CT紋理分析在消化系統惡性腫瘤中的應用進展

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(川北醫學院附屬醫院放射科，四川 南充 637000)

據2015年中國惡性腫瘤死亡率流行病學調查結果，肺癌、肝癌、胃癌、食管癌和結直腸癌是我國死亡率最高的5種惡性腫瘤[1]，其中4種為消化系統惡性腫瘤。消化系統惡性腫瘤在我國的發病率和死亡率均較高，但其早期診斷、療效評價和預后評估仍然是當今醫學界的難題。紋理分析有別于既往基于形態學研究的技術，可作為影像生物學標記，用于鑒別不同疾病、預測治療效果及評估患者預后等[2]。目前紋理分析技術已應用于分析CT、MRI、PET/CT等多種影像學資料[3]。CT因其空間分辨率高、檢查費用相對低等優勢，成為目前腫瘤檢查的主要方法之一。CT紋理分析(CT texture analysis， CTTA)是一項新的CT圖像后處理技術，也是影像組學的新興領域，其在惡性腫瘤中的應用備受關注。本文對CTTA在消化系統惡性腫瘤中的應用進展進行綜述。

1 CTTA應用于惡性腫瘤的原理

異質性是惡性腫瘤的普遍生物學特征，是指腫瘤細胞在生長過程中經過多次分裂增殖，其子細胞呈現出分子生物學或基因方面的改變，使腫瘤在生長速度、侵襲能力、對藥物的敏感性、預后等各方面產生差異[4]。腫瘤在細胞水平、基因水平和表型水平均具有異質性，并且在細胞密度、血管生成和細胞壞死方面具有空間異質性[5]。異質性大的腫瘤惡性程度可能更高，對治療的抵抗性可能更大。

紋理分析通過分析圖像中像素或體素灰度間的分布和關系而對腫瘤的異質性進行客觀定量評價[6]。目前基于統計、模型和轉換的紋理分析方法均被廣泛應用，其中基于統計的方法最常用于描述圖像灰度值間的關系。在基于統計的模型中，一階統計評估給定感興趣區像素強度直方圖的灰度頻率分布，包括均值、閾值、熵、標準差、偏度和峰度等，但一階直方圖分析不能顯示像素的位置，且缺少灰度值間空間關系的參考。二階統計建立在共現矩陣的基礎上，包含二階熵、能量、同質性、差異性和相關性等。二階統計量也可由一個在特定方向分析紋理的灰度游程矩陣推導得出。采用高階統計如對比度、粗糙度和繁忙度等，可以使用局部灰度差分矩陣來觀察3個及3個以上像素間的位置關系。高階特征能夠考慮到與鄰近體素的關系，有利于評估局部背景下的體素。基于模型的紋理分析使用高數方法如分形分析，而基于轉換的方法是將空間信息轉換為頻率和/或小波信息。

CTTA屬于影像組學領域，可作為量化腫瘤異質性的工具[7]，并可對CT圖像中的定量特征進行高通量提取、分析和解釋，是一種潛在的影像生物標志物[8]；但有研究者[9]擔心與CT技術相關的金屬偽影、噪音、圖像重建算法等可能影響圖像采集，進而掩蓋潛在真實的腫瘤生物學異質性。Ganeshan等[10]報道，CTTA可通過使用圖像過濾減輕CT技術對圖像采集的影響，且不同觀察者對CTTA結果判斷的一致性較高[11]。臨床研究[12-13]發現，CTTA在預測結直腸癌、頭頸部惡性腫瘤、食管癌、肺癌和腎細胞癌等的病理特征、對治療的反應以及預后方面效果較好。

2 CTTA在消化系統惡性腫瘤中的應用

2.1 鑒別腫瘤良惡性 目前診斷消化系統腫瘤的主要問題是如何以無創性方法準確鑒別良惡性病變。對于多數腫瘤而言，在良惡性病變之間存在可量化的紋理差異，通常惡性病變具有更大的異質性。因此，CTTA對于可疑腫塊具有“虛擬活檢”的功能。

Raman等[14]利用隨機森林模型鑒別肝臟富血管性病變，結果顯示該模型對肝臟局灶性結節性增生、肝腺瘤和肝細胞癌的診斷準確率分別為94.4%、91.2%和98.6%。王慧慧等[15]對肝臟局灶性結節性增生與肝細胞癌的增強CT紋理特征進行比較，結果顯示二者動脈期偏度、平均值、標準差、能量及自相關，門靜脈期偏度、平均值、峰度及自相關，延遲期平均值及自相關之間的差異均有統計學意義(P均<0.05)，提示CT紋理參數對鑒別肝臟局灶性結節性增生與肝細胞癌有一定幫助，其中以灰度平均值參數的鑒別診斷價值最高。Canellas等[16]對117例良惡性門靜脈栓塞進行鑒別，發現紋理特征正像素平均值和熵對二者鑒別診斷的AUC分別為0.97和0.93，正像素平均值聯合熵的AUC為0.99；進一步研究顯示，正像素平均值和熵對良惡性門靜脈栓塞的鑒別診斷效果優于單獨Hounsfield單位衰減(AUC=0.91)和放射科醫師對CT圖像的主觀判斷(AUC=0.61)。

Hanania等[17]采用CTTA鑒別診斷低級別發育不良和高級別發育不良胰腺導管內乳頭狀黏液性腫瘤，結果顯示相對于基于福岡共識的影像學特征，CTTA識別高級別發育不良病灶的效果更好，其中最佳紋理特征灰度共生矩陣鑒別診斷二者的AUC為0.82，約登指數為0.537 2時，對應的敏感度為85%、特異度為68%；交互驗證邏輯回歸模型的AUC為0.96，敏感度為97%、特異度為88%。梁萌等[18]回顧性分析20例胰腺漿液性囊腺瘤、12例胰腺黏液性囊性腫瘤的增強CT圖像，發現黏液性囊性腫瘤的最大囊腔長徑、囊液CT值、總體素及熵均高于漿液性囊腺瘤，提示CT紋理參數有助于2種疾病的鑒別診斷。

2.2 評估療效及預后 一般來說，腫瘤異質性改變可能與治療反應和療效有關。多項研究[19-20]使用CTTA作為常規影像學檢查的輔助手段，以確定惡性腫瘤對治療的反應。Fu等[19]使用CTTA技術對經TACE(n=197)和經TACE+索拉非尼(n=64)治療的261個肝細胞癌病灶進行評估，發現TACE+索拉非尼對于小波低者的療效好于小波高者，且小波與患者總生存期和疾病進展時間相關。胡飛翔等[20]采用基線CT門靜脈期圖像的直方圖預測新輔助治療對于34例結直腸癌肝轉移的療效，結果顯示治療后緩解組(n=21)的均值、方差、偏度和百分位數均低于非緩解組(n=13)，提示CT門靜脈期直方圖可用于預測結直腸癌肝轉移患者新輔助治療效果。Yip等[21]觀察36例于手術切除腫瘤前接受新輔助化療和放療的食管癌患者，發現治療后CTTA顯示低熵和高勻質性患者的生存時間更長。

消化系統惡性腫瘤死亡率高，評估患者預后是消化系統惡性腫瘤管理的一個重要步驟。雖然目前臨床分期仍然是預測消化系統惡性腫瘤患者生存期最重要的指標，但研究[22-23]顯示CTTA可以為消化系統惡性腫瘤患者的生存期提供獨立預測因子。Eilaghi等[22]對30例胰腺導管腺癌患者于術前行CT檢查，并計算腫瘤大小和紋理特征，發現差異性和倒數差分矩與患者總生存期相關，而腫瘤大小和其他紋理特征包括均質性、熵、相關性與總生存期均無關，提示差異性和倒數差分矩是預測胰腺導管腺癌患者手術治療后總生存期的影像學標志物。Yoon等[23]通過CTTA對經曲妥單抗治療后的26例人類表皮生長因子受體2陽性進展期胃癌患者進行生存期預測，首先基于總生存期12個月這一時間點將患者分為生存期可觀組和非可觀組，然后檢測包括對比度、方差和相關度在內的紋理特征識別可觀組生存期的能力，結果發現各項紋理特征識別可觀組生存期的AUC均高于0.7。Ng等[12]通過使用帶有過濾的容積性紋理對55例原發性結直腸癌患者進行預后評估，發現多種紋理特征(熵、均質性、峰度、偏度、標準差)均可預測患者生存期，且不依賴于腫瘤分期，具有較低熵、峰度和標準差的患者預后更差。另一項研究[24]使用CTTA對治療前結直腸癌肝轉移患者的預后進行評估，發現熵和標準差與腫瘤病理分級呈負相關，且熵與生存期呈負相關。

2.3 識別基因突變 多項研究[25-26]評估了CTTA對識別結直腸癌中K-ras基因突變的價值，結果顯示約30%～40%的結腸癌存在K-ras基因突變，存在K-ras基因突變的結直腸癌對作用于表皮生長因子受體的藥物具有耐藥性。盡管目前相關研究有限，但CTTA已顯示出與K-ras基因狀態可能存在聯系。Miles等[25]報道，正像素均值聯合氟脫氧葡萄糖攝取和CT灌注可以識別K-ras基因突變，并對其表型進行分類。王國蓉等[26]利用CTTA回顧性分析33例經病理證實的直腸癌患者的CT圖像，其中K-ras基因突變型18例、野生型15例，發現當平掃CT圖像空間縮放因子取2～4時，野生型病灶的熵高于突變型，差異均有統計學意義，而增強CT圖像上各紋理參數值在突變型與野生型的差異均無統計學意義，提示CTTA能夠對預測直腸癌患者有無K-ras基因突變提供一定信息。

3 小結與展望

CTTA目前廣泛用于鑒別消化系統腫瘤的良惡性、評估惡性腫瘤治療后的效果及預后等，各種紋理參數可為放射科醫師提供更客觀的評估依據，提高評價準確性。但是，CTTA應用于消化系統惡性腫瘤尚存在以下不足：①紋理分析類型、分割類型、后處理技術、紋理特征輸出的數量和質量在不同平臺和不同研究中存在廣泛差異，且病變形態、位置和圖像采集參數等均影響紋理特征參數值；②關于紋理特征尚無統一的測量或報告標準，對不同研究結果之間的比較具有挑戰性；③關于CTTA應用于消化系統惡性腫瘤的研究多來自單中心回顧性研究。目前對CTTA的研究還處于初級階段，尚未廣泛應用于臨床，未來需要大型、多中心、前瞻性假說驅動研究，以推動紋理分析作為臨床常規工具，通過CTTA尋找更強大的影像生物學標志物，以期于分子及基因水平無創診斷消化系統惡性腫瘤。