CT紋理分析對局部晚期胰腺癌化療療效的預(yù)測價值

林春苗 陳軍法 文陽 余苔痕 徐健

胰腺癌是世界上最致命的疾病之一，5年生存率＜10%[1]，手術(shù)切除是唯一可行的治療方法。然而，大多數(shù)患者診斷太晚，失去了手術(shù)切除的機會[2]。越來越多的證據(jù)表明，對于局部晚期胰腺癌（local advanced pancreatic cancer，LAPC）患者，新輔助化療（neoadjuvant chemotherapy，NACT）不僅可以降低腫瘤的分期，提高腫瘤的可切除性，使其生存率與原發(fā)性可切除疾病患者相似，而且還可以在病程早期治療微轉(zhuǎn)移癌[3-5]。由于對化療結(jié)果的不確定性，腫瘤可能在化療手術(shù)間隔期內(nèi)進展，有研究認(rèn)為，對于那些對化療沒有反應(yīng)的患者，應(yīng)直接選擇手術(shù)[6-8]。因此，確定哪些LAPC患者更可能從姑息性化療中獲益具有臨床意義[9]。近年來，CT紋理分析（computed tomography texture analysis，CTTA）因其在腫瘤內(nèi)異質(zhì)性特征值成像方面的優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注，已被用于評估惡性腫瘤患者的腫瘤復(fù)發(fā)、對化療和放療的敏感性[10-13]。初步研究表明，CTTA可用于評估胰腺癌患者的總體生存期[14]。對于進行NACT的LAPC患者，很少有人使用化療前CTTA評估其對化療的敏感性。為此，本研究通過分析化療前CT紋理特征，探討CTTA對LAPC患者化療療效的預(yù)測價值。

1 對象和方法

1.1 對象 收集2015年8月至2019年5月在浙江省人民醫(yī)院肝膽胰外科行NACT治療的LAPC患者104例，其中男78例，女26例；年齡35～79歲，中位年齡58.5歲；胰頭癌46例，胰體癌21例，胰尾癌37例；均未發(fā)現(xiàn)遠處轉(zhuǎn)移。根據(jù)化療結(jié)果，將化療后完全緩解、部分緩解、好轉(zhuǎn)和穩(wěn)定的35例患者納入有效組（EG組），將化療后病變進展的69例患者納入進展組（PG組）?；熀笸耆徑猓核锌梢姴∽兺耆Р⒅辽倬S持4周以上；部分緩解：腫瘤病灶的最大徑及其最大垂直徑的乘積減少50%以上，維持4周以上；好轉(zhuǎn)：腫瘤病灶的上述乘積減少25%以上，但＜50%，無新病灶出現(xiàn)，維持4周以上；穩(wěn)定：靶病灶上述乘積減少未達部分緩解，或增大未達病變進展；病變進展：腫瘤病灶的上述乘積增大＞25%，或出現(xiàn)新病灶。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）其他臟器轉(zhuǎn)移者；（2）CT檢查前放置膽道支架偽影較明顯者；（3）未能如期完成既定化療方案者。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審批通過，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 CT檢查 采用Siemens Definition AS 40層螺旋CT儀，采集平掃及三期增強掃描影像，管電壓120kV，管電流210mAs。使用體重個體化對比劑方案，碘負(fù)荷為450mgI/kg，以維持30s恒定注射時間的速率注射非離子型碘對比劑碘佛醇（350mgI/ml）。注射對比劑75s后獲得門靜脈期。所有患者均行3次CT檢查，第一次在化療開始前1周內(nèi)，評估腫瘤分期；第二次在化療第3周，評估早期治療反應(yīng)；第三次在化療結(jié)束后4周左右，監(jiān)測治療反應(yīng)。如果第三次CT檢查顯示病灶縮小超過25%，血管間隙再次出現(xiàn)，多學(xué)科協(xié)作團隊（MDT）小組將對患者進行評估，以確定是否應(yīng)進行手術(shù)。選取患者的第一次靜脈期掃描圖像進行CTTA。

1.3 CTTA流程

1.3.1 腫瘤分割 由2位具有10年以上腹部CT診斷經(jīng)驗的放射科醫(yī)生獨立完成CT圖像的手動分割。沿著腫瘤區(qū)域在不同層上手動繪制感興趣區(qū)域（region of interest，ROI），繪制每個 ROI時，特別注意避免胰周血管。CT平掃和動脈期檢查作為參考，以確保準(zhǔn)確的ROI定位準(zhǔn)確，見圖1（插頁）、圖2。

圖1 沿著腫瘤區(qū)域手動描繪繪制ROI（圖示紅色部分）

圖2 ROI獨立顯示

1.3.2 紋理特征計算 首先，將EG組和PG組的原始CT靜脈期掃描數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入Anolysis Kit軟件（A.K，GE Healthcare中國）中，然后批量導(dǎo)入胰腺癌的 ROI。在參數(shù)選擇窗口中選擇相應(yīng)的特征參數(shù)，包括直方圖、形狀參數(shù)、灰度共生矩陣（grey level co-occurrence matrix，GLCM）、Haralick等。直方圖特征主要是通過對病變區(qū)域灰度或亮度信息的統(tǒng)計，進而研究病變區(qū)域灰度信息的整體分布。形狀參數(shù)主要用數(shù)學(xué)方法描述病變區(qū)域的形狀特征，并試圖描述病灶的形狀緊致性。GLCM以不同方向和概率的統(tǒng)計像素為特征得到共生矩陣，然后量化共生矩陣的分布，以描述病灶的復(fù)雜性、變化程度、紋理粗細(xì)度等信息[15-16]。Haralick的特征也是基于GLCM 提取相應(yīng)的特征，選擇了有 4 個方向（0°、45°、90°、135°）的 GLCM，步長為 1，然后計算平均值的總和[15-16]。經(jīng)過計算，LAPC化療前數(shù)據(jù)提取了389個特征。為每例受試者數(shù)據(jù)添加表示 PG組和EG組的標(biāo)簽“0”和“1”。

1.3.3 紋理特征選擇及模型構(gòu)建 將所有研究對象按7:3分為訓(xùn)練組和測試組，根據(jù)LAPC計算特征，基于訓(xùn)練組數(shù)據(jù)分別進行了兩次特征選擇。預(yù)處理分為3步：（1）用均值代替了異常值；（2）隨機劃分設(shè)置訓(xùn)練組占比0.7，測試組占比0.3；（3）通過標(biāo)準(zhǔn)化的方法消除每個特征列的單位限制。特征選擇步驟如下：（1）采用兩獨立樣本t檢驗得出PG組和EG組組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義的特征，再從預(yù)處理后數(shù)據(jù)中使用秩和檢驗選擇出差異有統(tǒng)計學(xué)意義的特征，然后將兩獨立樣本t檢驗和秩和檢驗各自選出的特征并集。（2）采用Spearman秩相關(guān)分析進一步降維。將篩選的閾值設(shè)置為0.9，并采用Spearman秩相關(guān)在任意兩個特征列之間進行相關(guān)性分析；當(dāng)相關(guān)系數(shù)＞0.9時，去除掉兩個高度相關(guān)的特征之一。（3）對提取的紋理特征使用LASSO算法并采用交叉驗證方法對特征進行降維，該方法適用于高維數(shù)據(jù)的回歸分析。在線性回歸函數(shù)中加入L1懲罰項，使部分回歸系數(shù)變?yōu)?，從而達到降維的效果。對降維后特征集采用logistic回歸構(gòu)建影像組學(xué)預(yù)測模型并獲得每例患者標(biāo)簽分?jǐn)?shù)值以反映化療療效。根據(jù)訓(xùn)練組預(yù)測模型公式計算測試組標(biāo)簽分?jǐn)?shù)值，最后采用ROC曲線分別評判訓(xùn)練組和測試組的診斷準(zhǔn)確性。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件。計量資料以表示，組間比較采用兩獨立樣本t檢驗。計數(shù)資料組間比較采用χ2檢驗。紋理特征選擇及模型構(gòu)建中使用的統(tǒng)計學(xué)方法均為 A.K軟件自帶的統(tǒng)計方法。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 化療后結(jié)局 化療后35例患者病灶縮小超過25%。MDT小組討論后行外科切除，其中30例行切緣陰性切除，5例行切緣陽性切除；其余69例未行手術(shù)治療。

2.2 紋理特征選擇結(jié)果 LAPC總共提取了389個紋理特征，應(yīng)用單因素方差分析和秩和檢驗后還剩192個紋理特征，Spearman秩相關(guān)分析后剩下75個紋理特征，使用LASSO降維后最終選擇的紋理特征數(shù)為10個。10個紋理特征參數(shù)包括“最大信號強度（Max Intensity）”、“變換后形成的正態(tài)曲線內(nèi)0.975分位處的數(shù)值（Quantile 0.975）”、“熵（GLCMEntropy_angle90_offset7）”、“灰度共生矩陣特征值（HaralickCorrelation_AllDirection_offset1；HaralickCorrelation_AllDirection_offset1_SD）”、“慣性特征值（Inertia_AllDirection_offset4；Inertia_angle45_offset1；Inertia_AllDirection_offset1_SD；Inertia_AllDirection_offset7_SD）、“大區(qū)域灰度優(yōu)勢（LargeArea-Emphasis）”，見圖 3-4（插頁）。

圖3 胰腺癌的相關(guān)性分析圖

圖4 胰腺癌LASSO降維圖（a：LASSO系數(shù)圖；b：錯誤率曲線圖）

2.3 紋理特征提取的可重復(fù)性 基于兩次測量的醫(yī)師A計算的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）值為0.87～0.92，第1次測量的醫(yī)師A和醫(yī)師B之間的組間ICC值一致性范圍為0.82～0.88，提示紋理特征提取在組內(nèi)和組間具有較高的一致性。

2.4 模型建立結(jié)果 LAPC化療療效模型在分類器的構(gòu)建過程中，選擇的方法是logistic回歸模型，所選特征數(shù)為 10。分類模型的評價指標(biāo)的準(zhǔn)確性、AUC、特異度、靈敏度、陽性預(yù)測值和陰性預(yù)測值分別為0.69、0.86、0.78、0.85、0.68 和 0.72，見圖 5（插頁）。訓(xùn)練組和測試組AUC很接近，提示LAPC化療療效模型的擬合度較好。

圖5 LAPC化療療效模型（a：訓(xùn)練組的ROC曲線；b：測試組的ROC曲線；c：影像組學(xué)評分；綠色代表EG，黃色代表PG，水平線以下的綠色區(qū)域和以上的黃色區(qū)域代表了正確的預(yù)測，水平線以上的綠色區(qū)域和以下的黃色區(qū)域代表了錯誤的預(yù)測）

3 討論

本研究在EG組和PG組中應(yīng)用A.K軟件進行特征提取并選擇與LAPC生存期密切相關(guān)的高階特征，基于這些高階特征建立區(qū)分EG組和PG組的基于LAPC化療后預(yù)后的 logistic回歸模型。從logistic回歸模型的ROC曲線可以看出，構(gòu)建的紋理分類模型顯示出了較好的診斷價值。模型的評價指標(biāo)準(zhǔn)確性和AUC值顯示，預(yù)測LAPC化療后療效的診斷價值較高。

CTTA已用于預(yù)測胰腺癌、肺癌、食管癌、腎癌、結(jié)直腸癌等的預(yù)后或治療反應(yīng)[17-22]。Kumar等[14]研究發(fā)現(xiàn)CT紋理的特征與胰腺癌（特別是LAPC）的總體生存率顯著相關(guān)。目前一些模型構(gòu)建和機器學(xué)習(xí)的方法也逐漸成為紋理學(xué)研究的熱點，部分研究針對乳腺癌、直腸癌化療的療效預(yù)測建立了相應(yīng)的預(yù)測模型[23-24]。然而，在胰腺癌的紋理研究中，對于模型構(gòu)建和機器學(xué)習(xí)的方法鮮有涉及。本研究應(yīng)用LAPC CT紋理特征建立模型來區(qū)分化療療效，查閱國內(nèi)外文獻少見相關(guān)報道。

本研究選擇的10個特征參數(shù)反映了EG組和PG組在圖像灰度值分布、紋理特征及空間異質(zhì)性等方面的差異。筆者將分別對每組中數(shù)值變化較大的特征參數(shù)進行分析。“MaxIntensity”“Quantile0.975”是直方圖參數(shù)，是以定量的方式描述、比較了不同療效胰腺癌生物指標(biāo)的分布?；叶戎狈綀D分析在紋理分析中應(yīng)用較廣。沈力等[25]認(rèn)為胰腺癌為乏血供腫瘤，胰腺癌間質(zhì)纖維化的基礎(chǔ)是胰腺星形細(xì)胞增生及細(xì)胞外基質(zhì)合成增多，腫瘤的相關(guān)性纖維化越多則腫瘤的侵襲性越強，惡性程度越高。本研究直方圖參數(shù)中“MaxIntensity”值越低表示腫瘤灰度越均一，提示相關(guān)性纖維化越少，對化療的敏感性越高?！癎LCMEntropy_angle90_offset7”“HaralickCorrelation_AllDirection_offset1”“Inertia_AllDirection_offset4”“Inertia_angle45_offset1”“HaralickCorrelation_AllDirection_offset1_SD”“Inertia_AllDirection_offset1_SD”“Inertia_AllDirection_offset7_SD”這7個是GLCM參數(shù)，描述了不同療效胰腺癌微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、變化程度和紋理粗細(xì)度與圖像灰度及對比度相關(guān)性等信息?！癐nertia_angle45_offset1”“HaralickCorrelation_AllDirection_offset1_SD”“Inertia_AllDirection_offset1_SD”“Inertia_All-Direction_offset7_SD”這4個值越低則反映腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性越高，可能與胰腺癌中含有大量的纖維化及黏液基質(zhì)有關(guān)。王中蘭等[26]認(rèn)為腫瘤異質(zhì)性是患者重要的預(yù)后因素，可以評價治療反應(yīng)、改進治療方案。近年研究證明CTTA能夠無創(chuàng)性的量化腫瘤整體異質(zhì)性，腫瘤惡性程度越高，異質(zhì)性越高，對藥物的抵抗作用增加，預(yù)后越差。“LargeAreaEmphasis”是GLZSM參數(shù)，該參數(shù)主要通過量化病灶部位中像素值相同區(qū)域的多少，以此來描述病灶部位的復(fù)雜性，紋理的粗細(xì)程度等信息。該值越大，提示病灶越復(fù)雜，且異質(zhì)性越強，腫瘤越復(fù)雜，則對于化療敏感性越差。從胰腺癌提取的這些特征都是反映高階影像模式和更多圖像異質(zhì)性的深層特征，可能反映了胰腺癌微觀結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性分布，筆者認(rèn)為這些異質(zhì)性可能決定了腫瘤對于NACT的敏感性，從而影響到LAPC患者的總生存率。本研究結(jié)果與Kumar等[14]的研究在一定程度上相契合。

本研究存在一定局限性：（1）本研究樣本量相對較小，統(tǒng)計分析可能會有一定的偏倚，可能會降低研究的普適性。（2）由于時間限制，本研究沒有評估這些CT紋理特征對患者長期預(yù)后的預(yù)測價值，且沒有結(jié)合臨床參數(shù)進行相應(yīng)的影像組學(xué)研究，有待于今后進一步進行分析。關(guān)于胰腺癌化療預(yù)測的紋理研究還需要大規(guī)模多中心研究，同時也需要在影像基因組學(xué)的方向上進行突破。在前瞻性和更大規(guī)模的隊列研究中，需要進一步的研究來確認(rèn)紋理特征與臨床結(jié)果之間的相關(guān)性。

綜上所述，CT紋理特征有潛力成為優(yōu)化胰腺癌化療方案選擇和預(yù)測胰腺癌預(yù)后的生物標(biāo)志物。而且上述紋理特征提取流程方便可行，有利于判斷LAPC患者是否要進行NACT，同時指導(dǎo)個體化治療方案的制訂。