直腸充盈對(duì)直腸壁CT影像組學(xué)特征的影響

張白霖，黃澤裕，戴振暉，朱琳，楊耕，靳懷志，高蕾，王學(xué)濤

1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院大學(xué)城放射治療區(qū)，廣東廣州 510006；2.廣州中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，廣東廣州 510006

前言

放射性直腸炎是宮頸癌放療引起直腸反應(yīng)的常見并發(fā)癥，在早期表現(xiàn)為直腸粘膜細(xì)胞更新抑制，發(fā)展到腸壁小動(dòng)脈壁腫脹、閉塞，導(dǎo)致直腸壁缺血、粘膜糜爛，臨床癥狀表現(xiàn)為反復(fù)鮮血便，更甚者導(dǎo)致患者重度貧血需輸血治療，嚴(yán)重影響病人生活質(zhì)量［1］。通過患者影像信息實(shí)現(xiàn)放射性直腸炎預(yù)測值得研究。影像組學(xué)通過從影像（CT、MRI、PET 等）高通量提取大量影像信息（生成特征feature），構(gòu)建模型對(duì)臨床關(guān)注的問題進(jìn)行預(yù)測，如腫瘤診斷、分期、分型及預(yù)后等［2-3］。影像組學(xué)特征的可重復(fù)性和穩(wěn)定性決定所構(gòu)建模型的好壞［4］。已有研究討論呼吸運(yùn)動(dòng)［5］、掃描參數(shù)［6］對(duì)影像組學(xué)特征的影響。直腸充盈會(huì)導(dǎo)致直腸壁形態(tài)發(fā)生肉眼可見的變化，直腸充盈對(duì)影像組學(xué)特征的影響尚無相關(guān)研究。本研究通過對(duì)比宮頸癌后裝放療中患者直腸填充苦參凝膠前后的CT掃描圖像［7］，分析直腸充盈對(duì)直腸壁CT 影像組學(xué)特征（后簡稱“特征”）的影響，為相關(guān)影像組學(xué)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 CT圖像采集

收集廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院大學(xué)城院區(qū)放療中心95例宮頸癌患者CT 圖像，按照后裝放療流程，患者在直腸未充盈狀態(tài)下，在模擬定位機(jī)（西門子SOMATOM sensation Open CT）上，腳先進(jìn)仰臥體位，行第1 次CT 掃描，掃描范圍：第3 腰椎水平至坐骨結(jié)節(jié)下5 cm，重建層厚為5 mm，完成掃描后，囑患者呈截石位，由醫(yī)師將20 g 苦參凝膠（坤立舒）經(jīng)肛門注入直腸（圖1），然后行第2 次CT 掃描，掃描條件與第1次相同。

圖1 苦參凝膠及塞肛前后的CT圖像Figure 1 KUSHEN Ningjiaos and CT images before and after rectal filling

1.2 影像組學(xué)特征計(jì)算

一名高年資放療科主治醫(yī)師對(duì)兩組重建CT 圖像逐層手動(dòng)勾畫感興趣區(qū)域（Region of Interest,ROI）直腸壁。編寫python 程序調(diào)用影像組學(xué)pyradmics庫，對(duì)直腸壁ROI內(nèi)的體素提取7類特征107個(gè)，包括形態(tài)學(xué)特征、一階統(tǒng)計(jì)特征、灰度共生矩陣（GLCM）、灰度相關(guān)矩陣（GLDM）、灰度游程矩陣（GLRLM）、灰度區(qū)域矩陣（GLSZM）及領(lǐng)域灰階矩陣特征（NGTDM）［3］。另外對(duì)原始圖像進(jìn)行小波變換濾波處理，之后提取除形態(tài)學(xué)特征外的6 類特征744 個(gè)，共計(jì)851個(gè)特征用于分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Matlab R2014a對(duì)兩種情況下提取的影像組學(xué)特征計(jì)算一致性相關(guān)系數(shù)（Concordance Correlation Coefficient，CCC），CCC 值范圍0～1，接近1 表示特征穩(wěn)定性高。采用威爾科克森符號(hào)秩檢驗(yàn)（Wilcoxon Signed Rank Test），P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；采用斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)（Spearman's rank correlation coefficient）分析所有特征與ROI體積的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r的絕對(duì)值大于0.8 表示該特征與體積強(qiáng)相關(guān)。

2 結(jié)果

各特征CCC 值分布見圖2?？梢钥闯鲋蹦c充盈對(duì)特征影響較大，占總數(shù)13%（113/851）的特征CCC值＜0.8，穩(wěn)定性不高。

圖2 影像組學(xué)特征CCC值分布Figure 2 Distribution of concordance correlation coefficient(CCC)of radiomics features

表1列出各類特征滿足不同CCC 閾值要求的占比情況。總體來說，特征穩(wěn)定性受直腸充盈影響很大，CCC＞0.75的特征只占總數(shù)的19%，說明絕大部分特征穩(wěn)定性不高［8］。從表1中還可以看出，基于原始圖像提取的特征中，形態(tài)特征受影響相對(duì)最小，CCC＞0.8 的特征占比66.7%，NGTDM 特征受影響相對(duì)最大，滿足CCC＞0.8的特征只有1個(gè)。經(jīng)過小波變換濾波處理后，CCC＞0.8 僅占該類特征總數(shù)的9.5%。但是從數(shù)量上是可觀的，有71 個(gè)特征滿足CCC＞0.8，有18個(gè)特征滿足CCC＞0.85。

表1 CCC不同閾值篩選特征［例（%）］Table 1 Features selection according to different CCC［cases(%)］

兩種情況下提取的特征進(jìn)行威爾科克森符號(hào)秩檢驗(yàn)，有顯著性差異（P＜0.05）的特征占總數(shù)的92%（782/851），說明直腸充盈對(duì)絕大部分的特征產(chǎn)生了具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的規(guī)律性影響。全部特征與體積配對(duì)計(jì)算斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)，結(jié)果只有46 個(gè)特征與體積強(qiáng)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)r值＞0.8或＜-0.8）。

3 討論

影像組學(xué)利用基于圖像的定量特征建立臨床預(yù)測模型，當(dāng)前此類研究增長迅速［9-12］。影像組學(xué)研究應(yīng)用面臨一些挑戰(zhàn)，影像組學(xué)特征穩(wěn)定性是其中之一，用于揭示某些信息的生物標(biāo)記需要是穩(wěn)定可重復(fù)觀察的，特征穩(wěn)定性不高阻礙其廣泛應(yīng)用，因此特征穩(wěn)定性是影像組學(xué)的重要研究方向之一［8］。影像組學(xué)特征穩(wěn)定性可能受兩方面因素影響：一是掃描條件（成像設(shè)備、掃描參數(shù)、重建算法等），一些研究顯示影像組學(xué)特征值受到不同掃描條件的影響。Berenguer 等［13］對(duì)模體進(jìn)行不同掃描條件下的CT 掃描成像，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)改變重建核函數(shù)使得占總數(shù)43.1%的特征不穩(wěn)定，管電壓從80～140 kVp 限制到120～140 kVp，穩(wěn)定特征占比由43.2%上升到77.3%。劉濤等［14］研究體素尺寸對(duì)CT 影像組學(xué)特征的影響，發(fā)現(xiàn)體素改變對(duì)絕大部分特征影響較大。另一因素是部位本身的形變。Balagurunathan 等［15］發(fā)現(xiàn)非小細(xì)胞肺癌患者在同一時(shí)間（小于15 min）兩次CT掃描成像，其腫瘤區(qū)域圖像的穩(wěn)定特征占比42.5%（CCC值＞0.85），Hu等［16］在短時(shí)間內(nèi)（約2周）對(duì)直腸癌患者進(jìn)行兩次CT 掃描成像，穩(wěn)定特征占比64%（CCC 值＞0.8），說明人體內(nèi)部組織的形變也是影響特征穩(wěn)定性的因素之一，需要注意。

本研究通過對(duì)比宮頸癌后裝放療中填塞苦參凝膠前后（直腸充盈前后）的定位CT 圖像，探討直腸充盈對(duì)直腸壁影像組學(xué)特征穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明改變直腸充盈狀態(tài)使大部分特征不穩(wěn)定，僅有占總數(shù)13%的特征穩(wěn)定（CCC 值＞0.8），可能因?yàn)橹蹦c壁具有圓形平滑肌的內(nèi)襯，它隨著直腸充盈的增加而伸展和伸長，因而對(duì)大部分特征造成顯著影響。另外，圖像經(jīng)過小波變換濾波預(yù)處理后提取的特征穩(wěn)定性相對(duì)更差，分析原因，小波變換通過低通濾波實(shí)現(xiàn)降噪，醫(yī)學(xué)中主要用于局部性病灶影像圖像分析。本研究中直腸壁的形態(tài)改變?cè)诮?jīng)小波變換后差異更加明顯，故對(duì)比分析特征穩(wěn)定性相對(duì)更差。

本研究發(fā)現(xiàn)直腸充盈對(duì)直腸壁絕大部分影像組學(xué)特征的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說明理論上直腸充盈對(duì)直腸壁造成了規(guī)律性影響。Zou 等［17］指出部分影像組學(xué)特征與體積的相關(guān)性，直腸充盈造成直腸壁體積增大，進(jìn)而影響與體積相關(guān)性強(qiáng)的特征，但本研究結(jié)果表明直腸壁影像組學(xué)特征與體積的相關(guān)性并不強(qiáng)，這一點(diǎn)還需進(jìn)一步研究。

本研究的不足：首先，本研究收集的病例，少數(shù)患者填塞苦參凝膠前并未完全排空直腸，另外由于臨床條件所限，無法做到所有患者填塞位置完全一致，影響分析質(zhì)量。其次，目前尚無成熟的直腸壁自動(dòng)勾畫方法，本研究人工勾畫直腸壁，提升勾畫準(zhǔn)確度，可能提升分析質(zhì)量。

綜上所述，直腸充盈狀態(tài)改變對(duì)直腸壁影像組學(xué)特征影響顯著，在影像組學(xué)的臨床研究中應(yīng)予以關(guān)注。