The Value of Spectral CT Quantitative Analysis in the Differential Diagnosis of Lung Squamous Cell Carcinoma and Adenocarcinoma
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摘要:
目的：探讨能谱CT多参数定量分析在肺鳞癌与腺癌中的鉴别价值。方法：搜集我院经病理证实并行能谱CT扫描的肺癌患者75例，其中鳞癌40例、腺癌35例。测量并比较两组病例的动脉期及静脉期的能谱参数。结果：动脉期及静脉期腺癌的能谱曲线（λ40～65keV）、有效原子序数、碘（水）浓度、标准化碘浓度均大于鳞癌，差异有统计学意义，动脉期两组的水（碘）浓度差异无统计学意义，静脉期腺癌的水（碘）浓度小于鳞癌，差异有统计学意义。ROC曲线分析结果显示静脉期能谱曲线（λ40～65keV）对鳞癌和腺癌的鉴别价值较大，AUC=0.839，敏感度为88.6％，特异度为72.5％。结论：肺腺癌和鳞癌具有不同的能谱CT参数，鉴别两者具有一定的价值，为术前诊断提供了一种新的方法。
Abstract:Objective: To investigate the value of energy spectrum CT multi-parameter quantitative analysis in the differential diagnosis of lung squamous cell carcinoma and adenocarcinoma. Methods: Seventy-five patients with lung cancer who were confirmed by pathology and underwent energy spectrum CT scanning were collected, including 40 cases of squamous cell carcinoma and 35 cases of adenocarcinoma. We measured and compared the energy spectrum parameters of arterial phase and venous phase between the two groups. Results: The spectrum curve of adenocarcinoma (λ40～65 keV) in arterial and venous phase, effective atomic number, concentration of iodine (water) and standardized iodine concentration were greater than that of squamous carcinoma, the difference was statistically significant, the difference of water (iodine) concentration between the two groups of arterial phase held no statistical significance, the water (iodine) concentration of adenocarcinoma was lower than that of squamous cell carcinomas, the difference was statistically significant. The results of ROC curve analysis showed that the energy spectrum (λ40～65 keV) in the venous phase was of great value in the differentiation of squamous cell carcinoma and adenocarcinoma, with the AUC of 0.839, the sensitivity of 88.6% and the specificity of 72.5%. Conclusion: Adenocarcinoma and squamous cell carcinoma of lung show different energy spectrum CT parameters. It holds certain value to distinguish them, which can provide a new method for preoperative diagnosis.
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Keywords:
- energy spectrum CT /
- lung cancer /
- energy spectrum curve
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肺癌是发病率和死亡率增长最快、对人群健康和生命威胁最大的恶性肿瘤之一[1]。肺腺癌和鳞癌是肺癌中最常见的病理类型，而两者在预后和复发率方面有着显著差异，临床上治疗方案也不一样[2]。因此，肺腺癌与鳞癌的准确区分在肺癌的诊断中是十分重要的[3]。
普通CT仅能在形态学、CT值等方面来描述肺占位性病变，但在鉴别肺癌病理类型方面存在很大局限性[4]。近年来，宝石能谱CT进入临床应用，它是一种新型CT成像技术，能谱CT利用其瞬时变能高压发生器和宝石探测器实现X射线束快速切换，重建出单能量图像，获得稳定的CT值，其独特的自适应迭代重建技术能够在较低剂量扫描时重建出高质量图像用于临床诊断[5]。目前，能谱CT在肿瘤的诊断、鉴别诊断和疗效评估中得到了广泛的应用。
本研究搜集75例肺癌患者，通过对鳞癌与腺癌的能谱CT定量相关参数的对比分析，探讨能谱CT在鳞癌与腺癌鉴别诊断中的应用价值。
1. 资料与方法
1.1 一般资料
搜集我院2019年5月至2020年12月间行能谱CT增强扫描并经病理确诊的肺癌患者75例，包括鳞癌40例、腺癌35例。纳入标准为：①患者均为初诊，扫描前没有进行放化疗、靶向治疗等肿瘤治疗，未行穿刺活检；②不合并其他肿瘤；③图像无大量胸腔积液、伪影等干扰，符合观察和测量；④CT检查时间与病理结果时间间隔不超过14天。
本组患者中，男54例、女21例；年龄47～86岁，平均（66.19±9.75）岁，16例手术病理证实，26例行支气管镜证实，33例经穿刺活检证实。
1.2 方法
扫描设备为GE 256排Revolution CT，采用能谱成像模式（gemstone spectral imaging，GSI）行胸部动脉、静脉双期增强扫描。
扫描参数：管电压为高（140 kVp）低（80 kVp）能量瞬时切换，自动毫安调制，层厚5.0 mm，层间距5.0 mm，矩阵512×512。扫描范围胸廓入口至肋膈角水平。增强扫描经肘静脉高压注射碘海醇（300 mg/mL），剂量75 mL，注射流率3.0 mL/s。
1.3 图像后处理及数据分析
扫描完成后将动脉期及静脉期的data数据上传至GE AW 4.7工作站，由两名主治医师盲法进行图像后处理及数据测量。同时选定动脉期及静脉期data数据，进入GSI viewer界面，选取纵隔窗病灶横断面最大层面手动勾画感兴趣区（region of interest，ROI），当病灶密度均匀时，ROI大小为病灶面积的1/2～2/3，当密度不均时，选择实性成份最多的区域进行测量，ROI>25 mm2，避开血管、坏死、空洞及肺不张等。在分析工具栏切换得到动脉期有效原子序数图、物质分离图和单能量图像，并测量有效原子序数（effective atomic number，Eff-Z）数据、水（碘）浓度和碘（水）浓度（mg/cm3）数据、40 keV及65 keV的CT值，并生成有效原子序数直方图、碘水散点图、能谱曲线。
切换工具栏到静脉期，原ROI位置大小不变，测量静脉期相应数值以及生成相应图像。数据结果取平均值。数据分析：①计算能谱曲线斜率，计算公式为：（λ40～65keV）=（CT值40keV - CT值65keV）/25；②计算动脉期、静脉期标准化碘含量（standardized iodine content，NIC），NIC=原发灶碘（水）浓度值／同层面胸主动脉（或者同层锁骨下动脉）碘浓度值。
1.4 统计学分析
采用SPSS 20.0软件进行统计分析。正态分布资料用
$ \bar x \pm s $ 表示，采用两独立样本t检验，非正态分布资料以M±Q进行描述，采用非参数检验。对有统计学意义的参数绘制受试者特征曲线（receiver operator characteristic curve，ROC curve），分析这些参数鉴别肺鳞癌和腺癌的敏感度、特异度、曲线下面积（area under the curve，AUC）, 取P=0.05。2. 结果
2.1 能谱参数的比较
动脉期及静脉期腺癌的能谱曲线（λ40～65keV）、Eff-Z、碘（水）浓度、NIC均大于鳞癌，差异有统计学意义，动脉期两组的水（碘）浓度差异无统计学意义，静脉期腺癌的水（碘）浓度小于鳞癌，差异有统计学意义（图1、图2和表1、表2）。
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图 1 男，58岁，右肺下叶中分化鳞癌Figure 1. A 58-year-old man with medially differentiated squamous cell carcinoma in the lower lobe of the right lung![]()
图 2 男，66岁，右肺上叶浸润性腺癌Figure 2. A 66-year-old man with infiltrating adenocarcinoma in the right upper lobe表 1 动脉期鳞癌和腺癌能谱CT参数的比较Table 1. Comparison of energy spectrum CT parameters between arterial squamous cell carcinoma and adenocarcinoma病理类型 例数 λ40～65keV Eff-Z 水（碘）浓度
/（mg/cm3）碘（水）
/浓度（mg/cm3）NIC 鳞癌 40 2.53±0.85 8.33±0.24 1031.60±9.32 12.30±4.10 0.17±0.05 腺癌 35 3.55±1.17 8.61±0.32 1027.74±12.08 17.28±5.62 0.22±0.07 t -4.348 −4.259 1.559 −4.418 −3.882 P 0.000 0.000 0.123 0.000 0.000 表 2 静脉期鳞癌和腺癌能谱CT参数的比较Table 2. Comparison of energy spectrum CT parameters between venous squamous cell carcinoma and adenocarcinoma病理类型 例数 λ40～65keV Eff-Z 水（碘）浓度
/（mg/cm3）碘（水）浓度
/（mg/cm3）NIC 鳞癌 40 2.75±1.01 8.43±0.26 1035.66±13.97 13.67±4.88 0.33±0.10 腺癌 35 4.05±0.90 8.74±0.23 1031.70±22.52 19.56±4.36 0.44±0.11 t 或 Z −5.841 −5.397 −2.230 −5.476 −4.832 P 0.000 0.000 0.026 0.000 0.000 注：静脉期水（碘）浓度、NIC 为非正态分布，以 M±Q 表示，采用非参数检验。 2.2 诊断效能的比较
上述有统计学意义的参数行ROC曲线分析显示，两组的Eff-Z、碘浓度、能谱曲线（λ40～65keV）的差异比较大，尤以静脉期明显，其中静脉期能谱曲线（λ40～65keV）曲线下面积最大，AUC=0.839，鉴别腺癌和鳞癌的敏感度为88.6％，特异度为72.5％（表3和表4）。
表 3 鳞癌和腺癌动脉期能谱CT参数的ROC曲线分析Table 3. ROC curve analysis of energy spectrum CT parameters in the arterial phase between squamous cell carcinoma and adenocarcinoma能谱 CT 定量参数 最佳阈值 敏感度/％ 特异度/％ AUC 约登指数 λ40～65keV 3.321 0.629 0.850 0.818 0.554 Eff-Z 8.575 0.600 0.875 0.789 0.500 碘（水）浓度/（mg/cm3） 16.150 0.629 0.850 0.819 0.579 NIC 0.170 0.771 0.775 0.819 0.546 表 4 鳞癌和腺癌静脉期能谱 CT 参数的ROC曲线分析Table 4. ROC curve analysis of energy spectrum CT parameters in the venous phase between squamous cell carcinoma and adenocarcinoma能谱 CT 定量参数 最佳阈值 敏感度/％ 特异度/％ AUC 约登指数 λ40～65keV 3.104 0.886 0.725 0.839 0.611 Eff-Z 8.445 0.914 0.600 0.819 0.514 水（碘）浓度/（mg/cm3） 1020.790 0.925 0.371 0.350 0.296 碘（水）浓度/（mg/cm3） 13.995 0.943 0.600 0.821 0.543 NIC 0.388 0.771 0.800 0.825 0.571 3. 讨论
常规CT检查可以描述肺部肿块的形态学征象、强化特点，对肺癌作出初步诊断，但在肺鳞癌和腺癌的影像鉴别诊断方面没有一致性的评价标准。而能谱成像作为CT的一项新技术，提供了多种新的图像模式，能够实现多参数定量成像，包括有效原子序数、能谱曲线、基物质分离和定量等多种能谱参数[6]，在疾病诊断和鉴别诊断中更具有优势和帮助[7-8]。
能谱CT可将人体内物质分离成任意两种物质组合的图像[9]，物质分离能获得配对的两组基物质密度图，能谱CT最基础、最常用的基物质对是碘-水组合，碘基图像能够反映病灶内碘浓度的含量，从而间接反映病灶的血供情况[10]。以往研究多应用能谱CT平扫或者动脉期来评价肿瘤[2-3,9]，而本研究进行了能谱CT动静脉双期扫描，充分利用了能谱CT能进行物质分离的特性，能更好的反映肿瘤的血供。同时选取NIC对病灶的碘含量进行校正，降低了个体化差异等的干扰，提高了结果的准确性。
本研究发现腺癌动脉期及静脉期碘（水）浓度、NIC均高于鳞癌，差异有统计学意义，与黄倩文等[11]的研究相符，与任占丽等[12]的研究结果不相符。从两者组织病理学特征分析，肺腺癌的血管较鳞癌丰富，且腺癌的增生型血管成熟度高于鳞癌，血供更为丰富，因此增强后的碘含量腺癌高于鳞癌[13]，本研究结果与理论是相符合的。静脉期两组的碘浓度差别更大，AUC面积也更大，所以静脉期的碘（水）浓度、NIC对鉴别肺鳞癌与腺癌更有价值，分析原因可能是动脉期对比剂没有充分进入病灶，病灶内动脉期碘浓度没有静脉期高，两者动脉期碘浓度的差异性没有静脉期高。
此外，水（碘）基图上测量的水（碘）浓度可反映细胞内、外组织中的水分含量[14]。本研究发现在静脉期腺癌的水（碘）浓度低于鳞癌，可能是鳞癌多结构致密，单位体积内肿瘤细胞较多，从而导致含水量更高[3]。
以往研究多将能谱曲线（λ40～65keV）作为定量分析指标[9,11]，而本研究选择能谱曲线（λ40～65keV）作为定量分析的指标，因有学者发现肺癌能谱曲线在低能量段40～65 keV单能量CT值差别较大、斜率变化较大，这与X线能量越低，吸收系数越大，X线衰减量越多有关[3]。能谱曲线反映了物质在不同keV下其CT值的特征性变化规律[15]，能谱曲线斜率是一种相对准确的定量参数[14]。
本研究结果显示动脉期及静脉期腺癌能谱曲线（λ40～65keV）均高于鳞癌，差异有统计学意义，静脉期能谱曲线（λ40～65keV）鉴别肺腺癌与鳞癌的灵敏度和特异度分别为88.6％ 和72.5％，且曲线下面积0.839，其诊断效能最大，与胡蓉等[16]的报道一致。戴钢等[2]研究发现，平扫肺鳞癌的能谱曲线形态多为平直型，而腺癌的能谱曲线形态为下降型，可见肺鳞癌能谱曲线没有腺癌的陡直。这可能与肺鳞癌和腺癌的物质组成、生长方式不同有关，肺腺癌多呈腺样分化，以伏壁生长为主，易形成丰富的筛孔状毛细血管；肺鳞癌以癌细胞堆积生长为主，常形成癌巢及角化珠，易形成实质性为主的肿块，体积一般较大[17]，从而导致不同keV下鳞癌的CT值的差别变化没有腺癌明显。
平均有效原子序数是与某化合物或混合物的质量衰减系数相同的元素的原子序数，有效原子序数能更精准地描述物质的能量性质[18]。本研究中腺癌、鳞癌的Eff-Z存在显著差异，腺癌组高于鳞癌组，由于两组原子序数存在差异，说明两者的化学构成及密度不同[19]。
本研究存在一定的局限性：①由于患者在门诊时已完成平扫，住院后仅行能谱增强扫描，缺少能谱平扫的数据对比；②样本量较小，需要大样本的补充；③没有小细胞肺癌、大细胞肺癌等不同病理类型的比较。这些不足将在今后改进，以进一步提高能谱CT参数在肺癌诊断及鉴别诊断中的准确性及应用价值。
综上所述，本文通过对能谱CT在鉴别肺腺癌与鳞癌中的研究，发现两者的能谱曲线斜率、有效原子序数、碘（水）浓度、标准化碘浓度等能谱参数差异均具有统计学意义，尤其以静脉期能谱曲线斜率对腺癌和鳞癌的鉴别价值较大，提示能谱CT能够作为鉴别肺腺癌与鳞癌的一种有效辅助手段，对其临床治疗及预后能起到一定的指导意义。
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图 1 男，58岁，右肺下叶中分化鳞癌
Figure 1. A 58-year-old man with medially differentiated squamous cell carcinoma in the lower lobe of the right lung
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图 2 男，66岁，右肺上叶浸润性腺癌
Figure 2. A 66-year-old man with infiltrating adenocarcinoma in the right upper lobe
表 1 动脉期鳞癌和腺癌能谱CT参数的比较
Table 1 Comparison of energy spectrum CT parameters between arterial squamous cell carcinoma and adenocarcinoma
病理类型 例数 λ40～65keV Eff-Z 水（碘）浓度
/（mg/cm3）碘（水）
/浓度（mg/cm3）NIC 鳞癌 40 2.53±0.85 8.33±0.24 1031.60±9.32 12.30±4.10 0.17±0.05 腺癌 35 3.55±1.17 8.61±0.32 1027.74±12.08 17.28±5.62 0.22±0.07 t -4.348 −4.259 1.559 −4.418 −3.882 P 0.000 0.000 0.123 0.000 0.000 
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表 2 静脉期鳞癌和腺癌能谱CT参数的比较
Table 2 Comparison of energy spectrum CT parameters between venous squamous cell carcinoma and adenocarcinoma
病理类型 例数 λ40～65keV Eff-Z 水（碘）浓度
/（mg/cm3）碘（水）浓度
/（mg/cm3）NIC 鳞癌 40 2.75±1.01 8.43±0.26 1035.66±13.97 13.67±4.88 0.33±0.10 腺癌 35 4.05±0.90 8.74±0.23 1031.70±22.52 19.56±4.36 0.44±0.11 t 或 Z −5.841 −5.397 −2.230 −5.476 −4.832 P 0.000 0.000 0.026 0.000 0.000 注：静脉期水（碘）浓度、NIC 为非正态分布，以 M±Q 表示，采用非参数检验。
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表 3 鳞癌和腺癌动脉期能谱CT参数的ROC曲线分析
Table 3 ROC curve analysis of energy spectrum CT parameters in the arterial phase between squamous cell carcinoma and adenocarcinoma
能谱 CT 定量参数 最佳阈值 敏感度/％ 特异度/％ AUC 约登指数 λ40～65keV 3.321 0.629 0.850 0.818 0.554 Eff-Z 8.575 0.600 0.875 0.789 0.500 碘（水）浓度/（mg/cm3） 16.150 0.629 0.850 0.819 0.579 NIC 0.170 0.771 0.775 0.819 0.546
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表 4 鳞癌和腺癌静脉期能谱 CT 参数的ROC曲线分析
Table 4 ROC curve analysis of energy spectrum CT parameters in the venous phase between squamous cell carcinoma and adenocarcinoma
能谱 CT 定量参数 最佳阈值 敏感度/％ 特异度/％ AUC 约登指数 λ40～65keV 3.104 0.886 0.725 0.839 0.611 Eff-Z 8.445 0.914 0.600 0.819 0.514 水（碘）浓度/（mg/cm3） 1020.790 0.925 0.371 0.350 0.296 碘（水）浓度/（mg/cm3） 13.995 0.943 0.600 0.821 0.543 NIC 0.388 0.771 0.800 0.825 0.571
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