基于3D分割技術(shù)的CT與磁共振增強檢查對肝細胞癌體積評估的一致性分析

湯世雄，黎丹，肖恩華，劉佳易，吳雄，卞讀軍

（中南大學湘雅二醫(yī)院 放射科，湖南 長沙 410011）

肝細胞癌是常見的惡性腫瘤[1]，常通過取肝臟活體組織進行病理診斷或者通過影像學診斷，影像征像表現(xiàn)為病變在動態(tài)增強CT或者增強磁共振成像（contrast-enhanced magnetic resonance imaging，CE-MRI）上顯示肝動脈期顯著強化，門脈期和延時期腫瘤強化明顯減弱或降低，甲胎蛋白水平為≥200 ng/mL[2]。外科手術(shù)治療是提高患者遠期生存率最重要的手段[3]，動脈灌注化療栓塞治療（transcatheter arterial chemoembolization，TACE），對于無法外科手術(shù)切除的原發(fā)性和一些繼發(fā)性肝癌患者，是有效的治療方法[4]。不管選用哪種治療方法[5]，肝膽外科，放射介入科或腫瘤科醫(yī)師都會對肝臟腫瘤的體積大小進行測算，以評估療效。目前，肝膽外科，放射介入科或腫瘤科醫(yī)生對于肝臟腫瘤的大小評估，通?；跈M斷面測量其前后徑和左右徑，冠狀面或矢狀面測量腫瘤的上下徑，這是一種簡易和粗略的估計腫瘤大小的方法[6]。人工智能的廣泛應(yīng)用，使計算機工作站精確測量腫瘤體積成為可能[7]，對腫瘤體積進行三維定量的分割技術(shù)，經(jīng)過臨床認證，確認在技術(shù)上可行，可重復性高[8]。把圖像導入后處理工作站，在CT和MRI動態(tài)增強三維序列圖像上利用區(qū)域生長和主動輪廓模型病變分割技術(shù)，手畫感興趣體積（volume of interest，VOI），能快速測量病變體積，具有操作方便，計算精確的優(yōu)點，具有重要的臨床應(yīng)用價值。但患者進行影像診斷及隨訪時選擇的檢查方法不盡相同，有時選擇增強CT，有時選擇CE-MRI。這就給臨床醫(yī)生帶來了一個困惑，對于同一患者兩種不同影像學檢查方法所測算的腫瘤體積是否具有一致性？這關(guān)系到臨床醫(yī)生能否精確的評估患者腫瘤體積變化情況，評估患者的治療效果。本研究擬采用區(qū)域生長和主動輪廓模型（active contour model，ACM）病變分割技術(shù)，比較3D分割技術(shù)在同一肝細胞癌患者的增強CT與CE-MRI對腫瘤體積大小的評估是否具有一致性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本回顧性研究方案符合人體試驗倫理學標準，并得到中南大學湘雅二醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準，患者均免除簽署知情同意書。研究回顧性納入2014年11月—2018年12月中南大學湘雅二醫(yī)院肝膽外科或者放射介入科收治住院的肝細胞癌患者75例，納入標準：⑴ 首次入院診斷為肝細胞癌；⑵ 經(jīng)過肝臟活檢或者手術(shù)病理證實為肝細胞癌；⑶ 術(shù)前同時進行了增強CT和增強MRI檢查；⑷ CT和MR檢查屏氣配合良好，圖像無顯著呼吸及其他運動偽影干擾。排除標準：⑴ 膽管細胞癌及其他病理類型被排除；⑵ 病變形態(tài)不典型，或病灶小而被排除；⑶ 屏氣不好，運動偽影明顯而造成圖像質(zhì)量差的病例排除。共收集60例病例統(tǒng)計分析，其中47例男性患者，13例女性患者；年齡范圍在29～75歲之間，平均年齡（53.3±11.7）歲。追蹤到42例患者接受了腫瘤肝葉切除術(shù)，18例患者接受了肝穿刺活檢。病例診斷均為肝細胞癌。

1.2 設(shè)備與技術(shù)參數(shù)

所有患者均采用第三代雙源CT（SOMATOM Definition Force，Siemens Healthcare，F(xiàn)orchheim，Germany）行腹部CT成像，患者仰臥位，頭先進，呼氣末屏氣掃描。經(jīng)肘前靜脈注射已預(yù)熱好的非離子型對比劑（碘佛醇，350 mgI/mL），按照1.5 mL/kg注射,注射流率為 2.5 mL/s。無預(yù)設(shè)值開啟智能管電壓調(diào)制技術(shù)（CARE Kv，Siemens Healthcare）聯(lián)合智能管電流調(diào)制技術(shù)（CareDose 4D，Siemens Healthcare）。設(shè)備參數(shù)如下：雙96排光子探測器，探測器準直寬度為2 mm×96 mm×0.6 mm，螺距為1.2，旋轉(zhuǎn)時間為0.5 s/r。在肝動脈期（延時，25～30 s），門脈期（延時，80 s）和延時期（延時，300 s）分別進行掃描。自動重建層厚1.00 mm、重建增量0.7 mm，卷積核Br40的腹窗圖像，啟用迭代重建技術(shù)（ADMIRE，Siemens Healthcare，F(xiàn)orchheim，Germany），迭代強度選擇機器默認的2。所有圖像數(shù)據(jù)傳輸至后處理工作站（Syngo.Via VB10B，Siemens Healthcare，F(xiàn)orchheim，Germany），利用區(qū)域生長和主動輪廓模型病變分割技術(shù)，手畫VOI體積測量。

所有患者均在西門子MAGNETOM Skyra 3.0T的磁共振機器上進行肝臟掃描，掃描采用聯(lián)合西門子體部相控陣18通道線圈和32通道脊柱線圈，對比劑為釓噴酸葡胺（Gd-DTPA）注射液以0.1 mmol/kg靜脈注射后行對比增強。使用Medrad高壓注射器加20 mL生理鹽水沖管。在動脈期（注藥后20 s）和門脈期（注藥后60 s）分別掃描，之后延時到300 s掃延時期。采用CE-MRI成像的動脈期和門脈期圖像用于研究。成像序列及參數(shù)見表1。

表1 MRI系列參數(shù)Table1 MRI quantitative parameters

1.3 體積計算方法

本研究由兩名具有10年以上腹部放射診斷經(jīng)驗的影像醫(yī)生選擇并評估靶病變?nèi)缓筮M行切割。將動脈期和靜脈期橫斷位薄層圖像調(diào)入后處理工作站（Syngo.Via VB10B，Siemens，Germany），指定工作流程為MM閱片，打開手畫VOI工具,在橫斷位圖像上對腫瘤進行逐層手工分割，最后點擊創(chuàng)建VOI，軟件進行自動重組并計算出相應(yīng)腫瘤的體積，具體步驟為：⑴ 橫斷位圖像調(diào)入后處理工作站；⑵ 指定工作流程為MM閱片；⑶ 打開手畫VOI工具；⑷ 橫斷位圖像對腫瘤區(qū)域進行逐層手工分割；⑸ 利用輕推工具和校正筆微調(diào)；⑹ 創(chuàng)建VOI；⑺ 軟件自動重組并得到腫瘤體積。

1.4 統(tǒng)計學處理

將數(shù)據(jù)導入計算機軟件SPSS 23.0，腫瘤體積數(shù)據(jù)在CE-MRI和CT之間先行正態(tài)分布檢驗和方差齊性檢驗，再使用配對t檢驗比較，CE-MRI和CT增強腫瘤體積使用線性回歸模型進行比較。計算Pearson相關(guān)系數(shù)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

2.1 兩種成像方法的一般特征

15例患者由于影像學表現(xiàn)不典型，肝動靜脈瘺，或病變太小被排除。60例患者被納入研究。研究組病例典型的MRI表現(xiàn)為：肝臟體積增大，可見團塊狀軟組織影，腫塊在T2WI上顯示高信號，T1WI呈稍低信號，增強掃描病變動脈期中度不均勻強化，門脈期強化減退；腹膜后有時見腫大淋巴結(jié)；門脈主干及左右支部分病例有癌栓形成，門脈主干增粗，脾門靜脈血管迂曲，擴張。CT表現(xiàn)為：平掃肝實質(zhì)內(nèi)可見不均質(zhì)低密度腫塊影，增強掃描動脈期呈顯著不均勻性強化，門脈期強化程度減退，內(nèi)見片狀低密度無強化區(qū)。部分患者肝實質(zhì)內(nèi)可見散在子灶，肝周、脾周見少許水樣密度影。腹膜后見腫大淋巴結(jié)影。

2.2 兩種成像方法的一致性分析

腫瘤體積的平均值在C E-M R I上為（2 3.5 3±7.6 3）c m3；在增強C T上為（22.72±7.49）cm3（圖1），兩種成像方法測量的腫瘤體積結(jié)果比較無統(tǒng)計學意義（t=0.59，P=0.56）。兩種種成像方法測量的病灶體積之間具有強相關(guān)性（r=0.99，95% CI=0.97～0.99）（圖2）。

圖1 區(qū)域生長ACM分割肝細胞癌的體積（圖中紫色部） A-C：增強CT的體積測量圖；D-F：CE-MRI的體積測量圖Figure1 HCC lesion segmentation with region-based ACM (purple portions) A-C:The volume measurement image by enhanced CT；D-F:The volume measurement image by CE-MRI

圖2 CE-MRI測量體積與增強CT測量體積的相關(guān)性分析Figure2 Correlation analysis of tumor volumes obtained by CE-MRI and contrast-enhanced CT

3 討 論

3.1 肝細胞癌體積評估的重要性

肝體積計算和虛擬肝切除術(shù)對于肝癌精準肝切除術(shù)的手術(shù)方案選擇有重要價值[9]。根據(jù)增強CT或CE-MRI的掃描圖像來進行術(shù)前精準體積測量，對于安全實施復雜肝臟切除手術(shù)的作用至關(guān)重要，計算肝臟切除體積與殘余肝體積，仔細觀察測量計劃與周圍解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系[10]，得到手術(shù)前、后的肝臟腫塊體積以及殘余肝臟體積數(shù)據(jù)，對于肝臟腫瘤切除、肝移植等手術(shù)的患者非常有必要，有助于減少因術(shù)后殘肝體積過小而造成的各種并發(fā)癥。

肝臟腫塊體積評估有助于間接評估肝儲備功能，術(shù)后測量殘余肝臟體積，有助于外科醫(yī)生了解肝臟的再生情況[11]。

3.2 基于區(qū)域生長ACM測量肝癌體積的優(yōu)勢

肝細胞癌體積區(qū)域生長ACM允許結(jié)合軟件改善工作流程，提高效率，提高閱片準確性。相反，手動分割需要更多時間，高水平專業(yè)知識，以及對圖像功能的良好了解。區(qū)域生長ACM分割軟件綜合了腫瘤的復雜外形，鄰近結(jié)構(gòu)，不同程度的增強，和相鄰的偽影。在本研究中，區(qū)域生長ACM體積分割軟件成功應(yīng)用于用二種成像方式分割腫瘤。

區(qū)域生長ACM有助于更準確地識別腫瘤反應(yīng)，并用于評估肝細胞癌在TACE（經(jīng)導管肝動脈化療栓塞）之后的影像學改變，本研究表明在CEMRI和增強CT圖像上基于區(qū)域生長主動輪廓模型切割方法獲得的腫瘤體積數(shù)據(jù)具有強相關(guān)性。使用三維區(qū)域生長ACM腫瘤分割進行腫瘤體積測量可能比一維和二維測量方法更準確[12-13]。

3.3 關(guān)于腫瘤體積計算的圖像分割方法

3D可視化技術(shù)可以計算剩余肝臟體積，并可提高中央型肝腫瘤肝切除手術(shù)前規(guī)劃的準確率及幫助術(shù)中精確操作[13]。有幾種半自動圖像分割技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于腫瘤體積分析[14-16]。區(qū)域生長算法是最常用的方法，也是CT圖像后處理技術(shù)的重要方法。區(qū)域生長算法的基本原理是將有相似性質(zhì)的像素點合并到一起。對每一個區(qū)域要先指定一個種子點作為生長的起點，然后將種子點周圍區(qū)域的像素點和種子點進行對比，將具有相似性質(zhì)的點合并起來繼續(xù)向外生長，直到滿足條件的像素被包括進來為止，這樣一個區(qū)域的生長就完成了[17-18]。在使用中，它依賴于肝細胞癌圖像的形狀和線性的組合。每個形狀都建立在3D區(qū)域圖像的特征上，其中心位置和大小由操作者劃定。這些圖形通過基于圖像的標準優(yōu)化結(jié)合在一起，可以設(shè)置增長的靈敏度包含或排除新形狀，自動控制整體組合最終實現(xiàn)體積分割。

肝細胞癌體積區(qū)域生長ACM切割方法是在三維圖像上基于閾值區(qū)域生長獲得一層圖像中肝細胞癌病變的初始輪廓，再利用ACM獲得該層的結(jié)果，然后將分割結(jié)果作為相鄰層圖像的初始輪廓進行ACM分割，通過迭代算法，實現(xiàn)對腫瘤在一組三維圖像序列的切割[19]。在此基礎(chǔ)上，該算法利用肝臟輪廓位置獲得肝臟腫瘤位置的臨界值，再將肝臟腫瘤數(shù)據(jù)分割出來，從而實現(xiàn)肝臟腫瘤邊界的半自動分割，計算腫塊體積[20]。

3.4 國際上腫瘤體積分割技術(shù)在評估TACE對腫瘤反應(yīng)的應(yīng)用趨勢

當今國際上廣泛應(yīng)用的評估T A C E對腫瘤反應(yīng)的方法包括：實體腫瘤反應(yīng)的評估標準（Response Evaluation Criteria in Solid Tumor，RECIST）[20-21]；歐洲肝臟研究協(xié)會（European Association for the Study of the Liver，EASL）的指南[22-23]；修改后的RECIST（mRECIST）[24-25]評估標準?；诓≡钪睆降腞ECIST評估標準用于測量整體腫瘤大小的變化，EASL則用于測量腫瘤增強的區(qū)域，而mRECIST測量腫瘤增強直徑最大值。實際上這3種評估方法都是一維或者二維的測量方法，都不能精確的評估腫瘤體積變化情況[26]雖然目前在臨床上RECIST、EASL、mRECIST仍是評估TACE治療反應(yīng)的3種公認方法，但這3種方法在實際應(yīng)用中都表現(xiàn)出了比較大的局限性[27]。TACE栓塞腫瘤血供引起的腫瘤部分壞死，導致腫瘤實質(zhì)不均勻強化和瘤體大小形態(tài)不規(guī)則，導致評估TACE腫瘤反應(yīng)的3種方法得出的結(jié)果誤差較大，一定程度上影響了臨床醫(yī)生對患者治療效果的判斷[28]。近來，國際上提出了一種新的評估方法——容量評估。它是通過半自動腫瘤切割來完成的，具體做法為：⑴ 確定整個腫瘤體積；⑵ 確定增強腫瘤體積；⑶ 確定增強腫瘤體積的百分比。并且把這些方法稱為定量EASL（QEASL）和體積RECIST（VRECIST）[29]。這些方法，可以比較準確的測量腫瘤體積的大小，并且通過比較治療前后腫瘤體積大小的變化幫助臨床醫(yī)生精準判斷治療的效果[30]

3.5 在增強CT和CE-MRI圖像上進行肝細胞癌體積測量一致性研究的意義

在實際工作中發(fā)現(xiàn)部分患者在治療前后所采用的肝臟影像學檢查并不一致，由于檢查費用控制，部分患者首診和復查隨訪時僅選擇做增強CT或者CE-MRI檢查，兩種檢查并不全做。這就給臨床醫(yī)生帶來了困惑，兩種不同的影像學檢查所測出的腫瘤體積數(shù)據(jù)是否具有一致性？雖然大家主觀上都認為應(yīng)該基本一致，但缺少研究數(shù)據(jù)的支撐。為了解決證實這一問題，本研究回顧性分析了60例患者的60個靶病灶，均同時進行了增強CT和增強MRI掃描，再把數(shù)據(jù)導入后處理工作站通過半自動腫瘤分割軟件進行腫瘤體積測算，發(fā)現(xiàn)通過兩種不同影像學檢查方法所得到的數(shù)據(jù)算出的腫瘤體積具有高度一致性，從而證實了這一判斷，解決了臨床醫(yī)生在這一問題上的困擾。

本研究也有一定的局限性，本次研究所選取的靶病灶都是輪廓比較清晰的病灶，對于有多發(fā)轉(zhuǎn)移及浸潤性病灶，并且伴有門靜脈癌栓的患者，通過區(qū)域生長主動輪廓模型腫瘤分割來精準測量腫瘤體積仍有較大的困難，如何進行全肝多發(fā)及浸潤腫瘤病灶體積測量，這也是今后研究的方向。