能谱CT 在肺癌中的应用进展

田双凤，夏建国

1.大连医科大学研究生院，辽宁 大连 116044；2.眉山市人民医院影像科，四川 眉山 620000；3.泰州市人民医院影像科，江苏 泰州 225300；

肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因[1]。常规CT是筛查和诊断肺癌的主要方法，但其成像方式单一，且不同元素组成的组织可以表现为非常相似甚至相同的CT值。能谱CT除揭示病灶的形态特征外，还能提供更多的定量信息，揭示组织的生物学行为。在胸部CT检查中，能谱成像与常规扫描的射线剂量相当，但其可有效降低图像噪声，改善图像质量[2]。目前，能谱CT的多参数技术主要包括虚拟单能量或单色图像（virtual monoenergetic or monochromatic imaging，VMI）、能谱衰减曲线、物质分解图（碘/水基物质分解图）及有效原子序数（material effective atomic number，Zeff）。能谱CT可以利用多参数成像技术在提高病灶检测率、肺良恶性结节鉴别、评估肺癌淋巴结转移、病理分型、疗效及预后等方面有一定价值。本文总结能谱CT成像方法及上述4种技术在肺癌方面的相关研究结果并进行综述。

1 能谱CT 成像方法

CT厂商已经研发了一些技术采集能谱CT成像所需的高能谱和低能谱数据集。以西门子公司为代表，双源双能量CT扫描仪包含2个X射线球管和与其各自相匹配的探测器，一个X射线球管在70～100 kVp的低kVp下运行，另一个在140～150 kVp的高kVp下运行，利用锡过滤器过滤高能谱中的低能谱部分，减少了与低能谱的重叠，从而改善了能谱分离；西门子公司还开发了一种单源双能量CT扫描仪，其在Z方向上一半X射线束用锡过滤器过滤以减少能谱中低能量部分，另一半X射线束用金过滤器过滤以减少能谱中高能量部分，从而实现能谱分离；GE公司开发的单源双能量CT扫描仪采用单个X射线球管和单个探测器，利用低电压（80 kVp）和高电压（140 kVp）瞬时切换技术，实现了能谱数据采集；飞利浦公司开发的单源双能量CT扫描仪使用单个X射线球管和双层探测器，采用基于探测器的能谱分离技术，上层探测器优先捕获较低能量的光子，而下层探测器吸收剩余的较高能量的光子[3-4]。虽然以上方法之间存在较大不同，有各自的优缺点，但均成功地获得了双能量后处理应用所需的成对的高能和低能X射线吸收数据。

2 能谱CT 的多参数技术

2.1 VMI 能谱CT基于投影域或图像域的算法分解两种基物质合成VMI。目前能谱CT可生成的VMI能量重建的范围为40～140 keV或更高，取决于所用的扫描仪。较低能级的VMI可以减少辐射剂量和提高软组织对比度，但增加了图像噪声，降低图像质量；较高能级的VMI会降低图像的对比噪声比，但是可以减少金属伪影和光束硬化伪影[5]。

2.2 能谱衰减曲线 与一个感兴趣区仅产生一个CT值的单能量CT不同，能谱CT能将某一感兴趣区在40～140 keV甚至更高能量范围内的不同keV水平下获得的单能量CT值相连，得到形状不同的能谱衰减曲线，每一种物质均有其特有的能谱衰减曲线。能谱参数-能谱衰减曲线斜率（the slope of spectral attenuation curve，λHu）便于描述能谱衰减曲线。医学上不同的能谱曲线代表不同物质的结构，因此能谱衰减曲线斜率可以应用于鉴别肺癌转移性淋巴结、肺内肿瘤的病理类型等方面。

2.3 物质分解 任何物质与X射线相互作用均可用原子序数完全不同的两种基物质表示[6]。碘-水是常见的基物质对[6]。碘基物质分解图中的碘浓度（iodine concentration，IC）和归一化碘浓度（normalized iodine concentration，NIC）可以间接反映微血管密度和血液供应，作为评估肿瘤血管化的生物标志物，有助于正确测量病灶的增强程度[7]。此外，IC的变化还可以反映肿瘤对化疗或放疗的反应。

2.4 Zeff Zeff图是基于组织原子序数的彩色编码，用来描述每个像素的物质组成，可用于进行物质鉴别及分离等，将不同组织成分差异可视化[4]。

3 能谱CT 在肺癌中的应用与研究

3.1 改善图像质量，提高病灶检测率 近年来，大量学者研究较低能量VMI在肿瘤诊断方面的应用。与线性混合图像相比，VMI通过减少图像噪声，提高信噪比和对比噪声比以改善对软组织病变可视化。Hou等[8]研究表明，60 keV和70 keV的VIM改善了肺癌主观可视化的图像质量。另外，当增强的肺血管与强化的肺门淋巴结类似时，难以检测出淋巴结。然而，低能量的VMI能增加肺血管的对比度，从而改善肺门淋巴结的可探测性及可见性，并提高诊断淋巴结转移的准确性[9]。Sekiguchi等[10]研究证明，延迟期（静脉注入造影剂后60 s）40 keV的VMI在显示肺血管和淋巴结的对比度差异最大，能有效评估肺门淋巴结。较低能级的VMI可以提高肺门淋巴结与肺血管内碘间对比度。同时，何小群等[11]和戚元刚等[12]研究发现低能量keV的VMI与碘基物质伪彩融合图有助于中央型肺癌与阻塞性肺不张的鉴别，为临床放疗精准勾画靶区提供新的方法。上述研究表明，能谱CT的低能量VMI在改善病灶可视化方面有很大应用价值。

3.2 肺内良、恶性占位的鉴别 多项研究显示，肺癌和肺良性病变的能谱参数有明显差异。Wen等[13]报道，恶性孤立性肺结节在动静脉期的λHu、IC和NIC均明显高于良性孤立性肺结节。Zegadło等[14]发现肺癌性结节在动静脉期的40～140 keV VMI内的CT值（间隔5 keV）和IC显著高于肺良性结节，且静脉期65 keV的VMI和IC的诊断效能最好。然而，部分研究结果与上述研究结果相矛盾。Jiang等[15]研究报道肺良性结节动脉期及延迟期的NIC和IC以及Zeff均显著高于肺癌患者（P＜0.05）。邓靓娜等[16]探讨用能谱CT和灌注CT鉴别周围型肺癌和局灶性机化性肺炎，发现局灶性机化性肺炎动静脉期能谱参数（CT 40 keV、CT 70 keV、λHu、IC、Zeff值）均高于周围型肺癌（P＜0.05），而局灶性机化性肺炎的血流灌注参数均小于周围型肺癌，且与灌注CT成像相比，能谱CT成像在鉴别周围型肺癌和局灶性机化性肺炎方面具有更高的诊断效能，推测原因可能是炎症反应或炎性肉芽组织增生可导致肺炎性病变内局部血管扩张，而肺癌不适当的血管生成导致肿瘤内血管网络异常，肿瘤容易缺氧而发生坏死，导致肿瘤的IC更低。另外，Li等[17]研究发现，与肿块样肺炎性病变坏死区域相比，肺癌内坏死区域的动、静脉期及平扫的λHu和平扫的Zeff均显著增高。肿瘤坏死通常表现为慢性缺血性损伤或缺氧引起的凝固性坏死，与炎性坏死相比，肿瘤坏死区域的黏性较小，其内含有一些肿瘤细胞碎片和较少的炎症细胞。因此，肺炎性坏死区域和肿瘤坏死区域的组成成分有差异。然而，还需要进一步的研究验证上述结果。

3.3 肺癌转移性淋巴结的检测 肺癌的临床分期（特别是淋巴结转移）是影响患者治疗方案及评估预后的重要因素。能谱CT可以通过能量谱衰减曲线区分不同化学成分的病变，λHu能准确地反映组织成分的不均一性[18]。肿瘤细胞浸润的转移性淋巴结和正常的淋巴结细胞内成分不同，可能会产生不同的能谱曲线[18]。与传统CT以淋巴结短径≥10 mm作为诊断依据相比，能谱定量参数λHu在术前诊断非小细胞肺癌淋巴结转移的效能更高，且当动、静脉期的λHu分别与淋巴结短径联合时，可以进一步提高λHu的诊断效能，AUC分别为0.841、0.751[19]。因此，能谱定量参数λHu在术前评估淋巴结转移方面具有一定的临床应用价值。

此外，关于能谱参数IC和NIC与肺癌转移性淋巴结相关性的研究显示，肺癌转移性淋巴结IC和NIC显著低于非转移性淋巴结[18,20-22]。而Gao等[19]研究结果完全相反，转移性淋巴结IC和NIC显著高于非转移性淋巴结，其认为转移淋巴结微血管数量多，血管相对不成熟，对比剂蓄积增加，导致IC和NIC增高。王福南等[23]研究发现非小细胞肺癌纵隔转移性淋巴结与非转移淋巴结动、静脉期IC和NIC无显著差异，而静脉期碘净值有显著差异，且其诊断价值优于淋巴结短径。肺癌转移性淋巴结与非转移性淋巴结IC及NIC的差异尚需进一步研究。

3.4 鉴别肺癌病理类型和生长模式 不同病理类型肺恶性肿瘤的能谱参数也存在显著差异。Wen等[13]研究发现小细胞肺癌动、静脉期λHu和NIC显著高于非小细胞肺癌。而Ma等[24]研究发小细胞肺癌静脉期的Zeff值和CT值显著低于非小细胞肺癌，肺转移瘤动脉期IC显著高于小细胞肺癌，其认为这可能与小细胞肺癌的毛细血管通透性较低，肺转移瘤的血管化程度更高有关。其他研究多认为肺腺癌的IC高于鳞癌[7,22,25-26]。推测肺鳞癌肿瘤细胞生长迅速，组织结构致密，微血管密度低，而腺癌组织结构疏松，微血管密度高，血供丰富，病灶内强化程度高，因此IC更高。

能谱CT还可以用于预测侵袭性肺腺癌（invasive adenocarcinoma，IA）的生长模式。IA可表现为5种生长模式（附壁型、腺泡型、乳头型、实体型和微乳头型），通常IA是这些生长模式的复杂组合。以附壁型为主的IA预后较好，腺泡型/乳头型IA与实体型/微乳头型IA通常预后较差。Li等[27]发现以附壁型、腺泡型、乳头型为主的IA平扫期λHu、动、静脉期IC显著高于以微乳头型/实体型为主的IA，而水浓度则相反，且平扫期λHu鉴别两者的诊断效能最高（AUC=0.803），其最佳临界值为1.00，其可能原因为前者间质丰富，内部结构相对疏松；而后者实质丰富，内部结构致密。

总之，能谱CT定量参数不仅在鉴别肺癌病理分型方面有重要的应用价值，而且在预测IA的生长模式方面有一定参考价值，为临床医师评估患者预后提供参考价值。目前研究多局限于小细胞肺癌、肺鳞癌以及腺癌的主要病理亚型，其他少见病理类型的诊断和鉴别需进一步研究。

3.5 评估肺癌的疗效及预后 一些研究试图验证能谱参数在评估肺癌疗效及预后方面具有一定参考价值。Liu等[28]利用能谱定量参数评估肺癌患者射频消融后的治疗效果。射频消融后肿瘤的IC明显下降，反映了肿瘤的代谢状态降低。Tanaka等[29]研究结果表明，肺癌患者在接受立体定向体外放射治疗后，IC较低和低碘密度肿瘤面积比较大的患者局部复发率较高，表明放射抵抗与肿瘤低血容量及缺氧有关。Iwano等[30]研究发现直径≤3 cm实性肺癌增强能谱CT中动脉期三维碘相关衰减与手术切除后患者的预后及术后复发显著相关。与未复发患者相比，复发患者动脉期三维碘相关衰减和校正三维碘相关衰减显著降低。Fehrenbach等[20]研究也证明，能谱定量参数有助于预测非小细胞肺癌放化疗后的预后情况。在该研究中，病情进展患者肿瘤热区IC和NIC明显高于病情稳定或部分缓解患者肿瘤热区IC和NIC。随访期间病情进展的患者在最初的热区IC和NIC明显高于随访期间病情稳定的患者。病情进展、随访期间病情进展和随访期间病情稳定患者的IC差值和NIC差值有显著差异。热区的IC和IC差值可以识别残余血管化，作为预测肿瘤进展的一个指标。这些研究表明能谱CT多参数成像可以监测肿瘤组织灌注情况以及代谢改变，在评估肺癌疗效及预后方面具有一定参考价值。

4 不足与展望

尽管目前能谱CT多参数技术已广泛应用于肺癌的鉴别诊断、淋巴结转移、预测组织学类型及疗效评估等方面，但是这些研究仅反映了肿瘤内感兴趣区的局部特征，还有大量定量信息或特征可能未得到充分利用。影像组学最初的定义是利用高通量方法从影像图像中提取大量特征，后来扩展到包括图像到高维数据的转换以及这些数据的后续挖掘，以改进临床决策。已有学者建立能谱图像的影像组学模型用于预测甲状腺肿瘤[31]、头颈部鳞状细胞癌淋巴结转移[32]等，笔者推测从能谱图像中提取的影像组学特征作为肺癌定量特征的生物标志物具有巨大潜力，可以用来预测肺癌的各个方面。