图像增强技术在结直肠肿瘤诊断中的应用

摘要

结直肠癌(colorectal cancer, CRC)是临床最为常见的恶性肿瘤, 我国CRC的发病率与死亡率均位居世界前列. 早期诊断CRC对于改善患者预后具有重要意义. 图像增强技术(image enhancement endoscope, IEE)已应用于结肠镜中, 现有的技术包括窄带成像内镜、智能电子分光技术、i-Scan及新近出现的蓝激光成像内镜系统. 上述技术通过图像前处理或后处理方法, 增加病变组织与周边黏膜的颜色对比, 从而提高病变的检出率. 基于病变的表面结构及微血管形态目前建立了多个结直肠肿瘤分型系统, IEE可以更加清晰的显示病变微血管形态, 因此可以更加准确的判断病变性质及浸润深度, 指导进一步的治疗.

关键词: 图像增强技术; 结直肠肿瘤; 诊断

核心提要: 现有的内镜图像增强技术包括窄带成像、智能电子分光技术、i-Scan及蓝激光成像内镜系统. 上述技术较传统的白光及色素内镜, 在提高结直肠肿瘤检出率、显示病变微血管形态以及判断病变性质与浸润深度方面具有优势.

Application of image-enhanced endoscopy in diagnosis of colorectal cancer

Li Wang, Xiang-Chun Lin

Li Wang, Xiang-Chun Lin, Department of Gastroenterology, Peking University International Hospital, Beijing 102206, China

Correspondence to: Xiang-Chun Lin, Associate Professor, Chief Physition, Department of Gastroenterology, Peking University International Hospital, 1 Life Park Road, Life Science Park, Zhongguancun, Changping District, Beijing 102206, China. linxiangchun@pkuih.edu.cn

Received: October 19, 2017
Revised: November 9, 2017
Accepted: November 18, 2017
Published online: January 18, 2018

Abstract

Colorectal cancer (CRC) is one of the most common malignancies, and in China the incidence and mortality of CRC are among the top in the world. Early diagnosis of CRC can improve the prognosis significantly. Image enhancement techniques have already been applied to endoscopy, including narrow band imaging, flexible spectral imaging, i-Scan, and blue laser imaging endoscopy system. These techniques, combined with image pre-processing or post-processing method, might improve the detection of lesions by enhancing the color contrast between lesions and their surrounding mucosa. Nowadays, several classification systems for colorectal tumors have been established based on the surface pattern and microvascular morphology of lesions. Image enhancement technology might display the microvascular structures more clearly and determine the malignancy and infiltrating depth of lesions more accurately.

Key Words: Image-enhanced endoscopy; Colorectal tumor; Diagnosis

0 引言

结直肠癌(colorectal cancer, CRC)是临床最为常见的恶性肿瘤之一, 我国每年CRC新发病例超过25万, 死亡病例约14万, 发病率和死亡率均位居世界前列. CRC的预后与病变分期密切相关, 大部分早期CRC预后良好, 5年生存率超过90%. 然而, 发生远处转移的CRC患者, 5年生存率仅为12%[1]. 因此, 早期诊断CRC对于改善患者的预后具有重大意义. 目前我国早期CRC诊断率仍落后于日本及欧美国家[1], 因此, 广泛开展CRC筛查工作、规范内镜检查操作、普及染色内镜及高清内镜检测技术, 在提高我国早期CRC诊断率方面具有重要的意义. 由于结肠结构的复杂性, 白光内镜对于检出结直肠病变存在一定的局限, 一项系统回顾[2]表明, 白光内镜对于结直肠腺瘤的漏诊率可达22%(95%CI: 19-26). 同时, 对于病变的性质以及肿瘤浸润深度的判断依赖于染色内镜检查, 必要时需要放大色素内镜, 检查耗时费力、推广困难. 因此, 迫切需要一种能够清晰显示及鉴别病变、同时操作便捷的内镜技术[3].

1 图像增强技术简介

图像增强技术(image enhancement endoscope, IEE)是通过特定的光或图像处理方法, 增强病变表面结构、滤去不必要信息的一种技术, 可使图像的色彩对比更强、结构更加清晰, 从而提高诊断的准确性. 第一代用于内镜的IEE包括窄带成像内镜(narrow band imaging, NBI)、智能电子分光技术(flexible spectral imaging, FICE)和高清智能电子染色内镜(i-Scan)3大种类, 随后又研发出了蓝激光成像内镜系统(blue lacer imaging endoscopy system, BLI).

NBI在1999年研发成功, 并由奥林巴斯公司上市, 是最早用于临床的IEE, 是基于不同波长光线对组织的穿透力不同而研制的, 通过滤镜将白光转化为415 nm和540 nm的窄带光, 415 nm蓝光和540 nm绿光可以被血红蛋白吸收, 使黏膜下血管更清晰地显示出来. 目前NBI技术已在临床广泛应用, 同放大技术同时使用进一步提高了诊断的准确度.

FICE和BLI都是富士公司采用的技术. FICE在2009年上市, 其原理是通过电子分光技术, 将采集到的反射光线中不同波长的成分进行分析, 通过调整不同的参数, 将上述纯化的光线进行重组, 从而得到自400-600 nm多种波长组合的图像. FICE内镜的操作相对简易、不同参数切换迅捷, 有利于临床的广泛开展. BLI是2013年研制成功的新一代技术, 他直接以激光作为光源, 包括白色激光与蓝激光, 可以实现白光观察及窄波段光观察, 分别称为白光模式和BLI模式. BLI还具有高对比模式(BLI-contrast)和高亮模式(BLI-bright), 其清晰度和亮度均优于以往的成像技术, 可以清楚的显示黏膜表面形态和微血管结构. 由于BLI-light提高了画面的亮度, 有利于在胃等相对大的空间的观察. 在此基础上, 蓝激光系统将BLI-Bright模式进行图像处理形成联动成像技术(linked-color imaging, LCI).

i-Scan技术为Pentax公司所采用, 是一种能够根据不同解剖部位及不同病变灵活选择的动态成像模式的电子染色技术. i-Scan技术并不是通过滤过或遮挡的方法, 而是将反射的光线进行后处理分析及调整, 因此图像更加明亮, 同时可以灵活设定多种模式, 更适合大范围筛查病变使用. i-Scan提供了3种模式: 即表面增强、对比增强和色调增强, 表面增强模式是通过分析图像的亮度信息并将其对比增加, 强调黏膜的明暗对比、有利于观察黏膜的起伏变化; 对比增强模式是通过向较暗的像素区域补加蓝光, 从而凸显出病灶的轮廓; 而色调增强模式通过对不同波长光的后处理滤过, 同时突出显示表面结构和微血管结构[4]. 此外, 每一种模式下均有数级增益模式可选, 通过灵活选择上述参数, 可以得到丰富的病变细节信息.

2 IEE在结直肠病变发现中的作用

IEE通过增加病变区域与正常黏膜的颜色、结构对比, 在提高病变的检出率方面较传统白光内镜具有优势. 早期的研究认为, NBI在检出结肠病变及判断病变性质方面优于白光内镜、对于鉴别病变良恶性方面与放大染色内镜效果相当[5]. 同时NBI具有简便、易掌握的特点, 即使是未使用过NBI的低年资医师, 经过培训后应用Sano NBI分型系统判断病变性质的准确率与高年资医师相当[6]. 然而近年来有Meta分析[7]表明, NBI在检出息肉及腺瘤方面并不优于高分辨白光内镜, 但检出率依然高于普通分辨率的白光内镜. 如果将退镜时间考虑在内, 校正后高分辨白光内镜对于息肉的检出率反而优于NBI模式, 这可能与目前使用的白光内镜分辨率不断提高有关[8]. 高清290系列的出现使得结肠病变的检出有了进一步提高, 一项多中心随机对照研究[9]比较了标清白光内镜、标清NBI、广角白光内镜及广角NBI在检出结肠息肉方面的差异, 结果表明NBI可以显著提高每例患者息肉的检出数量, 尤其在检出SSA/P方面具有优势. 对于炎症背景较重如IBD的患者, 以往对于平坦型病变由于发现困难, 指南推荐节段性多点活检33-50块, 但此方法临床应用存在困难. 使用IEE可以提高异型增生的检出率, 对于特定病变可以采取内镜下治疗, 避免全结肠切除[10]. 一项前瞻性随机对照研究[11]比较了色素内镜和NBI在溃疡性结肠炎患者中对于异型增生的检出情况, 结果表明虽然两组的检出率差异无显著性, 但NBI组可以显著缩短检查时间. i-Scan由于成像明亮, 很早就有报道认为可以增加息肉的检出, 尤其在扁平病变中显出优势, 但也有报道认为并不增加病变的检出, 可能与研究设计有关[12]. BLI是近年新型的IEE, 是目前研究的热点, Yoshida等[13]采集了66例患者101枚息肉的图像, 并同时留取上述病变白光模式、BLI-bright模式和LCI模式下的录像, 将上述图录像随机排序后由不同医师评价息肉的可见度, 并进行评分, 结果表明所有医师对LCI模式下息肉的可见度评分均显著高于白光模式; 当病变位于右半结肠、直径<10 mm、病理为SSA/P、肠道准备不佳时, BLI-bright模式较白光模式并无显著优势, 但是LCI模式在上述条件下仍能够清晰的发现息肉. 而对于扁平息肉及伴有癌变的息肉, BLI-bright模式的检出率显著高于白光模式[14]. 国内亦有相关的研究, 在不同病变成像明度方面进行了分析总结, 进一步的研究正在进行中, 旨在得到不同疾病诊断的定量化数据[15]. 期待针对新型NBI以及BLI在结直肠病变诊断方面的大样本的研究.

3 IEE在病变性质及浸润深度的判定中的作用

世界卫生组织分型将结直肠上皮性病变分为肿瘤性和非肿瘤性两大类, 其中肿瘤性病变包括腺瘤性息肉及CRC, 非肿瘤性病变包括增生性、炎症性、错构瘤性等等. 目前认为肿瘤性病变需要进一步治疗, 而非肿瘤性病变可以随访. 根据CRC的内镜治疗共识意见, 早期CRC定义为局限于黏膜层及黏膜下层的病变, 包括黏膜内癌和黏膜下癌(sm), 根据黏膜下层侵犯的深度进一步分为sm1、sm2及sm3, 不超sm1层的病变(黏膜下层1000 μm以内)极少出现淋巴结转移, 为内镜下治疗的适应证[1], 在结肠镜下实时判断是否为肿瘤性病变、肿瘤的良恶性以及恶性肿瘤的浸润深度具有重要意义.

以往在结肠镜下对于病变性质及浸润深度的判断主要依赖于病变的内镜下形态以及表面隐窝结构的判断. 如果病变>2 cm、明显的隆起或凹陷、紧满感、明显的发红等提示病变具有黏膜下层深部浸润的可能性. 随着放大内镜的出现, Kudo等[3]在1994年提出pit pattern分型并在2001年由Kudo和Tsuruta进一步修订. pit-pattern分型将结肠病变表面隐窝结构分为Ⅰ-Ⅴ型, Ⅰ型为规则的圆形, Ⅱ型为星芒状, Ⅲ_S为小于正常的棒状及点状, Ⅲ_L型为大于正常的棒状及点状, Ⅳ型为树枝状或脑回状, Ⅴ_i为不规则形态, Ⅴ_n为无结构表面[16]. Ⅰ、Ⅱ型对应于增生性息肉等非肿瘤性病变, Ⅲ-Ⅴ型对应于肿瘤性病变, 其中Ⅲ_L、Ⅳ有对应腺瘤性病变, Ⅲ_S、Ⅴ型对应于结肠癌. 其中Ⅴ_i高度不整及Ⅴ_n型对应于Sm深部浸润癌, 不适宜内镜下治疗. Pit-pattern Ⅲ-Ⅴ型对于肿瘤性病变诊断的敏感度可达86.8%, 特异度99.2%, 同时目前Ⅴ型表面结构判断恶性病变及有否深部浸润依然是最经典的方法, 其敏感性为89.7%, 特异性为88.0%[17]. 但是pit-pattern分型需要染色和放大观察, 耗时较多, 同时在日本以外放大内镜尚未普及的地区应用受限.

IEE技术的出现使得表面血管的观察成为可能, 因此学者们相继提出了一系列基于血管形态的分型系统. 最早由Sano提出了CP(capillary pattern)分型, 并提出了蜂巢样血管的概念[18], 将病变分为Ⅰ、Ⅱ、ⅢA和ⅢB 4型, 其中Ⅰ型血管结构几乎不可见, 提示正常黏膜或增生性息肉, Ⅱ型可见蜂巢样血管环绕腺体, 提示腺瘤, ⅢA型可见血管密度增加、结构紊乱, 提示黏膜内癌及黏膜下浅层浸润癌, ⅢB型可见无血管区及粗大血管的出现, 提示黏膜下层深处浸润癌. Ⅰ型可观察, Ⅱ-ⅢA型为内镜下治疗的适应证, ⅢB需要外科治疗, 简洁易用, 同时紧密结合内镜治疗的指征. CP分型对于鉴别病变是否黏膜下层深处浸润的敏感性、特异性分别达84.8%和88.7%[19]. 但是CP分型亦需要放大操作, 同时未考虑表面结构. 随后又相继提出了广岛分型、慈惠分型等, 综合考虑了血管形态与腺管结构, 但是仍需要放大内镜的观察, 同时分型系统较复杂, 因此应用仍然受限. 2012年, 由不同国家的6位专家共同提出了基于NBI的新型分型系统, 即NICE分型(NBI International Colorectal Endoscopic Classification)[20]. NICE分型基于病变的颜色、表面结构及血管形态综合进行判断, 分为1-3型, 分别代表增生性息肉、腺瘤/表浅癌、深部浸润癌. 对于结肠小息肉(<5 mm的息肉)的诊断, 其敏感性可达98%, 准确性89%, 阴性预测值95%. 对于远端结肠的息肉, NICE分型诊断预测其病理类型的准确率为97.7%, 对腺瘤的诊断其敏感性为93.9%, 特异性98.4%[21]. NICE分型无需放大操作, 因此低年资的内镜医师亦能够迅速掌握. 由于其简便实用, NICE分型很快得到了广泛的应用.

由于结直肠病变的分型系统众多, 病变的描述未能统一, 同时现存的分型系统未将病变表面结构考虑在内、亦未考虑隆起型病变与平坦型病变在NBI放大下的差异, 需要一种能够将病变颜色、表面结构及血管形态综合考虑的分型系统. 因此, 日本于2016年提出了JNET(Japan Expert Team)分型[22], 综合了上述分型的优点. JNET分型分为1、2A、2B和3型, 分别对应增生型息肉或SSA/P、低级别上皮内瘤变、高级别上皮内瘤变或黏膜下浅层侵犯的早癌、黏膜下深层浸润的癌. JNET分型稍显复杂, 但其对于病变性质及浸润深度的判定均可靠. NBI模式下采用JNET分型对于病变性质判定的敏感度及特异度在增生性息肉及SSA/P为87.5%及99.9%, 低级别上皮内瘤变为74.3%及92.7%, 高级别上皮内瘤变及浅层浸润癌为61.9%及82.8%, 深层浸润癌为55.4%及99.8%[23]. 亦有研究[24]针对2B型进行进一步的分类, 旨在提高对于黏膜下深层浸润判断的准确度. 目前在内镜医师中正在迅速推广. 但是现有相关的研究均使用NBI技术, 尚缺乏JNET分型在BLI、i-Scan技术中应用情况的研究.

在鉴别病变性质方面, IEE对于血管结构的特殊强调使之较白光内镜存在巨大的优势. 一项研究观察了99例患者经结肠镜检出的200枚息肉, 所有息肉均经电切或活检(镜下诊断恶性无法电切时)获得病理, 统计结果表明, 使用pit-pattern分型法, NBI+放大在鉴别肿瘤性病变的敏感性为91.7%(55/60), 特异性为90%(36/40). 如结合观察血管形态, NBI+放大诊断肿瘤性息肉的准确率为93.7%(59/63), 非肿瘤性息肉为89.2%(33/37). 相比之下, 传统放大+色素内镜虽然特异性较高, 但是敏感性仅为66.7%(40/60)[25]. 另一项前瞻性双盲实验针对镜下预测息肉病理类型的准确性进行了研究, 所有息肉均通过钳除、电切或内镜下黏膜剥离术方法取得病理, 结果表明通过NBI模式观察病变的血管形态, 镜下鉴别腺瘤性息肉与增生性息肉的准确度可达95%, 同时不同医师之间的判断结果有着良好的一致性[26]. 另有研究[10]比较LCI和白光模式下小凹的显示情况, 使用软件分析并计算不同模式下采集的图片信息, 发现LCI图片小凹不同区域明暗度及颜色的对比均显著高于白光模式, 同时LCI诊断与活检病理结果具有非常好的一致性. 一项Meta分析[27]综合回顾了i-Scan模式对于结直肠病变的判断准确率, 纳入的文献使用分型系统包括pit-pattern、改良的pit-pattern系统及NICE分型, 结果表明i-Scan对于癌变息肉的判断, 其敏感性和特异性均超过90%.

相对于染色内镜, IEE在判断早期结直肠病变深度方面亦更具有优势. Fukuzawa等[28]将非致密的血管密度与不规则血管走行相结合对病变深度进行判断, 诊断浸润深度的敏感性、特异性及准确率分可分别达81.4%、100%及92.9%, 结合pit pattern后的敏感性、特异性及准确率分别为86.0%、98.6%及93.8%. Sakamoto等[29]的一项回顾性研究选取了72个结肠早癌, 每一个病变均有两个有经验的内镜医师判读, 并根据pit pattern及Sano分型分别进行诊断. 结果显示, 两名医师在NBI下判断浸润深度的准确率分别为82%及79%. 另一项研究对112个早期CRC病变进行了前瞻性研究, 将病变顺次进行NBI、醋酸和结晶紫染色并留取图像, 再由不同年资医师分别进行浸润深度判断, 结果表明NBI诊断准确率显著高于醋酸染色和结晶紫染色, 尤其对于低年资内镜医师[30]. 一项Meta分析[31]针对NBI与放大色素内镜进行了比较, 共纳入了39项研究、共31568枚息肉, 研究中涉及了多种分型方法(pit-pattern、CP分型、广岛分型或仅检出特定形态的血管), 结果表明NBI与放大色素内镜在判断病变黏膜下层深处浸润方面敏感度及特异度相似, 但后者由于涉及放大操作, 不易为低年资内镜医师掌握, 在临床普及方面较NBI困难. 新近出现的BLI在诊断息肉病理类型方面准确度可达80%以上, 即使不结合放大功能, BLI判断息肉癌变的准确度亦可达95.2%, 在判断是否癌变、癌变浸润深度方面准确度与NBI相似[32,33]. 因此, IEE在判断CRC浸润深度方面具有较高的敏感性和特异性.

4 结论

早期发现结直肠肿瘤性病变可以显著改善患者的预后, 准确的术前定性、分期诊断对于治疗方式的选择尤为关键. IEE在发现病变以及判断其性质、明确浸润深度方面较以往白光及染色内镜具有优势, 目前基于IEE技术已形成了多个结直肠病变的分型系统, 灵活使用上述技术有利于提高早期CRC的检出、准确判断病变性质, 为进一步治疗方案的选择提供依据.

文章亮点

背景资料

早期诊断结直肠肿瘤可以显著改善患者的预后, 但目前我国早期结直肠肿瘤的检出率仍低于欧美国家, 传统白光内镜及色素内镜存在病变显示欠清、需要染色及放大操作等问题, 在临床应用中仍存在一定的局限.

研发前沿

已建立了多种基于病变的表面形态及血管结构的分型系统. 目前研究的热点是依据上述分型系统、评价新型的图像增强技术(image enhancement endoscope, IEE)对于多种病变的诊断价值以及在内镜下治疗、随访及预后判断等多方面的意义.

相关报道

本综述回顾了结直肠肿瘤常用的分型系统, Kudo等依据病变表面形态, 提出了pit pattern分型系统, NBI出现后, Sano等提出了蜂巢样血管的概念, 并建立了CP分型系统, 其后提出了非放大内镜下的NICE分型, 近年日本对上述分型系统进行了综合后提出了JNET分型. 熟练掌握常用的分型系统, 有助于内镜下准确判断病变的性质及肿瘤性病变的浸润情况.

创新盘点

本文概述了常用的IEE的原理, 并简要回顾了结直肠肿瘤的内镜分型系统、结合其应用范围进行了总结, 重点介绍了IEE在结直肠肿瘤诊断方面的敏感性、特异性以及其优势.

应用要点

本文系统回顾了IEE在结直肠肿瘤诊断方面的原理、病变分型系统、新技术的优势以及应用选择, 有利于临床医师迅速掌握相关概念、选择恰当的手段、以提高对于结直肠肿瘤检出率及诊断的准确性.

名词解释

图像增强技术: 是一种应用于内镜的技术, 通过改变光源的波长或优化采集的图像, 使图像的色彩对比更强、结构更加清晰, 从而提高诊断的准确性; 结直肠肿瘤: 文中结直肠肿瘤指肿瘤性病变, 除了结直肠癌(colorectal cancer, CRC)之外, 还包括腺瘤性息肉, 而后者是内镜下诊断的重点.

同行评价

文章选题较新颖, 对CRC的增强图像技术的应用具有很好的指导意义, 具有较好的临床指导及借鉴意义.

同行评议者

白雪, 副主任医师, 解放军北京军区总医院普通外科; 柳增善, 教授, 吉林大学人兽共患病研究所/动物医学学院兽医公共卫生; 张连阳, 教授, 主任医师, 第三军医大学大坪医院创伤外科

备注

手稿来源: 邀请约稿

学科分类: 胃肠病学和肝病学

手稿来源地: 北京市

同行评议报告分类

A级 (优秀): 0

B级 (非常好): B, B

C级 (良好): C

D级 (一般): 0

E级 (差): 0

编辑:马亚娟 电编:杜冉冉

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