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Value of CT Texture Analysis for Volumetric Changes of Abdominal Aortic Aneurysm after Endovascular Repair
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摘要:目的 探讨CT纹理分析对腹主动脉瘤腔内修补术(endovascular aneurysm repair, EVAR)后瘤体体积变化的评价意义。方法 回顾性收集2014年7月至2019年6月于北京协和医院放射科行腹盆部增强CT血管造影(computed tomography angiography, CTA)随访的EVAR术后患者的临床及影像学资料, 患者于术后第3、12个月分别接受两次腹盆部CTA检查, 以传统测量方法为分组依据, 根据动脉瘤体积变化情况将患者分为动脉瘤体积增大组和体积未增大组。采用分割软件, 手动勾勒所有动脉瘤术后第1次随访时轴位最大截面, 提取动脉瘤支架外血栓部分的纹理特征, 同时采用灰度共生矩阵(grey level co-occurrence matrix, GLCM)、灰度游程矩阵(grey level run length matrix, GLRLM)和灰度差分矩阵(grey level difference matrix, GLDM)3种方法, 分析其与动脉瘤体积增大的关系。结果 共70例符合纳入和排除标准的患者入选本研究, 其中29例(41.4%, 29/70)EVAR术后腹主动脉瘤体积增大, 41例(58.6%, 41/70)瘤体未增大。GLCM、GLRLM和GLDM 3种方法预测动脉瘤体积增大的曲线下面积分别为0.892、0.888和0.800, GLCM的预测效能最佳, 灵敏度和特异度分别为86.2%和85.4%, GLDM的曲线下面积最小, 灵敏度和特异度分别为86.2%和68.3%。结论 CT纹理分析能有效预测EVAR术后动脉瘤的体积变化。Abstract:Objective The aim of this study was to investigate the value of CT texture analysis for volumetric changes of abdominal aortic aneurysm (AAA) after endovascular aneurysm repair (EVAR).Methods Clinical and imaging data of patients with AAA undergoing CT angiography (CTA) at the 3rd and 12th months after EVAR in the Department of Radiology, Peking Union Medical College Hospital between July 2014 and June 2019 were retrospectively collected. Using the traditional measurement as the grouping basis, patients were divided into increased and no-increased groups according to the volume changes during the follow-up. Segmentation software was used to manually outline the maximum axial sections of all aneurysms and extract the texture features of the thrombus. The grey level co-occurrence matrix (GLCM), the grey level run length matrix(GLRLM), and the grey level difference matrix(GLDM) were calculated to analyzed their relationship with the enlargement of the aneurysm volume.Results A total of 70 patients meeting the inclusive and exclusive criteria were enrolled in this study, 29 cases (41.4%, 29/70) in the increased group and 41 (58.6%, 41/70) in the non-increased group. The areas under the ROC curve of GLCM, GLRLM, and GLDM for the diagnosis of increased volumes were 0.892, 0.888, and 0.800, respectively. The best prediction efficiency was shown in GLCM with the sensitivity and specificity of 86.2% and 85.4% respectively. GLDM had the worst pridiction efficiency with a sensitivity of 86.2% and a specificity of 68.3%.Conclusion CT texture analysis might predict the volumetric change of AAA after EVAR.
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Keywords:
- texture analysis /
- abdominal aortic aneurysm /
- volume /
- endovascular aneurysm repair
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胃肠道间质瘤(gastrointestinal stromal tumor，GIST)是最常见的间质来源肿瘤，占全部胃肠道恶性肿瘤的1%~3%[1]。GIST主要发生于胃和小肠，直肠间质瘤发病率较低，约占全部GIST的3%~5%[2-3]。直肠间质瘤起源于肠道间质的Cajal细胞，临床表现无特异性，较小病灶多无症状，大的病灶可引起压迫或梗阻症状。近年来，对GIST患者开展分子靶向治疗取得满意效果，尤其对于肿瘤直径较大的直肠间质瘤患者，为避免丧失肛门功能，术前明确诊断并行新辅助治疗尤为重要[4-5]。经直肠腔内超声是一种无创检查手段，可判断肿物的起源位置和内部情况，还可在超声下穿刺活检，明确病理诊断。超声造影能够显示组织或病灶的微循环灌注，提高超声检查的灵敏度和特异度，为临床提供更丰富、更明确的诊断信息。本文通过分析直肠间质瘤在耦合剂充盈法腔内超声及超声造影下的影像学特点，初步探讨经直肠腔内超声联合超声造影对直肠间质瘤的诊断价值。
1. 资料与方法
1.1 研究对象
回顾性收集2013年2月至2019年2月于中国医学科学院肿瘤医院就诊的患者临床及影像学资料。
纳入标准：(1)根据美国国立卫生研究院(National Institutes of Health，NIH)2008改良版[6]及WHO(2013年版)[7]病理诊断标准，患者明确诊断为直肠间质瘤；(2)同时行经直肠腔内超声及超声造影检查。
排除标准：(1)二维超声图像质量不佳；(2)未留存彩色血流图像；(3)未留存超声造影动态图像，无法进行脱机分析；(4)年龄小于18周岁。
本研究经中国医学科学院肿瘤医院伦理委员会批准(审批号：NCC2013S-006)，所有患者签署知情同意书。
1.2 观察指标
收集并分析患者主要临床表现、耦合剂充盈法腔内超声、超声造影、CT、MRI、肠镜等结果，根据NIH 2008改良版[6]，按照肿瘤部位、大小、核分裂像等，将间质瘤分为极低危、低危、中危、高危4个危险度。
1.3 腔内超声检查方法
采用Philips iU22型超声诊断仪(Philips，Bothell，WA)，端扫式C5-9直肠腔内探头(频率5~9 MHz)及Philips EPIQ5(Philips，Bothell，Washington)端扫式C10-4ec直肠腔内探头(频率4~10 MHz)。患者检查前禁食4~6 h，口服泻药或清洁灌肠，检查时嘱患者左侧卧位，先行直肠指检，了解肿瘤位置，然后将套上避孕套的直肠腔内探头缓缓插入肛门初步观察肿瘤情况。退出探头，向肠腔注入耦合剂100~150 ml，首先观察肠腔充盈情况，以充盈肠管能清晰显示肠壁各层结构及肿瘤图像为标准；肠腔狭窄时等待耦合剂通过狭窄部位充盈肿瘤上段肠管后检查；检查时多方向、多水平切面扫查，以观察到肿瘤全貌为扫查标准，记录肿瘤部位、大小、形态、边界、回声特征、有无囊变；应用彩色多普勒观察病变周边及内部血流信号[8]。
1.4 超声造影检查方法
采用声诺维(SonoVue，Bracco，Italy)造影剂，使用前将5 ml注射用生理盐水注入SonoVue小瓶，用力震荡直至白色冻干粉末完全分散混匀，形成磷脂包裹的SF6微泡混悬液。选择病灶显示的最佳切面，固定探头，切换至实时灰阶谐波超声造影显像模式，造影模式下机械指数定为0.08~0.11，适当调整深度、时间增益补偿和增益，单点聚焦置于图像最深部。抽取配制好的SonoVue悬浮液2.4 ml，通过肘静脉快速团注，随即快推5 ml生理盐水。注射造影剂后同时启动计时器和图像采集功能，实时观察病灶的动态灌注过程，连续观察3 min，然后移动探头观察病变其他切面的增强情况。造影检查结束后，将静态及动态图像以医学数字化图像传输格式导出进行脱机分析。
1.5 图像分析
所有腔内超声及超声造影图像均由两位高年资超声医师进行分析评价，当结果出现分歧时，经讨论取得一致后作为最终的超声及超声造影诊断。依据2017年欧洲超声造影指南(非肝脏类)[9]推荐，回放并分析所有肿瘤的超声造影声像图，观察病灶的增强表现，观察指标包括增强时相和增强模式。
1.5.1 增强时相
灌注时相分为动脉期和静脉期：(1)动脉期：注射造影剂注入起，直至30 s；(2)静脉期：注射造影剂后30~120 s。
1.5.2 增强模式
根据造影剂分布特点分为：(1)均匀增强：病灶内呈较均一的强化；(2)不均匀增强：病灶实性区强化程度不均一，病灶内存在造影剂未灌注区。
根据造影剂充填方向分为：(1)向心性增强：造影剂由肿瘤周边向内部逐渐充填显影；(2)离心性增强：造影剂由肿瘤中央向周边逐渐充填显影；(3)弥漫性增强：造影剂由肿瘤内部多个部位同时开始显影并充填，无明显方向性。观察病灶内是否有粗大、不规则的血管。
1.5.3 时间-强度曲线分析
应用Philips公司的QLAB软件(V 9.2)定量分析软件进行分析，对在病灶内增强明显、位置相对稳定的区域内，选取固定面积约25 mm2正方形感兴趣区(region of interest，ROI)。ROI的放置应避开坏死区及大血管。软件自动生成病灶时间-强度曲线(time-intensity curve, TIC)。根据TIC，分别得到病灶的定量参数，包括上升时间(rise time，RT)、达峰时间(time to peak enhancement，TTP)、峰值强度(peak intensity，PI)、平均渡越时间(mean transit time，MTT)、上升斜率(ascending slope，AS)和曲线下面积(area under the curve，AUC)。
1.6 统计学处理
应用Excel建立数据库，符合正态分布的计量资料采用均数±标准差表示，非正态分布的计量资料以中位数(四分位数)表示，计数资料采用频数(百分数)表示。
2. 结果
2.1 一般临床资料
共12例符合纳入和排除标准的患者入选本研究，其中男性8例，女性4例，中位年龄54.0(50.5, 65.25)岁。患者主要临床表现为大便变细6例(50.0%)，排便困难4例(33.3%)，排尿困难1例(8.3%)，肛门疼痛1例(8.3%)。所有患者均行直肠指检，11例(91.7%)可扪及直肠肿物。极低危患者1例(8.3%)、低危5例(41.7%)、中危0例(0)、高危6例(50%)。
2.2 腔内超声结果
12例患者肿瘤最大直径0.8~11.2 cm，其中2例(16.7%)≤2 cm、5例(41.7%)2.1~5 cm、2例(16.7%)5.1~10 cm、3例(25.0%)＞10 cm；均表现为向肠腔外生长的低回声肿块，肿瘤起源于肌层，直肠黏膜层及黏膜下层均完整，类圆形7例(58.3%)、分叶状5例(41.7%)，边界清晰11例(91.7%)、局部边界欠清1例(8.3%)；内部回声以低回声为主，不均匀11例(91.7%)，5例(41.7%)可见囊变区，11例(91.7%)内部可探及丰富血流信号，无肠周淋巴结转移。
2.3 超声造影结果
12例患者肿瘤TIC参数结果：RT(8.10±4.03)s、TTP(25.54±12.16)s、PI(9.79±4.43)dB、MTT(28.44±9.34)s、AS(1.12±0.59)，AUC(498.76±172.07)。将患者分为极低/低危组和中/高危组两组，不同危险度患者的超声造影参数见表 1。
表 1 12例直肠间质瘤不同危险度患者超声造影参数比较(x±s)组别 RT(s) TTP(s) PI(dB) MTT(s) AS AUC 极低/低危组(n=6) 7.93±4.46 26.69±15.28 7.25±3.71 25.94±10.67 .98±0.46 365.91±137.64 中/高危组(n=6) 9.29±4.04 25.78±8.64 13.28±4.16 30.74±7.26 1.33±0.61 604.09±131.00 RT：上升时间；TTP：达峰时间；PI：峰值强度；MTT：平均渡越时间；AS:上升斜率；AUC:曲线下面积 超声造影增强时相表现为：动脉期不同程度快速显著增强[RT：(8.10±4.03)s]，于动脉期或静脉早期达峰[TTP: (25.54±12.16)s]，随后造影剂逐渐缓慢退出。增强模式表现为：均匀增强6例(50.0%)，不均匀增强6例(50.0%)；弥漫性增强7例(58.3%)，向心性增强5例(41.7%)，未见离心性增强病例。其中5例(41.7%)病灶内可见始终无增强的中心坏死区，7例(58.3%)病灶可清晰显示粗大肿瘤血管。不同危险度患者的超声造影模式见表 2。
表 2 12例直肠间质瘤不同危险度患者超声造影模式特征比较[n(%)]超声造影模式 极低/低危组(n=6)中 中/高危组(n=6) 造影剂分布 均匀 5(83.3) 1(16.7) 不均匀 1(16.7) 5(83.3) 未灌注区 有 0(0) 5(83.3) 无 6(100) 1(16.7) 造影剂填充方式 向心性/离心性增强 0(0) 5(83.3) 弥漫性增强 6(100) 1(16.7) 粗大不规则血管 有 2(33.3) 5(83.3) 无 4(66.7) 1(16.7) 2.4 腔内超声及超声造影与其他检查结果比较
12例患者中，5例(31.2%)行肠镜检查，肠镜下均可见直肠腔不同程度狭窄，直肠黏膜面光滑、完整，无法肠镜下进行活检，无法明确诊断为直肠间质瘤。10例(83.3%)行腹盆腔CT检查，6例(60.0%)考虑为直肠肿物，均考虑为间质瘤；4例(40.0%)考虑为直肠周围或盆腔肿物，其中3例(30.0%)考虑为恶性肿瘤，无法确定是何种类型，建议进一步检查，1例(10.0%)考虑为软组织肿物, CT判断肿物起源的准确率为60%，诊断直肠GIST的准确率为60%。9例(75.0%)行直肠MRI，7例(77.8%)考虑为直肠肿物，其中6例(66.7%)考虑为直肠间质瘤，1例(11.1%)考虑为低度恶性肿瘤；2例(22.2%)考虑为直肠周围或者盆腔肿物，均考虑为软组织肿物，MRI判断肿物起源的准确率为77.8%，诊断直肠GIST的准确率为66.7%(表 3)。
表 3 不同检查对12例直肠间质瘤患者的诊断结果[n(%)]检查 明确肿瘤起源于直肠 诊断间质瘤 是 否 是 否 腔内超声联合超声造影检查(n=12) 12(100) 0(0) 12(100) 0(0) CT(n=10) 6(60.0) 4(40.0) 6(60.0) 4(40.0) MRI(n=9) 7(77.8) 2(22.2) 6(66.7) 3(33.3) 肠镜(n=5) 0(0) 5(100) 0(0) 5(100) 3. 讨论
本研究显示，直肠间质瘤腔内超声表现为向肠腔外生长的类圆形(7例，58.3%)或分叶状(5例，41.7%)低回声肿块，边界多较清晰(11例，91.7%)，内部回声多不均匀(11例，91.7%)，较大者可见囊变区(5例，41.7%)，内部血流信号多较丰富(11例，91.7%)。超声造影增强时相表现为动脉期不同程度快速显著增强[RT: (8.10±4.03)s]，并于动脉期或静脉期达峰[TTP：(25.54±12.16)s]，随后造影剂逐渐缓慢退出。中/高危组5例(83.3%, 5/6)患者造影剂呈不均匀分布、向心性增强，且存在造影剂未灌注区；而极低/低危组仅1例(16.7%，1/6)造影剂呈不均匀分布或存在造影剂未灌注区，且6例(100%)均为弥漫性增强。与CT(40.0%)、MRI(33.3%)、肠镜(0)相比，腔内超声联合超声造影检查(100%)对直肠间质瘤的诊断准确率更高。
直肠间质瘤起源于肌层，直肠黏膜层及黏膜下层清晰、完整，与直肠癌、直肠腺瘤等具有显著区别，直肠癌腔内超声表现为直肠黏膜层回声连续性中断、边界不清、无包膜，可伴有微钙化，病变可侵犯肠壁及其周围组织，肿瘤内部均可探及丰富的血流信号，呈杂乱无章的“火海征”改变；直肠腺瘤声像图表现为病变局限于黏膜层、向腔内突起低回声或高回声结节及肿物，边缘规则，内回声均匀，局部肠壁黏膜下层、肌层、纤维膜完整，病灶内部可探及规则树枝样血流信号，主干自蒂部发出，向瘤内辐射[8, 10-11]，因此腔内超声对直肠间质瘤的诊断及鉴别诊断具有重要价值。
GIST危险度分级是评估疗效、指导治疗和判断预后的重要指标。有关GIST的危险度分级已制定了多种分层方法，其中NIH 2008改良版的危险度分级最为常用，与肿瘤大小、部位、核分裂像及是否存在肿瘤破裂4个因素有关，可较准确地预测肿瘤的侵袭性及患者预后，但需要有创操作取得肿瘤标本进行核分裂像评估[12]。除了手术治疗，分子靶向治疗对GIST具有显著治疗效果，特别是直肠间质瘤，如果肿瘤较大，距离肛门较近，直接手术可能无法保留肛门，术前行新辅助治疗，肿瘤缩小后再行手术治疗可提高保肛率[4-5]。术前靶向治疗，需行超声引导下穿刺活检，明确病理诊断[13]。中/高危GIST生长迅速，肿瘤内部可出现非液化性坏死，如需行治疗前穿刺活检，建议行超声造影下穿刺，准确判断肿瘤活性区域(造影剂灌注区)和坏死区域(造影剂非灌注区)，以对肿瘤活性区域进行精准化穿刺，提高穿刺成功率，降低假阴性率。
本研究中，中/高危组与极低/低危组患者超声造影增强模式存在显著不同。中/高危组造影剂常呈不均匀分布，向心性增强，且存在造影剂未灌注区；而极低/低危组造影剂往往分布均匀，弥漫性增强，不存在造影剂未灌注区，说明超声造影检查对直肠间质瘤的危险度分级具有提示意义。本中心既往研究中发现直肠间质瘤与直肠癌的造影模式显著不同，直肠癌多表现为均匀增强，而直肠间质瘤多为不均匀增强[11]。齐旭等[14]研究显示，直肠癌超声造影模式表现为“快进快出”的高增强模式，与本研究中直肠间质瘤显著不同。
本研究说明超声造影TIC参数对直肠间质瘤的危险度分级及预后亦具有提示意义，今后将进一步扩充研究病例，以期通过无创性腔内超声及超声造影检查在治疗前评估直肠间质瘤血管生成情况及危险度，进而对该病发生发展以及预后提供更多有价值的信息。
直肠间质瘤起源于间叶组织，黏膜层通常光滑，肠镜下常表现为黏膜下隆起，肿物较大可以压迫肠道，导致管腔狭窄。普通肠镜难以鉴别肿瘤是来源于肠壁还是肠外。本组中5例进行肠镜检查的患者仅可见直肠腔不同程度狭窄，无法明确诊断为直肠间质瘤。直肠间质瘤与其他部位GIST相比，因发生在组织相对疏松的盆腔，肿瘤多向肠腔外生长，早期一般无明显症状，当出现排便困难或梗阻时，肿瘤直径已经较大。GIST形成较大肿块时，难以与其他盆腔肿瘤相鉴别，例如软组织肉瘤、神经源性肿瘤以及阔韧带平滑肌瘤等。本研究中1例肿瘤最大直径为10.8 cm的高危患者，因肿瘤呈明显外生性生长，CT无法明确肿瘤是否来源于直肠，仅提示与直肠关系密切，考虑为软组织肿瘤可能性大，而腔内超声检查在实时、动态、多角度观察下，可明确肿瘤起源于直肠肌层，结合超声造影特征等，诊断为直肠间质瘤(图 1)。当肿瘤直径较小时，由于CT和MRI检查受扫描层厚限制，通常仅能在2~3个层面显示肿瘤，或仅显示为肠壁增厚，无法完整展现肿瘤全貌，因此无法明确诊断。本研究中1例患者MRI检查提示肿瘤最大直径0.6 cm，由于肿瘤只能在两个层面显示，因此MRI诊断仅能提示为低度恶性肿瘤，并建议行腔内超声检查(图 2)。此外，本研究腔内超声采用耦合剂充盈法，与传统腔内超声检查相比，在充分充盈直肠的前提下，不挤压肿瘤，既可清晰显示直肠壁各层结构和直肠肿瘤，更有利于判断肿瘤与肠壁各层的关系[7]。
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图 1 男性，66岁，直肠间质瘤高危患者，排便困难3个月，腔内超声显示肿瘤位于肌层，最大直径10.8 cm，向腔内外生长，分叶状低回声肿物，边界清晰，回声不均匀(A)，CDFI可见丰富血流信号(B)，超声造影表现为弥漫性不均匀增强，可见粗大肿瘤血管(C，白色箭头)及造影剂未灌注区(C，黄色箭头)，明确诊断为直肠间质瘤；增强CT仅提示盆腔低密度肿物(D，蓝色箭头)，与直肠左后壁分解不清，与盆底筋膜关系密切，不均匀轻度强化，考虑为软组织肿瘤![]()
图 2 男性，55岁，直肠间质瘤极低危患者，排便不适感1个月，腔内超声显示肿瘤位于肌层，最大直径0.6 cm，类圆形低回声肿物，边界清晰，回声不均匀(A，白色箭头)，CDFI可见较丰富血流信号(B)，明确诊断为直肠间质瘤；T1WI显示肿瘤位于直肠左侧壁(C，黄色箭头)，T2WI肿瘤位于直肠左侧壁(D，蓝色箭头)，MRI仅提示为低度恶性肿瘤本研究尚存在以下局限性：(1)病例较少，无法进行组间统计学比较，临床外推价值受限；(2)缺少中危组病例腔内超声及超声造影表现；(3)本研究为回顾性研究，并非全部患者均行CT、MRI及肠镜检查，腔内超声与其他检查的诊断价值比较有待更进一步的前瞻性研究。
综上所述，耦合剂充盈法腔内超声联合超声造影检查在直肠间质瘤的诊断中具有一定优势，其价值有待进一步深入研究。
利益冲突 无 -
表 1 腹主动脉瘤腔内修补术后动脉瘤体积的变化[M(P25, P75), cm3]
分组 术后3个月 术后12个月 Z值 P值 体积增大组(n=29) 114.6(88.7，226.2) 123.4(91.8，241.5) -4.703 ＜0.01 体积未增大组(n=41) 127.0(97.4，196.9) 114.2(78.7，183.5) -5.417 ＜0.01 
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表 2 3种灰度矩阵纹理分析技术对腹主动脉瘤腔内修补术后动脉瘤体积变化的诊断效能
纹理分析技术 曲线下面积 准确度 灵敏度 特异度 GLCM 0.892 0.859 0.862 0.854 GLDM 0.800 0.788 0.862 0.683 GLRLM 0.888 0.859 0.828 0.902 GLCM：灰度共生矩阵；GLRLM：灰度游程矩阵；GLDM：灰度差分矩阵
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