基于分段讀出DWI序列ADC圖的全腫瘤直方紋理分析參數(shù)與乳腺癌預(yù)后因子的相關(guān)性研究

李雪, 朱宏, 孫琨, 柴維敏, 傅彩霞, 嚴(yán)福華

乳腺癌是全球女性最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，具有高度異質(zhì)性[1]。隨著乳腺癌的診療逐漸走向精準(zhǔn)醫(yī)療時(shí)代，乳腺癌的精準(zhǔn)分型、精準(zhǔn)治療及精準(zhǔn)預(yù)后也變得尤為重要[2,3]。相較于傳統(tǒng)的預(yù)后因子，雌激素受體(estrogen receptor，ER)、孕激素受體(progesterone receptor，PR)、人表皮生長(zhǎng)因子受體-2(human epidermal growth factor receptor 2，HER-2)和細(xì)胞增殖抗原標(biāo)志物(Ki-67)等分子預(yù)后因子可反映腫瘤的生長(zhǎng)方式、生長(zhǎng)速度、惡性程度以及復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移等，并且能夠更準(zhǔn)確地判斷乳腺癌預(yù)后、指導(dǎo)內(nèi)分泌治療及化療[4]。然而，這些分子預(yù)后指標(biāo)的表達(dá)狀態(tài)目前仍需通過(guò)穿刺或術(shù)后病理獲得。

基于像素灰度值的空間分布特征的紋理分析和基于像素灰度值的概率分布的直方圖分析可為腫瘤異質(zhì)性評(píng)估提供更多參數(shù)定量信息[5],已有研究證實(shí)其在鑒別乳腺腫塊良惡性、預(yù)測(cè)乳腺癌療效以及區(qū)分乳腺癌分子分型等方面的作用[6,7]。然而，過(guò)往大部分研究?jī)H在腫瘤單一層面或多個(gè)層面繪制興趣區(qū)(region of interest，ROI)，難以準(zhǔn)確評(píng)估整個(gè)腫瘤的異質(zhì)性。因此，以整個(gè)病灶作為ROI分析乳腺腫瘤的異質(zhì)性，消除了ROI位置、形狀的主觀性，可全面且無(wú)創(chuàng)地獲得乳腺病灶的生物學(xué)信息[8,9]。此外，良好的空間分辨率對(duì)全腫瘤直方紋理分析至關(guān)重要。與單次回波平面擴(kuò)散成像序列相比，分段讀出平面回波擴(kuò)散成像序列(readout-segmented diffusion-weighted echo-planar imaging，rs-EPI-DWI)擁有更高的空間分辨率和更清晰的對(duì)比分辨率，對(duì)乳腺惡性結(jié)節(jié)的發(fā)現(xiàn)更敏感[10]。因此，本文擬采用具有更高空間分辨率的rs-EPI-DWI序列，評(píng)估全腫瘤直方紋理分析參數(shù)與乳腺癌預(yù)后因子的相關(guān)性。

材料與方法

1.病例資料

搜集我院2018年12月-2019年10月術(shù)前行乳腺M(fèi)RI，術(shù)后經(jīng)組織病理證實(shí)為乳腺癌的女性患者142例。病例排除標(biāo)準(zhǔn)：①M(fèi)RI檢查前已行病灶穿刺等有創(chuàng)檢查者(n=9)；②影像或病理資料有缺失者(n=3)；③DWI圖像上難以顯示病灶或存在嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)偽影影響圖像分析者(n=7)。經(jīng)過(guò)篩選，最終123例乳腺癌患者(共123個(gè)病灶)納入本研究。123例患者年齡24～84歲，平均(52.62±12.01)歲；其中絕經(jīng)58例(47.15%)，未絕經(jīng)59例(47.97%)，子宮切除術(shù)后6例(4.88%)。納入的乳腺癌病灶均為腫塊型，平均大小為(2.42±1.23) cm，最大徑1.10～8.70 cm。

2.檢查方法

MRI檢查采用1.5T MR掃描儀(Magnetom Aera,Siemens Healthcare,Erlangen,Germany)，18通道雙側(cè)乳腺相控線圈。患者取俯臥位，頭先進(jìn)，雙側(cè)乳腺自然懸垂于專(zhuān)用的乳腺線圈內(nèi)。在行磁共振動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描(dynamic contrast-enhanced MRI，DCE-MRI)前，先行雙側(cè)乳腺rs-EPI-DWI序列掃描。rs-EPI-DWI序列掃描參數(shù)：TR 4210 ms，TE 63 ms，視野340 mm×340 mm，矩陣160×160，分段讀出次數(shù)5，b值取0、800 s/mm2，掃描時(shí)間3 min 3 s。掃描后自動(dòng)重建出表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)圖。

3.圖像處理與分析

由兩位放射科醫(yī)師(閱片者1與閱片者2從事乳腺影像診斷工作時(shí)間分別為2年及7年)分別使用磁共振多參數(shù)分析軟件(Siemens Healthcare,Erlangen,Germany)進(jìn)行全腫瘤直方紋理分析，各分析兩次。遇到多中心或多灶性腫瘤時(shí)，由兩位醫(yī)師共同討論，選擇最大的病灶進(jìn)行分析。操作流程如下：①導(dǎo)入數(shù)據(jù)。將b值為800 s/mm2的DWI圖及ADC圖導(dǎo)入分析軟件。②分割病灶。在b值為800 s/mm2的DWI多平面重建(multi planar reformation,MPR)圖像上于瘤體內(nèi)外分別勾畫(huà)初始種子點(diǎn)，其分別代表腫瘤內(nèi)的體素和腫瘤周?chē)捏w素。然后軟件根據(jù)初始種子點(diǎn)對(duì)腫瘤進(jìn)行三維分割。必要時(shí)使用該軟件內(nèi)的輪廓編輯工具對(duì)分割結(jié)果進(jìn)行人工手動(dòng)校正。③直方紋理分析?；谀[瘤的三維分割結(jié)果，軟件自動(dòng)計(jì)算出7個(gè)直方圖參數(shù)(Mean、SD、Median、5th、95th、Skewness、Kurtosis)及4個(gè)紋理參數(shù)(Diffentropy、Diffvariance、Contrast、Entropy)。對(duì)由兩位放射科醫(yī)師處理得到的結(jié)果,即四次測(cè)量值，取平均值后進(jìn)行后續(xù)分析。

4.病理組織學(xué)分析

所有納入研究的患者均行手術(shù)切除并將手術(shù)標(biāo)本送病理檢查，HE染色結(jié)果及手術(shù)標(biāo)本的免疫組化分析結(jié)果記錄在每例患者的電子病歷系統(tǒng)里，其中ER、PR、HER-2、Ki-67的表達(dá)情況被常規(guī)記錄。根據(jù)2010年《ASCO/CAP乳腺癌激素受體IHC檢測(cè)指南》[11]，ER、PR表達(dá)以1%作為分界值，細(xì)胞核染色陽(yáng)性≥1%為陽(yáng)性，<1%為陰性；HER-2的評(píng)估方法：HER-2表達(dá)以3+為陽(yáng)性，0-1+為陰性，當(dāng)表達(dá)為2+時(shí)需進(jìn)一步行FISH檢測(cè)判斷是否有基因擴(kuò)增，HER-2基因擴(kuò)增者也列為陽(yáng)性[12]；Ki-67的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：Ki-67<14%定義為低表達(dá)組，Ki-67≥14%定義為高表達(dá)組[13]。

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié) 果

1.免疫組化及病理結(jié)果

本組123例乳腺癌患者的免疫組化結(jié)果顯示，ER陽(yáng)性84例(68.29%)，陰性39例(31.71%)；PR陽(yáng)性74例(60.16%)，陰性49例(39.84%)；HER-2陽(yáng)性31例(25.20%)，陰性92例(74.80%)；Ki-67陽(yáng)性102例(82.93%)，陰性21例(17.07%)。腫塊病理類(lèi)型：浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌99例(圖1)，黏液癌4例，實(shí)性乳頭狀癌3例，化生性癌2例，浸潤(rùn)性小葉癌5例，導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀癌1例，浸潤(rùn)性微乳頭狀癌2例，高級(jí)別導(dǎo)管原位癌7例。

圖1 乳腺癌患者，女，23歲，病理診斷為浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌，非特殊類(lèi)型。免疫組化結(jié)果：ER(90%+，強(qiáng))，PR(5%+，強(qiáng))，Her-2(2+)，Ki-67(約60%+)。a) ADC圖示右乳外上象限局部區(qū)域信號(hào)減低(箭)； b) 橫軸面早期增強(qiáng)圖像示右乳外上象限形態(tài)不規(guī)則腫塊，早期增強(qiáng)可見(jiàn)不均勻強(qiáng)化(箭)； c) DWI圖示右乳外上象限腫塊信號(hào)明顯增高，邊界相對(duì)清晰； d) 腫塊的三維分割圖片：在腫瘤內(nèi)外勾畫(huà)初始種子點(diǎn)進(jìn)行全腫瘤的三維分割(色彩填充部分)； e) 該腫塊的全腫瘤直方紋理分析圖。

2.ER陽(yáng)性組與ER陰性組的全腫瘤直方紋理分析參數(shù)比較

ER陽(yáng)性組中各參數(shù)值均小于ER陰性組(表1)，其中兩組間ADC95th和ADCSkewness差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表1 兩組的全腫瘤直方紋理分析參數(shù)比較

3.PR陽(yáng)性組與PR陰性組的全腫瘤直方紋理分析參數(shù)比較

除ADCKurtosis外，PR陽(yáng)性組中各參數(shù)值均小于PR陰性組(表2)，其中兩組間ADCSD、ADC95th、ADCSkewness差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表2 兩組的全腫瘤直方紋理分析參數(shù)比較

4.HER-2陽(yáng)性組與HER-2陰性組的全腫瘤直方紋理分析參數(shù)比較

HER-2陽(yáng)性組的ADCMean、ADCMeadian、ADC5th、ADC95th、ADCSkewness、ADCDiffentropy及ADCEntropy值大于陰性組，ADCSD、ADCKurtosis、ADCDiffvariance及ADCContrast值小于陰性組(表3)，但差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表3 兩組的全腫瘤直方紋理分析參數(shù)比較

5.Ki-67高表達(dá)組與Ki-67低表達(dá)組的全腫瘤直方紋理分析參數(shù)比較

除ADCMeadian、ADC5th外,Ki-67高表達(dá)組中各直方紋理分析參數(shù)值均大于Ki-67低表達(dá)組(表4)，其中兩組間ADCSD、ADCDiffentropy、ADCEntropy差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表4 兩組的全腫瘤直方紋理分析參數(shù)比較

6.全腫瘤直方紋理分析的可重復(fù)性分析

全腫瘤直方紋理分析組內(nèi)相關(guān)系數(shù)值為0.743～0.985，組間相關(guān)系數(shù)值為0.685～0.987(表5)，除組間及組內(nèi)的ADCKurtosis、組間的ADCSkewness具有中等可重復(fù)性外，其余直方紋理分析參數(shù)均具有較好或極好的可重復(fù)性。

表5 全腫瘤直方紋理分析組內(nèi)及組間一致性比較結(jié)果

討 論

目前已有大量文獻(xiàn)證實(shí)DWI在鑒別乳腺腫塊良惡性、區(qū)分乳腺癌分子分型及預(yù)測(cè)新輔助化療療效等方面的可行性[14,15]。擴(kuò)散加權(quán)成像ADC值與預(yù)后因子之間的相關(guān)性也有文獻(xiàn)報(bào)道，但目前尚未達(dá)成共識(shí)。同時(shí)，有學(xué)者采用3.0T MR掃描儀證實(shí)基于ADC值圖的直方圖參數(shù)與乳腺癌的預(yù)后相關(guān)[5]。探討基于ADC值圖的全腫瘤直方紋理分析參數(shù)與乳腺癌預(yù)后因子的相關(guān)性，有望在術(shù)前通過(guò)無(wú)創(chuàng)性手段為乳腺癌預(yù)后因子狀態(tài)的判斷提供新的量化指標(biāo)，有助于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)乳腺癌預(yù)后及選擇個(gè)體化治療方案。

以往研究對(duì)于腫瘤ADC值的測(cè)量多限于單個(gè)或多個(gè)層面的測(cè)量，而全腫瘤分析相較于以往研究能較好地避免勾畫(huà)局部ROI時(shí)引起的采樣偏差[16]，可更準(zhǔn)確地反映整個(gè)腫瘤的異質(zhì)性[17]，從而使測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定、可靠。足夠的空間分辨率對(duì)全腫瘤直方紋理分析至關(guān)重要，乳腺DWI在臨床上最常用的序列為單次激發(fā)平面回波成像序列(single-shot echo-planar diffusion-weighted imaging,ss-EPI-DWI)，然而該序列回波間隙大，對(duì)磁場(chǎng)不均勻性及磁敏感性較為敏感，產(chǎn)生的圖像常表現(xiàn)為幾何變形及圖像模糊，且常伴有磁敏感偽影，極易影響病灶A(yù)DC值計(jì)算的準(zhǔn)確性。本研究采用的rs-EPI-DWI序列為多次激發(fā)分段讀出的高清擴(kuò)散序列，通過(guò)分段激發(fā)并填充K-空間數(shù)據(jù)縮小回波間隙，從而減少臨床常規(guī)DWI的圖像偽影，提高圖像信噪比及空間分辨率，使得rs-EPI-DWI對(duì)病灶邊界、微小病變的顯示更為清晰[10]，從而有利于克服部分容積效應(yīng)，使全腫瘤的邊界勾畫(huà)及半自動(dòng)分割結(jié)果更為準(zhǔn)確。本研究結(jié)果顯示，全腫瘤直方紋理分析中的百分位數(shù)及紋理參數(shù)具有較好或極好的可重復(fù)性。此外，本研究通過(guò)對(duì)量化指標(biāo)進(jìn)行分析，主要結(jié)果如下：①百分位參數(shù)ADC95th對(duì)鑒別ER陰性 (1513.09±390.47)與陽(yáng)性(1327.71±290.36)、 PR陰性 (1481.95±371.58)與陽(yáng)性 (1323.28±294.63)有一定價(jià)值；②紋理參數(shù)ADCSkewness對(duì)ER[陰性組和陽(yáng)性組分別為(0.73±0.61)和(0.32±0.66)]、PR[陰性組和陽(yáng)性組分別為(0.61±0.63)和(0.34±0.68)]不同表達(dá)狀態(tài)的鑒別亦具有參考意義；③紋理參數(shù)ADCDiffentropy和ADCEntropy值對(duì)Ki-67的低表達(dá)與高表達(dá)狀態(tài)[低表達(dá)組與高表達(dá)組分別為(1.75±0.29)與(1.89±0.25)、(2.73±0.35)與(2.88±0.29)]的鑒別均有一定價(jià)值。

ER和PR為乳腺上皮細(xì)胞內(nèi)的激素受體，其表達(dá)狀態(tài)為陽(yáng)性時(shí)，常提示內(nèi)分泌治療療效好、復(fù)發(fā)率低且生存率高[18]。本研究結(jié)果顯示，ER、PR陽(yáng)性組中直方圖參數(shù)值及紋理參數(shù)值均小于ER陰性組，其中ADC95th和ADCSkewness的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與過(guò)往研究中發(fā)現(xiàn)的乳腺癌低ADC值與ER、PR的陽(yáng)性表達(dá)相關(guān)一致[19,20]。由于腫瘤的異質(zhì)性及其生物學(xué)特征的多樣化，百分位數(shù)可較傳統(tǒng)ADC值的平均值、中位數(shù)更敏感、全面地反映整個(gè)瘤體內(nèi)灰度值的分布特征[21]。百分位數(shù)95th表示在整個(gè)腫瘤中有95%區(qū)域的灰度值小于ADC95th所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，本研究結(jié)果顯示ADC95th在ER、PR陽(yáng)性組中的數(shù)值均明顯低于陰性組。ER陽(yáng)性表達(dá)抑制血管生成，導(dǎo)致腫瘤血流灌注減少，同時(shí)ER陽(yáng)性表達(dá)腫瘤細(xì)胞的數(shù)目較ER陰性增多[22]。PR陰性的乳腺癌與更大的腫瘤體積及更豐富的血供有關(guān)，預(yù)后通常較差[5]，且PR陰性乳腺癌微血管生長(zhǎng)較快。由于DWI檢測(cè)水分子的隨機(jī)微觀運(yùn)動(dòng)受多種因素影響，不僅取決于細(xì)胞密度，還受微血管灌注及擴(kuò)散不均勻等因素影響，因此推測(cè)上述原因均可能導(dǎo)致ER和PR陽(yáng)性組的ADC值相對(duì)減低。以上結(jié)果表明百分位數(shù)ADC95th可為評(píng)估ER、PR的表達(dá)狀態(tài)提供一定的參考信息。偏斜度ADCSkewness是用于描述灰度值數(shù)據(jù)曲線分布特征的直方圖參數(shù)之一，它代表曲線分布的不對(duì)稱(chēng)程度[21]，一般正偏斜度值所對(duì)應(yīng)的不對(duì)稱(chēng)曲線形態(tài)的尾部位于平均值右側(cè)，本研究中ER、PR陽(yáng)性組中的ADCSkewness值均明顯小于陰性組，代表ER、PR陽(yáng)性組中ADC值相較于陰性組偏低，這一解釋與上述ADC值的相關(guān)推測(cè)亦相符。

HER-2是跨膜酪氨酸激酶生長(zhǎng)因子受體，其陽(yáng)性表達(dá)常提示細(xì)胞增殖旺盛，侵襲力強(qiáng)，易轉(zhuǎn)移，預(yù)后差，可指導(dǎo)輔助化療方案的制定，作為乳腺癌預(yù)后的獨(dú)立預(yù)測(cè)因素。本研究結(jié)果顯示，乳腺全腫瘤直方紋理分析參數(shù)值與HER-2陽(yáng)性表達(dá)無(wú)明顯相關(guān)性(P>0.05)。關(guān)于乳腺癌的ADC值與HER-2表達(dá)狀態(tài)是否具有相關(guān)性目前尚未達(dá)成共識(shí)。過(guò)往大量研究認(rèn)為ADC值與HER-2的表達(dá)狀態(tài)無(wú)顯著相關(guān)性[23,24]，這與本研究結(jié)果一致。然而也有文獻(xiàn)報(bào)道HER-2陰性腫瘤相較于HER-2陽(yáng)性腫瘤的ADC值更低[5]。HER-2陽(yáng)性表達(dá)可使血管生成增加，除了腫瘤細(xì)胞密度增加使細(xì)胞外間隙減少外，腫瘤內(nèi)血管灌注增高，新生血管通透性增加及血管源性水腫等均可使細(xì)胞外間隙增大。因此，HER-2陽(yáng)性乳腺癌的血供及細(xì)胞外液增加使ADC值升高與細(xì)胞密度增加使ADC值降低，兩者相互作用決定ADC值是增高還是減低。本研究結(jié)果亦表明，納入的4個(gè)紋理參數(shù)對(duì)ER、PR及HER-2表達(dá)狀態(tài)的辨別能力尚不足，有待納入更多更高級(jí)的紋理參數(shù)對(duì)其與預(yù)后因子的相關(guān)性進(jìn)行定量研究。

Ki-67抗原是增殖細(xì)胞核抗原，是判斷惡性腫瘤細(xì)胞增殖活性程度最可靠的指標(biāo)之一，其高表達(dá)反映了腫瘤的高增殖性、高惡性程度以及相對(duì)較差的預(yù)后[25]。Jeh等[20]認(rèn)為低ADC值與ER陽(yáng)性表達(dá)、HER2陰性表達(dá)相關(guān)，而與其他因子如PR及Ki-67等無(wú)相關(guān)性。Kim等[26]也曾報(bào)道ADC值與Ki-67的表達(dá)狀態(tài)無(wú)相關(guān)性。而部分研究認(rèn)為Ki-67的表達(dá)狀態(tài)與乳腺腫瘤的ADC值有顯著相關(guān)性[24,27]。本研究結(jié)果顯示僅Ki-67高表達(dá)組中部分紋理參數(shù)(ADCDiffentropy、ADCEntropy)大于低表達(dá)組(P<0.05)。ADCEntropy用于描述灰度值空間分布的隨機(jī)性，而ADCDiffentropy為熵的差異的測(cè)量值，兩者均為腫瘤異質(zhì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[21]。由于Ki-67高表達(dá)腫瘤內(nèi)的微血管數(shù)量增多、血管壁通透性增加[19]，推測(cè)Ki-67陽(yáng)性腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性可能更為復(fù)雜。

目前，基于ADC值圖的紋理參數(shù)與預(yù)后因子的相關(guān)性研究仍然較少，而關(guān)于ADC值及基于ADC值圖的直方圖參數(shù)與預(yù)后因子的相關(guān)性，不同研究之間得出的結(jié)論差異較大，其原因可能與磁共振場(chǎng)強(qiáng)、擴(kuò)散序列參數(shù)、掃描技術(shù)、研究樣本、病種數(shù)量以及ROI的選擇等不同有關(guān)。直方紋理分析是一種可以評(píng)估腫瘤異質(zhì)性的數(shù)學(xué)方法,相較于傳統(tǒng)的平均值及中位數(shù)的測(cè)量，直方紋理分析參數(shù)可從多方面反映腫瘤的異質(zhì)性，可更加敏感地反映不同病灶間微小但重要的差異。

本研究存在以下局限性：①樣本量仍相對(duì)較少，病理類(lèi)型分布欠均衡，分析結(jié)果可能存在一定誤差；②本文為單中心回顧性研究，可能存在不可避免的選擇偏倚；③本文納入的直方圖參數(shù)和紋理參數(shù)相對(duì)單一，未來(lái)將考慮納入更多直方圖參數(shù)及更高級(jí)的紋理參數(shù)，以更全面評(píng)估其與乳腺癌預(yù)后因子的相關(guān)性；④全腫瘤直方紋理分析參數(shù)與乳腺癌預(yù)后因子的相關(guān)性研究尚處于初步階段，僅采用t檢驗(yàn)對(duì)不同組別間的參數(shù)進(jìn)行比較，缺乏兩者相關(guān)性的量化指標(biāo)。rs-EPI-DWI序列近幾年逐步應(yīng)用于臨床，加快掃描速度是使其能廣泛應(yīng)用于臨床的重要發(fā)展方向。本研究初步探討了rs-EPI-DWI序列與乳腺癌預(yù)后因子的相關(guān)性，未來(lái)可嘗試將其與近兩年新興的加速技術(shù)(同時(shí)多層成像技術(shù))[28]相結(jié)合，在控制掃描時(shí)間的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高圖像層面空間分辨率，同時(shí)擴(kuò)大樣本量，以進(jìn)一步更準(zhǔn)確評(píng)估其與乳腺癌分子分型及預(yù)后因子間的相關(guān)性，爭(zhēng)取探究出更適用于臨床工作的乳腺癌診斷模型。