18F-FDG PET/CT紋理分析預(yù)測(cè)局部晚期直腸癌新輔助放化療療效的價(jià)值

鄭營(yíng)營(yíng)，徐俊彥，張建平,4, 盛偉琪，張勇平，王明偉，章英劍

1.復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海200032；

2.復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)影像研究中心，上海200032；

3.上海分子影像探針工程技術(shù)研究中心，上海200032；

4.核物理與離子束應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433；

5.復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院病理科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032

結(jié)直腸癌是臨床上常見(jiàn)的惡性腫瘤，在整體惡性腫瘤的發(fā)病率中居第三位［1］。近幾年隨著檢查技術(shù)的提高以及個(gè)體化治療理念的實(shí)施，結(jié)直腸癌早期檢出率相應(yīng)提高，結(jié)直腸癌總體死亡率明顯降低［2］。但是局部晚期直腸癌術(shù)后復(fù)發(fā)率高、預(yù)后差，新輔助放療聯(lián)合手術(shù)根治性切除聯(lián)合輔助化療是局部晚期結(jié)直腸癌的標(biāo)準(zhǔn)治療方法。術(shù)前新輔助放化療可以提高其局部控制率及手術(shù)保留括約肌幾率，明顯改善患者預(yù)后并提高患者的生存質(zhì)量，準(zhǔn)確的療效評(píng)估不僅對(duì)后續(xù)的個(gè)體化治療具有重要的指導(dǎo)作用，還有明顯的預(yù)后預(yù)測(cè)價(jià)值。大量的研究探索了利用18F-FDG PET/CT代謝相關(guān)參數(shù)預(yù)測(cè)新輔助放化療局部晚期直腸癌（locally adcanced rectal cancer，LARC）患者的生存期和病理反應(yīng)，但結(jié)果存在爭(zhēng)議［3-6］。最近有研究利用放射組學(xué)方法評(píng)估新輔助治療療效得到了良好的效果［7-8］。放射組學(xué)紋理分析主要通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算、分析，最終評(píng)價(jià)圖像中的灰度、濃聚程度和像素的位置來(lái)反應(yīng)腫瘤內(nèi)異質(zhì)性［9］。腫瘤異質(zhì)性包括腫瘤內(nèi)異質(zhì)性和腫瘤間異質(zhì)性［10］，主要與血管生成、增殖及乏氧有關(guān)［11］。本文旨在探討紋理分析方法對(duì)LARC患者新輔助放化療療效的預(yù)測(cè)價(jià)值。

1 資料和方法

1.1 患者資料

本研究回顧性分析了2009年7月—2011年11月間臨床診斷為T(mén)3-4和（或）N+LARC患者48例，其中男性39例，女性9例，平均年齡（52.9±9.7）歲。所有患者均接受總劑量為（50～55）Gy/25次/5周的術(shù)前放療，同期卡培他濱（625 mg/m2，每天2次，每周1～5 d，共5周）和奧沙利鉑（85 mg/m2，每周1次，共5周）化療，并在治療前、后1周內(nèi)行18F-FDG PET/CT顯像。

1.2 病理評(píng)價(jià)

所有患者在新輔助放化療結(jié)束后6～8周全部行手術(shù)治療，由兩位經(jīng)驗(yàn)豐富的病理科醫(yī)師獨(dú)立評(píng)估患者的手術(shù)標(biāo)本，并根據(jù)Dworak等［12］提出的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)腫瘤退縮程度進(jìn)行分級(jí)（grade of tumor regression，TRG）。

0級(jí)：無(wú)消退。1級(jí)：主要腫塊出現(xiàn)明顯的纖維化和（或）血管病變。2級(jí)：少部分細(xì)胞發(fā)生主要纖維化改變（很容易區(qū)分）。3級(jí)：在纖維組織中發(fā)現(xiàn)，伴或不伴黏液極少腫瘤細(xì)胞（顯微鏡下很難發(fā)現(xiàn)）。4級(jí)：沒(méi)有腫瘤細(xì)胞，只有纖維組織塊（完全消退或反應(yīng)）。

本研究根據(jù)TRG分級(jí)將患者分為無(wú)反應(yīng)組（TRG0～2級(jí)）和有反應(yīng)組（TRG3～4級(jí)）［7］。

1.3 顯像方法

18F-FDG 由本科室回旋加速器及其合成模塊生產(chǎn)。所有患者禁食6 h，并于治療前測(cè)量血糖水平低于10 mmol/L。18F-FDG（7.4 MBq/kg）注射后平靜休息1 h，CT采集大腿近端至頭部，電壓120 kV，電流80～250 mA，螺距3.6，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s。結(jié)束后行PET同機(jī)掃描，范圍與CT相同，2 min/床位。我們采用OSEM算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，并經(jīng)CT衰減校正后得到PET/CT融合圖像。

1.4 圖像分析及數(shù)據(jù)處理

PET/CT圖像由兩位資深核醫(yī)學(xué)科醫(yī)師獨(dú)立閱片，腫瘤區(qū)域內(nèi)大于40%最大攝取值（maximal standard uptake，SUVmax）被定義為腫瘤靶區(qū)的輪廓邊緣，由軟件自動(dòng)勾畫(huà)并獲取腫瘤代謝體積（metabolic tumor volume，MTV）。

紋理分析參數(shù)的獲得主要包括兩步，第一步，將腫瘤感興趣區(qū)內(nèi)的體素矩陣化；第二步，通過(guò)對(duì)提取出的矩陣元加權(quán)從而獲得紋理特征參數(shù)，上述兩步均由改編后Matlab軟件自動(dòng)完成。共提取了72個(gè)特征，其中歸一化共生矩陣（a normalized gray-level co-occurrence matrix，NGLCM)生成的熵（entropy）和對(duì)比度參數(shù)（contrast）以及局部灰度差分矩陣（a neighborhood gray-tone difference matrix，NGTDM）生成的粗糙度參數(shù)（coarseness）用以分析單變量預(yù)測(cè)療效的研究。利用支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）方法分析了所有的72個(gè)參數(shù)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。所有連續(xù)變量均表示為±s，紋理分析的變量分析采用Kruskal-Wallis 單因素方差分析，采用受試者工作特征曲線(xiàn)（receiver operator characteristic curve，ROC）預(yù)測(cè)紋理分析的診斷效能，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。基于R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)SVM方法，首先對(duì)變量去冗余降維，然后對(duì)剩余的獨(dú)立變量通過(guò)kernlab包中的ksvm函數(shù)構(gòu)建模型，將80%數(shù)據(jù)做為訓(xùn)練集，20%的數(shù)據(jù)做為測(cè)試集，分別選擇vanilladot和tanhdot作為核函數(shù)。

2 結(jié) 果

2.1 患者特征

48例入組患者的基本信息如表1所示，不同TRG分級(jí)病例數(shù)目如下：無(wú)TRG0，TRG1為7例（14.6%），TRG2為21例（42.0%），TRG3為10例（20.0%），TRG4為10例（20.8%）。由此，有反應(yīng)組20例（41.7%），無(wú)反應(yīng)組28例（58.3%）。

2.2 SUVmax、MTV、紋理特征的ROC曲線(xiàn)分析

2.3 SVM方法預(yù)測(cè)結(jié)果

通過(guò)相關(guān)性過(guò)濾降維，最終將變量壓縮到9和10個(gè)。通過(guò)PET1和PET2數(shù)據(jù)構(gòu)建的SVM模型獲得的靈敏度分別為25.00%和57.14%，特異度均為100%，有反應(yīng)預(yù)測(cè)率均為100%，無(wú)反應(yīng)預(yù)測(cè)率為53.85%和66.67%，總的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為60.00%和76.92%。

3 討 論

新輔助放化療聯(lián)合手術(shù)治療及術(shù)后化療已成為目前LARC的治療規(guī)范，然而原發(fā)灶治療后的病理反應(yīng)必須通過(guò)手術(shù)才能獲得，如能早期通過(guò)可靠的影像學(xué)手段準(zhǔn)確評(píng)估原發(fā)灶的退縮情況，對(duì)退縮良好的患者將有可能縮小手術(shù)范圍甚至避免根治性手術(shù)［13］，另一方面對(duì)新輔助放化療不敏感無(wú)病理緩解的患者可盡早更換治療方案［14］。臨床上個(gè)體化治療的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)新輔助治療的反應(yīng)，既往實(shí)體瘤的反應(yīng)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（Response Evaluation Criteria in Solid Tumors，RECIST）主要依賴(lài)治療后形態(tài)學(xué)的改變，但是我們?cè)谂R床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其對(duì)部分病例似乎不能準(zhǔn)確評(píng)估病灶活性的變化［15］。

18F-FDG PET/CT是臨床上常規(guī)使用的代謝顯像方式，相比于傳統(tǒng)影像學(xué)檢查，在評(píng)估腫瘤療效反應(yīng)中更具優(yōu)勢(shì)。SUVmax是最常用的PET/CT半定量分析參數(shù)，然而它僅代表了腫瘤中代謝最高部分的代謝活性，卻不能反映腫瘤的整體情況，所以有研究者引入另一些參數(shù)如SUVmean、MTV和總糖酵解量（total lesion glycolysis，TLG）等。我們的研究表明，治療前原發(fā)灶SUVmax不能區(qū)分直腸癌新輔助治療后的病理反應(yīng)，這與多項(xiàng)研究的結(jié)果一致［16-17］。治療后的原發(fā)灶SUVmax在療效預(yù)測(cè)中的價(jià)值存在爭(zhēng)議［17-18］，我們的研究表明其不能預(yù)測(cè)治療反應(yīng)，研究結(jié)果的差異可能與臨床療效反應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同有關(guān)，如完全反應(yīng)、部分反應(yīng)、病情穩(wěn)定、病情進(jìn)展、降期和TRG；另一個(gè)原因可能與納入的病例數(shù)目有關(guān)。有多項(xiàng)研究利用MTV預(yù)測(cè)腫瘤治療療效，認(rèn)為MTV相較于SUVmax值有更好的預(yù)測(cè)價(jià)值［19-20］，然而本研究顯示無(wú)論利用治療前還是治療后的MTV均無(wú)法對(duì)直腸癌新輔助放化療病理反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。本中心在前期研究中發(fā)現(xiàn)治療前與手術(shù)前MTV及TLG的變化率可預(yù)測(cè)直腸癌新輔助放化療后病理反應(yīng)，可區(qū)分病理反應(yīng)者與無(wú)反應(yīng)者［21］，但本研究?jī)H納入新輔助放化療治療前（PET1）及治療后（PET2）早期PET/CT顯像數(shù)據(jù)，治療后早期受放療炎癥干擾可能影響真正有活性范圍的勾畫(huà)，故未發(fā)現(xiàn)MTV的預(yù)測(cè)價(jià)值。

紋理分析是腫瘤內(nèi)異質(zhì)性分析的一種新方法，它主要通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)反映圖像中像素或體素的灰度與其位置的關(guān)系。腫瘤內(nèi)異質(zhì)性主要表現(xiàn)為基因和表觀遺傳狀態(tài)、基因和蛋白表達(dá)以及形態(tài)結(jié)構(gòu)的多樣性，從而對(duì)腫瘤診斷、治療和預(yù)后方面帶來(lái)挑戰(zhàn)［10］。目前紋理分析已用于頭頸部腫瘤、食管癌、肺癌的療效預(yù)測(cè)及腫瘤內(nèi)異質(zhì)性分析等［8，22］。

有研究［10］發(fā)現(xiàn)基于PET/CT紋理分析參數(shù)（Δ%熵、Δ%粗糙度參數(shù)）能有效區(qū)分人表皮生長(zhǎng)因子受體2（human epidermal growth factor receptor 2，HER-2）和非病理完全緩解。有研究表明紋理分析參數(shù)與LARC疾病特異性生存期及無(wú)進(jìn)展生存期均有明顯相關(guān)性，并且粗糙度參數(shù)值越大，治療結(jié)果越差［7］，該研究多因素分析顯示TLG是新輔助放化療病理反應(yīng)的重要預(yù)測(cè)因子，單因素分析顯示紋理分析的大部分參數(shù)均與療效顯著相關(guān)，但本研究?jī)H發(fā)現(xiàn)對(duì)比度參數(shù)2與病理反應(yīng)相關(guān)（P=0.038），可區(qū)分病理反應(yīng)組與無(wú)反應(yīng)組，可能與樣本量的差異有關(guān)。

通常對(duì)比度參數(shù)反映圖像的清晰度和紋理的溝紋深淺，圖像中有明顯的溝紋則值較大；熵反應(yīng)圖像中的信息量，如果圖像中紋理非常少，那么熵的值接近于0；粗糙度參數(shù)則反應(yīng)圖像中的粒度，如果圖像的組成區(qū)域非常大，其值則非常大，表明灰度改變非常小。本研究顯示紋理分析參數(shù)熵和粗糙度參數(shù)不能區(qū)分病理反應(yīng)組與無(wú)反應(yīng)組。

本研究還使用了SVM方法，該法屬于機(jī)器學(xué)習(xí)常用的方法，能有效避免當(dāng)前采用單因素分析時(shí)，但沒(méi)有考慮包括潛在混雜因素的多變量影響，也沒(méi)有進(jìn)行多重測(cè)試的校正，并且沒(méi)有通過(guò)交叉驗(yàn)證的魯棒性驗(yàn)證。相較于單因素分析，基于SVM模型的分析對(duì)于療效評(píng)價(jià)更有價(jià)值，無(wú)論P(yáng)ET1還是PET2，其有反應(yīng)預(yù)測(cè)率均為100%。

本研究證實(shí)局部晚期直腸癌新輔助放化療后1周內(nèi)PET/CT圖像紋理分析對(duì)療效具有一定的預(yù)測(cè)價(jià)值，但有效的紋理分析參數(shù)constrast 2的診斷效能尚不完善，其AUC為0.677；通過(guò)SVM建模方法分析，有反應(yīng)預(yù)測(cè)率高達(dá)100%。