CT與PET/MRI影像組學(xué)預(yù)測肺腺癌與鱗癌的對照研究

向柏林,唐 新,梁江濤

(1.浙江省醫(yī)療健康集團(tuán)衢州醫(yī)院 放射科,浙江 衢州 324004;2.杭州市五云山醫(yī)院 放射科,浙江 杭州 310008;3.杭州全景醫(yī)學(xué)影像診斷中心 放射科,浙江 杭州 310009)

肺癌是全球癌癥死亡的最常見原因之一,占男性腫瘤好發(fā)及致死率首位[1-2]。肺腺癌及肺鱗癌是最常見的2種病理亞型,占85%左右,其組織學(xué)特征、臨床治療方案及預(yù)后不盡相同[3],故準(zhǔn)確的病理分型對于肺癌診治至關(guān)重要。目前,穿刺活檢仍是腫瘤確診的金標(biāo)準(zhǔn),但其具有侵入性,且易受標(biāo)本取材影響,不能反映腫瘤組織的整體狀況[4]。影像組學(xué)可從醫(yī)學(xué)圖像中提取量化的腫瘤特征,解析臨床、病理、分子遺傳等特征,提高對疾病的診斷效能和預(yù)后預(yù)測[5-6]。近年來,已有不少學(xué)者針對肺癌做了一系列影像組學(xué)研究,然而目前關(guān)于正電子成像(positron emission tomography,PET)和磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)及CT影像組學(xué)對肺癌病理亞型預(yù)測對比的文章鮮有報道。本文旨在基于CT及PET/MRI圖像同時構(gòu)建鑒別肺腺癌及肺鱗癌分類的預(yù)測模型,以期為臨床診療提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料收集 回顧性收集2018年10月—2020年12月杭州市全景影像中心經(jīng)手術(shù)或穿刺證實(shí)為肺腺癌或鱗癌患者。納入標(biāo)準(zhǔn):患者均在治療前同時行高分辨率的CT(HRCT)及PET/MRI檢查;未進(jìn)行任何化療或放療及手術(shù)抗腫瘤治療;可獲得治療前清晰胸部CT及PET/MRI圖像。排除標(biāo)準(zhǔn):CT或者PET/MRI圖像不符合診斷標(biāo)準(zhǔn)者;有胸部其他惡性腫瘤病史或伴發(fā)其他系統(tǒng)腫瘤的患者;患者在CT及PET/MRI檢查前接受過放療、化療等治療者;經(jīng)病理證實(shí)為肺腺癌或鱗癌以外的組織學(xué)病理類型。本研究通過了浙江省杭州市全景影像中心倫理委員會批準(zhǔn)(科研醫(yī)學(xué)倫審第2021-008號)。

1.2 HRCT及PET/MRI檢查

1.2.1 檢查設(shè)備 采用GE 256排螺旋CT(Hartford, USA)及美國GE公司一體化TOF PET/MR(GE SIGNA,威斯康星州,美國)采集影像數(shù)據(jù)。

1.2.2 患者準(zhǔn)備 患者禁食6小時以上,注射18F-FDG 前血糖濃度控制在7.8 mmol/L以下。檢查當(dāng)日盡量穿戴無配飾衣物。患者按3.7 Mbq/kg的劑量注射18F-FDG,40 min后行全身PET/MR顯像。所有患者或法定監(jiān)護(hù)人均在檢查前簽署書面知情同意書。

1.2.3 掃描方法 患者仰臥位,首先行HRCT平掃,范圍從肺尖至肺底。在單次屏氣條件下完成CT掃描,掃描后設(shè)定自動對原始成像進(jìn)行薄層重建。CT平掃結(jié)束后,對患者進(jìn)行PET/MR掃描,在執(zhí)行衰減校正后,從頭頂?shù)焦晒侵卸芜M(jìn)行全身PET/MR掃描,必要時加掃至足底。全身MRI檢查過程中進(jìn)行PET數(shù)據(jù)采集,隨后進(jìn)行胸部局部PET/MR掃描,掃描范圍從肺尖至肺底,使用胸部區(qū)域?qū)Ｓ肕RI線圈以獲得橫斷面、冠狀面和矢狀面圖像,最后得到全身和局部的PET、MRI及PET/MR融合圖。所有數(shù)據(jù)均來源于同一臺PET/MR儀器,PET/MR具體掃描參數(shù)參照我們之前的研究[7]。本研究中選用胸部CT橫斷位圖像(1.25 mm)、胸部MRI局部T2WI圖像和PET圖像作為影像組學(xué)特征提取序列,應(yīng)用聯(lián)影uAI Research Portal軟件對病灶的感興趣區(qū)(region of interest,ROI)進(jìn)行影像組學(xué)分析。

1.3 影像組學(xué)分析[7-10]

1.3.1 圖像分割 將DICOM格式的胸部CT及PET/MRI 圖像分別導(dǎo)入ITK-SNAP軟件(http://www.itksnap.org/pmwiki)進(jìn)行分割,由2名有多年胸部PET/MR診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師沿著肺癌邊緣對病灶ROI進(jìn)行手動勾畫,排除鄰近正常組織、血管及淋巴結(jié)。當(dāng)結(jié)果不一致時,由具有20年經(jīng)驗(yàn)的第3位放射科醫(yī)師再次進(jìn)行ROI勾畫,直至結(jié)果統(tǒng)一,最后將從CT及PET/MRI圖像中獲得的三維分割圖像結(jié)果依次導(dǎo)出原圖及相應(yīng)的ROI圖(圖1),并將分割結(jié)果保存為nii文件。

注:A、B、C依次對應(yīng)CT、PET、MRI序列原始圖,D、E、F依次對應(yīng)CT、PET、MRI序列ROI勾畫圖。圖1 CT及PET/MRI圖像中獲得的三維分割圖像Figure 1 Three-dimensional segmented images obtained from CT and PET/MRI images

1.3.2 特征提取及選擇 將肺癌原始圖像及ROI圖像同時導(dǎo)入uAI Research Portal軟件中,特征計算完成后,根據(jù)自定義分類給受試者標(biāo)注label(設(shè)定腺癌陽性,標(biāo)記為“1”;鱗癌陰性,標(biāo)記為“0”)。將提取的CT及PET/MRI組學(xué)特征導(dǎo)入uAI Research Portal軟件進(jìn)行特征選擇,按五折交叉驗(yàn)證法將受試者分為訓(xùn)練組及測試組[9],通過Z評分標(biāo)準(zhǔn)化,提取到2 600個影像組學(xué)特征,然后經(jīng)過最小絕對值選擇與收縮算子(least absolute shrinkage and selection operator, LASSO)回歸降維及篩選后,最終保留與肺腺癌及鱗癌分型最相關(guān)影像組學(xué)特征。

1.3.3 模型構(gòu)建 分別根據(jù)最相關(guān)影像特征及其最佳權(quán)重比,構(gòu)建基于CT及PET/MRI的預(yù)測模型,并建立ROC曲線。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 基于SPSS 26軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理,年齡采用Mann-Whitney U檢驗(yàn),性別采用連續(xù)校正卡方。特征提取ROI測量者之間的一致性,采用組間相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient, ICC)進(jìn)行評價。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料 共收集符合條件的患者72例。其中肺腺癌42例,年齡23～79歲,男29例、女13例;鱗癌 30例,年齡51～79歲,男27例、女3例;2組患者年齡、性別差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

2.2 影像組學(xué)特征分析 經(jīng)組間相關(guān)系數(shù)分析,ICC >0.89,ROI分割結(jié)果具有較好的一致性,采用高年資放射科醫(yī)師的ROI勾畫結(jié)果作為最終研究數(shù)據(jù)。CT預(yù)測模型得到3個與肺腺癌及鱗癌分型最相關(guān)特征(圖2A),包含2個一階特征[偏度(skewness)、ROI中灰度值范圍(range)]和1個紋理特征[灰度區(qū)域大小矩陣(gray-level size zone matrix, GLSZM)];PET/MRI預(yù)測模型得到6個與肺腺癌及鱗癌分型最相關(guān)特征(圖2B),包括1個一階特征[偏度(skewness)]和5個紋理特征 [1個灰度大小區(qū)域矩陣 (GLSZM)、2個灰度共生矩陣(grey level cooccurrence matrix, GLCM)、1個灰度依賴矩陣(gray level dependence matrix, GLDM)和1個鄰域灰度差矩陣(neighborhood gray tone difference matrix, NGTDM)],其中灰度大小區(qū)域矩陣(GLSZM)占最大權(quán)重比。

圖2 CT(A)及PET/MRI(B)預(yù)測模型最相關(guān)影像組學(xué)特征Figure 2 The most relevant radiomics features of CT (A) and PET/MRI (B) prediction model

2.3 模型評價 分別根據(jù)最相關(guān)特征及權(quán)重比構(gòu)建ROC曲線(圖3、4),應(yīng)用不同的學(xué)習(xí)方法進(jìn)行評分,CT及PET/MRI預(yù)測模型均以Z評分及Logistic回歸作為最佳模式,見表1。

圖3 CT預(yù)測模型訓(xùn)練組(A)和測試組(B)的ROC曲線Figure 3 ROC curves of CT prediction model in training group (A) and test group (B)

圖4 PET/MRI預(yù)測模型訓(xùn)練組(A)和測試組(B)的ROC曲線Figure 4 ROC curves of PET/MRI prediction model in training group (A) and test group (B)

表1 CT及PET/MRI預(yù)測模型Z評分及Logistic回歸學(xué)習(xí)評分值Table 1 Z score and Logistic regression learning scores of CT and PET/MRI prediction model

3 討論

本研究按五折交叉驗(yàn)證法將肺癌分為訓(xùn)練組及測試組,經(jīng)Z評分及Logistic回歸降維篩選得到肺腺癌與鱗癌分型最佳特征,結(jié)果發(fā)現(xiàn)CT及PET/MRI預(yù)測模型中GLSZM均占最大權(quán)重比值,分別為-0.033、-0.06。GLSZM主要反映圖像的灰度不均勻性,特征值越低表示圖像灰度越均勻,由此可見肺腺癌較鱗癌的圖像紋理更均勻,這個取決于肺癌本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。肺腺癌主要是由腺樣結(jié)構(gòu)組成,排列相對均勻;肺鱗癌主要由角化珠、癌巢及細(xì)胞間橋組成,呈堆積性生長,而且肺鱗癌較肺腺癌容易發(fā)生液化、壞死,從而導(dǎo)致腫瘤密度不均,組織結(jié)構(gòu)分布相對紊亂[11]。周小君等[12]發(fā)現(xiàn)人工智能肺結(jié)節(jié)定量參數(shù)可有效預(yù)測磨玻璃結(jié)節(jié)肺癌的浸潤程度,尤其長徑和平均CT值的預(yù)測價值較高。還有研究發(fā)現(xiàn)基于CT、PET/CT影像組學(xué)模型均可以預(yù)測肺癌病理亞型[13-15]。Fan等[16]研究了PET/MRI在肺癌中的掃描技術(shù)、潛在應(yīng)用及現(xiàn)狀。本研究還發(fā)現(xiàn)基于CT影像模型及PET/MRI影像模型預(yù)測肺腺癌及肺鱗癌所得到的一階特征(skewness)亦占較大權(quán)重比值,分別為0.022及-0.013,而skewness是用來測量平均值相關(guān)值分布的不對稱性,說明基于CT與PET/MRI影像模型在預(yù)測肺腺癌及鱗癌的強(qiáng)度特征方面存在明顯差異,而且CT預(yù)測模型相對于PET/MRI預(yù)測模型能夠得到更多與肺癌病理亞型分類最相關(guān)的一階特征,這可能跟CT影像具有密度高分辨率、由更多體素值構(gòu)成、包含更多的形態(tài)學(xué)信息有關(guān)。

康書朝等[11]發(fā)現(xiàn)肺結(jié)節(jié)影像組學(xué)特征對判斷腫瘤基因突變、增殖活動及預(yù)后治療具有一定的指導(dǎo)意義。Sepehri等[17]發(fā)現(xiàn)基于PET/CT影像模型在預(yù)測Ⅱ/Ⅲ期非小細(xì)胞肺癌的性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)臨床分期。Kirchner等[15]發(fā)現(xiàn)18F-FDG PET/MRI和18F-FDG PET/CT對NSCLC患者的T和N分期具有同等的高診斷性能。本研究結(jié)果表明CT及PET/MRI預(yù)測模型均能有效預(yù)測肺腺癌與鱗癌,且PET/MRI預(yù)測模型診斷效能更高,可能是源于PET/MRI結(jié)合了PET的代謝學(xué)特征與MRI的多參數(shù)多功能成像,由于MRI固有的高軟組織對比度、多平面采集和功能成像,無需使用電離輻射即可提供組織表征,還能為PET掃描提供解剖定位和衰減校正(AC)信息,而且PET可反映代謝信息與高分子成像,因此PET/MRI具有在單一成像研究中提供結(jié)構(gòu)、功能和分子成像評估的獨(dú)特能力,使其成為惡性腫瘤評價的理想手段。再者,PET/MRI還使與腫瘤高特異性結(jié)合的新型放射性藥物的解剖學(xué)相關(guān)性成為可能,同時MRI允許PET圖像重建、部分體積校正和運(yùn)動補(bǔ)償[10],因此PET/MRI影像組學(xué)預(yù)測模型能提供更多額外的診斷價值。

綜上所述,CT和PET/MRI模型對于無創(chuàng)性術(shù)前預(yù)測肺腺癌及肺鱗癌均有較高的預(yù)測效能,PET/MRI較CT影像組學(xué)在肺腺癌與肺鱗癌術(shù)前預(yù)測方面具有更大的準(zhǔn)確性,有利于肺癌患者的早期無創(chuàng)性病理診斷和個體化治療。但本研究存在一定的局限性:首先,本研究樣本來源于單中心,樣本量相對較小,還需要多中心合作收集更全面的數(shù)據(jù);其次,本研究屬于回顧性研究,結(jié)果可能會有一定的選擇偏倚,需要做更多的前瞻性研究。