昝 宁综述, 范 娟审校
(1.西南医科大学,四川 泸州 646000;2.西南医科大学附属第一医院肿瘤科,四川 泸州 646000)
CT灌注成像在恶性肿瘤临床应用中的进展
昝 宁1综述, 范 娟2△审校
(1.西南医科大学,四川 泸州 646000;2.西南医科大学附属第一医院肿瘤科,四川 泸州 646000)
随着肿瘤发病率的不断增加,早发现、早诊断、早治疗,对肿瘤预后至关重要。CT灌注成像是一种功能成像,能反映肿瘤的血流动力学特点及血管生成情况,已广泛应用于头颈部肿瘤、肺癌、宫颈癌等多种恶性肿瘤的临床工作中,判断肿瘤的生物学行为,用于肿瘤诊断、鉴别诊断、分期、放疗靶区勾画、疗效评价、预后评估及随访。本文就CT灌注成像基本原理及其在恶性肿瘤中的临床应用进行综述。
CT; 灌注成像; 肿瘤
由于工业化、城市化、全球化及老龄化进程的加剧,生态环境恶化、职业暴露、不良生活方式、生物学因素和遗传学因素的影响,恶性肿瘤危险因素暴露频率与水平不断增长,恶性肿瘤已成为严重威胁人类健康的疾病[1]。如何早期发现肿瘤,并对其准确地分期,对肿瘤的治疗和预后至关重要。传统的影像学检查(如CT、MRI等)只能提供解剖学信息和形态变化,而对生理和功能上的表现只能提供非常有限的信息[2-4]。对肿瘤的早期诊断已经从单纯解剖学影像逐渐向细胞、分子以及代谢水平方向发展。PET-CT因其在功能成像方面的优势以及可以获得全身图像,已在临床广泛应用。然而因PET-CT价格昂贵,其在临床中的应用价值受到一定限制。与PET-CT比较,CT灌注成像( CT perfusion imaging,CTPI)能提供肿瘤血供信息,且花费更少,本文就CT灌注成像技术在恶性肿瘤中的临床应用进展进行综述。
CT灌注成像是以核医学的放射性示踪剂稀释原理及中心容积定律(central volume principle)为理论基础。基于此理论基础,Miles于1991 年提出了CT灌注成像的基本概念[5-6]。在静脉快速团注碘对比剂的同时,对选定的层面进行连续多次扫描,分析该层面内每一像素密度随时间变化,而获得时间 -密度曲线(Time-Density Curve,TDC)[7]。通过不同的数学模型对该曲线进行分析和计算,获得灌注参数值和功能伪彩图像。CT灌注成像分析的数学模型主要为非去卷积模型和去卷积模型。非去卷积数学模型概念相对简单,认为某组织器官在某段时间内对比剂的量是动脉流入量与静脉流出量的差值[8],但因忽略对比剂外渗情况及再循环情况,易低估血流量(blood flow,BF)值,且对比剂注射速率大(≥8ml/s),操作难度及危险性增加。去卷积法主要反映的是注射对比剂后组织器官中存留的对比剂随时间的变化量,其数学模型概念复杂,它是根据实际情况综合考虑了流入动脉和流出静脉的血液进行数学计算处理,分别计算出BF、血容量(blood volume,BV)、平均通过时间(mean transit time,MTT)、毛细血管表面通透性(permeability surface,PS)、 达峰时间 (time to peak,TTP)、 强化峰值(peak enhancement intensity,PEI)等。因其计算偏差较小,且注射速率要求不高(4~5 ml/s)[9],故被广泛应用。
BF指血液在单位时间、单位肿瘤组织内流动的速率 (ml/100g·min-1);与肿瘤血管丰富程度及肿瘤分级有关[10-11]。它是区分良恶性肿瘤可靠的参数。MTT指血液从动脉到静脉的平均时间(s),包括动脉、毛细血管、静脉窦、静脉,所通过的路径不同,时间也不同,与血管的灌注压密切相关[10-11]。BV指单位肿瘤组织血管结构内的血液体积 (ml/100g);反映了血流灌注量,与肿瘤血管多少及毛细血管开放数量有关[11-12]。 PS是指单位组织单位时间内血液经过毛细血管内皮到达细胞间质的速率(ml/100g·min-1),由毛细血管内皮的渗透性及毛细血管内皮的表面积决定,反映了血管内皮细胞管壁通透性及完整性[12-13]。TTP指时间-密度曲线上从对比剂开始出现到对比剂到达峰值的时间(s),反映组织内的灌注压。PEI是组织内对比剂达到峰值时的最大强化值(Hu),反映组织的血容量。
2.1 CT灌注成像与肿瘤的生物学行为
Folkman[14]认为肿瘤的生长依靠血管的生成。血管生成是肿瘤生长、侵袭、转移的基础。肿瘤的生长分为无血管期和血管期两个阶段。当肿瘤的最大直径小于2mm时,通过弥散作用与周围组织交换营养物质和代谢废物,此时肿瘤生长缓慢。当肿瘤生长到2~3 mm时,肿瘤组织内开始出现缺氧,为了适应肿瘤生长的需要,肿瘤组织内新生血管形成,提供肿瘤组织生长所需的营养物质,并为肿瘤的转移提供通道[15]。肿瘤血管生成是在多种生长因子调控下完成的,血管内皮细胞生长因子( vascular endothelial growth factor,VEGF)是目前研究所知道的促进血管生长最强、最直接、特异性最高的生长因子之一[16]。它在多种正常细胞及肿瘤细胞均有表达,但其受体仅表达于血管内皮细胞上,故VEGF是一种特异性地作用于血管内皮细胞的因子。随着肿瘤的不断长大,所需要的营养不断增加,肿瘤血管增加,而微血管密度(MVD)是评价血管生成的金标准。在宫颈癌研究中,VEGF阳性率和MVD计数率与分期呈正相关[17]。 CT灌注参数与宫颈癌[18]、头颈部恶性肿瘤[19]等的MVD呈正相关。在宫颈鳞癌,不同组织学分级(中高分化与低分化)、临床分期(Ⅰ期与Ⅱ期)、淋巴结转移(阴性与阳性)患者 BF 值均与 MVD 呈正相关 ( r=0.631,0.604,0.715; 0.609,0.573,0.764,0.759;均P<0.05) 。在头颈部恶性肿瘤中,MVD与BV、BF均呈正相关(r分别为0.855、0.591;P值分别为0.000,0.043)。因此,CT灌注参数能间接反应肿瘤的血管生成状况、生物学行为、分期、浸润情况,有助于判断肿瘤预后。
2.2 在恶性肿瘤诊断与鉴别诊断中的应用
恶性肿瘤诊断的金标准是病理学诊断。但是,肿瘤过快的生长,肿瘤组织内的新生血管不足,部分肿瘤组织缺血、缺氧从而导致坏死和炎性反应,而对于早期病变,在常规影像学或直视下不易被发现,因此在直视或CT引导下行病理穿刺活检时,因取材部位选择不当,可能导致穿刺阴性结果。而此时肿瘤灌注已经发生改变,在CT灌注引导下,选择肿块灌注值较高的部位取材,可提高穿刺的准确性[20]。在肺穿刺活检中,以BV图灌注最丰富的位置作为穿刺靶点,穿刺成功率甚至可达100%[21]。刘艳[22]等研究表明,ⅠA期宫颈癌中,通过阴道镜直视下对病灶定位并活检存在明显的主观性,常无阳性发现,在常规CT上也不易被发现。而在BV、PS图上,肿瘤活跃区域表现为高灌注区,因此对灌注较多的区域定点活检较容易取得阳性结果。张金娥等[23]认为,良、恶性肺结节的BV值和PS值差异有统计学意义(P值均为0.000)。以BV≥6ml/100g作为恶性病变的阈值,其敏感度87.3%,特异度100.0%,阳性预测值100.0%,阴性预测值65.4%,准确度89.9%。以PS≥30ml/100g·min-1作为恶性结节的阈值,则敏感度96.4%,特异度75.0%,阳性预测值87.1%,阴性预测值87.2%,准确度88.6%。以BV≥6ml/100g同时PS≥30ml/100g·min-1作为恶性结节的阈值,则敏感度96.8%,特异度92.3%,阳性预测值96.8%,阴性预测值92.3%,准确度95.5%。因此对肺肿块的良、恶性鉴别诊断有重大意义。在涎腺肿瘤中,CT灌注成像参数BF、BV、PS值在恶性肿瘤组均比良性肿瘤组高,诊断恶性肿瘤的敏感性为92.3%,细针细胞学穿刺检测诊断恶性肿瘤的敏感性为84.6%,因此,CT灌注成像与细针细胞学穿刺检测联合应用可提高涎腺肿瘤诊断的准确性[24]。在头颅肿瘤中[25],CT灌注伪彩图表现各不相同,肿瘤实质部分血供丰富,染色明显加重,瘤周水肿无明显染色,可以清晰地区分肿瘤病灶及瘤周水肿,其中PS图能清晰地呈现肿瘤的轮廓、大小以及肿瘤微血管的通透性情况。
在初治的蝶窦淋巴瘤中观察到BF、BV和PS显著升高,MTT 显著降低[26]。在另一个研究中发现[27],恶性淋巴瘤比惰性淋巴瘤灌注更高;而在疾病进展的一系列评估中,从惰性到恶性与灌注值的增加有相关性;未治疗的淋巴瘤比治疗后的淋巴瘤有更高的BF、BV和更低的MTT。所以, CT灌注成像有助于评估恶性淋巴瘤和鉴别治疗后残留的肿瘤组织。
2.3 评价肿瘤分期
恶性肿瘤的分期在肿瘤治疗方案的制定、预后的评估中有非常重要的价值。因此,在肿瘤治疗过程中,准确的分期至关重要。对ⅠA期宫颈癌的研究表明,ⅠA期宫颈癌与正常宫颈组织比较,BV、PS值显著增高,在CT灌注伪彩图上呈红色,能清晰地区分肿瘤与正常组织,而BF、MTT值升高不明显,与正常组织差异不显著,在BF及MTT图上视觉无法辨认[22]。Shibuya[28]等则认为,ⅠB~ⅣA期宫颈癌病灶BF值比正常宫颈组织明显升高,能辨别病灶与正常宫颈组织。这可能是因为ⅠA期宫颈癌新生血管数量较少,血流灌注不丰富,导致BF值不如ⅠB~ⅣA期宫颈癌升高明显。在宫颈癌分期中,目前仍采用国际妇产科联盟(International Federation of Gynecology and Obstetrics,FIGO)分期法,而是否有宫旁受侵是区分ⅡA期和ⅡB期的重要标志,是决定治疗方案的重要依据,也是判断疗效及影响预后的重要因素。而FIGO临床分期、常规CT及MRI 评估宫旁浸润均存在一定主观性,敏感度及特异性存在争议[29-30]。殷亮[31]等认为利用CT灌注参数建立的宫旁浸润判别函数对宫旁浸润判断的准确性高于FIGO分期。刘玉林[32]等研究认为,PEI和BV与鼻咽癌分期之间呈正相关(r=0.46,0.53;P<0.05),BF和BV与鼻咽癌独立T分期之间呈正相关(r=0.37,0.42;P<0.05)。在CT灌注成像与直肠癌TNM分期关系的研究中[33],T分期各组间病灶的BF、TTP、BV的差异有显著性,从T1到T4,总体上BF有逐渐减少的趋势,而TTP、BV呈逐渐增加的趋势。N分期中,有淋巴结转移组,其病灶的BF、BV明显低于无淋巴结转移组。转移淋巴结的BF明显高于反应性增生淋巴结。在M分期中,PEI、BF在有无远处转移比较中差异有统计学意义(P<0.05),6例同时多发肝转移病人其病灶的PEI、BF显著低于无肝转移病人。
2.4 CT灌注成像在肿瘤放疗靶区中的应用
三维适形放疗和调强放疗被认为是提高肿瘤剂量的有效途径。在三维适形放疗和调强放疗中,准确勾画靶区是精确放疗的关键。李彦[34]等研究表明,在兔大腿VX2软组织肿瘤模型的解剖学靶区评价中,增强CT勾画GTV与病理学GTV基本一致,但是当肿瘤侵入周围肌肉组织时,增强CT图像并不能清晰显示肿瘤边界,而CT灌注图像能显示周围显微浸润病灶,清晰显示边界,必要时参照CT灌注图像可以提高靶区勾画的准确性;且CT灌注图勾画GTV更接近肿瘤复合病理大小,其中,BV图与CTV的一致性最好,能为CTV勾画提供依据。在肺癌研究中[35-36],CT灌注图像能有效辨别阻塞性肺炎、肺不张,勾画靶区时避开阻塞性肺炎和肺不张区域,从而使GTV范围缩小,靶区的精确性更高,避免了漏照和多照。
2.5 对放化疗敏感性的预测及疗效评价
CT灌注成像能了解肿瘤内部的血流灌注情况,而常规增强CT和MRI不能全面反映血流动力学改变,因此CT灌注成像可用于放化疗敏感性的预测及疗效评价。在头颈部鳞癌中,灌注越低,局部放射治疗失败的可能性越大[37]。CT灌注参数能作为已放疗的头颈部鳞癌患者局部治疗失败的独立的预测因子。相关研究表明,与治疗失败的患者相比,获得局部控制的患者的BF和PS参数具有更加重要的意义[38]。李建生等[39]对宫颈癌的研究中发现,宫颈癌放化疗后1个月内的BF和BV值明显高于治疗前,这可能是由于组织充血、水肿引起;而放化疗后6月至1年,BF和BV值明显低于治疗前,这可能是由于放化疗后血管内皮变性坏死、血管闭塞,从而导致灌注减少。研究发现[40],诱导化疗后发现BV、BF和PS不同程度的降低。化疗后在CT灌注参数中BV降低20%和内镜下肿瘤体积降低50%有显著的统计学相关性。另一个调查发现,化疗后在应答组BF和 BV显著降低,MTT显著升高。化疗后BF、BV降低与肿瘤体积的减小存在相关性[41]。
2.6 随访
在常规CT和MRI上很难区别治疗后的改变和肿瘤复发,因为他们增强的程度很相似[42]。在口腔和口咽鳞癌的放化疗后的调查中,初治和复发的肿瘤之间的灌注参数差异没有统计学意义(P>0.01),疾病复发比治疗后改变的BF的基线显著升高[43]。在另一个鼻咽癌放射治疗的研究中,肿瘤复发比治疗后改变有更高的BF、BV和PS[44]。
CT灌注的优点包括它应用的广泛性、获取图像快、与MRI比较费用相对较低,患者容易检测。而且,它能在常规CT扫描中同时完成,可将常规CT形态学评估和CT灌注生理学评估在一次检查中完成。在分析患者的影像时,将CT灌注图像、CT增强图像、MRI图像、PET/CT图像等相关辅助检查相结合,可以提高诊断的准确率[10-13、45]。
我们最关注CT灌注的是暴露在电离辐射中的风险,特别是当患者需要连续的监测治疗效果时。通过减小球管电流和球管电势能减少辐射剂量。同样,对脑部CT灌注的研究认为[46-47],使用更高的时间采样率的协议能大幅降低辐射暴露。而且,使用图像重建方法成功地减少了CT辐射剂量而保证了图像质量[48]。这些方法能降低CT灌注的辐射剂量。CT灌注在纵轴上动态获取器官和某一位置的范围是有限的,因为64排CT扫描软组织最大范围为4cm。最近引进的128、256、320排探测器的CT扫描仪有可能克服这些缺陷[10-13、49]。更高的、更宽的纵轴覆盖(最高达16cm)多探测器CT扫描仪(128和256排探测器)的广泛使用能使一个球管旋转包括单器官CT灌注[12]。CT灌注扫描和PET-CT系统的综合应用联合评估肿瘤的灌注和葡萄糖代谢。这样对肿瘤活性的生物学表现有更多的了解,这些信息对研究和临床应用时非常重要[50]。
总之,CT灌注在恶性肿瘤生物学行为的评估、诊断、鉴别诊断、分期、放疗靶区勾画、疗效评价、预后评估及随访中扮演着重要的角色,它能测量肿瘤的范围,探测淋巴结转移,预测治疗效果,鉴别复发与治疗后的改变。用于恶性肿瘤治疗后的监测。
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2015- 11- 06
2016- 01- 12
昝 宁(1989-),男,四川广元人,在读硕士研究生,研究方向:肿瘤放化疗。
△范 娟,主任医师,E-mail:34894649@qq.com
R730.44
A
10.3969/j.issn.1674- 0904.2016.01.012