磁共振成像影像組學特征對乳腺浸潤性導管癌組織學分級的診斷效能分析

王敏，劉培俊，文建榮，李翔，蔣忠軍

南華大學附屬南華醫(yī)院1放射科，2乳甲外科，湖南 衡陽421002

乳腺癌作為農村女性發(fā)病率首位的惡性腫瘤，目前已經(jīng)成為嚴重威脅50歲以下女性生命健康的疾病[1]。臨床中最常見的乳腺癌病理類型為乳腺浸潤性導管癌（invasive ductal carcinoma，IDC），研究表明，IDC的組織學分級與患者的5年生存率、臨床轉歸和預后均有關聯(lián)，低分化（組織學高級別）IDC發(fā)生侵襲轉移的可能性更高，明確IDC的組織學分級可以為患者選擇最佳的治療方案，幫助評估治療效果及預后[2]。但是常規(guī)的影像學檢查難以對IDC的組織學分級進行準確判定。近年來，磁共振成像（MRI）技術被越來越多的醫(yī)護人員用來檢查IDC患者，其包括動態(tài)增強磁共振成像（dynamic enhanced magnetic resonance imaging，DCE MRI）和擴散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）[3-4]。通過 MRI呈現(xiàn)的乳腺圖像挖掘IDC患者疾病發(fā)展情況，有助于確診病情，但是針對MRI特征與IDC組織學分級的關系尚未有明確結果[5-6]。所以本研究分析IDC患者MRI特征與組織學分級的關系，為IDC的治療提供新的依據(jù)，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2017年5月至2018年5月于南華大學附屬南華醫(yī)院住院治療的乳腺癌患者的病歷資料。納入標準：①均為單發(fā)腫塊的乳腺病灶，手術切除組織送檢病理分型確定為IDC；②均行乳腺DCE MRI和DWI掃描獲取MRI圖像。排除標準：①入院行MRI檢查前有放療、化療史；②既往有穿刺活檢、手術切除史；③既往有局部或全身治療史。根據(jù)納入、排除標準，共納入82例乳腺癌患者，年齡18～81歲，平均（47.63±11.35）歲；病灶直徑 1.13～13.15 cm，平均（3.41±0.87）cm；病灶面積 0.69～84.67 cm2，平均（5.12±0.98）cm2；組織學分級：高級別31例（37.8%），低級別51例（62.2%）。

1.2 MRI圖像采集

所有患者均采用西門子1.5 T超導性磁共振系統(tǒng)，患者俯臥于檢查床，雙側乳腺自然下垂置于凹形槽內。首先，進行T1加權成像（T1 weighted image，T1WI）及抑脂T2加權成像（T2 weighted image，T2WI）掃描。T1WI相關指標：磁共振矩陣脈沖序列重復時間（time repetition，TR）=4.7 ms，磁共振矩陣回波時間（echo time，TE）=2.2 ms，視野（field of view，F(xiàn)OV）=310 mm×310 mm，翻轉角13°，掃描厚度1 mm，層間距0.3 mm，矩陣 329×329；抑脂T2WI掃描采用平均兩次的精準頻率反轉恢復，相關參數(shù)：TR=3360 ms，TE=85 ms，F(xiàn)OV=270 mm×330 mm，翻轉角70°，掃描厚度2 mm，層間距0.2 mm，矩陣521×521。隨后進行DWI掃描，利用平面回波成像（echo planar imaging，EPI）序列，將b值設置為0、1000 s/mm2，TR=1500 ms，TE=99 ms，F(xiàn)OV=310 mm×310 mm，掃描厚度4 mm，層間距0.5 mm，矩陣360×360，激勵次數(shù)3次。所有患者進行DWI掃描后均行DCE檢查，首先平掃一次，然后利用高壓注射器注射釓噴酸葡胺注射液，劑量為0.2 ml/kg，隨后給予20 ml等滲鹽水快速靜脈推注。DCE相關掃描參數(shù)：TR=7 ms，TE=2.5 ms，F(xiàn)OV=310 mm×310 mm，翻轉角15°，平均次數(shù)1次，層厚2 mm，層間距1 mm，矩陣360×360。掃描節(jié)點為注射藥物前后即刻及給藥后64、128、192、256、320 s，總掃描時長6 min 15 s。

1.3 圖像分析、參數(shù)提取

1.3.1 測量乳腺MRI定量參數(shù)采用表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）和初始強化率（initial enhancement rate，IER）值在西門子1.5 T超導性磁共振系統(tǒng)中測量ADC值和IER值。在工作平臺中分別輸入b=0 s/mm2和1000 s/mm2的DWI圖像，由機器生成ADC圖，除外較為明顯的腫瘤囊性病變和壞死區(qū)。由兩名經(jīng)驗豐富的主治醫(yī)師分別測量ADC值，記為ADC1和ADC2，最終結果為兩次數(shù)據(jù)的平均值。在工作平臺中錄入DCE圖像，除外較為明顯的腫瘤囊性病變和壞死區(qū)，在腫瘤強化最明顯的區(qū)域畫出感興趣區(qū)（region of interest，ROI），由兩名經(jīng)驗豐富的主治醫(yī)師測量兩次IER值，最終結果為兩次數(shù)據(jù)的平均值。臨床中IER的計算方法：IER[7]=[SIpost（3min）-SIbaseline]/SIbaseline×100%，SIbaseline代表注射藥物前信號強度，SIpos（t3min）代表注射藥物后3 min內峰值強度變化。

1.3.2 手動分割乳腺腫瘤手動分割乳腺腫瘤，利用Image J軟件在腫瘤直徑最大的層面勾畫出ADC圖和DCE圖中腫瘤區(qū)域的ROI圖，無需避開壞死區(qū)及腫瘤囊性病變區(qū)域。截取的DCE圖為注射藥物后192 s的圖像。（圖1）

圖1 分割IDC單發(fā)腫塊的ADC圖和DCE圖

1.3.3 提取IDC影像組學特征并降維通過MATLAB軟件提取ADC圖及DCE圖腫瘤ROI區(qū)域的形態(tài)特征、紋理特征、一階統(tǒng)計特征和濾波特征等，對提取的影像組學特征進行降維，選取ADC圖中的 B_uniform、B_sum_variance、B_GLN、D_energy、L_sum_average 5個影像組學標簽以及DCE圖中 的L_energy、L_SRE、R_RP、R_homogeneity2、R_IDN 5個影像組學標簽。

1.4 病理學檢查

采集所有患者術后切除組織作為病理標本，目前國內采用的組織學分級標準根據(jù)腺管形成的程度、細胞核的多形性和核分裂計數(shù)3個方面進行評估，3個參數(shù)分別計分1～3分，分數(shù)相加后對IDC進行分級，3～5分為分化好（I級），6～7分為中等分化（Ⅱ級），8～9分為分化差（Ⅲ級）。IDC低級別為I～Ⅱ級，IDC高級別為Ⅲ級。

1.5 統(tǒng)計學方法

采用R軟件3.3.1版進行數(shù)據(jù)分析，計量資料以均數(shù)±標準差（±s）表示，組間比較采用t檢驗；計算各模型的準確度、特異度、靈敏度、陰性預測值及陽性預測值，靈敏度=真陽性例數(shù)（/真陽性+假陰性）例數(shù)，特異度=真陰性例數(shù)（/真陰性+假陽性）例數(shù)，陽性預測值=真陽性例數(shù)（/真陽性+假陽性）例數(shù)，陰性預測值=真陰性例數(shù)（/真陰性+假陰性）例數(shù)，準確度=（真陽性+真陰性）例數(shù)/總例數(shù)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 MRI相關參數(shù)及影像組學標簽的比較

高級別IDC患者乳腺癌灶ADC值以及B_sum_variance、L_energy、L_sum_average值均明顯低于低級別IDC患者，B_uniform、L_SRE值均明顯高于低級別IDC患者，差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）。（表1）

表1 低級別和高級別IDC患者MRI相關參數(shù)及影像組學標簽的比較

2.2 MRI相關參數(shù)及影像組學標簽對IDC患者組織學分級的診斷效能

ADC圖影像組學標簽在鑒別IDC時具有較高的特異度、準確度、陰性預測值及陽性預測值，DCE圖影像組學標簽具有高靈敏度和低特異度。（表2）

3 討論

DCE MRI的工作原理為通過注射造影劑顯示相關血管信息，其中一個常用的半定量參數(shù)指標為IER值，它代表注射造影劑后前3 min的峰值增強率。既往有科學家認為，IER值越高，腫瘤生長速度越快，侵襲性越強[8]，本研究結果證實IER值在鑒別乳腺癌組織學分級方面并無特殊價值。ADC值是MRI另一個常規(guī)定量指標，其數(shù)值大小代表了機體水分子布朗運動的快慢[9]。乳腺癌級別越高，生長速度越快，相應的細胞密度越低，對應的ADC值可能越低[10-12]。本研究結果顯示，與低級別IDC相比，高級別患者ADC值明顯更低。

表2 MRI相關參數(shù)及影像組學標簽對IDC患者組織學分級的診斷效能

本研究采用的方法為手動切割ADC圖像，這種方法一定程度明確了腫瘤邊界，降低穿透效應的干擾和觀察者之間的差異性[13]。其次，對DCE MRI圖像，本研究采集信息時間節(jié)點為注射對比劑后3 min，此時乳腺正常組織與病變腫瘤組織的對比最明顯，可以幫助閱片醫(yī)師清晰分辨腫瘤邊界進而準確切割腫瘤[14-15]。

既往有科學家認為在鑒別乳腺良惡性及組織學分級時，采用3D分割提取的形態(tài)學特征方法具有一定價值[16]。本研究建立了ADC圖和DCE圖兩個影像組學標簽模型，在眾多的影像組學標簽中納入與腫瘤異質性有關的幾個標簽，高級別患者乳腺癌灶ADC值以及B_sum_variance、L_energy、L_sum_average值均明顯低于低級別IDC患者，B_uniform、L_SRE值均明顯高于低級別IDC患者。另外，ADC圖影像組學標簽的特異度、準確度、陽性預測值、陰性預測值均優(yōu)于DCE圖影像組學標簽和ADC值。提示ADC圖中可能包含了很多肉眼無法直接觀察到的影像組學特征信息，這些信息在一定程度上可以幫助臨床醫(yī)師鑒別乳腺癌的組織學分級。本研究在操作過程中仍然存在一定的局限性：①對于非腫塊型乳腺癌病灶，醫(yī)師在手動切割散在彌散腫塊時難以準確確定腫瘤邊界，因此在納入觀察對象時，需排除非腫塊型乳腺癌患者；②本研究的切割手法——2D分割，丟失了部分腫瘤的形態(tài)學信息；③研究為單中心病例且樣本數(shù)量較少（82例）。

綜上所述，ADC值和乳腺MRI影像組學標簽對鑒別IDC級別具有一定意義，值得臨床關注。