CT纹理分析在消化系统恶性肿瘤中的应用进展

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(川北医学院附属医院放射科，四川 南充 637000)

据2015年中国恶性肿瘤死亡率流行病学调查结果，肺癌、肝癌、胃癌、食管癌和结直肠癌是我国死亡率最高的5种恶性肿瘤[1]，其中4种为消化系统恶性肿瘤。消化系统恶性肿瘤在我国的发病率和死亡率均较高，但其早期诊断、疗效评价和预后评估仍然是当今医学界的难题。纹理分析有别于既往基于形态学研究的技术，可作为影像生物学标记，用于鉴别不同疾病、预测治疗效果及评估患者预后等[2]。目前纹理分析技术已应用于分析CT、MRI、PET/CT等多种影像学资料[3]。CT因其空间分辨率高、检查费用相对低等优势，成为目前肿瘤检查的主要方法之一。CT纹理分析(CT texture analysis， CTTA)是一项新的CT图像后处理技术，也是影像组学的新兴领域，其在恶性肿瘤中的应用备受关注。本文对CTTA在消化系统恶性肿瘤中的应用进展进行综述。

1 CTTA应用于恶性肿瘤的原理

异质性是恶性肿瘤的普遍生物学特征，是指肿瘤细胞在生长过程中经过多次分裂增殖，其子细胞呈现出分子生物学或基因方面的改变，使肿瘤在生长速度、侵袭能力、对药物的敏感性、预后等各方面产生差异[4]。肿瘤在细胞水平、基因水平和表型水平均具有异质性，并且在细胞密度、血管生成和细胞坏死方面具有空间异质性[5]。异质性大的肿瘤恶性程度可能更高，对治疗的抵抗性可能更大。

纹理分析通过分析图像中像素或体素灰度间的分布和关系而对肿瘤的异质性进行客观定量评价[6]。目前基于统计、模型和转换的纹理分析方法均被广泛应用，其中基于统计的方法最常用于描述图像灰度值间的关系。在基于统计的模型中，一阶统计评估给定感兴趣区像素强度直方图的灰度频率分布，包括均值、阈值、熵、标准差、偏度和峰度等，但一阶直方图分析不能显示像素的位置，且缺少灰度值间空间关系的参考。二阶统计建立在共现矩阵的基础上，包含二阶熵、能量、同质性、差异性和相关性等。二阶统计量也可由一个在特定方向分析纹理的灰度游程矩阵推导得出。采用高阶统计如对比度、粗糙度和繁忙度等，可以使用局部灰度差分矩阵来观察3个及3个以上像素间的位置关系。高阶特征能够考虑到与邻近体素的关系，有利于评估局部背景下的体素。基于模型的纹理分析使用高数方法如分形分析，而基于转换的方法是将空间信息转换为频率和/或小波信息。

CTTA属于影像组学领域，可作为量化肿瘤异质性的工具[7]，并可对CT图像中的定量特征进行高通量提取、分析和解释，是一种潜在的影像生物标志物[8]；但有研究者[9]担心与CT技术相关的金属伪影、噪音、图像重建算法等可能影响图像采集，进而掩盖潜在真实的肿瘤生物学异质性。Ganeshan等[10]报道，CTTA可通过使用图像过滤减轻CT技术对图像采集的影响，且不同观察者对CTTA结果判断的一致性较高[11]。临床研究[12-13]发现，CTTA在预测结直肠癌、头颈部恶性肿瘤、食管癌、肺癌和肾细胞癌等的病理特征、对治疗的反应以及预后方面效果较好。

2 CTTA在消化系统恶性肿瘤中的应用

2.1 鉴别肿瘤良恶性 目前诊断消化系统肿瘤的主要问题是如何以无创性方法准确鉴别良恶性病变。对于多数肿瘤而言，在良恶性病变之间存在可量化的纹理差异，通常恶性病变具有更大的异质性。因此，CTTA对于可疑肿块具有“虚拟活检”的功能。

Raman等[14]利用随机森林模型鉴别肝脏富血管性病变，结果显示该模型对肝脏局灶性结节性增生、肝腺瘤和肝细胞癌的诊断准确率分别为94.4%、91.2%和98.6%。王慧慧等[15]对肝脏局灶性结节性增生与肝细胞癌的增强CT纹理特征进行比较，结果显示二者动脉期偏度、平均值、标准差、能量及自相关，门静脉期偏度、平均值、峰度及自相关，延迟期平均值及自相关之间的差异均有统计学意义(P均<0.05)，提示CT纹理参数对鉴别肝脏局灶性结节性增生与肝细胞癌有一定帮助，其中以灰度平均值参数的鉴别诊断价值最高。Canellas等[16]对117例良恶性门静脉栓塞进行鉴别，发现纹理特征正像素平均值和熵对二者鉴别诊断的AUC分别为0.97和0.93，正像素平均值联合熵的AUC为0.99；进一步研究显示，正像素平均值和熵对良恶性门静脉栓塞的鉴别诊断效果优于单独Hounsfield单位衰减(AUC=0.91)和放射科医师对CT图像的主观判断(AUC=0.61)。

Hanania等[17]采用CTTA鉴别诊断低级别发育不良和高级别发育不良胰腺导管内乳头状黏液性肿瘤，结果显示相对于基于福冈共识的影像学特征，CTTA识别高级别发育不良病灶的效果更好，其中最佳纹理特征灰度共生矩阵鉴别诊断二者的AUC为0.82，约登指数为0.537 2时，对应的敏感度为85%、特异度为68%；交互验证逻辑回归模型的AUC为0.96，敏感度为97%、特异度为88%。梁萌等[18]回顾性分析20例胰腺浆液性囊腺瘤、12例胰腺黏液性囊性肿瘤的增强CT图像，发现黏液性囊性肿瘤的最大囊腔长径、囊液CT值、总体素及熵均高于浆液性囊腺瘤，提示CT纹理参数有助于2种疾病的鉴别诊断。

2.2 评估疗效及预后 一般来说，肿瘤异质性改变可能与治疗反应和疗效有关。多项研究[19-20]使用CTTA作为常规影像学检查的辅助手段，以确定恶性肿瘤对治疗的反应。Fu等[19]使用CTTA技术对经TACE(n=197)和经TACE+索拉非尼(n=64)治疗的261个肝细胞癌病灶进行评估，发现TACE+索拉非尼对于小波低者的疗效好于小波高者，且小波与患者总生存期和疾病进展时间相关。胡飞翔等[20]采用基线CT门静脉期图像的直方图预测新辅助治疗对于34例结直肠癌肝转移的疗效，结果显示治疗后缓解组(n=21)的均值、方差、偏度和百分位数均低于非缓解组(n=13)，提示CT门静脉期直方图可用于预测结直肠癌肝转移患者新辅助治疗效果。Yip等[21]观察36例于手术切除肿瘤前接受新辅助化疗和放疗的食管癌患者，发现治疗后CTTA显示低熵和高匀质性患者的生存时间更长。

消化系统恶性肿瘤死亡率高，评估患者预后是消化系统恶性肿瘤管理的一个重要步骤。虽然目前临床分期仍然是预测消化系统恶性肿瘤患者生存期最重要的指标，但研究[22-23]显示CTTA可以为消化系统恶性肿瘤患者的生存期提供独立预测因子。Eilaghi等[22]对30例胰腺导管腺癌患者于术前行CT检查，并计算肿瘤大小和纹理特征，发现差异性和倒数差分矩与患者总生存期相关，而肿瘤大小和其他纹理特征包括均质性、熵、相关性与总生存期均无关，提示差异性和倒数差分矩是预测胰腺导管腺癌患者手术治疗后总生存期的影像学标志物。Yoon等[23]通过CTTA对经曲妥单抗治疗后的26例人类表皮生长因子受体2阳性进展期胃癌患者进行生存期预测，首先基于总生存期12个月这一时间点将患者分为生存期可观组和非可观组，然后检测包括对比度、方差和相关度在内的纹理特征识别可观组生存期的能力，结果发现各项纹理特征识别可观组生存期的AUC均高于0.7。Ng等[12]通过使用带有过滤的容积性纹理对55例原发性结直肠癌患者进行预后评估，发现多种纹理特征(熵、均质性、峰度、偏度、标准差)均可预测患者生存期，且不依赖于肿瘤分期，具有较低熵、峰度和标准差的患者预后更差。另一项研究[24]使用CTTA对治疗前结直肠癌肝转移患者的预后进行评估，发现熵和标准差与肿瘤病理分级呈负相关，且熵与生存期呈负相关。

2.3 识别基因突变 多项研究[25-26]评估了CTTA对识别结直肠癌中K-ras基因突变的价值，结果显示约30%～40%的结肠癌存在K-ras基因突变，存在K-ras基因突变的结直肠癌对作用于表皮生长因子受体的药物具有耐药性。尽管目前相关研究有限，但CTTA已显示出与K-ras基因状态可能存在联系。Miles等[25]报道，正像素均值联合氟脱氧葡萄糖摄取和CT灌注可以识别K-ras基因突变，并对其表型进行分类。王国蓉等[26]利用CTTA回顾性分析33例经病理证实的直肠癌患者的CT图像，其中K-ras基因突变型18例、野生型15例，发现当平扫CT图像空间缩放因子取2～4时，野生型病灶的熵高于突变型，差异均有统计学意义，而增强CT图像上各纹理参数值在突变型与野生型的差异均无统计学意义，提示CTTA能够对预测直肠癌患者有无K-ras基因突变提供一定信息。

3 小结与展望

CTTA目前广泛用于鉴别消化系统肿瘤的良恶性、评估恶性肿瘤治疗后的效果及预后等，各种纹理参数可为放射科医师提供更客观的评估依据，提高评价准确性。但是，CTTA应用于消化系统恶性肿瘤尚存在以下不足：①纹理分析类型、分割类型、后处理技术、纹理特征输出的数量和质量在不同平台和不同研究中存在广泛差异，且病变形态、位置和图像采集参数等均影响纹理特征参数值；②关于纹理特征尚无统一的测量或报告标准，对不同研究结果之间的比较具有挑战性；③关于CTTA应用于消化系统恶性肿瘤的研究多来自单中心回顾性研究。目前对CTTA的研究还处于初级阶段，尚未广泛应用于临床，未来需要大型、多中心、前瞻性假说驱动研究，以推动纹理分析作为临床常规工具，通过CTTA寻找更强大的影像生物学标志物，以期于分子及基因水平无创诊断消化系统恶性肿瘤。