基于雙層探測器光譜CT定量參數(shù)分析直腸癌生物學(xué)特征

王莉莉，鄭文霞，賈應(yīng)梅，陳杏彪，魏照坤，馬小梅，崔雅瓊，馬穎，楊大雄，黃剛

直腸癌是最常見的消化系統(tǒng)惡性腫瘤之一，據(jù)2018年世界衛(wèi)生組織/國際癌癥中心團隊最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，直腸癌的死亡率和發(fā)病率分別居全球癌癥死亡和發(fā)病的第2位和第3位[1]，在我國的病死率和發(fā)病率分別為10.9/10萬和23.7/10萬[2-3]。根據(jù)美國國立綜合癌癥網(wǎng)絡(luò)(National Comprehensive Cancer Network，NCCN) 指南，直腸癌的低分化程度、脈管浸潤、神經(jīng)侵犯和切緣陽性都是影響患者生存和預(yù)后的病理特征，其中脈管浸潤不僅是侵襲性行為的生物學(xué)表現(xiàn)，也是評價直腸癌術(shù)后復(fù)發(fā)的高危因素和判斷術(shù)后治療效果的良好指標[4-5]。盡管MRI對術(shù)前判別大于3 mm的脈管是否存在浸潤有較高的準確性，但無法評估微小的脈管浸潤；其次，由于術(shù)前直腸活檢取材有限，無法全面評估病變組織的脈管及神經(jīng)侵犯。因此，對直腸癌脈管侵犯的準確評價目前仍比較困難[6-8]。探索能在術(shù)前預(yù)測直腸癌脈管神經(jīng)侵犯的影像生物標記物，早期預(yù)測直腸癌的侵襲性和預(yù)后情況，具有重要的臨床意義。本文通過對比分析動脈期和靜脈期光譜CT定量參數(shù)在有或無脈管神經(jīng)侵犯和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移組及不同分化程度組之間的差異，旨在探討光譜CT定量參數(shù)在直腸癌預(yù)后評估中的臨床應(yīng)用價值。

材料與方法

1.臨床資料

前瞻性將2020年6月-2021年1月本院連續(xù)收治的直腸癌患者納入觀察，最終將符合本研究要求的70例直腸癌患者納入本研究。其中，男41例，女29例，年齡35～70歲，平均(50.1±16.2)歲。納入標準：①病理證實的直腸癌患者，在術(shù)前1周完成光譜CT檢查；②在CT檢查前無放療或化療等病史；③術(shù)后臨床資料和病理資料完整。排除標準：①圖像偽影大或腫瘤較小無法測量；②術(shù)后病理證實為腺瘤、間質(zhì)瘤及炎癥；③腫瘤位于直腸與乙狀結(jié)腸交界區(qū)；④直腸癌復(fù)發(fā)者。所有患者已簽署知情同意書。

2．光譜CT掃描方法

使用Philips IQon Spectrcal CT機，常規(guī)行動、靜脈期增強掃描。注射對比劑碘克沙醇(320 mg I/mL)，劑量1.0 mL/kg，注射流率3.0 mL/s，動脈期和靜脈期延遲時間分別為20和60～70 s。掃描參數(shù)：掃描范圍為髂棘至恥骨聯(lián)合下緣水平，120 kVp，自動管電流調(diào)制技術(shù)，螺距0.969，0.5 s/r，矩陣512×512，準直器寬度64×0.625 mm。一次掃描同時獲得兩組圖像，分別是厚層常規(guī)混合能量圖像和薄層光譜圖像。常規(guī)混合能量采用迭代重建算法，層厚和層間距均為5.0 mm；薄層光譜圖像的層厚0.9 mm，層間距0.7 mm。經(jīng)后處理后得到常規(guī)120 kVp混合能量圖像(polyenergetic image，PI)、虛擬平掃(virtual non-contrast images，VNC)圖像、40keV虛擬單能量圖(vir-tual monoenergetic images，VMI)、無水碘密度圖、碘密度圖和有效原子序數(shù)(Eff-Z)圖等。

3.光譜數(shù)據(jù)分析

將動脈期和靜脈期常規(guī)120 kV PI和光譜圖像傳至Philips IntelliSpace Portal星云工作站，在常規(guī)混合能量120 kVp PI和光譜基圖像上在病灶內(nèi)勾畫ROI，ROI面積為35～55 mm2，避開非腫瘤區(qū)、水腫區(qū)及血管結(jié)構(gòu)。測量得到120 kVp PI、VNC圖像及40 keV-VMI上病灶的CT值、無水碘密度和Eff-Z等定量參數(shù)；測得的病灶碘密度除以同層面髂動脈的碘密度即為標準化碘密度(normalized iodine density，NIC)，在測量髂動脈碘密度時應(yīng)注意避開血管壁的動脈硬化斑塊(圖1)。

圖1 男，74歲，直腸中段中分化腺癌伴有血管、淋巴管和神經(jīng)侵犯。a)120 kVp PI，直腸癌病灶的CT值約88 HU；b)40 keV VMI，直腸癌病灶的CT值約174.7 HU，碘強化效果和圖像的密度分辨率較PI提高；c)VNC圖像，直腸癌的CT值為43 HU；d)碘密度圖像，測得直腸癌的碘密度為1.53 mg/mL，髂動脈的碘密度約2.96 HU，計算兩者的比值，得到NIC；e)無水碘密度圖，顯示同層面直腸癌的無水碘密度值為1.53 mg/mL；f)Eff-Z偽彩圖，測得直腸癌的有Eff-Z值為8.28。

4．病理及免疫組化檢查

采用BenChmark-XT羅氏儀器及免疫組化方法檢測脈管神經(jīng)侵犯情況。由兩位病理專家對免疫組化染色結(jié)果進行判斷，判斷結(jié)果不一致時經(jīng)協(xié)商達成一致意見。診斷標準：①血管腔內(nèi)發(fā)現(xiàn)癌細胞即可判定為血管浸潤陽性；②淋巴管內(nèi)皮標記物免疫組化染色顯示淋巴管內(nèi)皮細胞的胞漿內(nèi)和(或)胞膜上可見清晰的棕黃色或棕褐色顆粒為陽性表達；③如觀察到腫瘤侵犯至神經(jīng)周圍且至少累及33%的神經(jīng)周徑，或者腫瘤細胞侵及神經(jīng)外膜、神經(jīng)鞘膜和神經(jīng)內(nèi)膜的任何一層，即判定為神經(jīng)侵犯陽性，反之為陰性。

5．統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 23.0軟件對所有測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。比較光譜CT各參數(shù)在不同病理及免疫組化特征組之間的差異。首先對各變量的數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，兩組間比較采用獨立樣本t檢驗。利用ROC曲線分析動脈期和靜脈期光譜CT定量參數(shù)對脈管神經(jīng)侵犯的診斷效能。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1.病理和免疫組化結(jié)果

70例直腸癌患者中，中高分化組61例，低分化組9例；血管侵犯陽性組48例，血管侵犯陰性組22例；淋巴管侵犯陽性組59例，淋巴管侵犯陰性組11例；神經(jīng)侵犯陽性組40例，神經(jīng)侵犯陰性組30例；有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移組49例，無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移組21例。

2．光譜CT定量參數(shù)值及組間比較

動脈期和靜脈期直腸癌不同分化程度組和不同脈管神經(jīng)侵犯組之間能譜CT定量參數(shù)值及組間比較結(jié)果見表1～5。

動脈期：無水碘密度、CT值40 keV-VMI、NIC和Eff-Z在脈管侵犯組與無脈管侵犯組之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；CT值PI和CT值VNC在脈管侵犯組與無脈管侵犯組之間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；各項光譜CT參數(shù)值在有和無神經(jīng)侵犯組、中高分化組與低分化組以及有和無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移組之間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

靜脈期：無水碘密度、CT值40 keV-VMI、NIC和Eff-Z在有和無脈管侵犯組之間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；而CT值PI和CT值VNC在有和無血管侵犯組及有和無淋巴管侵犯組之間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。僅Eff-Z在有和無神經(jīng)侵犯組、不同分化程度組以及有和無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移組之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

表2 有和無血管侵犯組雙期光譜CT參數(shù)值的比較

表3 有和無淋巴管侵犯組雙期光譜CT參數(shù)值的比較

表4 有和無神經(jīng)侵犯組雙期光譜CT參數(shù)值的比較

表5 有和無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移組雙期光譜CT參數(shù)值的比較

ROC曲線分析結(jié)果顯示：動脈期無水碘密度、CT值40 keV-VMI、NIC和Eff-Z評價直腸癌淋巴管浸潤的最佳閾值分別為0.06、100、0.05和7.62，AUC分別為0.74、0.69、0.75和0.74；評價直腸癌血管侵犯的最佳閾值分別為0.06、100、0.06和7.70，AUC分別為0.73、0.68、0.75和0.75。靜脈期無水碘密度、CT值40 keV-VMI、NIC和Eff-Z評價淋巴管浸潤的閾值分別為0.28、99.43、0.24和7.79，AUC分別為0.68、0.68、0.75和0.74；評價直腸癌血管浸潤的閾值分別為0.27、99.55、0.24和7.78，AUC分別為0.71、0.76、0.76和0.72(圖2)。

圖2 光譜CT定量參數(shù)預(yù)測直腸癌脈管侵犯的ROC曲線。a)動脈期無水碘密度、CT值40keV-VMI、NIC和Eff-Z預(yù)測血管浸潤的AUC分別為0.68、0.68、0.75和0.74；b)動脈期無水碘密度、CT值40keV-VMI、NIC和Eff-Z預(yù)測淋巴管浸潤的AUC分別為0.71、0.76、0.76和0.72；c)靜脈期無水碘、CT值40keV-VMI、NIC和Eff-Z預(yù)測直腸癌血管侵犯的AUC分別為0.73、0.68、0.75和0.75；d)靜脈期無水碘、CT值40keV-VMI、NIC和Eff-Z預(yù)測直腸癌淋巴管浸潤的AUC分別為0.74、0.69、0.75和0.74。

新型雙層探測器光譜CT是基于探測器端實現(xiàn)能譜技術(shù)的CT設(shè)備，其獨特的雙層探測器設(shè)計能對單一千伏掃描時的高、低能量進行分離和解析，無需額外掃描，就能同時得到常規(guī)圖像和能譜圖像，數(shù)據(jù)的采集實現(xiàn)了同時、同源、同向和同步[9]。有效減少患者的照射劑量，提高圖像的信噪比。獲得的能譜圖像可測量CT值40keV-VMI、CT值VNC、無水碘密度和Eff-Z等多種定量參數(shù)。40～60 keV VMI可以提高碘對比劑的強化效果，提高圖像的密度分辨率。VNC是基于碘物質(zhì)的識別，通過去除CT增強圖像上的碘強化效果而獲得的圖像，測得的CT值與真實平掃接近，因此可替代CT平掃，從而降低檢查過程中的輻射劑量。由于常規(guī)增強圖像的碘密度值對腫瘤血供的評估準確性不夠高[10]，為了消除因個體循環(huán)和對比劑不同造成的差異，本研究中采用了NIC，即病灶內(nèi)碘密度與同層面髂動脈碘密度的比值，這一概念在既往關(guān)于雙能量成像的文獻中已得到認同[11]。而無水碘密度圖是一種水樣組織被識別和抑制，從而增強顯示各種含碘物質(zhì)的圖像。Eff-Z是人體化合物或混合物所對應(yīng)的有效原子序數(shù)，如水的Zeff通常為7.4～7.5。

腫瘤脈管浸潤包括血管浸潤和淋巴管浸潤，是指在脈管內(nèi)存在腫瘤細胞簇或單個腫瘤細胞，或指腫瘤細胞破壞淋巴管壁和血管壁，也稱脈管侵犯[12]。研究表明腫瘤在淋巴結(jié)內(nèi)生長的前體可能是由于癌細胞通過淋巴管或小靜脈的擴散造成的，且直腸癌脈管浸潤時通常具有更高的侵襲性和更差的預(yù)后[13]。而判斷脈管浸潤的標準是通過免疫組化染色將血管的內(nèi)皮細胞層染成棕褐色，若在棕褐色的管腔中出現(xiàn)了癌細胞即判斷為血管侵犯，若腫瘤組織的淋巴管內(nèi)有癌巢提示淋巴管內(nèi)有侵犯[14]。本研究結(jié)果顯示靜脈期無水碘密度、CT值40keV-VMI、NIC和Eff-Z對判斷腫瘤脈管侵犯有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。分析原因，筆者認為無水碘密度、CT值40keV-VMI和NIC均是反映組織內(nèi)含碘量的參數(shù)，直腸癌脈管侵犯時，腫瘤內(nèi)新生血管擴張、管腔不規(guī)則、分支紊亂、管壁內(nèi)皮細胞不成熟而通透性高、新生血管壁薄、沒有或者只有游離的周細胞和疏松的基底膜等，當腫瘤侵犯脈管時，管壁進一步破壞，故對比劑外滲增加，腫瘤組織內(nèi)及新生血管內(nèi)對比劑易滯留。因此，脈管侵犯組的腫瘤內(nèi)碘含量增加，用于評價腫瘤強化程度的無水碘密度、CT值40 keV-VMI和NIC可間接反映腫瘤內(nèi)血管生長和脈管浸潤情況。

有研究表明碘密度較CT值能更客觀直接地反映腫瘤的血供和血管生成情況[15]，與本研究得到的結(jié)果一致，本研究結(jié)果顯示NIC在直腸癌脈管侵犯組與未侵犯組之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，而CT值PI和CT值VNC在兩組間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。由于NIC能真正反映組織的強化特點，較CT值PI和CT值VNC能更準確反映腫瘤強化和脈管侵犯情況。同時本研究結(jié)果顯示，脈管侵犯陽性組的CT值PI和CT值VNC明顯大于陰性組，既往亦有文獻報道雙層探測器光譜CT測量的CT值40keV-VMI不僅能夠提高對胰腺導(dǎo)管癌和肝臟乏血供腫瘤的診斷效能[16-17]，且在對胰腺及胸部病變的觀察方面40 keV VMI圖像質(zhì)量優(yōu)于120 kVp PI[18-19]。

萬幸等[20]認為雙層探測器光譜CT成像中動脈期的碘密度及能譜曲線斜率對術(shù)前預(yù)測結(jié)直腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移具有一定價值。Liu等[21]的研究顯示靜脈期NIC判斷直腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移更有價值，本研究結(jié)果亦顯示靜脈期NIC在判斷脈管浸潤方面明顯優(yōu)于動脈期NIC。分析原因筆者認為惡性腫瘤新生血管網(wǎng)豐富但欠成熟、血管脆性大，因此血流量、血容量和血管通透性明顯增加。靜脈期較動脈期除了采集時間不一致外，還可能與靜脈期中病灶的強化是血管內(nèi)增強和血管外空間對比劑滲透兩種因素共同作用的結(jié)果[22]，故靜脈期NIC及無水碘密度能更準確地反映腫瘤組織的強化情況。

Eff-Z不同于CT值，其特點在于為每個像素加入了物質(zhì)成分的信息，光譜CT掃描獲得的Eff-Z圖用色彩量化的方式反映ROI內(nèi)所有物質(zhì)的有效原子序數(shù)值。既往研究認為雙層光譜探測器CT掃描測得的Eff-Z可用于定性和定量分析腫瘤的物質(zhì)成份[23]。本研究結(jié)果顯示靜脈期Eff-Z較動脈期能更準確地反映直腸癌分化程度、脈管神經(jīng)侵犯及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移情況。原因是病灶強化越明顯，碘含量越高，由于碘的原子序數(shù)值高，所以強化病灶的有效原子序數(shù)值就越高，這就增加了強化病灶與周圍組織的對比，有利于更敏感地發(fā)現(xiàn)病灶及其對周圍結(jié)構(gòu)的侵犯，提高診斷準確性。

本研究存在以下不足之處：①為單中心和小樣本研究，可能存在選擇偏倚；②本研究中部分直腸癌患者腸道準備欠佳。③采用的是單個小ROI的勾畫方法，未測量整個病灶的數(shù)據(jù)，可能造成偏倚，影響數(shù)據(jù)測量的準確性。

綜上所述，雙層探測器光譜CT定量參數(shù)可反映組織微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而能夠較準確地反映直腸癌的生物學(xué)特征，為臨床提供直腸癌預(yù)后評估的影像生物標記物。