術(shù)前增強(qiáng)CT影像組學(xué)預(yù)測(cè)肝癌術(shù)后早期復(fù)發(fā)的價(jià)值

熊亮霞，方淇民，李淑豪，彭云，龔良庚

肝細(xì)胞肝癌(hepatocellular carcinoma，HCC)是全球第六大常見(jiàn)惡性腫瘤，其死亡率位于全球癌癥的第三位[1]。手術(shù)切除是肝功能良好HCC患者的主要治療方法[2]。然而，肝癌患者切除術(shù)后的復(fù)發(fā)率仍高達(dá)50%～70%，并導(dǎo)致不良預(yù)后[3-4]。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)肝癌術(shù)后早期復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)臨床復(fù)發(fā)的監(jiān)測(cè)、預(yù)防和治療策略的制訂具有關(guān)鍵性作用。影像組學(xué)作為一種新的影像學(xué)生物標(biāo)志物，通過(guò)非侵入性特征分析技術(shù)獲得與疾病相關(guān)的各種隱藏信息，有助于HCC的診斷、術(shù)前微血管侵犯(microvascular invasion，MVI)的預(yù)測(cè)及療效評(píng)估等[5-6]。本研究旨在探討術(shù)前臨床資料及增強(qiáng)CT圖像影像組學(xué)方法預(yù)測(cè)HCC切除術(shù)后早期復(fù)發(fā)的價(jià)值。

材料與方法

1.臨床資料

回顧性分析2017年1月-2019年7月本院行肝部分切除術(shù)并經(jīng)組織病理學(xué)確診為HCC患者的病例資料。納入標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)為HCC；②在術(shù)前2周內(nèi)行上腹部CT增強(qiáng)掃描；③CT圖像質(zhì)量滿意。排除標(biāo)準(zhǔn):①術(shù)前有HCC治療史；②臨床資料不完整；③術(shù)后2年內(nèi)失訪。共有130例HCC患者納入研究，男100例，女30例；年齡23～83歲，平均(55.6±12.6)歲；腫瘤最大直徑0.9～18.0 cm，平均(5.9±3.9) cm。從臨床病歷系統(tǒng)中搜集患者的年齡、性別、乙肝表面抗原(HBsAg)、血清甲胎蛋白(AFP) 、血清球蛋白(GLB) 、血清總膽紅素(TBIL) 、谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)、谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶(γ-GT)、血小板計(jì)數(shù)(PLT)、中性粒細(xì)胞與淋巴細(xì)胞比值(NLR)、凝血酶原時(shí)間(PT)、凝血酶原時(shí)間國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化比率(INR)、病理分化程度、微血管侵犯(MVI)及腫瘤最大徑(maximum tumor diameter,MTD)等基本臨床資料。

2.CT掃描方案

使用Siemens Somatom Definition Flash雙源CT機(jī)行上腹部CT掃描，掃描參數(shù)：120 kV，210 mAs，層厚5.0 mm，層間距5.0 mm，矩陣512×512，重建層厚1.25 mm。首先進(jìn)行常規(guī)平掃，然后以2.4 mL/s的流率經(jīng)肘靜脈注入對(duì)比劑碘普羅胺(370 mg I/mL)，劑量1.1 mL/kg，隨后以同樣流率注入20 mL生理鹽水沖管，延遲25 s行動(dòng)脈期掃描，于動(dòng)脈期開(kāi)始后30 s進(jìn)行靜脈期掃描。

3.隨訪及復(fù)發(fā)評(píng)估

通過(guò)門診、電話和病例查詢系統(tǒng)對(duì)所有患者進(jìn)行規(guī)律隨訪，術(shù)后每3個(gè)月定期監(jiān)測(cè)HCC患者的血清AFP等腫瘤標(biāo)志物及腹部超聲、CT、MRI或肝動(dòng)脈造影等檢查。早期復(fù)發(fā)定義為HCC患者手術(shù)切除后2年內(nèi)通過(guò)超聲、CT、MRI或肝動(dòng)脈造影等影像學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)新的肝內(nèi)病灶或肝外轉(zhuǎn)移，標(biāo)準(zhǔn)如下：①新的肝內(nèi)病灶，具有典型的HCC影像學(xué)表現(xiàn)，且經(jīng)組織病理學(xué)證實(shí)或術(shù)后TACE術(shù)中DSA顯示腫瘤染色；②典型的影像學(xué)特征或組織病理學(xué)證實(shí)為肝外轉(zhuǎn)移[7]。本研究中患者隨訪時(shí)間為1～46個(gè)月，中位數(shù)為24個(gè)月。

4.圖像勾畫及特征提取

病灶分割：首先標(biāo)準(zhǔn)化圖像灰階，由一位高年資放射科醫(yī)師(具有5年以上腹部影像診斷經(jīng)驗(yàn))使用ITK-SNAP軟件，分別在動(dòng)脈期和靜脈期圖像上逐層沿靶病灶邊緣勾畫ROI，最后經(jīng)軟件處理融合成三維容積ROI(volume ROI，VOI)，然后由另一位高年資放射科醫(yī)師(具有10年以上腹部影像診斷經(jīng)驗(yàn))對(duì)結(jié)果進(jìn)行核查和驗(yàn)證(圖1a～b)。

特征提?。簯?yīng)用GE 公司AK(Artificial Intelligence Kit, Version: 3.2.0.R)軟件對(duì)已勾畫ROI的CT圖像進(jìn)行特征提取，每個(gè)期相提取8大類共569個(gè)特征參數(shù)，分別為一階特征、灰度直方圖(圖1c)特征、灰度共生矩陣(gray-level co-occurrence matrix，GLCM)特征、灰度游程矩陣(run-length matrix，RLM)特征和灰度步長(zhǎng)矩陣(gray-level run-length matrix，GLRLM)特征。以均值替換異常值對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化特征參數(shù)。

圖1 特征參數(shù)提取。a)使用ITK-SNAP軟件，在動(dòng)脈期圖像上沿病灶邊緣手動(dòng)勾畫ROI(紅圈)；b)將每個(gè)層面勾畫的病灶ROI融合，獲得三維VOI；c)經(jīng)AK軟件提取獲得的灰度直方圖示意圖。橫坐標(biāo)為灰度級(jí)，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)各灰度值的像素在圖像中出現(xiàn)的頻數(shù)。

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

臨床數(shù)據(jù)：使用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分類變量采用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行分析；連續(xù)變量采用Kolmogorov Smirnov檢驗(yàn)判斷是否符合正態(tài)分布，符合正態(tài)分布者組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，不符合者采用Mann WhitneyU檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)單因素分析中P<0.05的臨床因素進(jìn)行多因素logistic回歸分析并建立回歸模型。

組學(xué)特征數(shù)據(jù)：均采用IPMs 2.4.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。先對(duì)所有特征參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析以去除冗余，隨后采用t檢驗(yàn)及Wilcoxon秩和檢驗(yàn)降低特征維度；按照2∶1的原則將130例患者隨機(jī)分為訓(xùn)練集(84例)和測(cè)試集(46例)，以本研究中早期復(fù)發(fā)作為二分類問(wèn)題，采用支持向量機(jī)方法(support vector machine，SVM)對(duì)已篩選的特征進(jìn)行建模，采用ROC曲線分析評(píng)估模型的診斷效能，計(jì)算敏感度、特異度、符合率和ROC曲線下面積(area under curve，AUC)等效能指標(biāo)。模型間AUC的比較采用Delong檢驗(yàn)。

結(jié) 果

1.一般資料

130例中，早期復(fù)發(fā)61例(46.9%)，無(wú)早期復(fù)發(fā)69例。兩組患者臨床資料的單因素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 HCC患者早期復(fù)發(fā)的單因素分析

早期復(fù)發(fā)組與無(wú)復(fù)發(fā)組之間腫瘤最大徑、AFP 、AST、γ-GT、PLT、病理分化程度和MVI的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；其它指標(biāo)間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

多因素logistic回歸分析結(jié)果顯示腫瘤最大徑和MVI是HCC患者術(shù)后早期復(fù)發(fā)的獨(dú)立危險(xiǎn)因素(P<0.05)，詳見(jiàn)表2。

2.組學(xué)特征分析和預(yù)測(cè)模型的建立

特征降維篩選后，獲得動(dòng)脈期4個(gè)、靜脈期2個(gè)最佳組學(xué)特征，特征名稱及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 降維后篩選出的動(dòng)脈期和靜脈期最佳組學(xué)特征

基于動(dòng)脈期和靜脈期最佳特征集及臨床風(fēng)險(xiǎn)因子，采用SVM算法基于訓(xùn)練集中樣本數(shù)據(jù)分別建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，采用ROC曲線分析評(píng)估其診斷效能，并在驗(yàn)證集中進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表4、圖2。以動(dòng)脈期預(yù)測(cè)模型的AUC值大于靜脈期及臨床模型，其在訓(xùn)練集中AUC為0.847；在驗(yàn)證集中為0.858(圖3)，Delong檢驗(yàn)結(jié)果表明動(dòng)脈期預(yù)測(cè)模型效能優(yōu)于靜脈期模型及臨床模型(P=0.018；P=0.026)。聯(lián)合動(dòng)脈期的有效特征參數(shù)與臨床有意義因子建立組合模型，其預(yù)測(cè)性能較單純動(dòng)脈期模型顯著提高(Delong檢驗(yàn)示P=0.022)，在訓(xùn)練集中AUC為0.882，在驗(yàn)證集中AUC為0.938。

圖2 不同納入因子建立的預(yù)測(cè)模型的ROC曲線，以組合模型的AUC最大。SVM_1代表動(dòng)脈期模型，SVM_2代表靜脈期模型，SVM_3代表臨床模型，SVM_4代表組合模型。 圖3 基于動(dòng)脈期CT圖像組學(xué)特征建立的預(yù)測(cè)模型的ROC曲線。a)模型在訓(xùn)練集中的ROC曲線，AUC為0.847；b)模型在驗(yàn)證集中的ROC曲線，AUC為0.858。

表4 各模型在訓(xùn)練集合驗(yàn)證集這的預(yù)測(cè)效能

討 論

HCC腫瘤組織異質(zhì)性明顯，肝部分切除術(shù)后復(fù)發(fā)率仍較高，患者的預(yù)后較差[8]。近年來(lái)，有研究者探討了臨床指標(biāo)及常規(guī)影像表現(xiàn)預(yù)測(cè)HCC切除術(shù)后早期復(fù)發(fā)的可能性，但發(fā)現(xiàn)部分臨床實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)短期波動(dòng)較大、可重復(fù)性不高，且影像學(xué)征象的評(píng)估較為依賴醫(yī)師的主觀經(jīng)驗(yàn)[9-11]。影像組學(xué)可將圖像信息與病理、臨床療效和預(yù)后相關(guān)聯(lián)，已廣泛應(yīng)用于腫瘤的診斷、療效及預(yù)后預(yù)測(cè)中[12]。Zhang等[13]構(gòu)建了基于CT影像組學(xué)特征的晚期胃癌患者根治性切除術(shù)后早期復(fù)發(fā)的預(yù)測(cè)模型并繪制了諾模圖，其結(jié)果顯示該模型的預(yù)測(cè)效能良好(AUC=0.831)。這些研究證實(shí)了影像組學(xué)方法可以預(yù)測(cè)腫瘤術(shù)后早期復(fù)發(fā)并指導(dǎo)臨床治療。本研究使用SVM方法建立了CT影像組學(xué)模型，結(jié)果顯示模型對(duì)HCC患者肝切除術(shù)后早期復(fù)發(fā)具有較高的預(yù)測(cè)價(jià)值，其中基于動(dòng)脈期組學(xué)特征集的預(yù)測(cè)模型優(yōu)于靜脈期和臨床模型，將動(dòng)脈期最優(yōu)特征集與臨床風(fēng)險(xiǎn)因子結(jié)合后，模型的預(yù)測(cè)效能較前明顯提升。

影像組學(xué)提取了大量涉及圖像各個(gè)層次和方面的圖像特征，主要包括一階直方圖特征、二階紋理特征、高階濾波特征等。然而海量的特征數(shù)據(jù)集具有復(fù)雜度高、針對(duì)性差和分類性能差的特點(diǎn)，為了提高特征的普適性和可重復(fù)性，本研究對(duì)特征進(jìn)行了降維[14]。在經(jīng)過(guò)降維篩選后，最終選取了4個(gè)動(dòng)脈期、2個(gè)靜脈期最優(yōu)特征子集，其中，形狀特征中的球狀性(Sphericity)是動(dòng)、靜脈期特征集的共有特征，它既可描述圖像的二維、也可描述三維信息；灰度區(qū)域大小矩陣特征中的區(qū)域方差(ZoneVariance)和灰度相關(guān)矩陣特征中的大相關(guān)灰度強(qiáng)調(diào)(Large Dependence Emphasis)的優(yōu)勢(shì)比(odds ratio)較高，表明兩者與早期復(fù)發(fā)顯著相關(guān)。不同特征類型反映的具體意義不同，灰度區(qū)域大小矩陣是紋理特征的高級(jí)統(tǒng)計(jì)矩陣，它反映了圖像紋理的均勻性，矩陣越寬大、平坦，表示圖像紋理越均勻；灰度相關(guān)性矩陣是基于灰度共生矩陣計(jì)算出來(lái)的統(tǒng)計(jì)量，反映了圖像局部灰度的相關(guān)性，主要用來(lái)度量行或列上的圖像灰度級(jí)的相似程度，矩陣各項(xiàng)參數(shù)值越大，與早期復(fù)發(fā)的相關(guān)性也越大[15-16]。

本研究中，動(dòng)脈期降維篩選后與早期復(fù)發(fā)相關(guān)的特征參數(shù)多于靜脈期，且動(dòng)脈期預(yù)測(cè)模型的診斷效能優(yōu)于靜脈期，筆者分析可能的原因如下。①根據(jù)HCC病理生理學(xué)原理，腫瘤細(xì)胞的小血管大多由肝動(dòng)脈供血，增強(qiáng)掃描動(dòng)脈期可見(jiàn)病灶有明顯強(qiáng)化[17]。②腫瘤周圍微小癌栓形成，導(dǎo)致門靜脈微小分支阻塞，進(jìn)而引起靜脈血供減少或缺乏，造成“代償性動(dòng)脈灌注”，即短暫性肝密度差異[18]。以上HCC的特征性影像學(xué)表現(xiàn)主要出現(xiàn)于動(dòng)脈期，表明動(dòng)脈期圖像可以更好地反映肝癌病灶的異質(zhì)性[19]，且在特征提取軟件中可以更好的被捕捉到。

多因素分析結(jié)果顯示腫瘤最大徑和MVI是HCC患者肝切除術(shù)后早期復(fù)發(fā)的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。有研究發(fā)現(xiàn)肝癌肝切除術(shù)后復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)隨著腫瘤直徑的增加而增加，腫瘤直徑的增大通常伴隨著HCC惡性生物學(xué)行為的進(jìn)展，如侵犯微血管、形成癌栓、出現(xiàn)子灶或衛(wèi)星結(jié)節(jié)等[20-21]。微循環(huán)浸潤(rùn)是HCC惡性度增加及侵襲性增強(qiáng)的標(biāo)志，且多發(fā)生于晚期肝癌中。MVI是目前較為公認(rèn)的預(yù)測(cè)早期復(fù)發(fā)的指標(biāo)，因此術(shù)前評(píng)估MVI對(duì)指導(dǎo)HCC患者的臨床治療決策及預(yù)防術(shù)后早期復(fù)發(fā)具有重要的臨床意義[5]。我們的研究結(jié)果與之一致。本研究將臨床風(fēng)險(xiǎn)因子與動(dòng)脈期最優(yōu)組學(xué)特征子集組合并采用SVM方法構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，此組合模型對(duì)HCC切除術(shù)后早期復(fù)發(fā)的預(yù)測(cè)效果較單序列模型明顯提升。

本研究的局限性：①為單中心研究，樣本量偏小，有待多中心外部驗(yàn)證。②沒(méi)有研究影像組學(xué)與腫瘤基因之間的關(guān)聯(lián)，應(yīng)探討基于影像組學(xué)分析腫瘤早期復(fù)發(fā)與腫瘤基因之間的相關(guān)性，以更好的為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)服務(wù)。③大多數(shù)患者有肝硬化背景，可能存在選擇偏倚，且很難區(qū)分HCC的早期復(fù)發(fā)和新生HCC。

綜上所述，基于CT的影像組學(xué)模型可以有效預(yù)測(cè)HCC切除術(shù)后早期復(fù)發(fā)，從而為患者的臨床個(gè)性化治療策略提供指導(dǎo)。