双层探测器光谱CT在评估食管癌分化程度及脉管神经侵犯中的应用价值

郑欢欢，刘松，朱妍，李茗，张海龙，魏晓磊

(南京大学医学院附属鼓楼医院 医学影像科，江苏 南京 210008)

食管癌是我国常见的消化道恶性肿瘤之一[1]。肿瘤的病理特征是评估病灶恶性程度的重要指标。研究证实，食管癌分化程度的高低、有无脉管神经侵犯是判断肿瘤侵袭性的重要依据[2]，具有低分化程度或脉管神经侵犯的患者显示出较差的预后和较高的复发风险[3- 4]。虽然对食管癌的确诊仍旧依赖于术后病理，但是术前准确预测食管癌分化程度及脉管神经侵犯对临床决策和预后评估具有重要意义。既往研究表明，CT 能谱成像可评估食管癌的病理分级及放化疗疗效[5- 6]，能够在降低辐射剂量的同时提供高对比噪声比及信噪比的优质量图像[7]。光谱CT基于立体双层探测器，完善了能量及能谱测量多参数分析技术，实现了对肿瘤性质进一步的精准分析[8]。本研究旨在探讨双层探测器光谱CT在术前评估食管癌分化程度及脉管神经侵犯中的应用价值，为临床治疗决策的选择及预后的评估提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取本院2019年10月至2021年1月收治的食管病变患者，临床上表现为进食后吞咽困难数日及数月不等，经术后病理证实为食管癌，收集术前胸部增强CT影像及临床病理资料。本研究已获得南京大学医学院附属鼓楼医院医学伦理委员会批准(编号2018- 163- 01)。病例纳入标准：(1) 手术切除病理证实为食管癌；(2) 治疗前行胸部双层探测器光谱CT增强检查，动脉期采用能谱扫描模式；(3) 具有完整的临床资料，分化程度及脉管神经侵犯等病理学资料齐全。排除标准：(1) 术前接受放化疗等治疗；(2) 术前CT图像上病灶因呼吸运动伪影等因素而无法清晰显示。本研究最终纳入47例患者，其中男40例，女7例，年龄48～78岁，平均(65 ± 7.3)岁。

1.2 设备与扫描方法

纳入患者均行双层探测器光谱CT(IQon spectral CT, Philips Healthercare, the Nethererlands)胸部增强检查。扫描参数如下：管电压120 kVp，管电流采用自动管电流控制技术，螺距1.016，准直器宽度40 mm，球管转速0.5 s·周-1，矩阵512×512，扫描层厚5 mm，重建层厚1 mm。对比剂采用碘佛醇(320 mgI· ml-1，江苏恒瑞医药股份有限公司)，总量80 ml，流率3 ml·s-1，并以相同的流率加注20 ml生理盐水，注射完成后延迟30 s进行胸部增强扫描。

扫描完成后重建得到两种图像：一种采用混合迭代重建法得到传统 120 kVp混合能量图像(polyenergetic image, PI)；另一种采用投影空间光谱重建法得到全息光谱图像(spectral based image, SBI)。

1.3 CT图像后处理及测量分析

利用Philips SpDS图像工作站(Spectral Diagnostic Suite 9.0, Philips Healthcare, the Netherlands)将动脉期SBI图像生成40～70 keV(间隔10 keV)不同能级水平的虚拟单能量图像(virtual monoenergetic image，VMI)、碘密度图、无水碘图、有效原子序数图及多模态融合图。由2名分别有5年和8年消化道肿瘤诊断经验的放射科医师采用双盲法共同观察所有图像，对图像分析有异议的情况下，两人通过协商达到一致。肿瘤感兴趣区(region of interest，ROI)选取原则：(1) 选取轴位上显示肿瘤的最大层面；(2) 放置的椭圆形ROI尽可能包含肿瘤实性成分，同时避开肿瘤坏死、囊变部分、食管管腔及邻近组织结构。在同一患者的图像中保持ROI范围大小相同，测量光谱CT特征值，分别测量 3 次，取平均值。

1.4 统计学处理

正态分布计量资料以均数±标准差表示，非正态分布以中位数(四分位数)表示；不同分化程度组间食管癌碘密度图、无水碘图、有效原子序数图及40～70 keV VMI参数值比较前先行方差分析，方差齐则采用单因素方差分析，组间两两比较采用LSD检验，方差不齐则使用Welch法，两两比较采用 Wilcoxon秩和检验。采用独立样本t检验(正态分布参数)或Mann- WhitneyU检验(非正态分布参数)比较食管癌低分化组与中- 高分化组以及不同脉管神经状态间光谱CT参数值的差异。采用受试者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲线分析光谱CT特征鉴别食管癌的不同分化程度(低vs.中- 高)、有无脉管神经侵犯的效能。应用SPSS 22.0统计软件处理数据，ROC曲线分析采用MedCalc软件。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 入组食管癌患者病理特征

纳入47例食管癌患者，其中食管鳞状细胞癌44例，腺癌1例，腺- 鳞形细胞癌1例(腺癌成分50%，鳞状细胞癌成分50%)，混合型神经内分泌- 腺癌1例；低分化9例(19%)，中分化34例(72%)，高分化4例(9%)；脉管浸润阳性18例(38%)，阴性29例(62%)；神经侵犯阳性16例(34%)，阴性31例(66%)。1例71岁男性食管鳞状细胞癌患者的光谱CT图像见图1，病理证实中分化，有脉管浸润，无神经侵犯。

红色椭圆形为ROI；图A～G分别为120 kVp混合能量图像(PI)、40～60 keV 虚拟单能级图像(VMI)、碘密度、无水碘及有效原子序数图，可显示病灶位于食管胸下段(白箭头)；图H为120 kVp PI与50 keV VMI能谱模态融合图；图I分别为50 keV VMI下，正常食管壁与食管癌病灶的能谱曲线、直方图及散点图，可直观反映食管癌与正常食管壁CT值的差异；图J为病理图(HE ×100)图1 典型食管鳞状细胞癌患者的光谱CT图像

2.2 不同分化程度及脉管神经侵犯与光谱CT特征的相关性

单因素方差分析结果显示，低、中、高分化组患者间年龄及性别差异均无统计学意义(P值分别为0.091、0.599)。除120 kVp PI和70 keV VMI(P值分别为0.160、0.066)外，40～60 keV VMI、碘密度、无水碘浓度及有效原子序数值光谱CT特征在3组不同分化程度食管癌患者间差异均有统计学意义(均P<0.05)，见表1。

表1 光谱CT参数在不同食管癌分化程度间的差异

食管癌低分化组与中- 高分化组以及不同脉管神经状态间光谱CT参数值的差异见表2。其中，低分化组中病灶的40～70 keV VMI、碘密度、无水碘浓度及有效原子序数值均显著高于中- 高分化组(均P<0.05)。食管癌光谱CT特征在有无神经侵犯以及脉管与神经同时侵犯组间差异均有统计学意义(均P< 0.05)。食管癌脉管侵犯与光谱CT特征无关(均P>0.05)。

表2 不同分化程度及脉管神经状态间光谱CT多参数值的比较

2.3 光谱CT参数预测不同分化程度及脉管神经侵犯的诊断效能

ROC曲线分析显示，病灶40～70 keVVMI、碘密度、无水碘浓度、有效原子序数及120 kVp PI值在评估食管癌不同分化程度、有无神经侵犯以及脉管与神经同时侵犯时均具有良好的诊断效能，曲线下面积(area under the curve，AUC)值范围0.711～0.890，见表3。当碘密度图的阈值为1.17 mg·ml-1时，诊断食管癌低分化患者的价值最高，AUC为0.775，敏感性为52.6%，特异性为100.0%；以94.0 HU作为50 keV VMI的阈值时，诊断食管癌患者有神经侵犯的AUC为0.890，敏感性为68.7%，特异性为96.8%；以80.8 HU作为60 keV VMI的阈值时，诊断脉管与神经同时侵犯的AUC为0.804，敏感性为87.5%，特异性为69.2%。光谱CT参数对食管癌有无脉管侵犯诊断的AUC值较低。见图2。

表3 不同分化程度及脉管神经侵犯光谱CT参数的ROC分析

A.碘密度1.17 mg·ml-1鉴别食管癌低分化与中- 高分化的ROC曲线；B.50 keV VMI诊断食管癌有无神经侵犯的ROC曲线；C.60 keV VMI诊断食管癌有无脉管神经同时侵犯的ROC曲线图2 光谱CT参数预测不同分化程度及脉管神经侵犯的ROC曲线

3 讨 论

与常规CT 相比，光谱CT可提供多种成像模式及多参数能谱定量分析方法，如不同能级水平的虚拟单能量图像、碘浓度、无水碘浓度及有效原子序数图等，为术前病灶的定位定性[9- 11]及治疗后监测病灶的复发转移[12- 14]提供更多有价值的信息。

肿瘤分化程度对食管癌治疗方案的选择及预后的评估均具有重要影响[2]，分化差的食管癌与肿瘤切除术后早期复发和死亡有关，并且在多模式治疗后发生远处转移的风险较高[15]。本研究发现，随着食管癌分化程度的降低，病灶的40～60 keV VMI、碘密度、无水碘浓度及有效原子序数值均逐渐升高，这与既往学者研究CT能谱与食管癌病理分级的结果[16- 17]相一致。原因可能是肿瘤新生血管的数目及通透性可直接影响病灶的碘摄取程度，食管癌的分化程度越低恶性程度则越高，肿瘤新生血管相应增多，病灶摄碘增多，导致病灶CT值升高[18]。

近年来，不少研究表明光谱CT在显示病灶、评估肿瘤侵袭性及预后方面均具有潜在优势[10,12- 13]，但对食管癌方面的研究仍较少。Ma等[19]研究发现，有效原子序数在食管腺癌中显著高于鳞状细胞癌，动脉期及静脉期对两者鉴别诊断的AUC分别为0.661、0.982。本研究也进一步发现，低分化食管癌的40～70 keV VMI、碘密度、无水碘浓度及有效原子序数值均显著高于中- 高分化者，对鉴别低、中- 高分化食管癌的价值均较高。 理论上，食管癌不同病理类型及同一类型的不同分化程度中，肿瘤内部物质成分存在异质性，光谱CT特征使数据能谱化，可辅助判定物质成分，定量分析差异，也许有助于术前评估食管癌的病理特征。

双层探测器光谱CT从探测器角度进行能量分离，在原始数据空间行反相关噪声抑制，基本达到全能谱恒定的低水平噪声。当单能级水平无限接近于碘k缘(33.2 keV)时，碘急剧衰减，碘等高原子序数物质的CT值相应明显增高[20]，因此，低单能级水平图像在提高对比剂CT值及软组织分辨率的基础上，使病灶的显示得到了优化。本研究发现，在光谱CT特征的分析中，病灶的40～70 keV VMI、碘密度、无水碘浓度、有效原子序数及120 kVp PI值在食管癌有无神经侵犯及神经脉管同时侵犯患者组间差异均具有统计学意义，其中50 keV VMI下病灶的CT值在区分神经有无侵犯时的诊断价值最高。因此，可选择50 keV VMI作为诊断食管癌有无神经侵犯的最佳单能量图像。另外，Zopfs等[21]最近发现，在光谱 CT特征中，碘密度图及40～60 keV VMI具有术前显示食管癌脉管侵犯的价值，但本研究未发现光谱CT特征与单独食管癌脉管侵犯有关系，目前光谱CT特征对临床评估食管癌脉管侵犯的应用价值尚不明确，仍需大量研究进一步验证。

本研究存在的不足：(1) 本研究为单中心回顾性研究，样本数相对较少且不统一，病理类型主要以鳞状细胞癌为主，研究结果需要更大的样本量(包含其他病理类型的食管肿瘤)进一步验证；(2) ROI选取位置与术后病理取材位置未逐一对应；(3) 本研究仅对动脉期图像进行分析，未研究静脉期图像，且未与正常食管壁的光谱CT特征进行对照统计分析。

综上所述，双层探测器光谱CT特征可用于评估食管癌分化程度及脉管神经侵犯。病灶的碘密度值对肿瘤分化程度、50 keV VMI对神经侵犯以及60 keV VMI对脉管神经同时侵犯的诊断价值最高，可为临床治疗决策及预后评估提供相应参考。