作者：ChiaraFloridi、MichaelaCellina等
翻译：panzer
编者按：
肿瘤治疗的传统方法包括手术治疗、放疗和化疗等。随着医学的发展和影像技术的不断革新，影像引导下介入治疗已经成为新的一大诊疗手段。本文原载于《JournalofClinicalMedicine》Volume11（2022），有助于我们系统了解肿瘤介入治疗的影像引导技术进展。
摘要：
介入肿瘤手术(IO)已经在介入放射学(IR)中非常流行，并在更新的术式和操作手段下对肿瘤患者的诊断、治疗和姑息疗法中发挥着重要作用。目前介入手术可以分为两大类:血管介入手术和非血管介入手术。
血管介入手术的主要手段是栓塞术或直接注入化疗药物于肿瘤供血的血管。非血管手术的操作手段主要是经皮介入术，其包括经皮图像引导的活检和不同的射频、微波、冷冻消融和聚焦超声消融技术。使用这些技术需要精确的成像预处理计划和指导，可以通过不同的成像技术包括超声、CT、MRI等提供。由于融合成像技术的发展，这些成像方式可以单独使用，也可以结合使用，这也进一步提高了操作者的信心，提高了手术的有效性和安全性。本文的撰写旨在提供一个基于临床影像学指导的可用的介入放射学的概述，为癌症患者开发一个有针对性的和最佳的方法。
1.序言
介入肿瘤术在介入放射学中变得非常流行，并通过基于不同方式的引导，在肿瘤患者的诊断、治疗和姑息治疗，尤其在当前的新冠病毒大流行期间介入肿瘤术发挥了重要作用。介入放射科医师通过广泛的经皮和经血管肿瘤治疗，使这些治疗发挥其临床优势，并让介入肿瘤术逐渐成为“肿瘤治疗的第四大支柱”。
介入肿瘤学的目标是提供个性化治疗，以消除肿瘤，同时对邻近健康组织的伤害最小。因此，跨学科和高度专业化的团队在诊断、治疗计划、执行效果等方面发挥着重要作用。他们会根据个体差异和多学科专家会诊来规划每种治疗。
2.血管和非血管介入治疗手段
如今，介入放射学在肿瘤学领域具有多种有效且安全的治疗方法，目前主要分为两大类：血管治疗和非血管治疗。
在不同病变的处理中可以选择栓塞术或血管内化药治疗。栓塞术通常用于术前操作来减少病灶血管化，并减少手术期间出血的风险；在栓塞术中伴随注射化疗药物可以增加药物的有效性，提高了治疗效果。
血管内导管定向疗法可用于直接治疗肿瘤。经动脉局部区域治疗包括不同的选择，例如温和的经动脉栓塞术、经动脉化疗栓塞术和选择性内放射治疗。温和的经动脉栓塞和化疗栓塞是两种主要的血管内方法，内放射治疗通过肝动脉中的导管输送放射性钇90。
温和的经动脉栓塞包括将导管插入供应病变的肝动脉分支，然后用栓塞剂阻塞它们以实现病变血管的完全动脉闭塞。明胶、不可吸收的颗粒剂（聚乙烯醇或PVA）和三丙烯基明胶微球是一些可以使用的栓塞剂。转氨酶和胆红素水平的短暂升高以及“栓塞后综合征”是该疗法可能的副作用。腹痛、不适、恶心和低烧是典型的自限性常见症状；肝肾衰竭、胃溃疡和死亡等严重并发症的发生率非常低；非靶向栓塞并不常见。
经动脉化疗栓塞术(TACE)将同时使用化疗和栓塞剂，旨在将高浓度的化疗药物直接输送到肿瘤的动脉血供中。TACE应尽可能具有选择性；将栓子颗粒注射到为肿瘤供血的肝动脉分支中，决定了显著的肿瘤坏死；化疗药物的血管内共注射导致药物的局部浓度和持久性，这限制了治疗的全身扩散和毒性，并能够有针对性和有效的病变治疗。最常见的并发症是自限性的，但严重并发症可表现为2-3%，包括肝肾功能衰竭、溃疡和死亡。
钇90(90Y)微球经动脉放射栓塞是一种近距离放射治疗，它使用肝动脉供应通过注射树脂或玻璃微球将90Y永久植入目标肿瘤。经动脉放射栓塞的作用机制是90Y微球进入肿瘤毛细血管并释放破坏性辐射，在约2.5mm深的组织穿透实现100-1000Gy的局部剂量辐射破坏。当水分子由于辐射相互作用而电离时，肿瘤血流会产生活性氧：增加的活性氧发展触发肿瘤细胞中的细胞氧化应激，这有助于细胞凋亡激活。该技术旨在避免健康组织受到辐射；因此，需要对病变供应进行准确的术前评估。错误的非靶血管放射栓塞术会导致各种并发症，从镰状动脉的皮肤刺激到更严重的问题，例如胃、胆囊和小肠的缺血坏死；肝肾功能衰竭、胃十二指肠溃疡和死亡也有少量报道。
射频消融旨在将热能传递到组织中，导致靠近探头尖端的组织发生凝固性坏死。探头尖端附近组织的过快加热会导致干燥，增加组织阻抗并限制能量传播到周围分子和消融区域。探针设计的技术发展改善了消融区的大小，但烧伤区仍然小于其他消融技术所能达到的范围。另一个限制是对散热效应的敏感性，这是由流动的血液引起的烧伤区域附近的能量耗散。
微波消融使用位于射频频谱较高边界的能量。微波消融引起的细胞死亡几乎与射频消融产生的相同。与射频消融相比，微波能量显示出一些优势：微波消融在离探针部位更远的组织中诱导分子振荡和热能传递，比射频消融更快地获得更宽、更热的消融区域。
冷冻消融诱导的细胞死亡是由焦耳-汤姆逊效应引起的，其中加压气体（氩气）迅速减压，导致温度急剧下降，细胞毒性温度为-25°C或更低。冷冻导致细胞内和细胞外晶体的形成、细胞器死亡和膜破坏。冷冻消融的两个主要优势是对散热现象的敏感性较低和消融区域的实时可视化成像。一种罕见的并发症是“低温休克”现象，由细胞内元素和细胞因子释放到体循环中引起，导致低血压、心动过速、血小板减少、弥散性血管内凝血和多器官衰竭，据报道发生于大病灶消融。治疗后出血的问题已经随着新探针的开发而得到解决，该探针允许进行管道烧灼。
不可逆电穿孔法是基于施加到组织并导致跨膜电位增加的强短脉冲电磁场。当跨膜电位超过一定阈值时，膜通透性变得不可逆，导致细胞凋亡和坏死。这种方法不受散热器和组织干燥的影响，并为消融提供了更大的几何可预测性，并允许保留结缔组织结构，从而将损坏相邻健康结构的风险降至最低。
聚焦超声无需针头和切口即可通过超声束实现消融性坏死，超声束传递热能穿过组织而不损坏组织，从而实现最小的侵入性。这些疗法被认为是非常安全的，因为除了释放能量的最佳控制之外，还可以使用几种控制敏感结构的系统：热电偶来跟踪敏感结构附近达到的温度，或者使用热电偶将敏感结构从消融区域转移出去的能力注入空气、二氧化碳或二氧化硫。不幸的是，这种技术受到一些缺点的影响：首先，患者定位和热能输送可持续长达三个小时；其次，尽管有呼吸门控应用，治疗器官的呼吸运动也会影响治疗效果。此外，插入的骨骼结构可以对超声波能量产生不可穿透的屏障。
3.影像规划与引导
肿瘤介入治疗包括不同临床成像模式应用的多阶段疗法。治疗计划的阶段可分为术前规划、术中定位、术中监测、术后评估、术后随访。
术前规划应使用高质量图像进行，以评估疗法的可行性。
术中成像可以通过不同的成像技术进行术中病灶定位，并且通常首选实时模式。超声是目前最好的实时方法；CT被认为是一种近实时的方式。其他非实时成像检查也可以单独或与融合图像方法结合使用，以最好地引导介入疗法。
术中监测对于评估治疗是否正确定位是必不可少的。
术后评估对于评估治疗效果、完整性和潜在并发症至关重要。
图：影像引导步骤
4.成像方式
4.1超声造影
许多类型的介入放射疗法可以在超声造影的引导下进行；最常见的是组织活检，活检后可进行分子和细胞检测、消融治疗、胸腹腔穿刺术等。
超声造影代表了不同肿瘤介入疗法中的有效工具：首先，它让病变可视化以引导对常规超声中较差或不可见的肿瘤进行靶向经皮活检，特别是其血管化部分，以收集重要肿瘤区域的样本，以及识别活检后出血。
其次，它为射频消融、微波消融和冷冻疗法等消融治疗提供了准确的引导，当在传统超声上难以评估时，可以将探头精确定位到病灶中，并且是一种易于使用的治疗效果评估工具，因为消融后残余血管的持续存在表明需要进一步消融和检测出血性并发症。超声造影也可用于病变随访，以避免使用任何肾毒性造影剂和辐射暴露。
第三，这种成像技术可以通过增加肾盏系统的可见度，来引导对癌症患者的护理，例如经皮肾造口术。超声造影的局限性主要与传统的超声相同，是对操作者水平的高度依赖。
弹性成像代表了另一个可以改善图像引导肿瘤介入的超声先进应用：这种快速发展的超声技术提供了有关组织物理特性的信息，例如它们的硬度或刚度。此信息可用于规划肝脏和肾脏靶向活检，以选择最合适的组织/病变区域，并避免活检后出血风险较高的区域。
由于成像技术的发展，融合CT/MRI-US成像成为了新的手段，其增加了目标病变的可见性，并有助于了解病变与相邻解剖结构之间的三维关系。融合方法提高了医生的信心、定位的精度和手术的成功率，因为有以下几个优点：首先，它可以提高小病灶的可检测性，特别是在B超不显眼的情况下。其次，它允许在肿瘤内精确插入治疗针。第三，CT/MR-US融合影像引导可以减少治疗次数。
4.2.计算机断层扫描（CT）
在过去的十年中，CT在肿瘤成像中的作用从诊断工具转变为介入集合体。CT在空间分辨率方面具有优势；然而，CT仍有一些问题：首先，CT呈现了二维图像，因此，有时需要“离轴扫描”的情况，在这种情况下，CT很难达到“实时”成像。
导航工具可能会克服这些问题。CT引导疗法中应用的主要导航工具是基于电磁或光学激光方法的跟踪系统和基于电磁或光学系统实时跟踪仪器运动的机器人引导系统：探头是手动放置并通过仪器的连续跟踪进行引导。机器人系统不提供探头的实时可视化，但根据CT扫描仪进行校准，并在机器人辅助导航中提供消融探头的主动引导。这些导航工具还利用图像融合，将来自不同成像模式的图像共同配准并叠加；该技术应用于活检、血管或非血管手术的消融，并结合这些方式以获得更好的针头或目标病变的实时空间可视化。
“跟踪坐标系”包括放置在患者皮肤和仪器上的电磁或光学探测器和基准标记，并允许立即计算探头在三维空间中的位置。“图像坐标系”不是实时的，因为它是从先前获得的用于疗法规划的CT/MRI图像中获得的，为了补偿呼吸运动，它可以与放置在患者的呼吸门控进行整合。然而，为了获得“真正的实时”图像，可以将实时超声与先前获得的能够更好地可视化目标病变的成像模式共同配准。跟踪系统显示出可喜的结果，并且主要针对射频消融、微波消融和冷冻消融进行了验证，显示针放置的准确性更高，针重新定位更少，更好的效果和更低的辐射剂量。
机器人系统预先定义消融探头的入口点、角度和深度，在手术过程中提供主动引导；这种方法的主要优势是减少了探头重新定位，特别是在具有平面外目标的疗法中。
CT血管造影（CTA）
CTA在1990年代被引入以整合CT和血管造影。血管CT的主要应用领域之一是肝脏局灶性病变的研究和治疗。当导管放置在肝动脉或腹腔干时，该集成系统允许在肝动脉造影期间执行CT，当导管放置在肠系膜上动脉或脾动脉中时，可以在动脉门静脉造影期间执行CT。可以在手术前进行CT检查，以更好地显示目标病变和进一步的同时病变。对于肝肿瘤消融，血管CT允许重复施用小剂量的动脉内肝内造影剂，提高肿瘤的显着性和针放置的精确度。
CTA在经动脉治疗中有几个优点，因为它提供了要栓塞的肿瘤供血动脉的三维血管图像，包括肝外供血动脉，更容易和更准确地识别和栓塞供血动脉。在受肝细胞癌(HCC)影响的患者中，这允许对亚段供血动脉进行超选择性导管插入术，从而减少对周围健康组织的损害以及提供的抗癌剂和栓塞剂的量，从而提高存活率。
精确的血管解剖和用于剂量测定的灌注肝体积计算相结合，为经动脉放射栓塞术提供了显着的附加值，其中非靶栓塞术会产生严重后果。CTA也可以在手术过程中或手术后立即重复，以评估技术成功、并发症，并最终完善治疗结果。这对于在同一疗程中对选定的不可切除的HCC进行联合治疗（经动脉和消融）很有价值。
与锥形束计算机断层扫描(CBCT)相比，CTA表现出较低的辐射剂量并减少了造影剂的使用；此外，它提供了更宽的视野和更少的图像噪声。然而，与其他成像方法相比，CTA并不广泛使用。它更昂贵，需要更大的房间空间。
4.3.CBCT
CBCT是一种成像技术，由配备平板探测器的旋转C形臂组成，可在单个患者中提供透视、数字减影血管造影和立体CT图像。不同的成像模式，3D和2D图像，可以组合和共同显示，以便在计划、监控或验证治疗结果方面克服彼此的缺陷。
有许多关于最佳采集技术和造影剂管理协议的建议，它们主要依赖于特定的临床任务（计划、监测和验证）。
在手术过程中立体显示肿瘤位置、血管分布和周围组织的体积数据集，为建立安全有效的目标路径和引导设备定位提供了良好的基础。
在经皮治疗的情况下，CBCT优于CT的主要优势之一是没有机架，并且探测器在患者周围的方向具有更大的灵活性。进行经皮治疗时的首要任务是目标病变的可见性。从这个意义上说，CBCT可以提供比其他更广泛可用的成像方式（即CT、US）相当大的优势，例如，在超声不可见的肺结节和肝脏病变中。第二个任务是选择到达目标病灶的最佳路线。CBCT提供“类似CT的图像”，在到达目标病变的路径需要内侧/外侧和尾侧/颅侧角度和术中调整的情况下，该图像可能特别有用。
CBCT与虚拟导航系统配合使用，可以对太小或太微弱以至于外科医生无法检测到的肺结节进行活检、消融和经皮经胸定位。
对CT上不可见或靠近CT上不可见的解剖结构（例如神经或血管）的病变进行活检也会是CBCT的一项具有挑战性的操作，如果可能，应首选超声或MRI引导。
融合技术
超声引导代表了肝脏消融治疗中最常用的技术。然而，当探头置于超声引导下时，同时使用CBCT检测到73%的病例需要重新定位探头；此外，并非所有肝脏病变都可见。在CBCT的“CT样”图像上，专用软件可以自动计算电极的安全路径，然后在超声或实时透视下进行电极布放，即使在≤1.5cm的病灶也能获得良好的图像效果。US/CBCT融合代表了一种有用的工具，可以增加对血管中超声可见度差的肝细胞癌结节的正确靶向。
导航软件还可以虚拟规划治疗量，确定实现完全肿瘤覆盖所需的天线数量。
最近开发的一种软件可以将治疗后的CBCT图像与治疗前的CT共同配准，以增强残留肿瘤的存在。
除了高空间分辨率外，CBCT在进行血管内治疗时的主要附加价值是能够在数字减影血管造影上增强血管树，同时提供三维路线图。这在血管解剖结构被潜在病理学改变的情况下特别有价值，例如在肝硬化中。
CBCT在肝细胞癌经导管动脉治疗中的主要作用是在肿瘤检测、供血血管识别和血管导航方面。
CBCT的肿瘤检出率为90%，灵敏度与肿瘤大小和血管形成成比例增加，并且可以识别小的血管造影隐匿性肿瘤，可以超选择性导管插入术。
第一个在CBCT图像上识别肿瘤血管的软件是十多年前推出的。从那时起，肿瘤供血动脉的自动化或半自动化软件得到开发并得到广泛应用，对动脉供血血管的检测率很高。
还应考虑到肝细胞癌（HCC）可能有肝外动脉供血，据报道约有17-27%的病例发生。肝外营养血管的识别是强制性的，以确保完整的治疗并避免出血并发症。
CBCT对经肝动脉治疗的附加价值在肿瘤和供血血管检测方面明显；然而，尚不完全清楚这是否会改善肿瘤反应，并且朝着这个方向做出了一些努力。一个有趣的新发展是虚拟肝灌注映射，这是一种允许在非选择性双相CBCT图像上定位虚拟注射点后估计虚拟血管区域的技术。这种技术被证明可以提供可靠的图像来评估经动脉治疗的技术成功。
CBCT也可用于内放射治疗，作为导管导向的治疗方法，通过将载有钇90的微球注入肝动脉来治疗原发性和继发性肝肿瘤，因为它在识别灌注组织方面的准确性，可以正确的病变分割和可能的预处理门静脉栓塞。
CBCT引导栓塞术也可用于治疗肾脏病变，作为术前程序，以预防高血管化肾细胞癌的出血并发症，并降低血管平滑肌脂肪瘤的出血风险。
将治疗与经动脉化疗栓塞（TACE）和局部消融治疗（RFA或MWA）相结合可改善HCC和肾细胞癌患者的临床预后。
图：一位78岁肝细胞癌患者结合TACE和RFA疗法
CBCT是一种多功能工具，可以独立地执行这两个疗法。一些关于肝细胞癌和MWA或RFA与TACE联合治疗的研究表明，它可以改善临床结果：特别是，与单独TACE相比，它表现出更长的无进展生存期和相当的并发症发生率。在用MWA和肾动脉栓塞治疗的一系列T1a肾细胞癌病例中也记录了有希望的结果。然而，还需要进一步的研究。
4.4.核磁共振
4.4.1核磁共振引导
活检和消融是在MRI引导下进行的最常见的疗法。主要优点是无需造影剂即可更好地描绘目标。实时多平面成像与高对比度分辨率相结合，可以准确定位在非增强CT上定义不清的病灶；此外，在消融过程中，MRI允许监测针通路和完全可视化被消融的组织，无论是在基于热的技术（由于温度敏感序列）和在基于冷的技术的情况下。
图：磁共振引导下的复发性软组织肿瘤冷冻消融
另一个优点是可以连续（即使是双倾角，典型的超声制导），加上热控制，评估烧蚀区域。
消融的图像引导通常由MRI表示，为正确的光束瞄准和温度映射提供解剖信息。
已经开发了针对内脏器官和软组织损伤的多种应用。肾脏代表适合活检和消融的目标。MRI非常适合前列腺病变的检测和分期。可以结合超声和MRI进行前列腺活检或直接进行孔内活检，利用实时MRI的优势来确认针位，消除配准错误或影响融合成像的器官运动，并使用经会阴而不是经直肠途径降低细菌感染风险。已经描述了多个在安全性和并发症方面具有良好结果的消融病例；即使局部和全腺体消融都安全有效地进行，主要问题仍然是适应症。根据描述肝脏消融的经验，MRI引导是可能的，但超声的方法似乎更可行。
鉴于MRI在筛查、手术计划和随访中的作用越来越大，MRI引导的活检疗法的适应症也在增加。如果其他成像方法（尤其是超声）不足以清晰地显示待活检的病变，则应在MRI引导下进行活检。MR引导的乳房活检的癌症检出率虽然在研究之间存在差异，但据报道高达50%。由于已知背景实质增强(BPE)会影响MRI信号，因此应特别注意月经周期的阶段和接受激素替代治疗的患者。当活检在技术上不可行的情况下，MRI引导可以使用导丝或标记夹放置来帮助术前病变定位。
总之，当超声和CT的显像性较差，需要减少辐射和对比度的暴露，以及由于位置具有挑战性，复杂的路径需要持续控制针头时，MRI似乎是一种更好的引导技术。
4.4.2.磁共振共聚焦超声
骨骼是另一个有据可查的应用领域。可以安全有效地治疗骨表面的良性病变和骨转移。子宫肌瘤和子宫腺肌病灶也可以用这种技术治疗。
图：MRI引导的聚焦超声治疗股骨颈小骨样骨瘤
5.新领域
放射学中对人工智能(AI)的兴趣正在快速增长，不仅在诊断成像领域，而且在介入放射学领域。深度学习算法在诊断成像中有显著的作用，可帮助医生定制治疗，还可应用于肿瘤介入的治疗效果预测。
AI可应用于肿瘤介入的不同阶段：作为临床和影像决策的支持工具，用于术前准确的影像评估和图像质量改进，以及作为术中辅助（例如，选择最合适的材料）。精准医疗依赖于更好地选择患者的概念。AI决策支持系统可能有助于根据影像表型定制治疗决策，从而产生更好的临床结果。介入放射科医生通常依靠多学科委员会来制定肿瘤治疗策略。这些讨论执行多参数风险分层，在建议治疗前整合患者数据；不同的AI应用疗法通过在执行治疗之前预测治疗的结果和/或益处来复制和超越这些讨论。
结合临床和成像术前数据、放射组学和遗传信息的能力可以提高决策的准确性，并成为风险评估、患者分类和结果预测的有用工具。
人工智能的应用也可用于治疗：深度学习系统可以通过像素移位校正平移运动或通过训练神经网络来预测未减影图像中的减影图像，从而提高数字减影血管造影的图像质量。
通过自动多模态配准和分割工具将术前横截面成像与术中实时透视或超声同步，从而为活检和局部图像引导治疗提供更精确的引导，并提高整个手术过程中解决问题的能力。
可以使用CT或MRI数据生成虚拟血管造影或血管镜检查以引导血管内手术，并且还可以实时识别最适合治疗狭窄性血管病变或主动脉瘤的导丝、导管和支架。
此外，使用新的导航技术（如增强现实和虚拟现实）将虚拟预疗法3D解剖数据实时叠加到真实世界的2D视觉图像上，将DICOM图像转换为3D模型，从而允许通过3D摄像头和介入套件中的虚拟数据（临床和成像）来处理复杂情况，并在治疗领域提供全息图处理，从而提高微创治疗的准确性并降低风险、并发症和辐射暴露。
6.结论
个性化医疗时代为癌症成像和治疗提供了绝佳机会。肿瘤介入用于癌症诊断、治疗和缓解的微创技术是创新现代医学的主角，肿瘤介入专家应被视为肿瘤患者多学科管理的重要参与者。肿瘤介入疗法的重要性将逐渐提升，其手术量也将有质的变化，从而实现对患者更针对性和个性化的治疗。