直方圖分析鑒別骨巨細(xì)胞瘤與動(dòng)脈瘤樣骨囊腫

王婧軼，劉潺湲，李小明

骨巨細(xì)胞瘤(giant cell of tumor，GCT)和動(dòng)脈瘤樣骨囊腫(aneurysmal bone cyst，ABC)均為富含巨細(xì)胞的骨腫瘤，多表現(xiàn)為偏心性膨脹性骨質(zhì)破壞，常規(guī)影像鑒別存在困難[1-3]。二者的治療策略不同， GCT需在保證肢體功能的同時(shí)盡量徹底地切除腫瘤，以減少?gòu)?fù)發(fā)；ABC需要進(jìn)行術(shù)前栓塞以減少術(shù)中出血，因此手術(shù)前必須盡可能準(zhǔn)確地進(jìn)行鑒別診斷[4-6]。目前活檢是GCT和ABC診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但由于活檢有創(chuàng)，且受到腫瘤位置及標(biāo)本量的限制，采用無(wú)創(chuàng)、準(zhǔn)確的影像學(xué)方法鑒別GCT和ABC具有重要意義。直方圖分析是一種新興的評(píng)估組織特征的方法，通過(guò)評(píng)估圖像單個(gè)灰度像素值的概率分布獲得多種參數(shù)對(duì)感興趣區(qū)(ROI)中的組織異質(zhì)性進(jìn)行定量評(píng)估，識(shí)別肉眼無(wú)法識(shí)別的特征[7-8]。因此，本研究旨在探究CT直方圖分析技術(shù)在鑒別GCT與ABC中的價(jià)值。

圖1 女，40歲，左側(cè)股骨下段骨巨細(xì)胞瘤。a)ROI圖；b)直方圖。圖2 男，27歲，左側(cè)股骨頭頸部動(dòng)脈瘤樣骨囊腫。a)ROI圖；b)直方圖。

材料與方法

1.一般資料

本研究屬于回顧性研究，經(jīng)本院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào)：TJ-IRB20210747)，并免除患者的知情同意。

回顧性分析本院2016年5月-2021年5月經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)的131例ABC和GCT患者的病例資料。排除標(biāo)準(zhǔn)：①未接受CT檢查(n=17)；②術(shù)前已接受治療(n=12)；③圖像不完整或圖像質(zhì)量差(n=8)。最終共計(jì)94例患者納入研究，其中GCT 63例，男34例，女29例，平均年齡(36.89±12.59)歲；ABC 31例，男18例，女13例，平均年齡(24.23±14.40)歲。

2.影像檢查方法

采用GE Discovery HD 750 CT儀，采取足先進(jìn)、仰臥位，沿軸位進(jìn)行掃描。主要掃描參數(shù)：管電壓120 kV，管電流為自動(dòng)管電流，層厚1.25 mm，層間距5 mm，矩陣512×512。

3.圖像的形態(tài)特征分析

在不了解臨床信息和病理結(jié)果的情況下，兩名具有3年骨腫瘤影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)生分別對(duì)肉眼可見(jiàn)的CT圖像形態(tài)特征進(jìn)行評(píng)估。形態(tài)特征包括：：①腫瘤的位置(外周或中軸)；②是否位于膝關(guān)節(jié)周圍(膝關(guān)節(jié)周圍定義為股骨下段、脛骨上段、腓骨上段)；③生長(zhǎng)方式(偏心性或中心性)；④膨脹程度，分為輕度(<1 cm)，中度(1～2 cm)，重度(>2 cm)；⑤邊緣硬化；⑥皮質(zhì)中斷，分為0級(jí)(無(wú)中斷)，1級(jí)(中斷0 ～1/3)，2級(jí)(1/3 ～2/3)，3級(jí)(>2/3)；⑦液-液平面；⑧骨嵴[9-10]。分析過(guò)程中的爭(zhēng)議均通過(guò)協(xié)商達(dá)成一致。

4.圖像的直方圖特征分析

在不了解臨床信息和病理結(jié)果的情況下，兩名具有3年骨腫瘤影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)生分別使用Firevoxel軟件，沿病變邊緣進(jìn)行腫瘤全層感興趣區(qū)(ROI)的手動(dòng)繪制，盡量避免周圍水腫及血管。各層ROI自動(dòng)融合形成感興趣體積(region of volume，VOI)。針對(duì)生成的VOI，軟件自動(dòng)提取、計(jì)算并記錄直方圖參數(shù)。直方圖參數(shù)包括：平均值、中位數(shù)、最小值、第1、第5、第10、第25、第75、第90、第95百分位數(shù)、最大值、不均勻性、偏度、峰度、熵、標(biāo)準(zhǔn)差和體積。ROI及直方圖示意見(jiàn)圖1、2。

5.放射科醫(yī)生診斷

由一位具有10年工作經(jīng)驗(yàn)的高年資放射科醫(yī)生和一位具有1年工作經(jīng)驗(yàn)的低年資放射科醫(yī)生，在不了解臨床信息和病理結(jié)果的情況下，分別于本院閱片系統(tǒng)上對(duì)CT圖像進(jìn)行判讀，記錄判讀結(jié)果，與病理學(xué)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

6.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 24.0軟件和MedCalc軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)評(píng)價(jià)兩名放射科醫(yī)生測(cè)量結(jié)果的一致性，ICC>0.75認(rèn)為一致性較好。采用卡方檢驗(yàn)比較分類變量的差異；采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(正態(tài)分布)或Mann-WhitneyU檢驗(yàn)(非正態(tài)分布)比較連續(xù)變量的差異。將差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的變量納入二元Logistic回歸模型進(jìn)行篩選，構(gòu)建臨床特征模型(包括一般特征和形態(tài)特征)、直方圖特征模型和聯(lián)合模型，并繪制相應(yīng)的受試者操作特征曲線(receiver operating characteristic，ROC)，計(jì)算曲線下面積(area under the curve，AUC)、截?cái)嘀怠⒚舾卸群吞禺惗?。采用Z檢驗(yàn)對(duì)比所構(gòu)建的三個(gè)模型的診斷效能和兩位醫(yī)生的診斷效能。

結(jié) 果

1.一致性檢驗(yàn)

所有直方圖參數(shù)的觀察者間一致性均較好(ICC值均>0.75，范圍為0.757～0.994)。因此隨機(jī)選取一名醫(yī)生的測(cè)量結(jié)果作為分析對(duì)象。各直方圖參數(shù)的ICC值見(jiàn)表1。

表1 各直方圖特征的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)表

2.患者一般特征、CT圖像形態(tài)特征和直方圖特征

共納入了94名患者(GCT 63例，ABC 31例)，并對(duì)27個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析，包括2個(gè)患者一般特征、8個(gè)CT圖像形態(tài)特征和17個(gè)直方圖特征(圖3、4)。

3.GCT和ABC的特征比較

兩組特征的比較結(jié)果如表2所示。共計(jì)11個(gè)特征的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，包括年齡、是否位于膝關(guān)節(jié)周圍、生長(zhǎng)方式、液-液平面、平均值、第90、95百分位數(shù)、不均勻性、峰度、熵及標(biāo)準(zhǔn)差。其余參數(shù)的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表2 一般特征、臨床特征及直方圖特征的單因素分析

在差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參數(shù)中，根據(jù)特征的類型進(jìn)行了三次二元Logistic回歸并構(gòu)建相應(yīng)的診斷模型，見(jiàn)表3。針對(duì)一般特征和形態(tài)特征構(gòu)建臨床模型，共計(jì)2個(gè)特征被納入(由于動(dòng)脈瘤樣骨囊腫中位于膝關(guān)節(jié)周圍的僅3例，觀測(cè)數(shù)過(guò)少，因此未將膝關(guān)節(jié)周圍這一特征納入二元Logistic回歸模型)，分別為年齡及液-液平面；針對(duì)直方圖特征構(gòu)建直方圖模型，共計(jì)2個(gè)特征被納入，分別為峰度及標(biāo)準(zhǔn)差；聯(lián)合臨床特征及直方圖特征構(gòu)建聯(lián)合診斷模型，共計(jì)納入上述4個(gè)特征。對(duì)三種模型及納入的三個(gè)連續(xù)變量以及放射科醫(yī)生的診斷效能繪制ROC曲線并進(jìn)行比較分析(表4、5，圖5)。三種模型的對(duì)比中可以看出，聯(lián)合模型的診斷效能優(yōu)于臨床模型和直方圖模型，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.037、0.009)。進(jìn)一步將構(gòu)建的模型與放射科醫(yī)生的診斷效能進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合模型的診斷效能顯著優(yōu)于低年資醫(yī)生，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.019)；聯(lián)合模型的診斷效能略優(yōu)于高年資醫(yī)生，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖3 一般特征及形態(tài)特征。 圖4 17個(gè)直方圖特征。

表3 三種模型的Logistic回歸結(jié)果

表4 納入Logistic回歸的連續(xù)性特征及三種模型的AUC表

表5 三種模型及兩位醫(yī)生的診斷診斷效能比較 [P值(Z值)]

圖5 納入二元Logistic回歸的連續(xù)性特征、三種模型及兩位醫(yī)生的ROC曲線。

討 論

GCT是一種交界性骨腫瘤，多為良性，但易復(fù)發(fā)，在中國(guó)約占所有原發(fā)性骨腫瘤的13.7%，高于歐美國(guó)家的5%。ABC約占良性骨腫瘤的5.6%，表現(xiàn)為由擴(kuò)張骨段內(nèi)充滿血液的腔[3,11]。由于二者均富含巨細(xì)胞、且均為偏心性膨脹性病灶，因此病理學(xué)鑒別和影像學(xué)鑒別都具有一定的難度[1]。而二者的治療策略不同，因此準(zhǔn)確的術(shù)前鑒別診斷具有重要意義。

CT是骨骼肌肉腫瘤診斷中較為常用的輔助手段。直方圖分析技術(shù)是針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的一種定量計(jì)量方法，是近年來(lái)影像方向的研究熱點(diǎn)，它可以在不增加額外成本的前提下，無(wú)創(chuàng)性地從醫(yī)學(xué)圖像中挖取更多的客觀定量數(shù)據(jù)，反映病灶內(nèi)部肉眼無(wú)法判斷的細(xì)微改變和分布特點(diǎn)，具有便利、快捷的優(yōu)點(diǎn)[7]。目前，已有不少學(xué)者將直方圖分析應(yīng)用于甲狀腺良惡性結(jié)節(jié)鑒別診斷、肺癌病理亞型鑒別、胰腺癌分化程度評(píng)估等[12-14]。然而，這項(xiàng)技術(shù)在骨骼肌肉系統(tǒng)腫瘤的應(yīng)用相對(duì)較少，尤其是在GCT和ABC方面。

本研究首先對(duì)GCT和ABC患者的一般特征、CT形態(tài)特征和直方圖特征進(jìn)行了比較，共計(jì)12個(gè)特征具有顯著差異。一般特征及形態(tài)特征中，GCT患者的發(fā)病年齡更大，且位于膝關(guān)節(jié)周圍和呈偏心性生長(zhǎng)的病例更多，而ABC具有液-液平面的病例更多，這與之前的研究一致[15]。直方圖特征中，GCT具有更大的低百分位數(shù)(包括第1、第5及第10百分位數(shù))，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值分別為0.334、0.130、0.132)，ABC具有更大的高百分位數(shù)(包括第90、第95百分位數(shù)，兩者均有顯著性差異，P值分別為0.009、0.008)。直方圖百分位數(shù)是反映體素排列的特征[16]，GCT和ABC之間的差異可能是由病變組織成分的不同導(dǎo)致，GCT是以巨細(xì)胞為主要類型的異常軟組織代替了正常骨組織，而ABC則主要由含血的囊腔組成。偏度和峰度分別反映了直方圖的不對(duì)稱性和形狀，熵代表了不規(guī)則性，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別代表了直方圖的平均趨勢(shì)和離散程度。本研究中ABC偏度高于GCT(但差異不具有顯著性)，GCT具有更大的峰度(P=0.008)，而ABC的不均勻性、熵及標(biāo)準(zhǔn)差更大(P值分別為0.008、0.010、0.003)，這可能與囊性變導(dǎo)致ABC具有更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)相關(guān)。通常情況下，正偏度、峰度、熵、不均勻性及標(biāo)準(zhǔn)差具有相同的變化趨勢(shì)，都受到病灶異質(zhì)性的影響[8,17-18]。本研究中峰值的變化趨勢(shì)與其他幾個(gè)參數(shù)相反，這可能與GCT屬于交界性腫瘤、ABC屬于良性腫瘤有關(guān)，以往的研究多集中于惡性腫瘤。

本研究針對(duì)有意義的特征進(jìn)行了二元Logistic回歸并構(gòu)建了三種診斷模型，繪制了相應(yīng)的ROC曲線。臨床診斷模型的AUC值為0.785，直方圖診斷模型的AUC值為0.777，聯(lián)合二者后構(gòu)建的聯(lián)合診斷模型的AUC值最高，為0.880?？梢钥闯?，聯(lián)合模型的診斷效能優(yōu)于臨床模型和直方圖模型，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值分別為0.037和0.009)。說(shuō)明在臨床常用的一般特征及形態(tài)特征基礎(chǔ)之上，增加不依賴于醫(yī)生臨床經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷的直方圖特征[19-20]，可使得診斷信息更加全面和完善，增加診斷的準(zhǔn)確性[21]。將構(gòu)建的模型與放射科醫(yī)生的診斷效能進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合模型的診斷效能顯著優(yōu)于低年資醫(yī)生(AUC：0.880>0.743，P=0.037)，略優(yōu)于高年資醫(yī)生(AUC：0.880>0.863，P=0.753)，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。高年資醫(yī)生的診斷效能顯著優(yōu)于低年資醫(yī)生(AUC：0.863>0.743，P=0.017)，這反映了經(jīng)驗(yàn)在GCT和ABC的診斷及鑒別診斷中起到重要的作用。GCT和ABC屬于骨腫瘤，總體發(fā)病率較低，存在診療欠規(guī)范、診療水平參差的問(wèn)題[22]，聯(lián)合模型的表現(xiàn)可與高年資醫(yī)生相媲美，優(yōu)于低年資醫(yī)生，具有輔助臨床進(jìn)行診斷的潛力。

本研究存在一定局限性：①本研究為回顧性，在患者選擇中具有固有偏倚；②樣本量較??；③僅納入一個(gè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，可能造成結(jié)果的推廣性有限。未來(lái)我們會(huì)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，納入更新、更多的病例以解決上述問(wèn)題。

綜上，CT直方圖技術(shù)對(duì)于GCT和ABC的鑒別診斷具有重要價(jià)值，與臨床特征相結(jié)合，可提高術(shù)前診斷的準(zhǔn)確性，有助于更好地進(jìn)行臨床決策。