影像組學(xué)在急性胰腺炎診斷中的研究進(jìn)展

張 盼，許萬(wàn)博（通信作者）

（1濱州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院 山東 濱州 256600）

（2德州市人民醫(yī)院放射科 山東 德州 253000）

急性胰腺炎（acute pancreatitis，AP）作為一種常見(jiàn)的急腹癥，通常有腹痛、惡心、嘔吐、發(fā)熱等表現(xiàn)，部分臨床表現(xiàn)不典型，需要結(jié)合影像學(xué)檢查進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-2]。傳統(tǒng)影像學(xué)包括超聲、CT和MR多基于形態(tài)學(xué)變化評(píng)估病情[3-4]，通常滯后于疾病的進(jìn)展，不利于臨床決策。影像組學(xué)基于從CT、MRI或PET中獲得的醫(yī)學(xué)圖像，高通量提取和分析大量的高級(jí)定量成像特征，將圖像轉(zhuǎn)化為高維數(shù)據(jù)，超越形態(tài)學(xué)特征分析的現(xiàn)狀，逐漸發(fā)展成為一門(mén)相對(duì)成熟的學(xué)科和醫(yī)學(xué)圖像分析方法，利于患者的個(gè)性化管理[5]。

1 影像組學(xué)在急性胰腺炎中的應(yīng)用

1.1 預(yù)測(cè)AP的嚴(yán)重程度

根據(jù)2012年國(guó)際共識(shí)修訂的亞特蘭大分類，AP可根據(jù)臨床嚴(yán)重程度分為三類：輕度急性胰腺炎（mild acute pancreatitis，MAP）、中度急性胰腺炎（moderately severe acute pancreatitis，MSAP）和重度急性胰腺炎（severe acute pancreatitis，SAP）[6]。早期預(yù)測(cè)AP的臨床嚴(yán)重程度不僅有利于MSAP和SAP患者的早期診斷和治療，而且有利于AP患者的分流或轉(zhuǎn)診。

Lin等[7]從MRI門(mén)靜脈期圖像整個(gè)胰腺實(shí)質(zhì)的感興趣區(qū)中提取出影像組學(xué)特征，并選擇11個(gè)影像特征建立支持向量機(jī)模型。在訓(xùn)練組中，影像組學(xué)模型區(qū)分MAP與MSAP或SAP患者的準(zhǔn)確性和AUC分別為85.6%、0.917。在驗(yàn)證組中，放射組學(xué)模型區(qū)分MAP與MSAP或SAP患者的準(zhǔn)確性和AUC分別為81.0%和0.848。兩組AUC均顯著高于臨床評(píng)分系統(tǒng)和MR評(píng)分系統(tǒng)。本研究表明，與一些現(xiàn)有的臨床和放射學(xué)評(píng)分系統(tǒng)相比，基于增強(qiáng)MRI的影像組學(xué)模型在早期預(yù)測(cè)AP的臨床嚴(yán)重程度方面可能更準(zhǔn)確。

1.2 預(yù)測(cè)AP的復(fù)發(fā)

隨著人口老齡化、膽道結(jié)石、肥胖等AP危險(xiǎn)因素的增加，AP的發(fā)病率也在逐漸增加[8]。據(jù)報(bào)道，AP的復(fù)發(fā)率約為10%～30%[9]，約10%的初發(fā)AP患者可能進(jìn)展為慢性胰腺炎，而男性、吸煙者和酗酒者的風(fēng)險(xiǎn)更高[10]。另一項(xiàng)研究報(bào)道了慢性胰腺炎可能會(huì)增加患者患胰腺癌的風(fēng)險(xiǎn)[11]。因此，早期預(yù)測(cè)和適當(dāng)?shù)墓芾泶胧┛梢詼p少AP的復(fù)發(fā)，還可以預(yù)防或延緩其向慢性胰腺炎甚至胰腺癌的進(jìn)展。

Chen等[9]基于增強(qiáng)CT的動(dòng)脈期和靜脈期圖像將10 個(gè)影像特征用于建模,影像組學(xué)在預(yù)測(cè)驗(yàn)證組中的AP復(fù)發(fā)性方面表現(xiàn)良好（AUC為0.878～0.980），準(zhǔn)確度為89.0%。驗(yàn)證組臨床模型的AUC和分類準(zhǔn)確度分別為0.671（0.572～0.771）和61.0%，影像學(xué)模型明顯優(yōu)于臨床模型。據(jù)此推測(cè)，影像組學(xué)特征可以對(duì)疾病的嚴(yán)重程度進(jìn)行分層，并比臨床模型能更好地預(yù)測(cè)AP的復(fù)發(fā)。Hu等[12]基于MRI T2加權(quán)成像回顧性收集了190例AP，采用LASSO進(jìn)行特征篩選，建立預(yù)測(cè)AP復(fù)發(fā)的影像組學(xué)模型、臨床模型和聯(lián)合模型。結(jié)果表明，影像組學(xué)聯(lián)合模型在預(yù)測(cè)AP復(fù)發(fā)方面優(yōu)于臨床模型，其次，訓(xùn)練組和驗(yàn)證組在聯(lián)合模型和影像組學(xué)模型中均表現(xiàn)出一致的高AUC，說(shuō)明兩種模型相對(duì)穩(wěn)定，在預(yù)測(cè)AP復(fù)發(fā)方面具有良好的應(yīng)用前景。

1.3 預(yù)測(cè)胰周壞死

根據(jù)2012亞特蘭大分類[9]，AP可分為兩類：①間質(zhì)性水腫性胰腺炎（interstitial edematous pancreatitis，IEP）；②壞死性胰腺炎（necrotizing pancreatitis，NP）。根據(jù)壞死的分布和位置，NP可進(jìn)一步細(xì)分為三種亞型[6]：①胰腺和胰腺周?chē)?lián)合壞死（約75.0%）；② 僅胰腺周?chē)鷫乃溃s20.0%）；③僅胰腺壞死（約5.0%）。文獻(xiàn)表明，IEP的死亡率約為3.0%，而NP的死亡率約為17%；如果合并感染，NP的死亡率可上升到30%左右[6,13]。因此，區(qū)分IEP和NP對(duì)預(yù)測(cè)AP患者的預(yù)后具有重要的臨床意義。

Zhou等[14]基于MRI的T2WI和動(dòng)脈晚期圖像，從胰周積液（T2WI）和整個(gè)胰腺實(shí)質(zhì)（動(dòng)脈晚期）的感興趣區(qū)中選取特征（12個(gè)來(lái)自T2WI，10個(gè)來(lái)自動(dòng)脈晚期圖像）建立支持向量機(jī)模型。在訓(xùn)練組中，T2WI胰周積液和動(dòng)脈晚期胰腺實(shí)質(zhì)影像組學(xué)模型預(yù)測(cè)胰周壞死的準(zhǔn)確性和AUC分別為91.5%和87.2%、0.969和0.931。在驗(yàn)證組中，胰周積液和動(dòng)脈晚期胰腺實(shí)質(zhì)影像組學(xué)模型預(yù)測(cè)胰周壞死的準(zhǔn)確性和AUC參數(shù)分別為92.7%和82.9%、0.976和0.921。兩種AUC值均顯著高于臨床模型和MR評(píng)分系統(tǒng)。本研究顯示，與現(xiàn)有的一些臨床模型和放射學(xué)評(píng)分相比，基于T2WI胰周積液和動(dòng)脈晚期胰腺實(shí)質(zhì)的MRI影像組學(xué)模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)AP患者早期的胰腺外壞死。

1.4 預(yù)測(cè)AP的并發(fā)癥

腹腔室綜合征，血管炎，靜脈血栓形成，假性動(dòng)脈瘤等并發(fā)癥盡管較少見(jiàn)或罕見(jiàn)，但也不容忽視。影像組學(xué)也可以用于預(yù)測(cè)AP相關(guān)的并發(fā)癥，Iranmahboob等[15]對(duì)AP患者的表觀彌散系數(shù)圖（apparent diffusion coefficient，ADC）進(jìn)行直方圖分析發(fā)現(xiàn)，新發(fā)的胰周液體積聚、胰腺壞死、靜脈血栓形成或假性動(dòng)脈瘤的發(fā)生與一階特征密切相關(guān)。峰度是一種測(cè)量分布尾部極值（即離群值）的方法，它能夠預(yù)測(cè)新的并發(fā)癥。峰度增加的病人出現(xiàn)并發(fā)癥的確切病理機(jī)制尚不清楚。據(jù)推測(cè)[15]，峰度增加的原因是信號(hào)強(qiáng)度異質(zhì)性的增加，這反映了潛在的炎癥和蜂窩織炎的變化；而這些潛在的炎癥和蜂窩織炎使病人容易發(fā)生并發(fā)癥。

2 不足與展望

為了最大限度地發(fā)揮胰腺影像組學(xué)的長(zhǎng)處，未來(lái)的研究需要更大的樣本量提供更大量的影像組學(xué)特征（特別是二階紋理特征和過(guò)濾圖像特征），以前瞻性的方式將影像組學(xué)結(jié)果與適當(dāng)?shù)慕饦?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比研究。然而，目前文獻(xiàn)中報(bào)道的絕大多數(shù)影像組學(xué)模型仍處于研究發(fā)展階段，其臨床應(yīng)用尚未真正實(shí)施，這一現(xiàn)象可能主要是影像組學(xué)的局限性造成的。目前的影像組學(xué)研究和臨床應(yīng)用仍存在以下局限性[16]。

2.1 醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化、同質(zhì)、高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)是影像組學(xué)研究和臨床應(yīng)用的重要基石。影像組學(xué)是2016年由名為 Force 11（the Future of Research Communications and e-Scholarship 2011）的國(guó)際社會(huì)提出的FAIR科學(xué)數(shù)據(jù)管理和指導(dǎo)原則[17]。這一國(guó)際社會(huì)強(qiáng)調(diào)，科學(xué)數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用遵循可發(fā)現(xiàn)（F）、可訪問(wèn)（A）、可互操作（I）和可重復(fù)使用（R）的原則。

2.2 模型的泛化

影像組學(xué)模型在數(shù)據(jù)集的相似和不同分布（如各種時(shí)間、治療計(jì)劃、地理位置等）中的性能稱為影像組學(xué)模型的泛化。模型的可重復(fù)性和可轉(zhuǎn)移性是臨床應(yīng)用的重要前提，也是亟待解決的重要問(wèn)題[18]。增加數(shù)據(jù)樣本量和數(shù)據(jù)多樣性，運(yùn)用全自動(dòng)和半自動(dòng)的圖像分割方法，采取合理的特征選擇和降維方法以及聯(lián)合機(jī)器學(xué)習(xí)，有望為上述困難提供有效的解決方案[19]。

2.3 生物可解釋性

影像組學(xué)研究者希望通過(guò)定量提取和分析人類肉眼無(wú)法識(shí)別的圖像信息來(lái)探索某些特征與某些疾病或臨床終點(diǎn)（如疾病的診斷和鑒別診斷、治療效果的預(yù)測(cè)、病理分類和分級(jí)、基因和蛋白表型等）的關(guān)系，但影像組學(xué)的生物學(xué)可解釋性仍有欠缺，各特征的潛在生物學(xué)意義尚不完全清楚嚴(yán)重阻礙了其臨床應(yīng)用[20]。因此，如何提高生物學(xué)可解釋性是該領(lǐng)域面臨的重要問(wèn)題。

2.4 臨床應(yīng)用

具有操作簡(jiǎn)便、學(xué)習(xí)曲線短、用戶體驗(yàn)好、運(yùn)行速度快、使用場(chǎng)景廣泛等特點(diǎn)的臨床效用影像組學(xué)模型或系統(tǒng)將為臨床醫(yī)生的工作帶來(lái)極大的便利[21]。未來(lái)，在手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)上開(kāi)發(fā)的軟件可能成為影像組學(xué)模型或系統(tǒng)臨床應(yīng)用的有效載體。

3 小結(jié)

自2012年影像組學(xué)概念提出以來(lái)，影像組學(xué)在科學(xué)研究和臨床應(yīng)用中都開(kāi)始表現(xiàn)出很大的潛力，如預(yù)測(cè)AP的復(fù)發(fā)、臨床嚴(yán)重程度和胰腺外壞死。然而，大多數(shù)已發(fā)表的研究存在單中心、回顧性、樣本量有限和影像組學(xué)質(zhì)量評(píng)分較低的局限性。未來(lái)研究人員可能會(huì)著重于一些多中心、前瞻性、大樣本量、高質(zhì)量評(píng)分的研究。除此之外，預(yù)測(cè)AP進(jìn)展為慢性胰腺炎或慢性胰腺炎進(jìn)展為胰腺癌的可能性，將胰腺基因水平的研究與影像組學(xué)有效地結(jié)合以及相關(guān)的深度機(jī)器學(xué)習(xí)，都可能成為潛在的研究方向。