功能影像学在肺癌诊疗中的应用进展.pdf

医医学学影影像像学学功能影像学在肺癌诊疗中的应用进展周磊焦志云(扬州大学附属医院影像科江苏 扬州):/基金项目:扬州市科技计划项目()通信作者:焦志云:.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()摘要:在人体原发恶性肿瘤中肺癌的发病率和死亡率均较高 肺癌病灶类型、分化程度、淋巴结转移、治疗效果以及预后的判定对于该疾病患者的临床诊疗有重要指导作用 与传统的影像学的形态学特征相比功能影像学能够较为精确地量化肺癌及其周围组织的内部特征并与肺癌的临床分型、预后评估等有效结合 目前功能影像学技术的研究进展及多种衍生参数的开发应用有望进一步提高临床决策的客观性和准确性并在全身多部位疾病中广泛应用关键词:肺癌功能影像学磁共振成像 :.:.:既往文献表明肺癌占癌症总体死亡人数的 尽管手术、放化疗、分子靶向治疗和免疫治疗在临床应用中取得长足进展但是确诊肺癌患者的平均 年生存率仅为 且肺癌的临床分期直接影响诊疗方案的制订不同亚型病灶在使用同一种靶向治疗手段时所呈现的治疗效果往往具有显著差异 与组织活检相比传统 具有无创、快速、可重复等优势利用形态学的特征影像学表现通常可以初步鉴别肺部病灶良恶性同时实体肿瘤疗效评价标准仍是评估肿瘤治疗效果的金标准 由于肺实质质子密度低且易受磁敏感伪影、呼吸运动及心脏搏动伪影等因素的影响磁共振成像()在肺部的应用长期面临挑战但其具有良好的组织穿透性能够在不产生电离辐射的情况下提供软组织及病灶间的对比 由病灶异质性所导致的病灶内血流灌注、代谢摄取、分子扩散等生物学微观特征的差异可通过功能影像学以量化的方式呈现出来 现就功能影像学现有技术在肺癌诊疗中的研究进展予以综述以对肺癌的术前鉴别诊断、临床治疗决策制订以及术后个体评估提供有利指导医学综述 年 月第 卷第 期 功能成像技术在肺癌诊疗过程中的应用当 图像中显示未知的肺部病灶时经验丰富的放射科医师通常依据形态学标准例如病灶密度、边界及大小尽可能缩小鉴别诊断的范围通常可以初步大致区分病灶的良恶性 然而大多数病灶尤其是较小的病灶仅凭常规 无法进一步对病变进行分类最终仍需要进行活检或进一步随访才能做出明确诊断 双能 是一种研究及应用较为成熟的非侵入性功能成像方法其作为一种前景广阔的诊断技术已经被广泛研究定量测量组织灌注参数以及光谱参数可反映病灶代谢和血流的变化 有研究得出光谱参数 和 、光谱曲线 、碘浓度、组织有效原子序数 值灌注参数(包括血容量、血流量、平均通过时间、表面通透性)等均具有鉴别肺部病灶的潜力并比较了上述两类参数对肺部良恶性病灶的鉴别效能发现光谱参数具有更高诊断效率其曲线下面积()为.灌注参数的 为.提示在鉴别病灶良恶性方面光谱成像参数可能更具优势同时光谱成像在静脉期的诊断效能更高 其中光谱参数碘浓度以及组织有效原子序数 值均被认为是肺癌组织循环灌注的有效替代指标碘浓度可用于直接表示组织内部碘含量 值则描述组织内的平均原子序数间接提供有关造影剂积累的信息 等对部分行立体定向放疗肺癌患者的研究显示平均碘浓度越低的患者放疗后的预后越差表明平均碘浓度在肿瘤治疗过程中具有指导作用 另一项借助双能 鉴别原发型肺癌和转移性肿瘤的研究中将所得到的光谱成像参数碘浓度、值以及常规 值()分别单独、联合建立不同模型并对其诊断性能进行评估结果显示合并 值模型的受试者工作特征曲线 显著高于不添加 值模型以及 值单独作用模型使用单个参数模型与联合使用碘浓度和 值模型在鉴别性能方面差异无统计学意义并得出 个参数联合时的诊断效能最高 等的研究表明双能 的诊断特异性更好并在预测小病灶组织病理、评估描述转移淋巴结的过程中表现更优 等利用双层探测器光谱 探讨肺癌的病理分型发现小细胞肺癌的动脉期 值、动静脉期碘浓度、动脉期有效原子序数均低于非小细胞肺癌这可能是因为小细胞肺癌内部有更多的坏死区域而非小细胞肺癌的组织较为疏松血管分布更密集血供更丰富与原发性肺癌相比肺部转移瘤的动脉期碘浓度更高表明肺部转移瘤血管化程度更高证实双层探测器光谱 能谱参数可以帮助评估病灶病理类型尤以 值诊断效能最为显著 灌注成像可以反映正常血管和不同组织新生血管在结构和功能上的差异两者均可用于临床预测预后、疾病鉴别 磁共振功能成像技术在肺癌诊疗过程中的应用.弥散加权成像()是一种无创的功能成像技术其可测量生物组织内水分子的随机运动以反映组织特有的扩散特性从而侧面了解组织内部尤其是肿瘤细胞的分布情况因此在肺部良恶性病灶的鉴别和诊断、肺癌病理分型及分化程度的判断、肺癌基因突变预测、治疗后监测疗效和预后等方面发挥重要作用 与良性组织相比恶性肿瘤的细胞分布通常更紧密致使细胞外液水分子扩散减少导致表观扩散系数()值较低这种定量分析肿块内部水分子扩散情况的成像技术在国内外研究中已趋于成熟相较研究应用较成熟的正电子发射体层成像()表现出较好的一致性 在诊断纵隔、肺门淋巴结转移时 所能检出的转移淋巴结更小 等鉴别肺部结节或肿瘤性质的研究显示与 相比 的敏感性更高但两者的特异性、准确性相当说明 用于鉴别肺部良恶性病灶是可行的 但 值仅能代表一种单指数模型难以鉴别伪扩散与纯分子扩散且易受到微循环灌注的影响 此外肺部脓肿或血栓等由于含有高黏滞成分也存在水分子弥散受限的情况假阳性诊断在 值测量中也偶有发生有研究尝试将 加权成像序列与 联合评估肺部病灶的良恶性提示其鉴别准确性显著提升.体素内不相干运动成像()可以将各指数分离同时评估水分子运动和微循环灌注并逐一量化获得实际扩散系数(值)、灌注系数(值)和灌注分数(值)等定量参数这在一定程度上弥补了传统 单指数模型因同时受到扩散和灌注效应的影响而导致的医学综述 年 月第 卷第 期 局限性 有荟萃分析显示 各项参数在基于肿瘤细胞和灌注特征的肺部病灶鉴别诊断中显示出强大诊断潜力与单指数模型 值相比 值往往显示出更好的诊断性能 值体现的是组织细胞密度以及细胞外基质成分其在精确评估肿瘤分型、预测肿瘤预后治疗效果等领域优于 值而对于小病灶的价值目前仍不明确 等鉴别转移性或非转移性淋巴结的研究证实一些 参数(值、值)可用于评估肺癌患者术前肺癌纵隔淋巴结转移情况将 值和 值结合作为诊断标准诊断效能进一步提高 值代表组织内毛细血管体积占组织总体积的比例值通常代表组织毛细血管网的灌注信息包括血流速度、毛细血管段的长度等 值、值均为灌注参数研究显示其在判断肺癌分型、预测治疗效果等方面的意义并不显著且存在一定分歧此外一些肺部炎性病变也有明显的血管改变征象包括血流流速增加、血管舒张、血管通透性增高等某些感染性活跃结节的血容量达峰时间甚至更短 灌注扫描结果进一步解释了这一征象 等的研究显示肺部炎性病灶的 值高于肺癌且 值还受到磁共振回波时间、弛豫效应等的影响 尽管灌注参数的诊断准确性尚不明确但其对磁共振扩散和灌注成像的研究仍有提示和补充价值因此其在肺癌内部结构以及微循环变化检测中的作用值得进一步研究.扩散峰度成像()是 的延伸它是一种基于水分子非高斯分布的模型其对水分子的扩散较基于水分子高斯分布模型的 更加敏感对组织微结构的检测更加准确 衍生可得到 和 参数 值和 值为各方向 和 参数的平均值 在鉴别肿块良恶性方面的准确性较高 一项评估肺癌患者肿瘤组织中、参数与 增殖关系的研究显示 参数 评估肺癌组织增殖性的性能较低同时研究表明小细胞肺癌的 值明显低于非小细胞肺癌这可能与小细胞肺癌的高度细胞化有关 等的研究报道肺癌组的、值均明显高于肺部良性病变组且肺癌组中高级别恶性病变的 值显著低于非高级别恶性病变其原因可能是恶性肿瘤组织的异质性较高、组织中界面数量较多、水分子扩散受限增加在该项研究中高级别和非高级别肺癌的 值比较差异无统计学意义由此可见高级别肺癌不一定表现出复杂致密的内部结构 但 等的研究结果与其相反认为腺癌的 值明显高于鳞状细胞癌可能与其纳入病例中腺癌患者较多尤以晚期腺癌患者居多有关此外该研究中两组间 值比较差异无统计学意义其原因可能是 值反映了各方向 值的平均值因此不同病变之间的变化显著性不及单一方向的扩散指数 值 等对 衍生参数与分子标志物表皮生长因子受体、间变性淋巴瘤激酶、指数相关性的研究指出 衍生参数 和 的诊断效能均略优于 尤其是 认为其可作为免疫组织化学结果的影像学指标且 较常规 能够更准确地反映腺癌组织的微观结构特征并解释了表皮生长因子受体突变、间变性淋巴瘤激酶重排、高表达对组织内部扩散限制产生的影响 等比较传统、参数在鉴别肺部良恶性病灶方面的诊断效果发现 衍生参数 值(恶性组./、良性组./)、衍生参数 值(恶性组./、良性组./)和 衍生参数(恶性组.、良性组.)是肺部良恶性病灶的有效鉴别指标三者 分别为.、.、.并认为、三者联合可以进一步提高诊断效能这为后续功能影像学方面的研究提供了更多思路.动态对比增强()肿瘤内部新生血管通常是肿瘤最为重要的生物学标志物之一 通过定量分析可获得描述肿瘤内部灌注、毛细血管通透性、肿瘤组织乏氧情况等微环境的参数以评估治疗早期病灶的血流动力学变化而通常肿瘤组织的乏氧情况又与转移能力、侵袭性、治疗后效果不佳的可能性有关这种关联使其可作为评估肺癌患者早期化疗反应的精确无创方法 主要的动态增强半定量参数包括正性增强积分、最大上升斜率、最大下降斜率、信号强度增强比、时间信号强度曲线、达峰时间等基于 模型的药动学定量参数包括转运常数()、回流常数(医学综述 年 月第 卷第 期 )、血管外细胞外间隙容积分数、血浆容积分数等其在鉴别良恶性病灶的研究中被证实具有良好的诊断效能 利用半定量参数预测肿瘤早期治疗效果的研究已经涉及全身多部位肿瘤包括前列腺癌、乳腺癌等认为治疗有效的病灶通常伴有部分半定量参数的减少 一项使用 半定量参数分析调查肺癌患者化疗反应的研究发现治疗有效组患者在接受顺铂类化疗后正性增强积分、信号强度增强比和最大上升斜率值显著增加其可能与治疗后获取成像数据的时间有关治疗效果相对更佳的病灶化疗早期短时间内灌注增加血流量相对丰富的肿瘤具有更高的含氧量故通常化疗效果更好而化疗 周后因瘤内缺氧而出现半定量参数的下降半定量参数仅限于量化肿瘤血管生成的生理变化而定量参数分析能够量化血管内外及细胞外的造影剂浓度变化其不依赖于信号强度此种定量方法更客观相较于半定量参数它不会受到造影剂注入速率等因素的影响 已有研究证实 定量灌注参数直方图与磷脂酰肌醇激酶/蛋白激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路基因激活情况具有相关性 由于肿瘤的异质性传统免疫组织化学往往不能反映整个肺癌病灶的基因水平 为在分子水平上评价肺癌异质性提供了一种无创且可重复性高的方法 等的研究表明可作为一种预测肺癌靶向治疗效果及预后的无创性方法治疗后 降低患者后期瘤体通常显著缩小可能与肿瘤细胞坏死、肿瘤血管数量减少、微血管灌注降低有关证实其预测能力具有可重复性该方法在预测新辅助放化疗后乳腺癌、宫颈癌、直肠癌、骨肉瘤等肿瘤的疗效方面的价值已得到研究证实在早期预测临床疗效中起关键作用 另有研究报道在鉴别肺部良恶性病灶方面的特异性显著高于其他影像学指标与 的 值联合应用也可以进一步提升诊断准确率达.提示 技术是反映肺部病灶微循环特征的有效方法 在肺癌诊疗过程中的应用 借助氟代脱氧葡萄糖()体现功能数据肿瘤细胞在成像过程中优先摄取使其与肺部正常背景产生强度比 作为一种双模态成像系统能够将传统螺旋 提供的二维形态学特征与 提供的代谢摄取参数有效协同 标准化摄取值()是描述 中肿瘤摄取 情况的半定量指标可提供肿瘤葡萄糖代谢信息被认为是一种有前景的判断肿瘤侵袭性的替代标志物以及评估患者预后的生物标志物 研究证实最大()的灵敏度以及特异度更高应用也最为广泛 既往研究表明以 .作为阈值诊断肺癌的准确率、灵敏度和特异度均较高通常肺癌的恶性程度越高增殖速度越快摄取 越多 越大 另有研究表明 在鉴别良恶性肿瘤以及判断非小细胞肺癌分期、预测治疗效果和预后等方面明显优于单纯传统 和 等的研究显示较常规 更有助于预测治疗后肺癌的预后但由于其成本过高、检查过程中辐射暴露、使用造影剂通常不作为常规检查项目加之肺癌的异质性较高易受炎症等因素影响 提供的诊断信息依然有限对于分化良好的肺腺癌或小体积代谢活性较低的肿瘤 容易产生假阴性结果对于炎症引起的结节、结核所导致的纵隔淋巴结炎等由于其代谢增强亦产生假阳性结果/在 所提取的代谢信息的基础上与 的功能信息相结合 对软组织高分辨率的优势有助于其更好地分辨胸壁、隔膜和纵隔或远处软组织的侵犯使/可能在局部淋巴结及其远处转移方面具有良好的诊断效果研究证实肿瘤代谢负荷参数代谢性肿瘤体积和病变总糖酵解较 可以更全面地反映肿瘤的生物学信息尤其是评估肺癌分期时普通 仅能代表肺癌单个维度的生物学特征对噪声高度敏感而在晚期肿瘤中 的组成、形状和摄取不均匀代谢性肿瘤体积可以更精确地反映肿瘤的代谢量而病变总糖酵解能够更多反映肿瘤整体的代谢活性从而反映病灶的整体代谢状况 近年来反映显像剂动态分布信息的动态显像 研究较多这在一定程度上弥补了静态显像的限制但由于扫描时间等局限仍需要进一步研究其实用性 影像组学在肺癌诊疗过程中的应用 以及 虽然可定量分析评估病灶的医学综述 年 月第 卷第 期 内部特征但其空间分辨率较差缺乏特异性且不同恶性程度病灶之间的 值重叠等限制了其应用迫切需要寻找更加独特的图像信息 影像组学通过对肿瘤图像分割、图像特征提取和组学模型建立等步骤提取高通量图像特征数据获得多种人眼无法识别的量化特征可反映病变的生物学信息如细胞形态、分子和基因表达从而更好地评估肿瘤的异质性 目前通过 或 提取的定量信息构建影像组学模型在鉴别肺部良恶性病灶、术前病灶分期、判断组织学分型以及预测基因表达、恶性程度、治疗及预后进展等方面显示出较好的性能可为个体化治疗方案提供有价值的诊断信息与低剂量 相比 检测直径 的实性结节以及直径 实性结节的灵敏度超过 特异度超过 且 更容易受到心脏和呼吸运动伪影的影响并受到低质子密度、极短 值和肺内磁场不均匀性的影响因此对肺癌 影像组学的研究报道较少 近年来随着多模态 和图像分析技术的快速发展模型构建从单一模型向联合模型转变提取特征前的感兴趣区选取也由最初的二维层面转向三维层面勾画现有 影像组学针对肿瘤异质性评估、组织学亚型判定等已广泛应用于乳腺癌、膀胱癌、鼻咽癌和胶质母细胞瘤亚型的鉴别和预后预测 等基于 加权成像、建立了术前评估非小细胞肺癌的预测模型该模型在验证组中表现出良好的预测效能同时将该影像组学特征与临床过程中所得到的临床特征结合后其诊断性能进一步提高说明将放射组学特征与临床主要特征结合可以进一步提高鉴别能力 等为研究病灶类型与病灶内部异质性相关性开发了一种基于肿瘤异质性的放射组学模型运用聚类算法将每个病灶根据空间位置划分为 个子类在此细分基础上进一步提取影像组学特征并将该模型与常规放射组学模型进行比较发现基于交叉验证的肿瘤异质性模型优于常规模型表明病变内部的异质性影响肺癌性质的鉴别 有研究利用基于 和 获取的图像建立/预测模型发现最终得到的最优特征参数中纹理特征 所占的权重最高可能最能体现不同亚型的区别表明/预测模型在训练组和测试组中的 分别为.和.均表现出较高的一致性、稳定性其能够有效、无创地对肺腺癌和肺鳞状细胞癌的病理类型进行分类 影像组学的应用可以更方便地监测肺部肿瘤的早期治疗反应减少无效治疗与用药副作用的影响及时优化治疗方案 小 结功能影像学为肺癌的临床诊疗过程提供了丰富的指导依据随着提升图像质量、减少伪影等影像技术研究的开展 在肺部的应用逐渐成为可能其临床应用的可行性和准确性也得到了证实 虽然功能影像学在肺癌诊疗中的应用具有广阔前景和潜力但也存在诸多分歧以及技术难点如需要进一步提升 图像质量以获得精确的研究数据且肺癌本身的异质性对于感兴趣区的选取存在挑战等此外诸多成像技术的原理不同联合运用可以弥补彼此评价病灶过程中的不足期待后续更进一步的研究参考文献 .:.():.:.():.:.():.():.:.:.():.:.医学综述 年 月第 卷第 期 .():.():./:.:.:.:.:.():.()():.:.()():.()():.:.():.:.:.():.:.():.:.():.():.:.:.:.()():.:.:.():.():.().():.:.():.:.:.():.()():.():.():.医学综述 年 月第 卷第 期 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