基于MRI影像組學(xué)構(gòu)建新輔助放化療后局部進(jìn)展期直腸癌的預(yù)測模型

周彥汝，張嵐*，韓鼎盛，龐志峰

1.河南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院MRI科，河南中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥信息智能分析與利用鄭州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450000；2.河南中醫(yī)藥大學(xué)影像醫(yī)學(xué)與核醫(yī)學(xué)系，河南 鄭州 450046；3.河南大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，河南 開封 475004；*通信作者 張嵐 13837187787@163.com

結(jié)直腸癌目前是世界上最常見癌癥的第3位，最致命惡性腫瘤的第2位[1-2]。2020年全球癌癥統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，結(jié)直腸癌患者中直腸癌占30%～50%，約半數(shù)患者在發(fā)現(xiàn)時(shí)已處于局部進(jìn)展期[3-4]。目前新輔助放化療（neoadjuvant chemoradiotherapy，nCRT）后采取全直腸系膜切除術(shù)（total mesenteric resection，TME）是局部進(jìn)展期直腸癌（locally advanced rectal cancer，LARC）的標(biāo)準(zhǔn)治療方式[5]。在臨床實(shí)踐中，LARC患者接受nCRT治療后的病理反應(yīng)表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性。MRI目前廣泛應(yīng)用于直腸癌的分期、療效評價(jià)及隨訪復(fù)查[6-7]。近年來影像組學(xué)在評估LARC患者對nCRT的療效反應(yīng)方面具有較大的潛力[8-9]。但是單純依靠影像組學(xué)模型對nCRT進(jìn)行療效預(yù)測和預(yù)后評判的價(jià)值仍然有限。因此，本研究回顧性收集nCRT聯(lián)合TME根治性手術(shù)的LARC患者的臨床和影像學(xué)資料，構(gòu)建影像組學(xué)模型、臨床模型及影像組學(xué)與臨床特征相結(jié)合的綜合模型，比較3種模型對nCRT療效反應(yīng)的預(yù)測效能，為臨床治療提供客觀依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對象 回顧性收集2017年1月—2021年12月在河南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院肛腸科治療并獲取病理結(jié)果的140例LARC患者，男90例，女50例，年齡（52.5±7.2）歲；記錄患者年齡、性別、T分期、N分期、癌胚抗原、糖類抗原199（CA199）。納入標(biāo)準(zhǔn)：①接受nCRT后行TME治療，且病理證實(shí)為直腸腺癌；②臨床分期為局部進(jìn)展期直腸癌（cT3/T4N0-2M0）；③腫瘤下緣距肛緣12 cm以內(nèi)；④術(shù)前直腸MRI檢查序列完整，包括高分辨T2WI、T1WI、擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）、動(dòng)態(tài)對比增強(qiáng)MRI（dynamic contrastenhanced MRI，DCE-MRI）；⑤能夠耐受nCRT，無手術(shù)禁忌證。排除標(biāo)準(zhǔn)：①腫瘤病灶實(shí)性成分少，囊變壞死成分多[結(jié)合MRI平掃及增強(qiáng)信號表現(xiàn)，根據(jù)可勾畫感興趣區(qū)（ROI）的區(qū)域范圍大致判斷]；②臨床和影像資料不齊全；③接受過其他抗腫瘤或試驗(yàn)性治療；④合并其他系統(tǒng)腫瘤或患有嚴(yán)重心腦血管疾病。本研究經(jīng)本院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（2022HL-166），患者均簽署知情同意書。

1.2 MRI檢查 采用Philips Ingenia 3.0T MR掃描儀和32通道體部線圈，患者取仰臥位。軸位T1WI：TR 571 ms，TE 8 ms，矩陣376×296，F(xiàn)OV 300 mm×300 mm，層厚4 mm，層間距0.4 mm；軸位T2WI：TR 3 597 ms，TE 100 ms，矩陣288×187，F(xiàn)OV 200 mm×200 mm，層厚4 mm，層間距0.4 mm；矢狀位T2WI：TR 4 026 ms，TE 90 ms，矩陣308×248，F(xiàn)OV 200 mm×200 mm，層厚4 mm，層間距0.4 mm；DWI：TR 2 206 ms，TE 65 ms，矩陣124×106，F(xiàn)OV 375 mm×315 ms，層厚4 mm，層間距0.4 mm；b=0、1 000 s/mm2。DCE-MRI：采用三維容積快速掃描序列，注射對比劑前先進(jìn)行蒙片掃描，TR 3.6 ms，TE 1.33 ms，翻轉(zhuǎn)角10°，矩陣132×134，F(xiàn)OV 200 mm×200 mm，層厚3 mm，層間距-1.5 mm，帶寬1.82 kHz；以2.5 ml/s將釓特酸葡胺注射液（江蘇恒瑞）由高壓注射器注入肘靜脈，隨后用20 ml生理鹽水以相同速度沖管，注射對比劑同時(shí)行增強(qiáng)掃描。

1.3 治療方案 TME術(shù)前同步nCRT：術(shù)前全盆腔放療劑量為45～50 Gy/25次，治療時(shí)間35 d。進(jìn)行放療的同時(shí)接受化療，化療方案為：奧沙利鉑+卡培他濱聯(lián)合治療（Xelox方案）。放化療后6～8周行TME標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)。

1.4 病理分級 術(shù)后標(biāo)本由高年資病理科醫(yī)師取材、核片。根據(jù)腫瘤退縮分級（tumor regression grading，TRG）進(jìn)行評分[10]：TRG 0為無退縮發(fā)生；TRG 1為腫瘤組織基本未發(fā)生形態(tài)學(xué)改變；TRG 2為中度退縮；TRG 3為明顯退縮；TRG 4為完全退縮。根據(jù)TRG將nCRT后的LARC患者分為病理完全緩解（pathologic complete response，pCR）組（TRG 4，108例）和無病理完全緩解（no pathologic complete response，npCR）組（TRG 0～3，32例）。

1.5 影像組學(xué)分析

1.5.1 圖像分割和紋理特征提取 參考Nie等[11]在DCE-MRI增強(qiáng)序列對圖像的選取分割，選擇靜脈期（注射對比劑后60 s）的軸位圖像，將DICOM格式的圖像導(dǎo)入ITK-SNAP圖像分割軟件（version 3.8.0）由2名分別具有8年和15年MRI診斷經(jīng)驗(yàn)的副主任醫(yī)師在遵循單盲原則下沿腫瘤邊緣手動(dòng)逐層勾勒，對腫瘤病灶進(jìn)行ROI勾畫，盡量避免囊變、出血、壞死、水腫及腸腔內(nèi)容物。通過圖像灌注處理軟件得出ROI的血管通透性參數(shù)（vascular permeability parameters，VPP），包括容積轉(zhuǎn)移常數(shù)（volume transfer constant，Ktrans）、組織間隙血漿速率常數(shù)（interstitium-to-plasma rate constant，Kep）和血管外細(xì)胞外間隙容積分?jǐn)?shù)（extravascular extracellular space volume fraction，Ve）。采用Pyradiomics軟件進(jìn)行影像組學(xué)特征提取，提取的紋理特征包括一階統(tǒng)計(jì)特征、形狀特征、紋理特征及小波特征4類，共計(jì)1 132個(gè)影像組學(xué)特征。

1.5.2 影像組學(xué)特征篩選 采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）對提取的影像組學(xué)特征進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，分別計(jì)算觀察者組內(nèi)和觀察者組間的ICC，選用2次同時(shí)ICC＞0.75的特征。140例LARC患者按照7∶3隨機(jī)分為訓(xùn)練組（99例，pCR患者76例、npCR患者23例）和驗(yàn)證組（41例，pCR患者32例、npCR患者9例）。在訓(xùn)練組中使用最大相關(guān)最小冗余（max-relevance and minredundancy，mRMR）對初始特征選擇，并采用最小絕對收縮和選擇算子（least absolute shrinkage and selection operator，LASSO）對影像組學(xué)特征降維處理和篩選，通過10倍交叉驗(yàn)證選擇顯著可區(qū)分的特征。最后根據(jù)影像組學(xué)特征及對應(yīng)的權(quán)重，構(gòu)建影像組學(xué)標(biāo)簽，并計(jì)算出影像組學(xué)標(biāo)簽評分（Rad-score）。

1.5.3 影像組學(xué)模型與綜合模型的構(gòu)建 在臨床信息中依次采用單因素和向后逐步選擇多因素邏輯回歸法選擇獨(dú)立預(yù)測因子，篩選出有意義的臨床特征構(gòu)建臨床模型，進(jìn)一步將影像組學(xué)標(biāo)簽評分與篩選后的臨床特征相結(jié)合構(gòu)建多元邏輯回歸模型。采用受試者工作特征（ROC）曲線獲取曲線下面積（AUC），在訓(xùn)練組評估影像組學(xué)、臨床和綜合模型的診斷效能，并在驗(yàn)證組中對模型進(jìn)行驗(yàn)證和測試。使用校準(zhǔn)曲線評價(jià)模型的校準(zhǔn)能力和擬合優(yōu)度，采用決策曲線分析法（decision curve analysis，DCA）評價(jià)不同風(fēng)險(xiǎn)閾值下3種模型的臨床獲益情況，并根據(jù)多元邏輯回歸模型中各影響因素對終點(diǎn)事件的影響構(gòu)建個(gè)體化療效預(yù)測的諾模圖。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 22.0和R 1.1.456軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料以±s表示，兩組比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以例數(shù)（%）表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)；采用MedCalc 22.0軟件通過DeLong檢驗(yàn)比較3種模型AUC的差異。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床資料比較 訓(xùn)練組和驗(yàn)證組患者年齡、性別、T分期、N分期、癌胚抗原、CA199和VPP參數(shù)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），見表1。

表1 140例LARC患者訓(xùn)練組和驗(yàn)證組的臨床資料比較

在訓(xùn)練組中，pCR和npCR患者在年齡、性別、T分期、N分期、癌胚抗原、CA199和Ktrans、Ve差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），而Kep差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.000 1）。在驗(yàn)證組中，pCR和npCR患者在年齡、性別、T分期、N分期、癌胚抗原、CA199和Kep差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），而Ktrans（P=0.037）和Ve（P=0.015）差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表2。

表2 140例LARC患者訓(xùn)練組和驗(yàn)證組中pCR和npCR患者的臨床資料比較

2.2 影像組學(xué)特征提取 對靜脈期病灶的1 132個(gè)影像組學(xué)特征通過降維處理，共篩選出10個(gè)影像組學(xué)特征用于構(gòu)建影像組學(xué)模型（圖1A、B），分別為：original_shape_Surface Volume Ratio、wavelet-HLL_firstorder_Mean、wavelet-HLH_glcm_Cluster Prominence、wavelet-HHL_gldm_Large Dependence High Gray Level Emphasis、original_shape_Least AxisLength、wavelet-HHL_gldm_Small Dependence Low Gray Level Emphasis、original_glrlm_Long Run Emphasis、logsigma-3-0-mm-3D_glszm_Large Area High Gray Level Emphasis、wavelet-HHL_firstorder_Median、wavelet-HHH_firstorder_Mean。

根據(jù)這10個(gè)影像組學(xué)特征以及對應(yīng)的權(quán)重，構(gòu)建影像組學(xué)標(biāo)簽，并計(jì)算出影像組學(xué)標(biāo)簽評分（圖1C）。此外，臨床特征中保留CA199和Kep兩個(gè)獨(dú)立預(yù)測因子用于構(gòu)建臨床模型，并與影像組學(xué)標(biāo)簽評分聯(lián)合構(gòu)建綜合模型，綜合模型評分公式為：綜合模型評分=-3.14 639 799 931 503+CA199×0.83 838 166 086 8442+Kep×2.317 379 795 639 27+Rad-score×1.62 543 123 217 694。

圖1 基于最小懲罰系數(shù)λ的影像組學(xué)特征降維和影像組學(xué)標(biāo)簽構(gòu)建圖。A.Y軸為二項(xiàng)式方差，X的上下軸為特征系數(shù)和懲罰系數(shù)λ的對數(shù)轉(zhuǎn)換值；B.隨著對數(shù)λ的變化，構(gòu)建影像組學(xué)特征的數(shù)量也隨之變化；C.根據(jù)最小懲罰系數(shù)λ構(gòu)建影像組學(xué)特征時(shí)各特征的權(quán)重系數(shù)

2.3 3種預(yù)測模型比較 在訓(xùn)練組中，綜合模型預(yù)測效能最佳（AUC=0.922），敏感度為93.4%，特異度為86.9%；在驗(yàn)證組中，綜合模型的預(yù)測效能稍低于影像組學(xué)模型（AUC=0.840），敏感度為93.3%，特異度為63.6%（表3、圖2）。

圖2 影像組學(xué)、臨床及綜合模型的ROC曲線和箱形圖

表3 影像組學(xué)、臨床及綜合模型的診斷性能

2.4 綜合模型的預(yù)測效果 評價(jià)綜合模型預(yù)測nCRT后LARC患者為pCR或npCR與病理結(jié)果的差異見圖3。

圖3 綜合模型預(yù)測nCRT后LARC患者pCR或npCR與病理結(jié)果的差異。A.訓(xùn)練組；B.測試組；紫色：npCR組；黃色：pCR組；當(dāng)柱狀圖＞0時(shí)，綜合模型判斷為pCR；當(dāng)柱狀圖＜0時(shí)，綜合模型判斷為npCR；如果紫色出現(xiàn)在黃色柱狀區(qū)，表明患者被誤判為pCR，但實(shí)際為npCR；當(dāng)黃色出現(xiàn)在紫色柱狀區(qū)，表明患者被誤判為npCR，但實(shí)際為pCR

2.5 綜合模型的校準(zhǔn)性評估及DCA曲線 綜合模型在訓(xùn)練組和驗(yàn)證組中具有較好的校準(zhǔn)能力（校準(zhǔn)曲線與45°理想擬合曲線貼近），見圖4A、B；當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)閾值為2%～96%時(shí)，采用綜合預(yù)測模型的臨床獲益高于影像組學(xué)模型或臨床模型（圖4C）。

圖4 訓(xùn)練組（A）、驗(yàn)證組（B）中綜合模型的校準(zhǔn)曲線及綜合模型的DCA曲線（C）

2.6 構(gòu)建諾模圖 通過構(gòu)建諾模圖直觀地呈現(xiàn)綜合模型中的變量對LARC患者nCRT的預(yù)測價(jià)值，單個(gè)變量預(yù)測價(jià)值由評分表示。所有變量所得評分之和作為總評分評價(jià)患者pCR的概率（圖5）。

圖5 綜合模型的諾模圖

3 討論

LARC患者接受nCRT后，70%～80%的患者腫瘤縮小或下移，部分患者甚至?xí)霈F(xiàn)完全退縮。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，約20%的患者在nCRT和手術(shù)后無殘留活性腫瘤細(xì)胞[12-13]。這些病理學(xué)完全緩解的直腸癌患者長期預(yù)后良好，具有較好的局部控制率和較長的無病生存期，但仍有7%～37%的LARC患者治療后未達(dá)到pCR[14]。因此，治療前的預(yù)測能夠極大地幫助臨床醫(yī)師評估nCRT的治療效果，同時(shí)，對影響治療反應(yīng)和預(yù)后的危險(xiǎn)因素進(jìn)行研究有助于指導(dǎo)臨床醫(yī)師調(diào)整治療策略，從而改善患者的預(yù)后。

本研究構(gòu)建并驗(yàn)證了基于MRI影像組學(xué)的綜合模型，個(gè)體化預(yù)測LARC患者nCRT療效反應(yīng)，該模型在評價(jià)nCRT治療效果方面具有較好的特異度和準(zhǔn)確度。相關(guān)研究顯示從MRI動(dòng)態(tài)增強(qiáng)序列提取的信號和特征在腫瘤療效評價(jià)中具有巨大的潛力[15-16]。本研究選取動(dòng)態(tài)增強(qiáng)注射對比劑后60 s的靜脈期圖像提取影像組學(xué)特征，與平掃序列相比，增強(qiáng)掃描采用三維容積快速掃描序列，層厚和層間距相對較小，腫瘤與周圍組織的對比更明顯，對ROI的勾畫和圖像分割更加精準(zhǔn)，且增強(qiáng)序列包含了更多腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性信息。

本研究通過mRMR、LASSO算法及10倍交叉驗(yàn)證獲得10個(gè)與療效反應(yīng)相關(guān)的影像組學(xué)特征。其中灰度空間區(qū)域矩陣（GLSZM）通過計(jì)算鏈接體素的組數(shù)分析具有相似灰度水平的體素組之間的距離；灰度依賴矩陣（GLDM）描述了在給定的方向和距離上，具有設(shè)定的灰度絕對差異像素的成對排列，用于突出局部異質(zhì)性信息；GLSZM和GLDM是區(qū)域性紋理特征，在各種惡性腫瘤中已發(fā)現(xiàn)其區(qū)分不同預(yù)后的能力，表明腫瘤內(nèi)的異質(zhì)性是預(yù)測nCRT療效反應(yīng)和預(yù)后的重要標(biāo)志物[17-18]。本研究構(gòu)建了3種不同的預(yù)測模型，結(jié)果顯示綜合模型的預(yù)測效能最佳。綜合模型預(yù)測LARC患者接受nCRT后pCR或npCR與病理結(jié)果的差異，在訓(xùn)練組的準(zhǔn)確度為91.9%，AUC為92.2%；而在驗(yàn)證組的準(zhǔn)確度為85.3%，AUC為84.0%。ROC曲線顯示綜合模型的預(yù)測效能優(yōu)于影像組學(xué)和臨床模型；DCA曲線顯示，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)閾值介于2%～96%時(shí)，采用綜合模型預(yù)測LARC患者nCRT后pCR治療策略優(yōu)于將所有患者都看作pCR的策略，也優(yōu)于將所有患者看作非pCR的策略，即該綜合模型可用于協(xié)助臨床篩選可能獲益的pCR患者。同時(shí)采用諾模圖作為nCRT療效的評分系統(tǒng)，有助于個(gè)體化預(yù)測LARC患者的預(yù)后，幫助臨床醫(yī)師確定治療策略。

本研究構(gòu)建的綜合模型預(yù)測效能優(yōu)于單一的影像組學(xué)模型和臨床模型，可能由于綜合模型整合了影像組學(xué)和腫瘤異質(zhì)性特征，并且融合了腫瘤的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)特征[19-20]。臨床上通過該模型預(yù)測達(dá)到pCR的患者，需要進(jìn)一步強(qiáng)化nCRT，即完成新輔助治療，以期最大限度地提高pCR的可能性。尤其對于低位直腸癌患者，規(guī)律的nCRT后選擇等待時(shí)機(jī)并保留括約肌功能與患者的遠(yuǎn)期生活質(zhì)量直接相關(guān)。對于預(yù)測病理完全應(yīng)答的患者，可采取保留器官和功能的治療方案，加強(qiáng)隨訪。隨訪過程中采用直腸指診、內(nèi)鏡超聲和細(xì)針抽吸等方法明確診斷，如果檢測到殘留腫瘤細(xì)胞，應(yīng)考慮鞏固nCRT或行TME根治術(shù)。相比之下，對于綜合模型預(yù)測不能達(dá)到pCR的患者，nCRT應(yīng)選擇毒性和副作用較小的改良方案，因?yàn)檫@一類患者不太可能從nCRT中獲得較好的治療效果。

本研究的局限性：①本研究是回顧性單中心研究，不同中心的放化療方案不完全相同，可能導(dǎo)致療效反應(yīng)不盡相同；②本次單中心隊(duì)列研究樣本量相對較小，為驗(yàn)證模型的魯棒性和可重復(fù)性，前瞻性多中心研究應(yīng)為今后的研究方向；③本研究未能進(jìn)行外部驗(yàn)證。

本研究基于MRI影像組學(xué)構(gòu)建的綜合模型對LARC患者的nCRT療效反應(yīng)具有較高的預(yù)測效能，且優(yōu)于影像組學(xué)模型和臨床模型，可輔助臨床為LARC患者制訂個(gè)體化治療策略提供客觀量化的指導(dǎo)。