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影像组学在结直肠癌肝转移诊治中的研究进展

发布时间:2019/10/09 点击量:

作者:梁萌,马霄虹,赵心明,中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院

 

结直肠癌是消化系统最常见的恶性肿瘤之一,近年发病率及死亡率呈上升趋势,在我国,其发病率在男性和女性恶性肿瘤中分别居第5位和第4位,死亡率在恶性肿瘤中居第5位。结直肠癌患者的生存期与肿瘤分期明显相关,病变局限于原位者5年生存率约为90%,而伴有局部和远处转移者5年生存率为71%和14%。

 

肝脏是结直肠癌最主要的转移器官,约35%~55%的结直肠癌患者在疾病进程中会发生肝脏转移。结直肠癌肝转移及是否切除肝转移瘤影响患者的预后:肝转移灶未经治疗者中位生存期仅6.9个月,无法切除者5年生存率几乎为0,而肝转移灶能完全切除者中位生存期为35个月,5年存活率可达30%~50%。因此,尽早发现转移灶从而提高根治性手术切除率是改善结直肠癌患者预后的关键,而影像诊断方法可以早期发现结直肠癌及其肝转移。本文拟对传统影像学方法及新兴的影像组学方法在结直肠癌肝转移中的诊疗现状及应用进行综述。

 

1.传统影像学方法在结直肠癌肝转移瘤诊疗中的应用

 

目前诊断结直肠癌肝转移主要依靠超声、CT、MR、PET/CT及PET/MR等,但各种方法均有其相对优势和不足。对于体积较大、表现典型的肝转移瘤,各种影像学方法均能有效检出、诊断率相近;但对于微小及表现不典型者,各种方法的检出率不尽一致,存在漏诊或较难定性诊断的问题。CT及MRI是目前临床最常用的肝转移瘤检出方法。CT增强扫描速度快、范围大,已广泛应用于结直肠癌患者M分期的评估;尽管CT诊断肝转移瘤的敏感性及特异性均较高,但用于诊断1 cm以下的病灶有一定的局限性。

 

MRI是目前检出肝转移瘤的最佳影像学方法,尤其是肝细胞特异性对比剂Gd-EOB-DTPA的应用有助于肝转移瘤的诊断;Asato等报道,Gd-EOB-DTPAMR增强扫描诊断肝转移瘤的敏感性为91.4%,明显优于CT增强扫描的80.9%,尤其对≤1 cm的转移瘤或有脂肪肝背景的肝转移患者其优势更为明显。尽管如此,仍有部分微转移灶或隐匿转移灶难以在治疗前通过现有的影像检查方法发现。

 

对于发现时已不可切除的肝转移瘤,通过治疗可使一部分转变为可切除的病灶,目前主要治疗方法为化疗或靶向治疗,其疗效主要通过CT或MRI评价肿瘤体积的改变,但无法精准地反映治疗过程中出现的病灶功能及代谢变化,难以在治疗前预测或早期评价疗效。但随着影像技术的发展,CT灌注、能谱CT、功能MRI及PET/CT等的应用提高了肝转移瘤疗效评估的可靠性。

 

2.影像组学在结直肠癌肝转移瘤中的应用

 

影像组学是一种新兴的影像学分析方法,由Lambin等于2012年首次提出,其定义为高通量地从CT、MRI及PET影像中提取大量高维、定量的影像特征,并加以分析,其组成部分主要包括高质量的影像图像的获取、感兴趣区ROI的确定、图像的分割并生成3D模式、特征的提取与量化、数据的整合及模型的建立。目前,影像组学已应用于临床决策支持系统,尤其在肿瘤诊疗研究中应用比较广泛,有助于肿瘤的精确诊断、良恶性鉴别、分期分级、疗效评价及预后评估等,从而通过应用精准影像达到患者个体化精准治疗的目的。

 

2.1基于结直肠癌原发灶的影像组学在结直肠癌肝转移方面的研究

 

影像组学已在结直肠癌术前分期、评估同步放化疗疗效、判断预后及预测复发等均取得一定的研究成果。目前有关结直肠癌肝转移的研究多基于肝脏实质背景,而较少基于原发灶,国外研究鲜有报道;国内仅见黄燕琪的报道:通过对转移组及非转移组各80例结直肠癌原发病灶的CT图像进行纹理分析发现,结直肠癌原发病灶合并肝转移组患者的风险评分较无肝转移组患者的风险评分高,差异有统计学意义;联合影像生物标志及CEA水平建立预测模型,其检测肝转移的效能较好,受试者工作特征曲线下面积可达0.926,敏感性为91.3%,特异性为81.3%,表明原发灶的异质性往往决定了肿瘤的发生及发展过程,肿瘤转移和复发的生物学行为与原发病灶的病理学异质性密切相关。对于结直肠癌患者,其原发灶本身的影像组学特征往往受影响因素较少且更加稳定,因此,通过结直肠癌原发灶的影像组学预测肝转移发生的研究有待进一步深入开展。

 

2.2基于肝脏实质背景的影像组学在结直肠癌肝转移方面的研究

 

结直肠癌伴有同时性肝转移的患者约占16.2%,约26.5%的患者会在随访5年内出现肝转移;约24%~81%的结直肠癌患者在肝脏手术切除标本中可见微转移灶,而异时性肝转移往往通过这些肉眼不可见或影像学尚未显现的隐匿性转移灶或微转移灶发展而来,即首诊时肝脏实质微环境可提示其未来是否发生肝转移。Ganeshan等研究证实肝脏血流动力学状态与肝脏门静脉期CT纹理参数相关,为使用肝脏纹理特征作为结直肠癌患者肝转移发生的预测指标提供了依据。在基于肝脏实质背景预测肝转移发生方面目前已取得以下研究成果。

 

Rao等将29例结直肠癌患者分为无肝转移组、同时性肝转移组及18个月内出现异时性肝转移组,对门静脉期全肝无病肝实质进行纹理分析,结果显示同时性肝转移组的熵值明显高于无肝转移组,均匀度明显低于无肝转移组;而异时性肝转移组的纹理参数与另两组差异无统计学意义;基于纹理参数熵值和均匀度建立受试者工作特征曲线,诊断同时肝转移的曲线下面积为0.73~0.78。

 

Beckers等的多中心回顾性研究纳入165例结直肠癌患者,分为无肝转移组、同时性肝转移组和24个月内出现肝转移组,分析全肝纹理参数平均灰度强度、熵和均匀度在预测肝转移中的价值,多因素分析显示仅均匀度为预测早期转移的指标,但并未发现相应纹理参数进一步预测中期和晚期转移。除对增强CT纹理特征的研究,Ganeshan等对结直肠癌患者的肝脏平扫CT纹理特征进行分析,包括平均灰度强度、熵和均匀度特征,结果发现肝转移组与无肝肿瘤组的熵值存在差异、并与肝外疾病组的均匀度存在差异。

 

除以上基于CT图像,尤其是门静脉期图像的纹理分析外,梁和月等通过对全肝MRI门静脉期强化率直方图分析发现,治疗后短期复发与无复发患者的直方图参数存在差异,同样证实了肝实质背景在肝转移瘤患者中存在异质性。以上文献报道中研究的纹理参数较少,主要包括平均灰度强度、熵和均匀度,结果显示熵值和均匀度多在肝转移组与无肝转移组间存在差异,但结果并不一致,另有部分研究并未找到可以预测肝转移发生的纹理参数。肝脏血流动力学的复杂性以及肝实质背景在人群中的差异也是导致各研究所得结果不一致及诊断效能低的原因。

 

2.3影像组学在结直肠癌肝转移瘤的疗效判定及预后预测中的研究

 

对于已出现肝转移的结直肠癌患者行辅助化疗可能提高病变切除率,因此临床提出“临界可切除结直肠癌肝转移”的概念,指不可切除的结直肠癌肝转移患者中除去一部分预期生存寿命小于6个月的患者,只要身体状况可以耐受强烈治疗,均属于临界可切除的范畴。然而,临床上对其化疗和手术的顺序选择尚存在争议,部分病例化疗无效可能增加手术风险,部分直接手术者易在术后短期内复发或转移。但目前对于化疗疗效尚无有效的预测方法,因现在最常用的疗效评价标准RECIST主要基于肿瘤体积的改变。肝转移灶对化疗的反应可能取决于肿瘤内部的异质性,影像组学方法能够更为深入地挖掘转移瘤治疗前后相关特征的细微变化,为结直肠癌肝转移的疗效评估和预测提供精准有效的工具。

 

Rao等对21例结直肠癌肝转移患者化疗前后的CT图像进行纹理分析,并测量转移灶的总体积和最大径,根据RECIST1.1进行疗效评估,比较病理反应疗效较好组与较差组的差异,结果显示最佳预测效能的纹理参数为Δ均匀度和Δ熵值,多因素分析的OR值分别为0.95和1.34,并认为CT纹理特征可能是比大小和体积更好的疗效预测参数。

 

Ahn等通过对235例结直肠癌肝转移患者门静脉期CT图像进行纹理分析,通过训练组与验证组预测其化疗疗效,结果显示在2D图像上低的偏度和3D图像上较小的标准差是化疗有效的预测因素。胡飞翔等通过对34例行化疗的结直肠癌肝转移患者共132枚转移瘤病灶治疗前CT门静脉期图像进行直方图纹理参数分析,发现缓解组与非缓解组的均值、方差、偏度和百分位数间存在显著差异,其中90th百分位数在截断值为167时的准确率为81.82%。

 

除对CT图像纹理特征的研究外,Zhang等的研究证实治疗前MRT2WI序列的纹理特征同样有助于预测结直肠癌肝转移瘤的治疗反应。因此,影像组学在肝转移瘤化疗疗效评价方面有一定的优势,甚至优于目前广泛应用的RECIST标准。使用影像组学方法对结直肠癌肝转移灶进行化疗疗效的精准评价和预测,可为临界可切除肝转移的患者制订个体化的治疗方案。除对于肝转移灶治疗疗效的评估,基于结直肠癌原发灶和肝脏的影像组学特征也可以预测患者的生存期。

 

Miles等在对结直肠癌患者的肝脏增强CT门静脉期图像的纹理分析发现,肝脏CT门静脉期影像的纹理特征比肝脏CT灌注定量参数能更好地预测患者的生存期,即肝脏的微环境可能是影响结直肠癌患者预后的重要因素。

 

3.影像组学在结直肠癌肝转移研究中存在的问题

 

结直肠癌肝转移影像组学研究仍面临一些挑战:①目前绝大多数研究是基于CT图像,且多认为门静脉期CT图像的研究价值更大,仅少数文献对平扫CT及多期增强CT图像进行研究或比较;而基于MRI图像的研究报道更为少见,可能由于MRI图像序列更为复杂、图像分割难度大,但MRI图像具有更高的组织分辨率,其影像组学特征可能更具临床价值。②目前的研究多是针对影像组学的一部分纹理参数进行研究,分析的特征参数较少,且纳入的病例数较少,难以建立一个有效的预测模型。③目前主要为单中心研究模式,并且存在扫描设备、方案、成像参数、研究方法和分析软件尚未标准化等问题,均限制了影像组学相关研究结果的可重复性和准确性。要实现影像组学在临床的应用和推广,从图像采集、分割到特征的提取与量化均需要进一步优化和标准化。

 

4.展望与小结

 

结直肠癌肝转移的发生率高、预后差,早期诊断及早期预测疗效对改善患者的预后至关重要,影像组学作为一种新兴的研究方法,运用于结直肠癌肝转移研究已取得了一定的成果,但仍面临一些挑战。近年来,随着深度学习的开展和应用,影像组学得到进一步发展。首先,深度学习可以自动完成病灶影像的分割,解决了手动勾画病灶耗时费力且勾画的准确性和可重复性较差的问题;此外,深度学习的方法能够挖掘更多的特征用于病变分析,并且提供更为稳定和有效的训练模型;目前深度学习在结直肠癌中的研究已有相关报道。相信随着未来技术的发展和研究的进一步深入,影像组学在结直肠癌肝转移的诊断及疗效评价方面会发挥更大的优势。

 

来源:梁萌,马霄虹,赵心明.影像组学在结直肠癌肝转移诊治中的研究进展[J].中国医学影像学杂志,2019,27:385-388+392.