基于T2WI的紋理分析在預(yù)測肝癌經(jīng)導(dǎo)管肝動(dòng)脈化療栓塞術(shù)后早期復(fù)發(fā)的價(jià)值

孫祥林，由英寧，趙相軒，盧再鳴

肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)是我國第四大常見癌癥，也是第二大癌癥死亡原因，其發(fā)生率和死亡率居高不下，嚴(yán)重危害人類健康[1-2]。肝癌早期腫瘤較為局限，對(duì)于輪廓清晰者首選手術(shù)切除[3]，但其發(fā)病隱匿，患者就診時(shí)大多已進(jìn)展為中晚期，行外科手術(shù)后5 年內(nèi)復(fù)發(fā)率高達(dá)60%[4]。此時(shí)，經(jīng)導(dǎo)管肝動(dòng)脈化療栓塞(transcatheter arterial chemoembolization，TACE)為代表的姑息治療常作為一線治療方案[5]。然而，臨床上TACE治療肝癌的療效并不穩(wěn)定[6]，所致的病灶完全壞死率僅為22%～29%[7]，易造成腫瘤的殘留及復(fù)發(fā)，因此在TACE 前準(zhǔn)確預(yù)測療效對(duì)于治療計(jì)劃十分重要，而目前尚缺乏明確的具有高敏感度及特異度的生物標(biāo)志物。

紋理分析技術(shù)可通過對(duì)圖像的高通量定量分析，以非侵入性方法評(píng)估腫瘤內(nèi)部特征，用于腫瘤的診療和預(yù)后[8-9]。T2WI 作為MRI 常規(guī)序列，相對(duì)于T1WI 可以更明顯地顯示病灶及其征象，且掃描成本低于增強(qiáng)序列，無需考慮藥物過敏的影響，在肝癌患者的隨訪中應(yīng)用較為普及，因此，本研究擬通過分析肝癌患者TACE 術(shù)前T2WI 圖像的紋理特征，構(gòu)建模型預(yù)測術(shù)后的早期復(fù)發(fā)，從而利于及早發(fā)現(xiàn)不良情況，進(jìn)一步調(diào)整或制定治療計(jì)劃。

1 材料和方法

1.1 研究對(duì)象

本研究經(jīng)過中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號(hào)：2020PS416K)，免除受試者知情同意。所有患者的臨床和影像學(xué)信息均通過病歷系統(tǒng)獲得。回顧性篩選2013 年1 月至2018 年12月在中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院行TACE治療的肝細(xì)胞癌患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)經(jīng)病理證實(shí)為肝細(xì)胞癌或通過《原發(fā)性肝癌診療規(guī)范(2019 年版)》[10]臨床診斷為肝癌；(2)初次治療方式為TACE，且術(shù)前未進(jìn)行手術(shù)及其他任何放化療治療；(3)患者術(shù)前MRI 顯示為單發(fā)HCC；(4)門靜脈或肝靜脈無癌栓；(5)肝功能Child-Pugh分級(jí)為A級(jí)或B級(jí)。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)隨訪時(shí)間＜6 個(gè)月或臨床數(shù)據(jù)不完整；(2)圖像存在偽影，影響觀察；(3)浸潤性肝癌或復(fù)發(fā)性肝癌。最終研究人群包括121 例患者，其中男88 例，女33 例，年齡39～74 (57.6±7.6)歲。同時(shí)回顧性收集患者術(shù)前的相關(guān)臨床信息，包括患者一般資料，乙型肝炎病史及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)。

結(jié)合改良實(shí)體腫瘤療效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mRECIST)[11]，腫瘤復(fù)發(fā)定義為腫瘤直徑增加至少20% (以開始治療時(shí)記錄的靶病變直徑的最小總和為參照)。早期復(fù)發(fā)(early recurrence，ER)定義為一次TACE術(shù)后半年內(nèi)的復(fù)發(fā)，否則為非早期復(fù)發(fā)(non-early recurrence，NER)。最終121例患者中，65例歸為早期復(fù)發(fā)組，56例為非早期復(fù)發(fā)組。

1.2 MRI掃描方法

所有患者在術(shù)前利用GE 1.5 T MR 掃描儀進(jìn)行MRI 掃描檢查，包含T2WI 序列，檢查前4 h 內(nèi)禁食，且48 h 內(nèi)不進(jìn)行任何其他對(duì)比增強(qiáng)的影像檢查?；颊呷⊙雠P位，具體掃描參數(shù)：TR 6666 ms，TE 85 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，層厚8 mm，層間距1 mm，視野40 cm×40 cm。

1.3 TACE術(shù)

應(yīng)用seldinger 技術(shù)穿刺右股動(dòng)脈，置入5F 動(dòng)脈短鞘，沿鞘送入5F Cobra導(dǎo)管，將導(dǎo)管插入腸系膜上動(dòng)脈，注入稀釋后的罌粟堿，行間接門脈造影(碘海醇)，將導(dǎo)管插入肝總動(dòng)脈行腫瘤染色。將2.2F 微導(dǎo)管超選至腫瘤供血?jiǎng)用}，造影確認(rèn)后于透視下緩慢注入稀釋后的碘油及洛鉑混懸乳液，完畢后再次造影見腫瘤內(nèi)碘油沉積良好。撤出微導(dǎo)管，沿Cobra導(dǎo)管緩慢灌注稀釋的法瑪新及洛鉑。術(shù)畢拔管撤鞘，壓迫止血器加壓包扎。入組患者均接受相同藥物進(jìn)行治療，術(shù)中注射速度及藥量根據(jù)患者腫瘤的具體情況實(shí)行個(gè)性化方案。

1.4 圖像紋理特征提取

將所有患者的T2WI 圖像以dicom 形式導(dǎo)入A.K.軟件(Artificial Intelligence Kit；GE Healthcare，China)，首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理(將X-spacing，Y-spacing，Z-spacing 大小分別調(diào)整為2、1、7，并選擇線性插值法進(jìn)行重采樣處理)，然后將預(yù)處理后的圖像重新導(dǎo)入A.K.軟件，由2 名具有腹部MR 影像診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師沿病灶邊緣逐個(gè)層面手動(dòng)勾畫ROI，勾畫過程中避開腫瘤周圍血管，然后由另外1 名醫(yī)師復(fù)核，當(dāng)意見不統(tǒng)一時(shí)，通過協(xié)商達(dá)成一致(圖1)。根據(jù)所選取的全瘤ROI自動(dòng)提取紋理參數(shù)，包括一階參數(shù)(如直方圖參數(shù))及高階參數(shù)[灰度共生矩陣(gray-level co-occurrence matrix，GLCM)參數(shù)和行程矩陣(run-length matrix，RLM)參數(shù)]。

圖1 手工分割ROI實(shí)例。A：患者術(shù)前典型橫斷位T2WI圖像；B：在A.K.軟件上沿靶病灶最大層面手動(dòng)勾畫ROI示意圖；C：逐層勾畫靶病灶邊緣，融合成三維ROIFig.1 Example of ROIdrawn manually.A:T2WIimage of the patient's typical transverse position before operation;B:Manually drawing the ROIalong the largest level of the target lesion on the A.K.software;C:Delineating the edge of the target lesion layer by layer and merging into a three-dimensional ROI.

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

臨床定量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，若符合正態(tài)分布及方差齊性檢驗(yàn)，則采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較各組之間的差異，否則采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)。對(duì)于定性資料則采用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行比較。根據(jù)患者相應(yīng)參數(shù)，繪制ROC曲線，并通過計(jì)算曲線下面積，分析對(duì)TACE 術(shù)后早期復(fù)發(fā)的預(yù)測效能。在ROC 曲線上敏感度和特異度最大的點(diǎn)確定最佳臨界值。最后，采用多因素Logistic回歸建立綜合臨床危險(xiǎn)因素及放射組學(xué)特征的預(yù)測模型。置信區(qū)間設(shè)為95%，P＜0.05 認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)使用SPSS(v.26.0，IBM，Armonk，NY)、MedCalc (v.19.6.1，MedCalc Software BVBA，Ostend，Belgium)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果

2.1 臨床特征

臨床特征總結(jié)詳見表1。單因素分析顯示，ER組與NER組之間性別、年齡、中國肝癌分期（China Clinic Liver Cancer Staging，CNLC）[10]、甲胎蛋白、癌胚抗原、天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、谷氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、膽堿酯酶、白蛋白、總膽紅素及乙肝病史差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。腫瘤最大直徑、堿性磷酸酶、糖類抗原199、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶在兩組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。將所有有意義的因素納入多因素Logistic 回歸分析，結(jié)果顯示，腫瘤最大直徑(OR=1.016；95%CI：1.000～1.033；P＜0.05)、γ-谷氨酰胺轉(zhuǎn)肽酶(OR=1.007；95%CI：1.001～1.012；P＜0.05)是與TACE術(shù)后早期復(fù)發(fā)相關(guān)的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。臨床模型的AUC 值為0.715 (95%CI：0.625～0.793)，以Youden指數(shù)計(jì)算的最佳臨界值為0.360，敏感度和特異度分別為53.85%和82.14% (圖2)。

圖2 臨床特征預(yù)測早期復(fù)發(fā)的ROC 曲線分析 圖3 放射組學(xué)特征預(yù)測早期復(fù)發(fā)的ROC 曲線分析。A：訓(xùn)練組AUC 值為0.728，敏感度為71.11%，特異度為71.79%；B：驗(yàn)證組AUC值為0.744，敏感度為85%，特異度為58.82% 圖4 聯(lián)合預(yù)測模型預(yù)測早期復(fù)發(fā)的ROC曲線分析(AUC=0.807，敏感度為92.31%，特異度為58.93%)Fig.2 The ROC curve analysis of clinical features for predicting early recurrence.Fig.3 The ROC curve analysis of radiomic characteristics for predicting early recurrence.A:The AUC value of the training group is 0.728,the sensitivity is 71.11%,and the specificity is 71.79%;B:The AUC value of the verification group is 0.744,the sensitivity is 85%,and the specificity is 58.82%. Fig.4 The ROC curve analysis of the combined prediction model for predicting early recurrence(AUC=0.807,sensitivity 92.31%,specificity 58.93%).

表1 患者臨床特征Tab.1 Patients'clinical features

2.2 紋理特征

所有患者的MR圖像經(jīng)影像組學(xué)分析后共提取出371 個(gè)紋理特征，使用中位數(shù)代替所有異常值，根據(jù)0.7的比例隨機(jī)劃分訓(xùn)練組及驗(yàn)證組，最終84例歸為訓(xùn)練組(ER：45，NER：39)，37例歸為驗(yàn)證組(ER：20，NER：17)。特征選擇分為兩步，第一步采取ANOVA 分析及Mann-WhitneyU檢驗(yàn)，第二步使用|r|=0.9的spearman分析消除高維特征冗余，最終選取7個(gè)顯著性較強(qiáng)的紋理特征，分別為LongRunHighGreyLevelEmphasis_angle 135_offset7、ClusterShade_AllDirection_offset4_SD、LongRunEmphasis_angle135_offset4、LongRunEmph asis_angle90_offset7、LongRunLowGreyLevelEmph asis_AllDirection_offset1_SD、ShortRunEmphasi s_angle135_offset4、MinorAxisLength。經(jīng)Logistic回歸建立放射組學(xué)模型，圖3 描述了模型的ROC 曲線對(duì)早期復(fù)發(fā)的預(yù)測性能，訓(xùn)練組AUC值為0.728，敏感度為71.11%，特異度為71.79%。驗(yàn)證組AUC 值為0.744，敏感度為85%，特異度為58.82%。表明基于MRI 紋理參數(shù)的影像組學(xué)模型在預(yù)測肝癌患者TACE術(shù)后早期復(fù)發(fā)方面具有良好性能。

2.3 組合模型的性能分析

將選擇的兩個(gè)臨床特征納入放射組學(xué)模型，構(gòu)建綜合臨床因素及圖像紋理的聯(lián)合預(yù)測模型(圖4)，其AUC 值為0.807 (95%CI：0.725～0.873)，診斷效能均明顯優(yōu)于臨床模型(P=0.030、z=2.176)及放射組學(xué)模型(P=0.036、z=2.100)。

3 討論

根據(jù)巴塞羅那肝癌分期系統(tǒng)，TACE 是中期肝癌患者的標(biāo)準(zhǔn)治療方案[3]。然而事實(shí)上，TACE通過單獨(dú)或聯(lián)合治療已廣泛應(yīng)用在肝癌的各個(gè)階段。許多研究支持在早期和晚期肝癌患者中使用TACE，可作為極早期或早期肝癌的手術(shù)切除/移植的替代或過渡性手段，對(duì)于不可切除及晚期肝癌也可作為局部控制的姑息性治療[12-13]。另外有證據(jù)表明，對(duì)于直徑≤3 cm 且無血管侵犯的單發(fā)結(jié)節(jié)肝癌患者，TACE 的五年生存率與肝切除術(shù)加射頻消融術(shù)相似[14]。TACE治療已被證明在局部腫瘤控制、防止腫瘤進(jìn)展、控制患者癥狀及延長患者生命等方面均發(fā)揮有效作用。然而TACE療效不穩(wěn)定，術(shù)后腫瘤易復(fù)發(fā)，因此如何有效預(yù)測療效也一直是臨床關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前肝癌的檢測方法主要為超聲、CT、MRI 及實(shí)驗(yàn)室檢查等，但各自的診斷價(jià)值尚缺乏統(tǒng)一定論。已有研究證實(shí)治療前動(dòng)態(tài)CT 紋理分析在預(yù)測肝癌TACE 術(shù)后治療療效的價(jià)值[15]，但由于碘油在CT 上表現(xiàn)為高密度，因此碘油沉積區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)受偽影影響較大，而碘油對(duì)MRI 信號(hào)不產(chǎn)生影響，且MRI 軟組織分辨能力較高，并可提供多參數(shù)成像，因此相對(duì)于CT，MR 在肝癌介入治療后的療效評(píng)估中具有更大的價(jià)值。但目前臨床上基于MRI 圖像的評(píng)估主要依靠腫瘤形態(tài)學(xué)及其強(qiáng)化情況，而對(duì)于圖像內(nèi)部更細(xì)致的不可見的特征尚未進(jìn)行深度挖掘。但隨著放射組學(xué)的發(fā)展，基于MRI圖像的紋理分析已被應(yīng)用于肝癌的多個(gè)方面，且均具有良好性能，如有效鑒別肝內(nèi)3 種單發(fā)病灶(肝血管瘤、肝轉(zhuǎn)移瘤和肝細(xì)胞癌)[16]，預(yù)測肝細(xì)胞癌的組織學(xué)分級(jí)[17]、分化程度[18]及微血管侵犯[19-20]等，且對(duì)于肝癌切除術(shù)后的復(fù)發(fā)，MRI組學(xué)分析同樣表現(xiàn)出較大潛力[21]。

本研究選取了肝癌患者術(shù)前的T2WI 序列，通過影像組學(xué)的方法提取了7 個(gè)與早期復(fù)發(fā)存在相關(guān)性的紋理特征，各自也存在一定臨床意義，ClusterShade_AllDirection_offset4_SD 屬于陰暗聚類，是基于GLCM的一類特征，可以度量矩陣的偏斜度，其值越高，表示灰度差異性越大，圖像對(duì)稱性越低。GLCM 反映圖像灰度分布關(guān)于方向和變化幅度的綜合信息，是分析腫瘤異質(zhì)性的常用方法。MinorAxisLength 的像素意義則表示與區(qū)域具有相同標(biāo)準(zhǔn)二階中心矩的橢圓的短軸長度。而LongRunLow GreyLevelEmphasis_AllDirection_offset1_SD、LongR unHighGreyLevelEmphasis_angle135_offset7、Long RunEmphasis_angle135_offset4、LongRunEmphasis_angle90_offset7、ShortRunEmphasis_angle135_offset4 同屬于RLM 紋理參數(shù)，RLM 是記錄圖像像素分布和關(guān)系的統(tǒng)計(jì)量，度量長度和灰度的不均勻性，可以描述圖像的粗糙度或平滑度。以上紋理參數(shù)在不同方面反映了圖像更深層的異質(zhì)性，并隱含了腫瘤術(shù)后復(fù)發(fā)的相關(guān)信息，提示腫瘤內(nèi)部細(xì)節(jié)的差異是影響患者預(yù)后的重要因素。相對(duì)于依靠肉眼的形態(tài)學(xué)觀察，依靠計(jì)算機(jī)數(shù)字化提取紋理特征的影像組學(xué)分析具有更精確、更深入、更客觀的特點(diǎn)，但同樣存在其不足，紋理特征的差異，僅能代表腫瘤內(nèi)部細(xì)節(jié)存在差異，但其中的生物學(xué)基礎(chǔ)尚不明確，可能與分化程度、分子及基因的表達(dá)等多個(gè)方面有關(guān)，研究其中的相關(guān)性，將進(jìn)一步為影像組學(xué)參數(shù)提供相應(yīng)的分子生物學(xué)基礎(chǔ)。

通過所提取的7 個(gè)紋理參數(shù)構(gòu)建的預(yù)測模型在訓(xùn)練組AUC 值為0.728，驗(yàn)證組為0.711，且敏感度及特異度均較高。在之前已有研究表明MRI 可有效評(píng)估肝癌化療栓塞治療的療效[22]。且Weng 等[23]及Sun等[24]也分別證實(shí)基于MRI 紋理分析建立的預(yù)測模型對(duì)預(yù)測肝癌TACE 術(shù)后療效具有一定價(jià)值，而這兩項(xiàng)研究由于受樣本量影響，或由于病例選擇上的差異，其結(jié)果僅包含影像組學(xué)方面，相對(duì)單一。本研究結(jié)果同樣驗(yàn)證了MRI 影像組學(xué)在預(yù)測肝癌TACE 術(shù)后早期復(fù)發(fā)的可行性，此外，驗(yàn)證了肝癌患者一般臨床資料與TACE 術(shù)后早期復(fù)發(fā)的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)了臨床指標(biāo)與圖像紋理的有機(jī)融合。

對(duì)于患者臨床資料，該研究中，腫瘤最大直徑及γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶與TACE術(shù)后的早期復(fù)發(fā)之間存在相關(guān)性，ER 組具有較高水平。對(duì)于腫瘤最大直徑，與Rou 等[25]及Park 等[15]的研究一致，腫瘤直徑較大的患者TACE療效相對(duì)較差，越易早期復(fù)發(fā)，且另有研究表明腫瘤直徑與肝癌經(jīng)藥物洗脫微球肝動(dòng)脈化療栓塞術(shù)后的局部復(fù)發(fā)呈顯著正相關(guān)[26]。而這可能與體積較大的腫瘤其內(nèi)部血管發(fā)育相對(duì)較為完善，腫瘤侵襲能力相對(duì)較強(qiáng)有關(guān)。同時(shí)，體積較大的腫瘤會(huì)增加病灶周圍間質(zhì)的壓力，壓迫毛細(xì)血管，從而阻礙碘油在腫瘤內(nèi)的沉積，也可能導(dǎo)致腫瘤術(shù)后的復(fù)發(fā)[27]。同樣有研究曾表明，γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶水平與血管侵犯、腫瘤大小、數(shù)目等不良臨床病理特征[28]及慢性乙肝患者的纖維化及肝硬化程度[29]有關(guān)，且其過度表達(dá)可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞某些氧化還原過程，破壞增殖/凋亡平衡，從而促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展[30]。這些則可能為γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶水平影響肝癌預(yù)后的潛在機(jī)制。本研究通過多因素Logistic回歸將上述兩個(gè)臨床因素建立預(yù)測模型，ROC曲線下面積為0.715，同樣具有一定預(yù)測價(jià)值。

但考慮到臨床指標(biāo)信息不能反映腫瘤的異質(zhì)性特征，而放射組學(xué)提取的紋理特征信息則可直觀、定量地描述腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性，因此將選取的臨床特征納入放射組學(xué)模型，從而建立聯(lián)合預(yù)測模型，其AUC值為0.807，且與臨床特征模型及放射組學(xué)模型相比，其預(yù)測效能均有所提高(P＜0.05)，可以更有效地在術(shù)前進(jìn)行無創(chuàng)預(yù)測。

然而，本研究也存在許多不足之處。首先，本研究納入樣本量較少，且來源單一，缺少外部驗(yàn)證。其次，研究的回顧性設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致選擇偏差。此外，圖像感興趣區(qū)是由人工手動(dòng)分割，盡管努力確保勾畫的準(zhǔn)確性，但仍可能出現(xiàn)不可避免的錯(cuò)誤，從而可能對(duì)紋理特征的評(píng)估產(chǎn)生一定偏差。最后，本研究只選取了T2WI圖像作為研究對(duì)象，相對(duì)單一，因此在日后的研究中應(yīng)該納入其他常規(guī)序列及增強(qiáng)序列，進(jìn)行多序列的相關(guān)研究，同時(shí)更廣泛地納入實(shí)驗(yàn)室生化指標(biāo)及分子生物學(xué)指標(biāo)等，進(jìn)一步完善結(jié)果，進(jìn)行更為綜合的分析。

綜上所述，本研究提供初步證據(jù)，表明基于MRI紋理分析及臨床特征構(gòu)建的預(yù)測模型能有效預(yù)測肝癌患者TACE 術(shù)后的早期復(fù)發(fā)，有利于臨床及早制訂方案，選擇最佳的個(gè)體化治療策略。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。