CT紋理分析對(duì)鑒別直腸癌患者K-ras基因突變的可行性研究

王國蓉， 王志偉， 薛華丹， 金征宇，吳煥文

·影像組學(xué)專題·

CT紋理分析對(duì)鑒別直腸癌患者K-ras基因突變的可行性研究

王國蓉， 王志偉， 薛華丹， 金征宇，吳煥文

目的探討CT紋理分析(CTTA)技術(shù)對(duì)鑒別直腸癌患者K-ras基因突變的可行性研究。方法回顧性分析33例經(jīng)病理證實(shí)的直腸癌患者的CT圖像，其中K-ras突變型18例、野生型15例。使用TexRad軟件對(duì)病灶最大層面的平掃及門靜脈期圖像進(jìn)行分析，獲得基于不同空間縮放因子(SSF=0和2～6)的6個(gè)特征性紋理參數(shù)值，包括均值(mean)、標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)、熵值(entropy)、偏度值(skewness)、峰值(kurtosis)及正像素均值(mean of positive pixels,MPP)。比較兩組間各參數(shù)值的差異。結(jié)果平掃CT圖像：當(dāng)SSF取2～4時(shí)，野生型組中病灶的熵值(分別為4.3、4.2、4.3)高于突變型(分別為4.1、4.0和4.0)，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；當(dāng)SSF=2、熵取界值4.245時(shí)，診斷敏感度及特異度均為73.3%；當(dāng)SSF=3、熵取界值4.095時(shí)，診斷敏感度及特異度分別為80.0%、61.1%；當(dāng)SSF=4、熵取界值4.205時(shí)，診斷敏感度為73.3%、特異度為72.2%。增強(qiáng)CT圖像上各紋理參數(shù)值在兩組間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。結(jié)論CT紋理分析能夠?qū)︻A(yù)測(cè)直腸癌患者有無K-ras基因突變提供一定的診斷信息。

直腸癌； 紋理分析； 體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)； K-ras基因突變

直腸癌是消化系統(tǒng)常見的惡性腫瘤之一，一般按直腸息肉-腺瘤-癌的方式進(jìn)展，涉及多種原癌基因及抑癌基因的突變。結(jié)直腸癌在全球范圍內(nèi)的發(fā)病率、死亡率分別居第三、第四位，我國結(jié)直腸癌發(fā)病率和死亡率分別為14.2/10萬和7.4/10萬[1]，且隨著人民生活水平及飲食結(jié)構(gòu)的改變，發(fā)病率呈逐年升高的趨勢(shì)[2]。盡管對(duì)病灶的早期發(fā)現(xiàn)和干預(yù)可以達(dá)到治愈的效果，但對(duì)于晚期患者而言，術(shù)后復(fù)發(fā)及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移仍是直腸癌致死的主要原因之一[3]。因此，尋求更加合理有效的治療方法來延長患者的生存期，顯得尤為重要。近年來，分子靶向藥物如西妥昔單抗(愛必妥)在臨床中的使用日益廣泛，它主要作用于腫瘤細(xì)胞表面的生長因子受體(EGFR)，從而阻斷細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路，達(dá)到抗腫瘤的效果[4-5]。已經(jīng)有研究證實(shí)此類藥物與化療藥物聯(lián)合使用后，對(duì)晚期直腸癌尤其是不伴有K-ras基因突變(K-ras野生型)的患者具有良好的治療效果[6-9]，所以目前K-ras基因檢測(cè)對(duì)于晚期直腸癌患者具有重要意義。本研究對(duì)CT紋理分析(CT texture analysis，CTTA)技術(shù)判斷直腸癌患者是否伴有K-ras基因突變的可行性進(jìn)行觀察，旨在為臨床治療提供參考。

表1 CT平掃圖像不同SSF值時(shí)病灶的各項(xiàng)紋理參數(shù)值

注：表格內(nèi)紋理參數(shù)值不符合正態(tài)分布，故以“中位數(shù)(四分位數(shù)間距)”表示。

材料與方法

1.研究對(duì)象

將2014年12月-2017年4月在北京協(xié)和醫(yī)院就診的經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)的33例直腸癌患者納入研究。其中男21例，女11例，平均年齡(57.9±13.2)歲；15例為無K-ras基因突變型，18例為K-ras基因突變型。所有患者在術(shù)前行腹盆部CT增強(qiáng)掃描及基因檢測(cè)。

2.掃描方法

使用Siemens Somatom Definition雙源CT機(jī)進(jìn)行腹盆部CT平掃和增強(qiáng)掃描，掃描參數(shù)：層厚5 mm，層間距5 mm，掃描范圍自膈肌水平至恥骨聯(lián)合處。采用高壓注射器經(jīng)肘前靜脈注入對(duì)比劑碘海醇(300 mg I/mL)100 mL，注射速率為5 mL/s，注藥后延遲60 s行門靜脈期掃描。

3.紋理分析

將所有圖像傳至TexRAD工作站，采用TexRAD軟件(TexRAD Ltd,www.texrad.com,part of Feedback Plc,Cambridge,UK)進(jìn)行紋理分析。由兩位分別具有5年和10年工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師進(jìn)行閱片分析，二者意見不一時(shí)通過協(xié)商達(dá)成一致意見。由另一位熟悉Texrad軟件操作的放射科醫(yī)師進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。在每例患者的CT平掃及門靜脈期增強(qiáng)掃描圖像中選擇病灶最大層面，沿腸壁異常增厚區(qū)放置感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，ROI面積盡可能大。通過設(shè)定閾值，將ROI內(nèi)所有像素中CT值低于-50 HU的部分自動(dòng)濾過。紋理分析利用高斯-拉普拉斯算法進(jìn)行選擇性圖像濾波處理，然后通過灰度直方圖分析獲得定量的紋理參數(shù)值，包括均值(mean)、標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)、熵值(entropy)、偏度值(skewness)、峰值(kurtosis)及正像素均值(mean of positive pixels，MPP)共6個(gè)參數(shù)[10-13]。圖像濾波處理通過選擇不同的空間縮放因子(spatial scaling factor，SSF)來實(shí)現(xiàn) ，代表經(jīng)濾過器突出顯示的圖像特征的大小，以主體的濾過半徑(通常取值為0、2、3、4、5和6 mm)表示[10,13]。SSF=0為無濾過；SSF=2表示經(jīng)濾過，顯示圖像特征為良好；SSF=3～5表示經(jīng)濾過，顯示圖像特征為中等；SSF=6表示經(jīng)濾過，顯示圖像特征為粗糙[10]。測(cè)量并記錄不同的SSF值時(shí)兩期圖像上病灶的各項(xiàng)紋理參數(shù)值。

4.統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用中位數(shù)及四分位數(shù)間距表示。采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)比較平掃及門靜脈期圖像上各項(xiàng)紋理參數(shù)值在K-ras基因突變(+)組和無突變(-) 組間的差異，P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC)來評(píng)估各項(xiàng)紋理參數(shù)對(duì)判斷直腸癌患者有無K-ras基因突變的效能。

結(jié) 果

在CT平掃和增強(qiáng)掃描靜脈期圖像上不同SSF獲得的兩組病灶的6項(xiàng)紋理參數(shù)值見表1～2、圖1～4，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表3～4。在CT平掃圖像上，僅熵值在SSF值取2～4時(shí)，在兩組間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值分別為0.005、0.033和0.030)；在不同SSF值圖像上其它紋理參數(shù)值在兩組間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。在CT增強(qiáng)門靜脈期圖像上，在不同的SSF值圖像上各項(xiàng)紋理參數(shù)值在兩組間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表2 CT增強(qiáng)圖像上不同SSF值時(shí)的各項(xiàng)紋理參數(shù)值

注：表格內(nèi)紋理參數(shù)值不符合正態(tài)分布，故以“中位數(shù)(四分位數(shù)間距)”表示。

表3 兩組病變?cè)谄綊逤T圖像上的紋理參數(shù)值的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

表4 兩組病變?cè)谠鰪?qiáng)CT圖像上的紋理參數(shù)值的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

在平掃CT圖像上熵值的ROC曲線分析結(jié)果見表5、圖5。當(dāng)SSF=2，熵的界值取4.245時(shí)的ROC曲線下面積(area under curve，AUC)最大 ，相應(yīng)的診斷敏感度及特異度均為73.3%；當(dāng)SSF=3，熵的界值取4.095時(shí)AUC最大，診斷敏感度及特異度分別為80.0%和61.1%；當(dāng)SSF=4，熵的界值取4.205時(shí)AUC最大，診斷敏感度為73.3%、特異度為72.2%。

表5 熵值在CT平掃不同SSF條件下的ROC曲線分析

討 論

分子靶向治療是針對(duì)腫瘤組織靶點(diǎn)的一種特異性治療方法，可以提高治療效果并減少副作用、改善患者預(yù)后，是目前腫瘤治療的熱點(diǎn)領(lǐng)域。多項(xiàng)研究表明西妥昔單抗聯(lián)合化療能有效延長直腸癌K-ras野生型患者的生存期[15-17]。因此，K-ras基因的檢測(cè)對(duì)于直腸癌患者顯得尤為重要。

對(duì)于腫瘤組織的基因突變，影像學(xué)檢查是否能提供有益的幫助呢？目前常用的臨床影像檢查方法，包括CT、MRI以及PET-CT檢查，其獲得的影像數(shù)據(jù)主要以圖像的形式由診斷醫(yī)生進(jìn)行閱片分析，可利用的信息包括CT掃描的CT值、MRI上的信號(hào)強(qiáng)度以及PET-CT的標(biāo)準(zhǔn)攝取值(standard uptake value，SUV)，這些信息是比較有限的。而最近提出的影像組學(xué)(Radiomics)是一次對(duì)影像圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘的革命，被視為介于臨床與基因之間的第二層重要數(shù)據(jù)，并且已廣泛應(yīng)用于各類疾病的研究中，尤其是在腫瘤的診斷、治療和預(yù)后等方面的研究中，為腫瘤的精準(zhǔn)治療提供了新的依據(jù)。

圖1 男，75歲，直腸癌K-ras突變型。a) CT平掃圖像，顯示直腸壁不均勻增厚(箭)； b) 平掃圖像ROI內(nèi)所有紋理參數(shù)的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征良好； c) 平掃圖像ROI內(nèi)所有紋理參數(shù)的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征中等； d) 平掃圖像ROI內(nèi)所有紋理參數(shù)的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征粗糙； e) 增強(qiáng)CT圖像，顯示異常增厚的直腸壁明顯強(qiáng)化(箭)； f) 增強(qiáng)掃描ROI內(nèi)所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征良好； g) 增強(qiáng)掃描ROI內(nèi)所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征中等； h) 增強(qiáng)掃描ROI內(nèi)所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征粗糙。 圖2 男，57歲，直腸癌K-ras野生型。a) CT平掃圖像，顯示直腸壁環(huán)周增厚，腸腔狹窄(箭)； b) 平掃圖像ROI內(nèi)所有紋理參數(shù)的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征良好； c) 平掃圖像ROI內(nèi)所有紋理參數(shù)的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征中等； d) 平掃圖像ROI內(nèi)所有紋理參數(shù)的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征粗糙； e) 增強(qiáng)CT圖像，顯示環(huán)周增厚的直腸壁明顯強(qiáng)化(箭)； f) 增強(qiáng)掃描ROI內(nèi)所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征良好； g) 增強(qiáng)掃描ROI內(nèi)所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征中等； h) 增強(qiáng)掃描ROI內(nèi)所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征粗糙。

圖3 CT平掃不同SSF條件下熵值的ROC曲線。a)SSF=2；b)SSF=3；c)SSF=4。

紋理分析技術(shù)作為目前影像領(lǐng)域的新星，最大的亮點(diǎn)在于通過采用特殊的算法，根據(jù)不同的濾過半徑，來提取一系列基于像素灰度空間分布、人眼所無法辨識(shí)的定量紋理參數(shù)，如熵值、偏度值、峰值等，它能夠深度挖掘原始圖像的數(shù)據(jù)信息，從而能更加全面、細(xì)致地反映病灶的特點(diǎn)[18]，為影像組學(xué)的實(shí)現(xiàn)提供了媒介。已經(jīng)有較多研究結(jié)果表明，紋理分析技術(shù)可以對(duì)腫瘤組織的特性做出較為準(zhǔn)確的判斷[19-21]。

對(duì)于直腸癌患者，腹盆部CT增強(qiáng)檢查是臨床上最常用的檢查手段，可用于判斷病灶位置、侵犯范圍、周圍淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移等情況。本實(shí)驗(yàn)擬探討CTTA用于預(yù)測(cè)直腸癌患者是否伴K-ras基因突變的可行性，研究結(jié)果表明，直腸癌患者行平掃CT檢查時(shí)，當(dāng)濾過條件為良好和中等時(shí)(SSF=2～4)，K-ras野生型組中病灶的熵值均高于突變組(P<0.05)，而其它紋理參數(shù)值(均值，標(biāo)準(zhǔn)差，正像素均值，偏度值，峰值)在兩組患者間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。反觀CT增強(qiáng)圖像(本實(shí)驗(yàn)中指門靜脈期圖像)，任意SSF值條件下各項(xiàng)紋理參數(shù)的值在野生型及突變型之間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。這一結(jié)果表明，應(yīng)用紋理分析技術(shù)鑒別直腸癌患者有無K-ras基因突變時(shí)，對(duì)比劑的使用并不能為鑒別診斷提供更多信息，可能是對(duì)比劑的使用使得圖像的灰度重新分布，從而產(chǎn)生的結(jié)果也不盡相同。由此可見，我們可以僅通過CT平掃圖像提取病灶的紋理特征參數(shù)(熵值)來對(duì)直腸癌患者是否表達(dá)K-ras基因做出初步診斷。

Lovinfosse等[22]在使用PET-CT分析直腸癌K-ras基因突變的研究中發(fā)現(xiàn)，K-ras突變型患者的最大標(biāo)準(zhǔn)攝取值(maximum standardized uptake value，SUVmax)高于野生型。Kwada等[23]分析了PET-CT圖像上結(jié)直腸癌伴肝轉(zhuǎn)移患者的K-ras基因突變的情況，結(jié)果顯示，當(dāng)肝臟病灶直徑大于10 mm時(shí)，K-ras突變型患者的SUVmax高于野生型。而本研究利用平掃CT圖像結(jié)合紋理分析技術(shù)即可鑒別直腸癌患者有無K-ras突變，相對(duì)PET-CT而言，檢查成本顯著減低、方法簡單易行，更有臨床推廣價(jià)值。

本實(shí)驗(yàn)的局限性在：入組病例數(shù)相對(duì)較少；僅對(duì)病灶最大截面的單幀CT圖像上的紋理特點(diǎn)進(jìn)行分析，未能夠?qū)Σ∽冞M(jìn)行三維建模、以獲取更多的容積紋理信息。上述不足之處有望在下一步研究中得到改進(jìn)和完善。

綜上所述，CT圖像結(jié)合紋理分析技術(shù)對(duì)直腸癌患者有無K-ras基因突變具有一定的鑒別診斷價(jià)值。尤其是在CT平掃圖像上當(dāng)濾過半徑為2～4 mm時(shí)，熵值具有較高的鑒別診斷效能。表明CT平掃即可對(duì)直腸癌患者有無K-ras基因突變提供判斷依據(jù)，較之CT增強(qiáng)檢查，減少了對(duì)比劑的攝入，從而也降低了對(duì)比劑腎毒性損害的發(fā)生率[24]，對(duì)患者而言，受益頗多。

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FeasibilityofdetectingK-rasmutationsinrectalcancerbyCTtextureanalysis

WANG Guo-rong,WANG Zhi-wei,XUE Hua-dan,et al.

Department of Radiology,Peking Union Medical College Hospital,Beijing 100730,China

Objective:To investigate the feasibility of using CT texture analysis (CTTA) to differentiate mutated K-ras from wild-type in rectal cancer.MethodsCT unhanced and enhanced images were reviewed retrospectively in 33 cases,18 of which had K-ras mutation,of rectal carcinoma confirmed by operation and pathology.We placed a ROI on selected axial image (the non-enhanced and portal phase image in the same slice of lesion) by using TexRad,and then a series of quantitive paremeters based on different spatial scaling factor (SSF=0 and 2～6) were extracted,including mean,standard deviation (SD),entropy,mean of positive pixels (MPP),skewness and kurtosis.All texture parameters were compared between K-ras mutated group and wild-type group.ResultsFor unenhanced CT,patients who are without K-ras mutation exhibited higher entropy in the condition of different SSF(SSF=2～4; K-ras wild-type group vs mutated group:4.3,4.2,4.3 vs 4.1,4.0,4.0;P<0.05).When SSF was 2,the value of entropy was 4.245,the sensitivity and specificity both was 73.3%;SSF was 3,the value of entropy was 4.095,the sensitivity and specificity was 80.0% and 61.1%，respectively;SSF was 4,the value of entropy was 4.205,the sensitivity and specificity was 73.3% and 72.2%.As for portal phase imagies,there was no significant difference between the two groups.ConclusionCTTA could contribute to differentiating K-ras mutated from wild-type in carcinoma of the rectum,especially in nonenhanced CT image.

Rectal cnacer； Texture analysis； Tomography，X-ray computed； K-ras mutaition

100730 北京，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院放射科(王國蓉，王志偉，薛華丹，金征宇)，病理科(吳煥文)

王國蓉(1992-)，女，山西朔州人，碩士研究生，主要從事腫瘤功能成像研究工作。

王志偉，E-mail：zhiweiwang1981@sina.com

國家自然科學(xué)基金(81401496)

R735.3； R814.42

A

1000-0313(2017)12-1215-06

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.12.002

2017-10-30

2017-11-20)