PET特征改變對非小細胞肺癌放射治療的預測價值

羅居東，馬長升，趙睿，馬長東

1.南京醫科大學附屬常州市第二人民醫院腫瘤科，江蘇常州213000；2.山東大學附屬山東省腫瘤醫院放療科，山東濟南250117；3.山東省醫學物理與圖像處理技術重點實驗室/山東師范大學物理與電子學院生物醫學研究所，山東濟南250014；4.山東大學齊魯醫院放療科，山東濟南250012

前言

肺癌是我國最常見的惡性腫瘤之一，其中非小細胞肺癌（Non-Small-Cell Lung Cancer,NSCLC）約占80%。對于不能手術的NSCLC 患者來說，如何提高患者的治療療效是臨床難題，因此，早期預測NSCLC 患者的治療療效、進而制定個體化的治療方案具有重要臨床意義。正電子發射斷層掃描圖像是腫瘤診斷領域廣泛應用的工具，近年來被廣泛用于放射治療腫瘤靶區勾畫以及對治療反應和患者的隨訪研究［1］。PET 分子功能影像是基于生化和生物學特性的成像手段，具有表征組織特異性的能力［2］。目前，以氟代脫氧葡萄糖（Fluorodeoxyglucose,FDG）作為示蹤劑的PET 被應用于腫瘤的檢測，分期的臨床實踐，以及不同部位癌癥的放射治療靶區定義的報道越來越多［3-5］。有足夠的證據表明，FDG 標準攝取值（Standard Uptake Value,SUV）不僅可以作為衡量腫瘤治療療效的重要指標還可以實現治療療效的預測［6-8］。在本文中，筆者將探索PET/CT 的SUV 值以及腫瘤紋理特征在NSCLC 治療中的療效預測作用，同時篩選早期預測NSCLC放療近期療效的有效指標。

1 材料與方法

1.1 病例和PET掃描

選取2013年1月～2016年12月之間21例經活檢病理診斷為NSCLC且接受放射治療的患者。年齡范圍32～72 歲，平均年齡為49 歲，中位數48 歲，男11例，女10 例。所有患者在放療前和治療1 個月后進行PET/CT 掃描。行PET 掃描前要求禁食6 h 以上，18F-FDG劑量5.55～7.40 MBP/kg，患者血液中的葡萄糖濃度為7 mmol/L 以下。PET 掃描在PET/CT 機上完成（Discovery LS型,GE公司）。PET/CT可利用CT 的優點精確定位病變顯示病變的結構變化，與PET檢測病變明顯的代謝特征相結合。圖1和圖2展示了1 位患者治療前和治療1 個月后的CT、PET 和PET/CT圖像。

1.2 腫瘤靶區勾畫

目前，18F-FDG PET 圖像確定腫瘤邊界方法包括固定閾值（SUV≥2.5）、36%～44%最大SUV 值、復雜計算公式定義閾值、視覺和手動分割等。許多學者已經分析了不同勾畫方法的優勢以及它們的應用情況。本研究中筆者應用SUV 閾值2.5 自動勾畫方法定義腫瘤輪廓，并由3 位經驗豐富的臨床醫生確認。治療前后包括體積變化率，SUV 變化率和紋理參數變化率，都采用以下計算公式歸一：

其中，Xpre和Xpost分別表示治療前和治療后各參數值。

1.3 SUV和紋理參數

放射性核素SUV的典型作用是反映感興趣區的代謝程度在治療前和治療1 個月后變化情況。提取治療前后的4 種傳統參數：最小SUV 值、最大SUV值、平均SUV 值、SUV 峰值；5 種灰度共生矩陣的紋理參數：角二階距（Second Angular Moment,SAM）、對比度（Contrast,CON）、逆差距（Inverse Different Moment,IDM）、熵（Entropy,ENT）、自 相 關（Autoorrelation,COR）。基于灰度共生矩陣的紋理參數的定義如下：

其中，G是一個圖像矩陣，i、j是行和列的索引，P（i，j）表示圖像像素的灰度值。

1.4 統計學分析

用SPSS 19.0 進行數據統計分析，治療前后PET/CT圖像SUV和紋理參數采用均數±標準差表示。SUV和紋理參數與腫瘤體積變化率之間的相關性用Spearman 系數分析法。用Mann WhitneyU檢驗評估SUV 參數和紋理參數區分有效組和無效組。P＜0.05認為結果有統計學意義。

2 結果

2.1 腫瘤體積

筆者計算治療前和治療結束后腫瘤體積變化情況。有療效組腫瘤體積變化的為（-48.02±40.60）cm3（最大-142.20 cm3，最小-13.81 cm3）。無效組靶區體積變化 為（20.32±35.05）cm3（最大61.63 cm3，最小-9.01 cm3）。在圖1和圖2中，可以觀察到治療前和治療1個月后腫瘤體積之間的明顯差異。

圖1 CT、18F-FDG PET和18F-FDG PET/CT顯示治療前腫瘤圖像Fig.1 CT,18F-FDG PET and18F-FDG PET/CT images before treatment

2.2 PET特征參數

患者治療前和治療1 個月后從PET 圖像提取的代謝特征最大SUV，最小SUV，平均值SUV 和SUV峰值以及紋理參數的統計結果，如表1所示。

將腫瘤體積變化率與SUV參數和紋理參數的變化率做Spearman相關性分析，相關性分析結果表明逆差距（RS 0.557,P=0.009）和最大SUV（RS 0.468,P=0.033）與腫瘤體積變化率有相關性，其它參數無相關性。

2.3 療效預測

在圖3箱線圖中可以觀察兩組間的參數分布，圖3a 顯示的是IDM 變化率在無效組Group1 和有效組Group2的分布情況，圖3b顯示的是最大SUV變化率在無效組和有效組的分布情況。

進一步的Mann Whitney U檢驗評估SUV參數和紋理參數區分有效組和無效組。其統計學結果見表2。

3 討論

目前，治療癌癥的效果評估主要是通過視覺評估方法，根據標準的實體瘤療效評價標準（Response Evaluation Criteria In Solid Tumors,RECIST）測量腫瘤體積減少和腫瘤收縮進行分類。許多紋理研究表明，18F-FDG PET能夠反應腫瘤細胞內的代謝異質性從而評估病人的放化療療效。根據分類標準通過測量腫瘤大小、分析了治療后腫瘤的反應。定量的研究SUV 和紋理的變化在評估NSCLC 患者對放化療的響應中的價值，發現最大SUV 值和紋理特征的逆差距的改變值是判斷腫瘤有無療效的重要參數。有研究表明最大SUV值是治療療效相應的一個預測因子，而且是一個可重復性的參數［9-10］。所以最大SUV 值成為評估治療反應的首選參數。然而，一個快速增長的瘤體發生中心壞死可能會顯示最大SUV值沒有變化甚至出現減小，因為存活腫瘤的薄邊緣會受部分容積效應的影響［11］。因此，腫瘤體積和吸收強度的代謝參數建議結合使用［12-13］。

圖2 CT、18F-FDG PET和18F-FDG PET/CT顯示治療1個月后腫瘤圖像Fig.2 CT,18F-FDG PET and18F-FDG PET/CT images after a month of treatment

表1 治療前后腫瘤的SUV值和紋理參數值（±s）Tab.1 SUV and texture parameters of the tumor before and after treatment(Mean±SD)

表1 治療前后腫瘤的SUV值和紋理參數值（±s）Tab.1 SUV and texture parameters of the tumor before and after treatment(Mean±SD)

SUV：標準攝取值；SAM：角二階距；CON：對比度；ENT：熵；IDM：逆差距；COR：自相關

特征類型SUV值紋理參數值特征最小SUV最大SUV平均SUV SUV峰值SAM CON ENT IDM COR治療前1.51±1.07 13.46±5.604 4.04±1.98 22.38±21.92 0.01±0.02 56.22±45.47 5.61±0.98 0.26±0.16 0.76±0.17治療后1.67±1.00 9.01±4.79 3.55±1.37 16.33±24.64 0.01±0.01 66.87±48.08 5.45±0.97 0.19±0.13 0.64±0.30

圖3 箱式圖表示逆差距（a）和最大SUV變化率（b）在無效組（紅色）和有效組（綠色）中的分布情況Fig.3 Box plots of the change rates of inverse different moment(a)and maximum SUV(b)in ineffective group(red)and effective group(green)

表2 9個特征參數變化率Mann Whitney U檢驗的統計學結果Tab.2 Statistical results of Mann Whitney U test on the change rates of 9 parameters

研究表明，代謝的變化經常先于形態學變化，18FFDG PET/CT比常規CT等具有更準確的預后評估能力［14］。早期研究表明，治療1～3 周后SUV 值下降超過50%的患者生存期大多超過了6 個月，而SUV 值下降低于50%的患者絕大部分生存期不足6個月［15］。有學者評估NSCLC 患者以鉑類作為基礎的化療藥物，發現SUV變化與腫瘤對治療的反應密切相關，可以使用腫瘤的SUV 減少20% 作為有療效的標準［16-20］。當然，使用18F-FDG PET 評估放療療效也具有其局限性。例如，18F-FDG在正常組織或炎癥區域內的高攝取必須排除，治療后什么時間測量SUV 值和SUV值降低到什么程度作為標準至今仍然沒有達成共識。目前紋理在影像組學中獲得了廣泛應用。紋理是一種反映圖像中同質現象的視覺特征，它體現了物體表面具有緩慢變化或者周期性變化的表面結構組織排列屬性。紋理可以反映腫瘤體的特異性，可以提供更多的圖像信息。所以，本文不僅研究SUV值，還加入紋理特征用于療效的預測。

研究初步顯示，18F-FDG PET的最大SUV值和紋理IDM 的變化率有能力預測腫瘤治療療效，此方法在臨床實踐中有較好的應用前景。