超聲造影定量分析在腫瘤診療中的應(yīng)用

黃儀妮 ，周建華

1. 中山大學(xué)腫瘤防治中心超聲科，廣東 廣州 510000；

2. 華南國家腫瘤重點實驗室，腫瘤醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510000

超聲造影（contrast-enhanced ultrasound，CEUS）是目前腫瘤臨床診療過程中重要的影像學(xué)檢查方法之一，CEUS定量分析是通過特定的模型和函數(shù)獲取CEUS過程中組織或腫瘤血流灌注定量參數(shù)，利用這些參數(shù)實現(xiàn)腫瘤的早期診斷，早期動態(tài)地評估抗腫瘤治療的效果。充分了解CEUS定量分析的理論基礎(chǔ)和局限性，能夠讓我們更好地認識該方法在臨床上的應(yīng)用價值。本文將系統(tǒng)性梳理CEUS定量分析相關(guān)的基礎(chǔ)理論和內(nèi)容、目前的應(yīng)用領(lǐng)域，并對未來研究方向予以展望。

1 CEUS定量分析的理論基礎(chǔ)

1.1 造影劑

超聲造影劑是外包脂質(zhì)或蛋白質(zhì)殼、內(nèi)充氣體的微泡，具有高度可壓縮性，對超聲波具有很強的散射作用，可以增強血液對超聲波的背向散射作用20～30 dB，明顯提高超聲對低速血流的靈敏度，使超聲評價組織的微循環(huán)成為可能。超聲造影劑微泡是純血池造影劑，經(jīng)靜脈注射后始終在血液循環(huán)中流動，不滲透到血管外，是研究組織血流灌注較為理想的示蹤劑。微泡在聲場中會發(fā)生非線性共振，產(chǎn)生在背向散射信號中的諧波信號，利用信號處理技術(shù)可將組織產(chǎn)生的基波信號過濾，使微泡產(chǎn)生的諧波信號單獨成像，這是定量分析組織灌注的基礎(chǔ)。目前聲諾維（SonoVue）和示卓安（Sonazoid）等第三代微泡造影劑已廣泛應(yīng)用于臨床，尤其是在肝占位性病變的診斷及鑒別診斷中。

1.2 時間-強度曲線（time intensity curve，TIC）及定量參數(shù)的獲取

CEUS定量分析是基于圖像信號的強度或組織吸收氣泡的時間進行分析。體內(nèi)外實驗已經(jīng)證實在一定濃度范圍內(nèi)，CEUS的信號強度與血液內(nèi)微泡濃度存在線性關(guān)系。利用TIC軟件可在超聲切面圖像內(nèi)的任何像素或區(qū)域生成TIC，通過特定的函數(shù)對原始的TIC進行擬合分析，對CEUS過程進行定量分析，獲得組織血流灌注的參數(shù)。

目前超聲造影劑的應(yīng)用技術(shù)包括團注法和擊破-再灌注法。其中，團注法是超聲造影劑注射最常用的方式，團注法模型是CEUS研究腫瘤血流灌注最常用的方法，通常是團注超聲造影劑后，連續(xù)測量腫瘤內(nèi)感興趣區(qū)造影劑濃度隨時間的變化，獲得先上升后下降的TIC。通過對原始曲線進行擬合，獲得反映腫瘤組織血流灌注的參數(shù)：峰值強度（peak intensity，PI）、達峰時間（time to peak，TTP）、上升斜率（ascending slope，AS）、下降斜率（decrease of the slope，DS）、曲線下面積（area under curve，AUC）、平均通過時間（mean transit time，mTT）、峰值降半時間（time from peak to one half，HT），以及反映曲線擬合情況的擬合優(yōu)度（quality offit，QOF）等。該方法已經(jīng)用于定量評價腫瘤血流灌注、并應(yīng)用于抗腫瘤血管生成治療效果評價中。擊破-再灌注法是當(dāng)團注造影劑持續(xù)輸入達到穩(wěn)態(tài)濃度時，采用高機械指數(shù)的聲脈沖對檢查切面的微泡進行擊破，檢查切面鄰近組織內(nèi)的微泡便會以特定的速度進行再灌注，得到組織灌注曲線，通過指數(shù)函數(shù)對曲線擬合，得到參數(shù)A（平臺期的回聲強度，與組織血容量呈線性關(guān)系）和β（速率常數(shù)，與造影劑微泡的速度呈線性關(guān)系），A×β代表組織血流量。擊破-再灌注法由于能夠定量獲取組織血流灌注參數(shù)（血容量和血流量），在評價腫瘤血管生成和抗血管治療效果方面具有極大的應(yīng)用潛力。

2 CEUS定量分析在腫瘤診療方面的應(yīng)用

2.1 腫瘤的早期診斷及鑒別診斷

腫瘤發(fā)生的早期往往僅出現(xiàn)血流灌注和代謝上的改變，CEUS定量分析可以獲取間接反映血流灌注的參數(shù)來了解腫瘤血管生成和灌注改變，近年來已有不少研究采用該分析方法對腫瘤進行定性診斷，推斷腫瘤的良惡性。

在腹部疾病診斷方面，Liang等［1］研究顯示，TIC參數(shù)可鑒別不同類型的腎癌，如透明細胞癌的PI和TTP分別明顯高于和短于周圍正常腎實質(zhì)，而乳頭狀細胞癌和嫌色細胞癌的PI和TTP則分別明顯低于和長于周圍正常腎實質(zhì)；Huang等［2］的回顧性研究顯示，肝上皮樣血管平滑肌脂肪瘤的PI、TTP和流入AUC分別高于、短于和大于肝細胞癌（P＜0.05），這些差異在區(qū)分肝上皮樣血管平滑肌脂肪瘤與肝細胞癌上具有重要價值。Iwasa等［3］的研究則發(fā)現(xiàn)，胰腺惡性病灶的TTP明顯短于良性病灶（P＜0.001），聯(lián)合TTP和CEUS定性增強模式用于鑒別胰腺病灶良惡性的診斷準確度可達94%，明顯高于單純定性增強模式的診斷效能（85%）。Xu等［4］的研究表明，相比于PI、TIC的AUC、TTP等定量常規(guī)參數(shù)，采用內(nèi)膜病變與同等深度肌層的PI比值和TIC的AUC比值，可明顯提高子宮內(nèi)膜惡性病變的診斷效能，靈敏度分別為100.0%和75.0%，特異度分別為85.7%和85.0%。

在淺表器官方面，Yan等［5］采用CEUS定性及定量參數(shù)鑒別腮腺多形性腺瘤、沃辛瘤和基底細胞瘤，根據(jù)定性參數(shù)如增強強度、模式、流出等可以鑒別多形性腺瘤和其他兩種腫瘤，但無法鑒別沃辛瘤和基底細胞瘤，而定量參數(shù)如PI、mTT、TIC的AUC和HT可以有效地鑒別沃辛瘤和基底細胞瘤，其中采用PI鑒別兩者的AUC可達0.87。Zhang等［6］的研究采用PI、mTT和DS可以有效地鑒別眼眶內(nèi)良惡性病變，TIC定量參數(shù)的總體診斷符合率（89.19%）明顯高于CEUS增強模式等定性參數(shù)的診斷符合率（66.67%）。

此外，由于肝轉(zhuǎn)移瘤對門靜脈的機械性壓迫，轉(zhuǎn)移瘤內(nèi)動靜脈瘺的發(fā)生以及其他一些體液因素，通常會導(dǎo)致肝臟血管的動脈化，肝渡越時間可以有效地反映肝轉(zhuǎn)移瘤引起的這些病理生理學(xué)改變。測定肝動靜脈渡越時間的方法可用于肝轉(zhuǎn)移瘤診斷的研究，但近年來相關(guān)研究較少，結(jié)果仍需要大樣本的研究驗證。

2.2 評價腫瘤新生血管及抗腫瘤治療效果

腫瘤新生血管在結(jié)構(gòu)上與正常血管顯著不同，表現(xiàn)為腫瘤血管異常擴張、扭曲、異常分支形成、血管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)紊亂［7］，腫瘤血管的病理學(xué)特征導(dǎo)致腫瘤血流灌注和血管通透性的異常，這些特征有可能成為評價腫瘤生長的潛在標志。Zheng等［8］測定宮頸癌TIC血流灌注參數(shù)，并與微血管密度進行相關(guān)性分析，結(jié)果提示，PI與微血管密度具有較好的相關(guān)性（r＝0.624，P＜0.001）。

化療和放療等抗腫瘤治療會引起腫瘤組織內(nèi)有關(guān)血流灌注的血流動力學(xué)參數(shù)的改變，腫瘤治療相關(guān)預(yù)后與微血管灌注及腫瘤的侵襲性有關(guān)［9］。因此，監(jiān)測微血管灌注參數(shù)的改變有望成為臨床上判斷抗腫瘤治療效果及評估預(yù)后的理想指標。由于抗血管生成藥物直接作用于腫瘤新生血管，較多的研究［10-12］將CEUS定量分析應(yīng)用于抗腫瘤血管生成治療的療效監(jiān)測中。近年來也有越來越多的研究［13-17］將CEUS定量分析應(yīng)用于腫瘤消融治療或放化療效果評價中。Zhan等［14］研究發(fā)現(xiàn)，TTP短（＜11.7 s）的肝細胞癌患者行微波消融后的總生存期明顯小于TTP長的肝細胞癌患者的總生存期（P=0.02），表明了CEUS定量分析參數(shù)可以預(yù)測肝細胞癌微波消融的生存結(jié)局。Wang等［17］的多因素回歸分析結(jié)果顯示，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、發(fā)病年齡、局部浸潤、PI和mTT是甲狀腺乳頭狀癌射頻消融術(shù)后復(fù)發(fā)的風(fēng)險因子。Leng等［15］則對比非Luminal型乳腺癌新輔助化療前后CEUS定量參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)新輔助化療后病灶PI和TIC的AUC均小于新輔助化療前病灶PI和TIC的AUC，TTP則較新輔助化療前延長（P＜0.05），且該改變早于常規(guī)超聲顯示的病灶大小變化。這些研究較好地將CEUS定量分析應(yīng)用于多種抗腫瘤治療方法的療效評價中，而不僅局限于抗血管生成治療評價，進一步肯定了CEUS定量分析在抗腫瘤療效評估中的價值。

2.3 三維CEUS定量分析應(yīng)用

由于腫瘤組織的空間異質(zhì)性，評價腫瘤治療效果過程中需要多次行CEUS定量分析組織血流灌注。對于一般研究采用的腫瘤最大切面計算的組織血流灌注參數(shù)能否代表整個腫瘤血流灌注，Wang等［18］在動物實驗研究中發(fā)現(xiàn)，采用三維容積探頭獲取整個腫瘤的血流灌注參數(shù)具有非常好的可重復(fù)性；同時，與三維容積定量分析比較，通過腫瘤最大平面的二維超聲定量分析會顯著高估或低估腫瘤抗血管生成效果。Zhou等［19］研究顯示，抗血管生成治療1 d后的三維容積定量分析組織血流灌注參數(shù)改變能夠早期預(yù)測結(jié)腸癌的抗血管生成治療效果。El Kaffas等［20］首次采用三維容積定量分析血流灌注評估結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移瘤的血流灌注。研究結(jié)果顯示，三維容積定量分析的血流灌注參數(shù)的測量可重復(fù)性顯著優(yōu)于二維超聲定量分析，同時三維容積定量分析測量的血流灌注參數(shù)與二維測量之間差異高達86%，研究提示采用三維容積定量分析獲取的血流灌注參數(shù)顯著優(yōu)于二維超聲。因此，為了準確、有效地評估腫瘤抗血管生成治療效果，采用三維容積超聲定量分析是CEUS定量分析未來的方向。

3 CEUS定量分析的局限性及挑戰(zhàn)

CEUS定量分析的局限性本質(zhì)上也是超聲和CEUS檢查的局限性，主要體現(xiàn)在定量分析結(jié)果存在顯著的操作者間異質(zhì)性。受CEUS掃查條件、探頭位置、超聲造影劑微泡注射方式及患者生理條件影響，在同一患者同一個感興趣區(qū)中獲取的TIC會存在差異。即使在相同的掃描條件下，如果沒有校正不同深度下的信號衰減和非線性傳播，在相同類型的組織也可能產(chǎn)生不同的TIC［21］。因此，為了避免這些差異，我們應(yīng)盡可能優(yōu)化掃查條件和規(guī)范掃查流程，采用標準化程序來減少操作者間的差異，使定量分析結(jié)果具有可靠性。

我們應(yīng)認識到CEUS在臨床應(yīng)用方面的局限性。雖然已有學(xué)者［22］采用TIC分析乳腺腫瘤CEUS增強特點，但由于乳腺良惡性結(jié)節(jié)間的血流灌注特點存在明顯的交叉性：良性腫瘤中約40%表現(xiàn)為富血供，而惡性腫瘤30%表現(xiàn)為乏血供，因此單純根據(jù)基于兩者血供特點的CEUS來鑒別良惡性并不可靠。CEUS定量分析早期診斷前列腺癌亦存在困難，主要是因為前列腺癌常是多發(fā)性的微小病灶，而超聲造影劑在前列腺內(nèi)持續(xù)時間太短，來不及逐層觀察，第四代靶向超聲造影劑的出現(xiàn)或許可以突破上述瓶頸。

4 CEUS定量分析新進展及展望

第四代功能聲學(xué)造影劑（靶向造影劑）的出現(xiàn)使得CEUS向靶向診斷（分子成像）方向發(fā)展。靶向造影劑是將特異性配體連接到造影劑微泡表面，使其到達感興趣的組織或器官，選擇性地與相應(yīng)受體結(jié)合，從而達到特異性增強靶區(qū)超聲信號的目的。靶向造影劑和超聲分子成像擴展了CEUS定量分析的應(yīng)用領(lǐng)域，CEUS定量分析也為超聲分子成像提供了較好的處理方法。目前已進入臨床試驗的分子靶向超聲造影劑BR55，可以靶向血管內(nèi)皮生長因子受體2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2）［23］。區(qū)分結(jié)合VEGFR2受體的微泡和游離微泡是既往評估癌癥血管生成的著眼點。目前的評估方法主要是觀察10 min之后的增強情況或采用高機械指數(shù)的聲脈沖破壞聲場中的微泡并分離出結(jié)合受體微泡的信號。Turco等［24］嘗試基于靶向聲學(xué)造影劑的結(jié)合動力學(xué)，通過數(shù)學(xué)建模擬合超聲分子成像的TIC，獲得與微血管結(jié)構(gòu)和結(jié)合微泡相關(guān)的定量參數(shù)，在血管和分子水平上評估腫瘤血管生成。超聲分子成像的定量分析方法大大縮短了臨床觀察時間且無需破壞聲場中的微泡，顯示出良好的應(yīng)用前景。

近年來隨著人工智能在超聲領(lǐng)域的研究和發(fā)展，CEUS定量分析未來的發(fā)展方向也體現(xiàn)在與人工智能的結(jié)合應(yīng)用上。采用人工智能可以更好地提取TIC中的定量參數(shù)，國內(nèi)外已有研究嘗試將其用于療效評估中。Liu等［25］分別采用深度學(xué)習(xí)構(gòu)建基于CEUS的組學(xué)模型、采用機器學(xué)習(xí)構(gòu)建基于CEUS TIC的組學(xué)模型和基于灰階圖像的組學(xué)模型以預(yù)測肝癌患者經(jīng)動脈化療栓塞的療效，3個模型的AUC分別為0.93、0.80和0.81，雖然機器學(xué)習(xí)模型效果不及深度學(xué)習(xí)模型，但該研究為CEUS圖像分析提供了方法學(xué)上的借鑒。

綜上所述，通過使用CEUS定量分析軟件，可獲取TIC和大量反映組織血流灌注的參數(shù)，這些在腫瘤診療方面體現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。而超聲分子成像的興起和人工智能新技術(shù)的發(fā)展亦為CEUS定量分析在腫瘤診療中的應(yīng)用提供了新思路和方向。