所需的高能譜和低能譜數(shù)據(jù)集。以西門子公司為代表，雙源雙能量CT掃描儀包含2個X射線球管和與其各自相匹配的探測器，一個X射線球管在70～100 kVp的低kVp下運行，另一個在140～150 kVp的高kVp下運行，利用錫過濾器過濾高能譜中的低能譜部分，減少了與低能譜的重疊，從而改善了能譜分離；西門子公司還開發(fā)了一種單源雙能量CT掃描儀，其在Z方向上一半X射線束用錫過濾器過濾以減少能譜中低能量部分，另一半X射線束用金過濾器過濾以減少能譜中高能量部分，從而實現(xiàn)能譜分離；GE公司開發(fā)的單源雙能量CT掃描儀采用單個X射線球管和單個探測器，利用低電壓（80 kVp）和高電壓（140 kVp）瞬時切換技術(shù)，實現(xiàn)了能譜數(shù)據(jù)采集；飛利浦公司開發(fā)的單源雙能量CT掃描儀使用單個X射線球管和雙層探測器，采用基于探測器的能譜分離技術(shù)，上層探測器優(yōu)先捕獲較低能量的光子，而下層探測器吸收剩余的較高能量的光子[3-4]。雖然以上方法之間存在較大不同，有各自的優(yōu)缺點，但均成功地獲得了雙能量后處理應(yīng)用所需的成對的高能和低能X射線吸收數(shù)據(jù)。

2 能譜CT 的多參數(shù)技術(shù)

2.1 VMI 能譜CT基于投影域或圖像域的算法分解兩種基物質(zhì)合成VMI。目前能譜CT可生成的VMI能量重建的范圍為40～140 keV或更高，取決于所用的掃描儀。較低能級的VMI可以減少輻射劑量和提高軟組織對比度，但增加了圖像噪聲，降低圖像質(zhì)量；較高能級的VMI會降低圖像的對比噪聲比，但是可以減少金屬偽影和光束硬化偽影[5]。

2.2 能譜衰減曲線 與一個感興趣區(qū)僅產(chǎn)生一個CT值的單能量CT不同，能譜CT能將某一感興趣區(qū)在40～140 keV甚至更高能量范圍內(nèi)的不同keV水平下獲得的單能量CT值相連，得到形狀不同的能譜衰減曲線，每一種物質(zhì)均有其特有的能譜衰減曲線。能譜參數(shù)-能譜衰減曲線斜率（the slope of spectral attenuation curve，λHu）便于描述能譜衰減曲線。醫(yī)學(xué)上不同的能譜曲線代表不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，因此能譜衰減曲線斜率可以應(yīng)用于鑒別肺癌轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)、肺內(nèi)腫瘤的病理類型等方面。

2.3 物質(zhì)分解 任何物質(zhì)與X射線相互作用均可用原子序數(shù)完全不同的兩種基物質(zhì)表示[6]。碘-水是常見的基物質(zhì)對[6]。碘基物質(zhì)分解圖中的碘濃度（iodine concentration，IC）和歸一化碘濃度（normalized iodine concentration，NIC）可以間接反映微血管密度和血液供應(yīng)，作為評估腫瘤血管化的生物標(biāo)志物，有助于正確測量病灶的增強(qiáng)程度[7]。此外，IC的變化還可以反映腫瘤對化療或放療的反應(yīng)。

2.4 Zeff Zeff圖是基于組織原子序數(shù)的彩色編碼，用來描述每個像素的物質(zhì)組成，可用于進(jìn)行物質(zhì)鑒別及分離等，將不同組織成分差異可視化[4]。

3 能譜CT 在肺癌中的應(yīng)用與研究

3.1 改善圖像質(zhì)量，提高病灶檢測率 近年來，大量學(xué)者研究較低能量VMI在腫瘤診斷方面的應(yīng)用。與線性混合圖像相比，VMI通過減少圖像噪聲，提高信噪比和對比噪聲比以改善對軟組織病變可視化。Hou等[8]研究表明，60 keV和70 keV的VIM改善了肺癌主觀可視化的圖像質(zhì)量。另外，當(dāng)增強(qiáng)的肺血管與強(qiáng)化的肺門淋巴結(jié)類似時，難以檢測出淋巴結(jié)。然而，低能量的VMI能增加肺血管的對比度，從而改善肺門淋巴結(jié)的可探測性及可見性，并提高診斷淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)確性[9]。Sekiguchi等[10]研究證明，延遲期（靜脈注入造影劑后60 s）40 keV的VMI在顯示肺血管和淋巴結(jié)的對比度差異最大，能有效評估肺門淋巴結(jié)。較低能級的VMI可以提高肺門淋巴結(jié)與肺血管內(nèi)碘間對比度。同時，何小群等[11]和戚元剛等[12]研究發(fā)現(xiàn)低能量keV的VMI與碘基物質(zhì)偽彩融合圖有助于中央型肺癌與阻塞性肺不張的鑒別，為臨床放療精準(zhǔn)勾畫靶區(qū)提供新的方法。上述研究表明，能譜CT的低能量VMI在改善病灶可視化方面有很大應(yīng)用價值。

3.2 肺內(nèi)良、惡性占位的鑒別 多項研究顯示，肺癌和肺良性病變的能譜參數(shù)有明顯差異。Wen等[13]報道，惡性孤立性肺結(jié)節(jié)在動靜脈期的λHu、IC和NIC均明顯高于良性孤立性肺結(jié)節(jié)。Zegad?o等[14]發(fā)現(xiàn)肺癌性結(jié)節(jié)在動靜脈期的40～140 keV VMI內(nèi)的CT值（間隔5 keV）和IC顯著高于肺良性結(jié)節(jié)，且靜脈期65 keV的VMI和IC的診斷效能最好。然而，部分研究結(jié)果與上述研究結(jié)果相矛盾。Jiang等[15]研究報道肺良性結(jié)節(jié)動脈期及延遲期的NIC和IC以及Zeff均顯著高于肺癌患者（P＜0.05）。鄧靚娜等[16]探討用能譜CT和灌注CT鑒別周圍型肺癌和局灶性機(jī)化性肺炎，發(fā)現(xiàn)局灶性機(jī)化性肺炎動靜脈期能譜參數(shù)（CT 40 keV、CT 70 keV、λHu、IC、Zeff值）均高于周圍型肺癌（P＜0.05），而局灶性機(jī)化性肺炎的血流灌注參數(shù)均小于周圍型肺癌，且與灌注CT成像相比，能譜CT成像在鑒別周圍型肺癌和局灶性機(jī)化性肺炎方面具有更高的診斷效能，推測原因可能是炎癥反應(yīng)或炎性肉芽組織增生可導(dǎo)致肺炎性病變內(nèi)局部血管擴(kuò)張，而肺癌不適當(dāng)?shù)难苌蓪?dǎo)致腫瘤內(nèi)血管網(wǎng)絡(luò)異常，腫瘤容易缺氧而發(fā)生壞死，導(dǎo)致腫瘤的IC更低。另外，Li等[17]研究發(fā)現(xiàn)，與腫塊樣肺炎性病變壞死區(qū)域相比，肺癌內(nèi)壞死區(qū)域的動、靜脈期及平掃的λHu和平掃的Zeff均顯著增高。腫瘤壞死通常表現(xiàn)為慢性缺血性損傷或缺氧引起的凝固性壞死，與炎性壞死相比，腫瘤壞死區(qū)域的黏性較小，其內(nèi)含有一些腫瘤細(xì)胞碎片和較少的炎癥細(xì)胞。因此，肺炎性壞死區(qū)域和腫瘤壞死區(qū)域的組成成分有差異。然而，還需要進(jìn)一步的研究驗證上述結(jié)果。

3.3 肺癌轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)的檢測 肺癌的臨床分期（特別是淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移）是影響患者治療方案及評估預(yù)后的重要因素。能譜CT可以通過能量譜衰減曲線區(qū)分不同化學(xué)成分的病變，λHu能準(zhǔn)確地反映組織成分的不均一性[18]。腫瘤細(xì)胞浸潤的轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)和正常的淋巴結(jié)細(xì)胞內(nèi)成分不同，可能會產(chǎn)生不同的能譜曲線[18]。與傳統(tǒng)CT以淋巴結(jié)短徑≥10 mm作為診斷依據(jù)相比，能譜定量參數(shù)λHu在術(shù)前診斷非小細(xì)胞肺癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的效能更高，且當(dāng)動、靜脈期的λHu分別與淋巴結(jié)短徑聯(lián)合時，可以進(jìn)一步提高λHu的診斷效能，AUC分別為0.841、0.751[19]。因此，能譜定量參數(shù)λHu在術(shù)前評估淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移方面具有一定的臨床應(yīng)用價值。

此外，關(guān)于能譜參數(shù)IC和NIC與肺癌轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)相關(guān)性的研究顯示，肺癌轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)IC和NIC顯著低于非轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)[18,20-22]。而Gao等[19]研究結(jié)果完全相反，轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)IC和NIC顯著高于非轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)，其認(rèn)為轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)微血管數(shù)量多，血管相對不成熟，對比劑蓄積增加，導(dǎo)致IC和NIC增高。王福南等[23]研究發(fā)現(xiàn)非小細(xì)胞肺癌縱隔轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)與非轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)動、靜脈期IC和NIC無顯著差異，而靜脈期碘凈值有顯著差異，且其診斷價值優(yōu)于淋巴結(jié)短徑。肺癌轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)與非轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)IC及NIC的差異尚需進(jìn)一步研究。

3.4 鑒別肺癌病理類型和生長模式 不同病理類型肺惡性腫瘤的能譜參數(shù)也存在顯著差異。Wen等[13]研究發(fā)現(xiàn)小細(xì)胞肺癌動、靜脈期λHu和NIC顯著高于非小細(xì)胞肺癌。而Ma等[24]研究發(fā)小細(xì)胞肺癌靜脈期的Zeff值和CT值顯著低于非小細(xì)胞肺癌，肺轉(zhuǎn)移瘤動脈期IC顯著高于小細(xì)胞肺癌，其認(rèn)為這可能與小細(xì)胞肺癌的毛細(xì)血管通透性較低，肺轉(zhuǎn)移瘤的血管化程度更高有關(guān)。其他研究多認(rèn)為肺腺癌的IC高于鱗癌[7,22,25-26]。推測肺鱗癌腫瘤細(xì)胞生長迅速，組織結(jié)構(gòu)致密，微血管密度低，而腺癌組織結(jié)構(gòu)疏松，微血管密度高，血供豐富，病灶內(nèi)強(qiáng)化程度高，因此IC更高。

能譜CT還可以用于預(yù)測侵襲性肺腺癌（invasive adenocarcinoma，IA）的生長模式。IA可表現(xiàn)為5種生長模式（附壁型、腺泡型、乳頭型、實體型和微乳頭型），通常IA是這些生長模式的復(fù)雜組合。以附壁型為主的IA預(yù)后較好，腺泡型/乳頭型IA與實體型/微乳頭型IA通常預(yù)后較差。Li等[27]發(fā)現(xiàn)以附壁型、腺泡型、乳頭型為主的IA平掃期λHu、動、靜脈期IC顯著高于以微乳頭型/實體型為主的IA，而水濃度則相反，且平掃期λHu鑒別兩者的診斷效能最高（AUC=0.803），其最佳臨界值為1.00，其可能原因為前者間質(zhì)豐富，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對疏松；而后者實質(zhì)豐富，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密。

總之，能譜CT定量參數(shù)不僅在鑒別肺癌病理分型方面有重要的應(yīng)用價值，而且在預(yù)測IA的生長模式方面有一定參考價值，為臨床醫(yī)師評估患者預(yù)后提供參考價值。目前研究多局限于小細(xì)胞肺癌、肺鱗癌以及腺癌的主要病理亞型，其他少見病理類型的診斷和鑒別需進(jìn)一步研究。

3.5 評估肺癌的療效及預(yù)后 一些研究試圖驗證能譜參數(shù)在評估肺癌療效及預(yù)后方面具有一定參考價值。Liu等[28]利用能譜定量參數(shù)評估肺癌患者射頻消融后的治療效果。射頻消融后腫瘤的IC明顯下降，反映了腫瘤的代謝狀態(tài)降低。Tanaka等[29]研究結(jié)果表明，肺癌患者在接受立體定向體外放射治療后，IC較低和低碘密度腫瘤面積比較大的患者局部復(fù)發(fā)率較高，表明放射抵抗與腫瘤低血容量及缺氧有關(guān)。Iwano等[30]研究發(fā)現(xiàn)直徑≤3 cm實性肺癌增強(qiáng)能譜CT中動脈期三維碘相關(guān)衰減與手術(shù)切除后患者的預(yù)后及術(shù)后復(fù)發(fā)顯著相關(guān)。與未復(fù)發(fā)患者相比，復(fù)發(fā)患者動脈期三維碘相關(guān)衰減和校正三維碘相關(guān)衰減顯著降低。Fehrenbach等[20]研究也證明，能譜定量參數(shù)有助于預(yù)測非小細(xì)胞肺癌放化療后的預(yù)后情況。在該研究中，病情進(jìn)展患者腫瘤熱區(qū)IC和NIC明顯高于病情穩(wěn)定或部分緩解患者腫瘤熱區(qū)IC和NIC。隨訪期間病情進(jìn)展的患者在最初的熱區(qū)IC和NIC明顯高于隨訪期間病情穩(wěn)定的患者。病情進(jìn)展、隨訪期間病情進(jìn)展和隨訪期間病情穩(wěn)定患者的IC差值和NIC差值有顯著差異。熱區(qū)的IC和IC差值可以識別殘余血管化，作為預(yù)測腫瘤進(jìn)展的一個指標(biāo)。這些研究表明能譜CT多參數(shù)成像可以監(jiān)測腫瘤組織灌注情況以及代謝改變，在評估肺癌療效及預(yù)后方面具有一定參考價值。

4 不足與展望

盡管目前能譜CT多參數(shù)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于肺癌的鑒別診斷、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、預(yù)測組織學(xué)類型及療效評估等方面，但是這些研究僅反映了腫瘤內(nèi)感興趣區(qū)的局部特征，還有大量定量信息或特征可能未得到充分利用。影像組學(xué)最初的定義是利用高通量方法從影像圖像中提取大量特征，后來擴(kuò)展到包括圖像到高維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及這些數(shù)據(jù)的后續(xù)挖掘，以改進(jìn)臨床決策。已有學(xué)者建立能譜圖像的影像組學(xué)模型用于預(yù)測甲狀腺腫瘤[31]、頭頸部鱗狀細(xì)胞癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移[32]等，筆者推測從能譜圖像中提取的影像組學(xué)特征作為肺癌定量特征的生物標(biāo)志物具有巨大潛力，可以用來預(yù)測肺癌的各個方面。