能譜CT 在肺癌中的應用進展

田雙鳳，夏建國

1.大連醫科大學研究生院，遼寧 大連 116044；2.眉山市人民醫院影像科，四川 眉山 620000；3.泰州市人民醫院影像科，江蘇 泰州 225300；

肺癌是全球癌癥相關死亡的主要原因[1]。常規CT是篩查和診斷肺癌的主要方法，但其成像方式單一，且不同元素組成的組織可以表現為非常相似甚至相同的CT值。能譜CT除揭示病灶的形態特征外，還能提供更多的定量信息，揭示組織的生物學行為。在胸部CT檢查中，能譜成像與常規掃描的射線劑量相當，但其可有效降低圖像噪聲，改善圖像質量[2]。目前，能譜CT的多參數技術主要包括虛擬單能量或單色圖像（virtual monoenergetic or monochromatic imaging，VMI）、能譜衰減曲線、物質分解圖（碘/水基物質分解圖）及有效原子序數（material effective atomic number，Zeff）。能譜CT可以利用多參數成像技術在提高病灶檢測率、肺良惡性結節鑒別、評估肺癌淋巴結轉移、病理分型、療效及預后等方面有一定價值。本文總結能譜CT成像方法及上述4種技術在肺癌方面的相關研究結果并進行綜述。

1 能譜CT 成像方法

CT廠商已經研發了一些技術采集能譜CT成像所需的高能譜和低能譜數據集。以西門子公司為代表，雙源雙能量CT掃描儀包含2個X射線球管和與其各自相匹配的探測器，一個X射線球管在70～100 kVp的低kVp下運行，另一個在140～150 kVp的高kVp下運行，利用錫過濾器過濾高能譜中的低能譜部分，減少了與低能譜的重疊，從而改善了能譜分離；西門子公司還開發了一種單源雙能量CT掃描儀，其在Z方向上一半X射線束用錫過濾器過濾以減少能譜中低能量部分，另一半X射線束用金過濾器過濾以減少能譜中高能量部分，從而實現能譜分離；GE公司開發的單源雙能量CT掃描儀采用單個X射線球管和單個探測器，利用低電壓（80 kVp）和高電壓（140 kVp）瞬時切換技術，實現了能譜數據采集；飛利浦公司開發的單源雙能量CT掃描儀使用單個X射線球管和雙層探測器，采用基于探測器的能譜分離技術，上層探測器優先捕獲較低能量的光子，而下層探測器吸收剩余的較高能量的光子[3-4]。雖然以上方法之間存在較大不同，有各自的優缺點，但均成功地獲得了雙能量后處理應用所需的成對的高能和低能X射線吸收數據。

2 能譜CT 的多參數技術

2.1 VMI 能譜CT基于投影域或圖像域的算法分解兩種基物質合成VMI。目前能譜CT可生成的VMI能量重建的范圍為40～140 keV或更高，取決于所用的掃描儀。較低能級的VMI可以減少輻射劑量和提高軟組織對比度，但增加了圖像噪聲，降低圖像質量；較高能級的VMI會降低圖像的對比噪聲比，但是可以減少金屬偽影和光束硬化偽影[5]。

2.2 能譜衰減曲線 與一個感興趣區僅產生一個CT值的單能量CT不同，能譜CT能將某一感興趣區在40～140 keV甚至更高能量范圍內的不同keV水平下獲得的單能量CT值相連，得到形狀不同的能譜衰減曲線，每一種物質均有其特有的能譜衰減曲線。能譜參數-能譜衰減曲線斜率（the slope of spectral attenuation curve，λHu）便于描述能譜衰減曲線。醫學上不同的能譜曲線代表不同物質的結構，因此能譜衰減曲線斜率可以應用于鑒別肺癌轉移性淋巴結、肺內腫瘤的病理類型等方面。

2.3 物質分解 任何物質與X射線相互作用均可用原子序數完全不同的兩種基物質表示[6]。碘-水是常見的基物質對[6]。碘基物質分解圖中的碘濃度（iodine concentration，IC）和歸一化碘濃度（normalized iodine concentration，NIC）可以間接反映微血管密度和血液供應，作為評估腫瘤血管化的生物標志物，有助于正確測量病灶的增強程度[7]。此外，IC的變化還可以反映腫瘤對化療或放療的反應。

2.4 Zeff Zeff圖是基于組織原子序數的彩色編碼，用來描述每個像素的物質組成，可用于進行物質鑒別及分離等，將不同組織成分差異可視化[4]。

3 能譜CT 在肺癌中的應用與研究

3.1 改善圖像質量，提高病灶檢測率 近年來，大量學者研究較低能量VMI在腫瘤診斷方面的應用。與線性混合圖像相比，VMI通過減少圖像噪聲，提高信噪比和對比噪聲比以改善對軟組織病變可視化。Hou等[8]研究表明，60 keV和70 keV的VIM改善了肺癌主觀可視化的圖像質量。另外，當增強的肺血管與強化的肺門淋巴結類似時，難以檢測出淋巴結。然而，低能量的VMI能增加肺血管的對比度，從而改善肺門淋巴結的可探測性及可見性，并提高診斷淋巴結轉移的準確性[9]。Sekiguchi等[10]研究證明，延遲期（靜脈注入造影劑后60 s）40 keV的VMI在顯示肺血管和淋巴結的對比度差異最大，能有效評估肺門淋巴結。較低能級的VMI可以提高肺門淋巴結與肺血管內碘間對比度。同時，何小群等[11]和戚元剛等[12]研究發現低能量keV的VMI與碘基物質偽彩融合圖有助于中央型肺癌與阻塞性肺不張的鑒別，為臨床放療精準勾畫靶區提供新的方法。上述研究表明，能譜CT的低能量VMI在改善病灶可視化方面有很大應用價值。

3.2 肺內良、惡性占位的鑒別 多項研究顯示，肺癌和肺良性病變的能譜參數有明顯差異。Wen等[13]報道，惡性孤立性肺結節在動靜脈期的λHu、IC和NIC均明顯高于良性孤立性肺結節。Zegad?o等[14]發現肺癌性結節在動靜脈期的40～140 keV VMI內的CT值（間隔5 keV）和IC顯著高于肺良性結節，且靜脈期65 keV的VMI和IC的診斷效能最好。然而，部分研究結果與上述研究結果相矛盾。Jiang等[15]研究報道肺良性結節動脈期及延遲期的NIC和IC以及Zeff均顯著高于肺癌患者（P＜0.05）。鄧靚娜等[16]探討用能譜CT和灌注CT鑒別周圍型肺癌和局灶性機化性肺炎，發現局灶性機化性肺炎動靜脈期能譜參數（CT 40 keV、CT 70 keV、λHu、IC、Zeff值）均高于周圍型肺癌（P＜0.05），而局灶性機化性肺炎的血流灌注參數均小于周圍型肺癌，且與灌注CT成像相比，能譜CT成像在鑒別周圍型肺癌和局灶性機化性肺炎方面具有更高的診斷效能，推測原因可能是炎癥反應或炎性肉芽組織增生可導致肺炎性病變內局部血管擴張，而肺癌不適當的血管生成導致腫瘤內血管網絡異常，腫瘤容易缺氧而發生壞死，導致腫瘤的IC更低。另外，Li等[17]研究發現，與腫塊樣肺炎性病變壞死區域相比，肺癌內壞死區域的動、靜脈期及平掃的λHu和平掃的Zeff均顯著增高。腫瘤壞死通常表現為慢性缺血性損傷或缺氧引起的凝固性壞死，與炎性壞死相比，腫瘤壞死區域的黏性較小，其內含有一些腫瘤細胞碎片和較少的炎癥細胞。因此，肺炎性壞死區域和腫瘤壞死區域的組成成分有差異。然而，還需要進一步的研究驗證上述結果。

3.3 肺癌轉移性淋巴結的檢測 肺癌的臨床分期（特別是淋巴結轉移）是影響患者治療方案及評估預后的重要因素。能譜CT可以通過能量譜衰減曲線區分不同化學成分的病變，λHu能準確地反映組織成分的不均一性[18]。腫瘤細胞浸潤的轉移性淋巴結和正常的淋巴結細胞內成分不同，可能會產生不同的能譜曲線[18]。與傳統CT以淋巴結短徑≥10 mm作為診斷依據相比，能譜定量參數λHu在術前診斷非小細胞肺癌淋巴結轉移的效能更高，且當動、靜脈期的λHu分別與淋巴結短徑聯合時，可以進一步提高λHu的診斷效能，AUC分別為0.841、0.751[19]。因此，能譜定量參數λHu在術前評估淋巴結轉移方面具有一定的臨床應用價值。

此外，關于能譜參數IC和NIC與肺癌轉移性淋巴結相關性的研究顯示，肺癌轉移性淋巴結IC和NIC顯著低于非轉移性淋巴結[18,20-22]。而Gao等[19]研究結果完全相反，轉移性淋巴結IC和NIC顯著高于非轉移性淋巴結，其認為轉移淋巴結微血管數量多，血管相對不成熟，對比劑蓄積增加，導致IC和NIC增高。王福南等[23]研究發現非小細胞肺癌縱隔轉移性淋巴結與非轉移淋巴結動、靜脈期IC和NIC無顯著差異，而靜脈期碘凈值有顯著差異，且其診斷價值優于淋巴結短徑。肺癌轉移性淋巴結與非轉移性淋巴結IC及NIC的差異尚需進一步研究。

3.4 鑒別肺癌病理類型和生長模式 不同病理類型肺惡性腫瘤的能譜參數也存在顯著差異。Wen等[13]研究發現小細胞肺癌動、靜脈期λHu和NIC顯著高于非小細胞肺癌。而Ma等[24]研究發小細胞肺癌靜脈期的Zeff值和CT值顯著低于非小細胞肺癌，肺轉移瘤動脈期IC顯著高于小細胞肺癌，其認為這可能與小細胞肺癌的毛細血管通透性較低，肺轉移瘤的血管化程度更高有關。其他研究多認為肺腺癌的IC高于鱗癌[7,22,25-26]。推測肺鱗癌腫瘤細胞生長迅速，組織結構致密，微血管密度低，而腺癌組織結構疏松，微血管密度高，血供豐富，病灶內強化程度高，因此IC更高。

能譜CT還可以用于預測侵襲性肺腺癌（invasive adenocarcinoma，IA）的生長模式。IA可表現為5種生長模式（附壁型、腺泡型、乳頭型、實體型和微乳頭型），通常IA是這些生長模式的復雜組合。以附壁型為主的IA預后較好，腺泡型/乳頭型IA與實體型/微乳頭型IA通常預后較差。Li等[27]發現以附壁型、腺泡型、乳頭型為主的IA平掃期λHu、動、靜脈期IC顯著高于以微乳頭型/實體型為主的IA，而水濃度則相反，且平掃期λHu鑒別兩者的診斷效能最高（AUC=0.803），其最佳臨界值為1.00，其可能原因為前者間質豐富，內部結構相對疏松；而后者實質豐富，內部結構致密。

總之，能譜CT定量參數不僅在鑒別肺癌病理分型方面有重要的應用價值，而且在預測IA的生長模式方面有一定參考價值，為臨床醫師評估患者預后提供參考價值。目前研究多局限于小細胞肺癌、肺鱗癌以及腺癌的主要病理亞型，其他少見病理類型的診斷和鑒別需進一步研究。

3.5 評估肺癌的療效及預后 一些研究試圖驗證能譜參數在評估肺癌療效及預后方面具有一定參考價值。Liu等[28]利用能譜定量參數評估肺癌患者射頻消融后的治療效果。射頻消融后腫瘤的IC明顯下降，反映了腫瘤的代謝狀態降低。Tanaka等[29]研究結果表明，肺癌患者在接受立體定向體外放射治療后，IC較低和低碘密度腫瘤面積比較大的患者局部復發率較高，表明放射抵抗與腫瘤低血容量及缺氧有關。Iwano等[30]研究發現直徑≤3 cm實性肺癌增強能譜CT中動脈期三維碘相關衰減與手術切除后患者的預后及術后復發顯著相關。與未復發患者相比，復發患者動脈期三維碘相關衰減和校正三維碘相關衰減顯著降低。Fehrenbach等[20]研究也證明，能譜定量參數有助于預測非小細胞肺癌放化療后的預后情況。在該研究中，病情進展患者腫瘤熱區IC和NIC明顯高于病情穩定或部分緩解患者腫瘤熱區IC和NIC。隨訪期間病情進展的患者在最初的熱區IC和NIC明顯高于隨訪期間病情穩定的患者。病情進展、隨訪期間病情進展和隨訪期間病情穩定患者的IC差值和NIC差值有顯著差異。熱區的IC和IC差值可以識別殘余血管化，作為預測腫瘤進展的一個指標。這些研究表明能譜CT多參數成像可以監測腫瘤組織灌注情況以及代謝改變，在評估肺癌療效及預后方面具有一定參考價值。

4 不足與展望

盡管目前能譜CT多參數技術已廣泛應用于肺癌的鑒別診斷、淋巴結轉移、預測組織學類型及療效評估等方面，但是這些研究僅反映了腫瘤內感興趣區的局部特征，還有大量定量信息或特征可能未得到充分利用。影像組學最初的定義是利用高通量方法從影像圖像中提取大量特征，后來擴展到包括圖像到高維數據的轉換以及這些數據的后續挖掘，以改進臨床決策。已有學者建立能譜圖像的影像組學模型用于預測甲狀腺腫瘤[31]、頭頸部鱗狀細胞癌淋巴結轉移[32]等，筆者推測從能譜圖像中提取的影像組學特征作為肺癌定量特征的生物標志物具有巨大潛力，可以用來預測肺癌的各個方面。