沈丹 文兵 傅飞先
【摘要】 肺结节/肿块是肺部众多疾病常见的基本影像表现。肺结节/肿块的性质评估,一直是影像工作中亟待解决的难题。常规CT仅能对肿块/结节形态学特征进行判断,而活检往往存在较大的局限性。能谱CT成像作为一种新兴的成像技术,其多参数定量分析在评估肺结节/肿块良恶性、分型及预后的优势日益凸显。此外,随着能谱CT在基因学及影像组学相关领域的深入进展,能谱CT用于评估肺结节/肿块的前景也将愈加广阔。本文就能谱CT定量参数在肺结节/肿块诊断中的应用及进展进行综述。
【关键词】 能谱 CT 肺结节 肺肿块
Application Progress of Quantitative Parameters of Energy Spectrum CT in Evaluation of Pulmonary Nodules/Masses/SHEN Dan, WEN Bing, FU Feixian. //Medical Innovation of China, 2023, 20(36): -174
[Abstract] Pulmonary nodules/masses are common basic imaging manifestations of many pulmonary disease. The evaluation of the nature of pulmonary nodules/masses has always been a difficult problem to be solved urgently in imaging work. Conventional CT can only judge the morphological characteristics of the masses/nodules, while biopsy often has greater limitations. As a new imaging technology, multi-parameter quantitative analysis of energy spectrum CT imaging is increasingly prominent in the evaluation of benign and malignant, classification and prognosis of pulmonary nodules/masses. In addition, with the further development of energy spectrum CT in the related fields of genetics and radiomics, the prospect of energy spectrum CT for the evaluation of pulmonary nodules/masses will be more and more broad. This article reviews the application and progress of quantitative parameters of energy spectrum CT in the diagnosis of pulmonary nodules/masses.
[Key words] Energy spectrum CT Pulmonary nodules Pulmonary masses
First-author's address: Graduate Collaborative Training Base of Yiyang Central Hospital, Hengyang Medical School, University of South China, Hengyang 421001, China
doi:10.3969/j.issn.1674-4985.2023.36.038
肺結节/肿块是肺部众多疾病常见的影像表现,不同性质疾病或同一性质疾病的不同病理学类型、不同分化程度均可表现为肺内结节或肿块[1]。CT是目前用于鉴别肺结节/肿块良恶性的首选影像学方法,但其依据结节/肿块的形态学特征或强化方式诊断,误诊率往往较高[2]。活检因其有创性、操作难度大、费用高、存在诸多并发症及病变沿针道或胸腔种植播散等客观风险的存在,临床往往难以完全普及[3]。能谱CT可以获得单能量图像、基物质图像、有效原子序数(Eff-Z)及能谱曲线等多重定量参数,使CT影像诊断从形态学范围深入到功能学方面[4-5],其多参数定量分析在评估肺结节/肿块良恶性、分型及预后上的优势日益凸显。此外,随着能谱CT在基因学及影像组学相关领域研究的深入进展,能谱CT用于评估肺结节/肿块的前景也将愈加广阔。本文就能谱CT定量分析在肺结节/肿块诊断中的应用及进展进行综述。
1 能谱CT物质分离与定量分析原理及常用于评估肺结节/肿块的参数
不同的物质具有不同的X射线吸收曲线[6]。在能谱CT成像中,任何人体组织对X射线的吸收曲线能用任何其他两种物质(基物质对)来表示,即经过高、低电压扫描的X线衰减可以表达为两种基物质的密度图和能谱曲线图,其过程为物质分离[7]。由于水和碘在成像中更近似于常见的人体组织和造影剂,因此水和碘在临床上常用作基物质对[8]。除此之外,水-钙等也常被用作基物质对。依据已知物质(如碘、水)不同单能量下的X线吸收系数,可以通过相应的表达式计算和重建不同单能量和不同性质物质(如碘、水)的CT图像,这便成为能谱CT成像的物质基础。由此,能谱CT成像从单纯依靠CT值的单参数成像转变为多参数成像,如碘浓度(iodine concentration,IC)、标准化碘浓度(normalized iodine concentration,NIC)、单能量CT值、能谱曲线斜率(λHU)、Eff-Z等[7]。其中IC、NIC可以间接反映肺结节和肺肿块内部血供特点,是反映肺结节/肿块良恶性及分型的重要指标。能谱CT能提供40~140 keV的单能量图像,根据分析不同keV下λHU的变化情况可以更好地识别病变的良恶性、来源及病变的同源性,而Eff-Z可以直接反映内部化学物质的组成,有利于病变的分型[8-9]。
2 能谱CT在评估肺结节/肿块中的应用
2.1 肺结节/肿块的良恶性鉴别
对肺结节/肿块良恶性的鉴别是目前影像工作的难点之一。我国大多数肺部恶性结节由于发现不及时,患者五年总生存率极低,仅18.7%[10],早期及时发现并诊断肺癌,患者的5年生存率可提高到60%~80%[11]。目前常使用CT动态增强评估结节或肿块的良恶性,虽然其鉴别肺结节的敏感度极高,但是特异度差异较大[12]。而能谱CT利用基物质分离技术定量测定肺结节/肿块中碘/水物质分解的血流,以此反映结节/肿块的血供特点[13],从而有利于肺结节和肺肿块的良恶性鉴别。
Hou等[14]对经病理鉴别的35例表现为肺肿块的肺癌患者及25例炎性肿块的患者进行能谱CT扫描,结果显示,动脉期(arterial phase,AP)和静脉期(venous phase,VP)肺癌中央区净增强CT值、NIC及λHU均明显低于炎性肿块。VP肿块的NIC在鉴别炎症性肿块和肺癌方面具有相对较高的诊断效能(AUC=0.96),敏感度和特异度分别为86%和100%。李法升等[15]在Meta分析研究中也发现与其一致的结论,NIC诊断的敏感度、特异度均较高,分别为82%、93%。此外,Chen等[16]、王君鑫等[17]也得出了与其类似的结论。而Zhang等[18]研究结论却恰恰相反,其研究认为恶性结节的NIC、λHU和净增强CT值均大于良性结节,但VP的NIC在鉴别恶性和良性孤立性肺结节的诊断价值依旧较大(敏感度为93.8%,特异度为85.7%)。冯昭等[19]对良恶性结节能谱参数做比较,也发现AP及VP的碘基参数恶性组>良性组(P<0.05)。以上研究结果存有争议,究其原因可能是纳入研究的结节或肿块内部血供差异导致能谱CT参数差异。当纳入研究的结节或肿块是以急性炎症为主的病变为主,病灶多由肺动脉和支气管动脉双重供血,血供往往相对恶性肺结节及肿块丰富;而纳入以慢性炎性结节或肿块为主的病变时,血管易纤维化,故血供不及肺癌丰富。另外,不同病理学分型的恶性结节或肿块血供往往差异也较大,因此不同病理学分型的恶性肺结节纳入研究的数量不同也可能对研究结果产生影响。部分研究将结核结节及肿块进一步纳入研究,对炎性、肿瘤性及结核性病变CT值、λHU、NIC进行分析,炎性结节与肿瘤结节相关研究得出的结论依旧尚存争议,但结核结节以上能谱参数均较肿瘤低[20-21]。原因可能是结核结节主要由肉芽组织和纤维组织组成,且往往含有干酪样坏死成分,血管相对较少。另外,与肺结节/肿块血供相关的IC空间分布差异,也有助于能谱CT上的良恶性鉴别。Wu等[22]研究发现,无论是在AP还是VP,恶性孤立性肺结节(SPN)和良性SPN之间的NIC的近端和远端区域均有显著差异,且恶性SPN在近端的NIC显著高于远端。可能是癌症倾向于向血管生长以寻找营养。因此,恶性结节的近端通常血供丰富,其反映血供的能谱CT参数也相对较高。
综上,能谱CT的多个参数,包括净增强CT值、NIC和λHU,尤其是VP时的肿块NIC与肿瘤的血供关系密切,在鉴别良恶性结节/肿块上意义显著,研究也日趋成熟。虽然部分研究结论现仍存争议,但相信利用细化研究中急慢性结节/肿块的分组或可尽量降低研究中恶性结节/肿块的不同病理学分型的影响,以上问题可能得以解决。
2.2 良恶性肺结节/肿块的病理学分型
能谱CT在良性结节/肿块间的鉴别中也有潜在价值。朱怡等[23]利用能谱CT定量分析参数对矽肺结节与肺结核结节进行鉴别,发现矽肺结节SiO2 (H2O)基物质对浓度明显高于肺结核组,差異有统计学意义(P<0.5),且SiO2 (H2O)基物质对浓度诊断价值极高(AUC=0.95)。矽肺结节是由于患者长期吸入游离SiO2粉尘后在肺内被巨噬细胞吞噬局灶性堆积形成,而肺结核结节形成与SiO2无显著联系。该研究还证明,矽肺组的Eff-Z高于肺结核组(P<0.5),说明能谱CT基物质分离技术及Eff-Z能间接反映肺结节形成机制及物质组成上存在的差异。近来,国外有报道首次用能谱CT诊断了肺海绵状血管瘤(PCH),该研究从能谱图像中提取的碘密度图像较传统CT增强更好地反映了早期增强的周边较小区域的强化及延迟期的向心性强化特点,间接反映每个结节中碘的存在和摄取模式,由此提出了PCH的诊断[24]。
能谱CT在恶性肺结节/肿块的病理学分型上也有较高的应用价值。史志勇[25]研究认为能谱CT能应用于术前非小细胞肺癌(NSCLC)的病理分型,其认为腺癌因具有其丰富的腺管状结构,且常伴有钙化,λ40~65 keV、钙(水)浓度、Eff-Z均较高,这与戴钢等[26]的研究一致。而研究中腺癌AP碘(水)浓度高于鳞状细胞癌,可能是腺癌微血管密度高于鳞状细胞癌而含有更丰富的血供。此外,有多项研究进一步将小细胞肺癌(SCLC)纳入研究,并发现SCLC与NSCLC的能谱参数也存在显著差异,且SCLC的IC、NIC、Eff-Z均较小,其中,能谱模式扫描对肺腺癌敏感度、特异度及SCLC敏感度高于能谱平扫扫描[27-29]。能谱CT碘含量还能鉴别不同疾病肺部转移,包括乳腺癌、肾癌、骨肉瘤等肿瘤肺部转移[30]。在鳞状细胞癌与腺癌、鳞状细胞癌与神经内分泌肿瘤之间,血清与能谱CT联合诊断效能大于血清肿瘤标志物和能谱CT光谱参数单独诊断,因此,联合能谱CT和肿瘤标志物检测可显著提高诊断效能[31]。
2.3 恶性肺结节/肿块的预后评估及精准治疗
2.3.1 用于评估肿瘤分期 随着肺结节/肿块诊疗技术的不断发展,被应用于治疗肺结节/肿块的手段也不断多样化、个体化,恶性结节/肿块的浸润范围、淋巴结是否转移对肿瘤分期非常重要,这与是否手术、采用何种手术方法及综合治疗方案密切相关,从而间接或直接影响患者预后情况。淋巴结转移性病变常常是正常淋巴结受到肿瘤细胞浸润或被取代,所以转移性淋巴结的物质组成及生物学行为与原发性肿瘤极度相似。崔元龙等[27]发现肺部原发病灶与淋巴结转移灶,各能谱参数均无统计学意义(P>0.05),并且原发病灶与尚未发生淋巴结转移的淋巴结各项能谱参数均有统计学意义(P<0.05),说明能谱CT能区分肺内结节/肿块与增大淋巴结是否具有同源性。该研究还证实,发生纵隔淋巴结转移与未转移组在各期能谱CT诸参数上均差异显著,这有利于降低淋巴结转移的误诊率。此外,能谱CT多项参数在区分SCLC纵隔淋巴结转移与肺结节病纵隔淋巴结肿大上有显著价值[32]。因此能谱CT在鉴别肺部恶性肿瘤伴淋巴结转移及良性病变导致的淋巴结肿大上有指导意义,为肿瘤的N分期打开了新的思路,有利于评估患者预后。裴丽美等[33]研究认为,能谱CT在鉴别中央型肺癌与阻塞性肺不张上有较高的价值,有利于界定肿瘤边界。以此推测,能谱CT多参数分析不但有利于精确肺部恶性肿块TNM分期,还能精确指导放疗定位。另外,能谱CT还能指导区分肿瘤分化程度[25,34]。以上研究说明,能谱CT部分参数能间接反映恶性结节/肿块的生物学行为特征,为界定肿瘤分期提供了更为精确的客观依据。
2.3.2 恶性肺结节/肿块基因学层面研究及精准治疗 肺癌常常是由于多种基因突变和表观遗传改变的积累所引起的肿瘤细胞增殖,肿瘤之间,甚至肿瘤内部存在显著的基因组异质性,不仅与肿瘤细胞增殖、凋亡、侵袭、转移和血管生成有关,而且能在决定特定药物治疗的临床反应可能性方面发挥较为重要的作用[35]。在表皮生长因子受体(EGFR)突变的患者中,使用EGFR酪氨酸激酶抑制剂(TKI)患者的生存期明显长于使用标准铂类化疗的患者[36]。随着对能谱CT在肺结节及肺肿块研究的不断进展,近年有研究将能谱CT参数推进到基因学层面。由于EGFR的免疫组化过表达与EGFR突变状态之间的相关性较差,往往缺乏一种有效而能定量的客观方法对EGFR突变状态进行检查,而近来多项研究发现,能谱CT定量参数在EGFR突变状态的检测中有显著价值。有研究结果表明,能谱CT的定量参数(CT40 keV、CT70 keV、λ70 keV、Eff-Z和IC)与EGFR突变显著相关,在AP和VP,EGFR野生型组上述参数值均低于突变型组(P<0.05)[37]。何小群等[38]也发现,临床、病理特征联合能谱CT定量参数可提高预测NSCLC患者EGFR基因突变的效能。Ki-67被认为是与细胞增殖和肿瘤异质性相关的关键标志物,预测Ki-67表达水平对肺癌患者的治疗及预后表现出重要的价值。但当前能谱CT参数与Ki-67表达水平的相关性的研究结论尚存争议。田双凤等[39-40]在实性肺癌能谱CT参数与Ki-67表达水平的相关性研究表明,实性肺癌VP IC、40 keV及70 keV的CT值、λHU与Ki-67表达水平呈负相关,而这与Chen等[41]的研究并不一致。以上差异存在的原因有待探究,推测可能与前者纳入的病变包括了多种病理学分型的肺癌,而后者仅仅对腺癌进行研究有关。
随着分子生物学研究的不断进展,越来越多与基因治疗相关的靶向药物期待被发现,基于能谱CT定量参数分析基因表达水平及突变状态,将在患者精准治疗及预测患者预后上发挥更大的应用价值。
3 影像組学与能谱CT联合诊断肺结节/肿块的应用
近年来随着大数据时代深入发展,影像组学日益兴起,部分研究也将影像组学这一新技术与能谱CT联合用于肺结节和肺肿块的诊断。影像组学是从医学图像中提取高通量数据并分析大量高级定量影像特征的研究领域,能定量反映肿瘤内部的组织病理多样性,甚至肿瘤内部存在的显著基因组异质性[35,42]。而能谱CT影像组学定量特征用于鉴别肺内炎性、恶性结节上具有显著优势[43]。徐一铭等[44]在研究中利用碘基图像提取出肺内炎性、恶性结节影像组学特征,以此来建立的预测模型,不仅有较高的诊断效能(AUC=0.843),而且优于能谱CT的NIC诊断效能(AUC=0.728)。徐鹤等[45]研究进一步比较了CT特征性征象、能谱CT定量参数、临床相关危险因素与能谱CT成像影像组学特征鉴别良恶性肺结节/肿块的差异,结果发现能谱CT成像与其影像组学特征对良恶性肺部病变的鉴别诊断能力显著优于其他组。因此,利用能谱CT成像及其影像组学能将图像中潜藏的信息进行更为精确的定量分析,相对于传统CT的诊断模式,能够更精细、准确及客观地显示影像图像定量参数与临床病理学信息的关联。
当前联合能谱CT参数与影像组学特征评估肺结节/肿块的研究还比较少,另外,大部分只选取了碘基定量参数,并没有过多地纳入其他定量参数(如λHU、Eff-Z等),故有关结论仍有待考究,随着影像组学这一新兴技术的深入发展,更多能谱CT及影像组学特征在肺结节/肿块的应用价值也期待进一步的发掘。
4 不足与展望
综上所述,能谱CT目前虽尚不能成为像病理学检测那样区分病灶组织成分及生物学行为的权威标准。但是越来越多的研究表明能谱CT可以从多个角度对肺结节及肺肿块做出更为综合性的评估,在肺结节良恶性鉴别、病理学分型、恶性病变分期、评估患者预后中均具有显著的应用价值。但当前的研究仍然存在局限性,如大多研究样本量较少,未充分区分不同分期或病理学分型结节/肿块对实验结果的影响,纳入的结节/肿块病理学类型不够全面等,导致诸多研究结果存有争议,能谱CT尚未能充分应用于临床实践。但随着研究的深入化、细致化,能谱CT定量参数在诊断肺结节/肿块中的应用价值亦日益凸显,应用前景也将愈加广阔。联合基因学及影像组学特征也将为能谱CT在评估肺结节/肿块的应用开启新的篇章。
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(收稿日期:2023-10-12) (本文编辑:陈韵)