影像組學(xué)在食管癌T分期中的研究進(jìn)展

(費(fèi)縣人民醫(yī)院影像科，山東 費(fèi)縣 273400)

病理活檢是確定食管癌病理類型及分期的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但該方法具有侵入性、準(zhǔn)備時(shí)間長、患者接受程度低等特點(diǎn)。因此，構(gòu)建無侵襲性術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后跟蹤的T分期方法，有助于臨床上針對(duì)不同患者確定其治療方案及判斷預(yù)后。常規(guī)影像學(xué)檢查是食管癌臨床分期、治療評(píng)價(jià)和監(jiān)測預(yù)后的重要手段，但對(duì)食管癌異質(zhì)性的研究方面存在一定的局限性。影像組學(xué)能較好地描述腫瘤的異質(zhì)性和生物學(xué)特性，可在一定程度上彌補(bǔ)常規(guī)影像學(xué)方法的不足，對(duì)食管癌個(gè)體化治療的設(shè)計(jì)和調(diào)整具有重要意義。本文就近年來影像學(xué)組學(xué)在食管癌T分期中的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展做一綜述。

1 影像組學(xué)的概念和特征

1.1影像組學(xué)的概念 2012年，Lambin等基于腫瘤異質(zhì)性的理論，首先提出了宏觀成像性能是腫瘤微環(huán)境變化的假設(shè)[1]，影像組學(xué)的概念由此產(chǎn)生。影像組學(xué)作為一種定量的影像圖像分析方法將圖像特征作為生物標(biāo)志物，豐富了圖像數(shù)據(jù)處理方法，通過數(shù)據(jù)分析對(duì)腫瘤定性診斷并判斷預(yù)后，為深入利用影像數(shù)據(jù)、充分挖掘圖像大數(shù)據(jù)信息提供了可能。美國國家癌癥研究所(NCI)旗下的量化研究網(wǎng)絡(luò)(QIN)于同年明確了影像組學(xué)的實(shí)施步驟和方法[2]。共分為五個(gè)步驟：第一步，影像高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化的獲取(MRI、CT、PET/CT等)，用于疾病的診斷和評(píng)估，應(yīng)盡可能地選擇同一臺(tái)或相同種類的掃描設(shè)備，合理調(diào)整參數(shù)，如層厚、像素、管電壓等[3]；第二步，圖像分割與重建，常用方法包括圖像切割法、活動(dòng)輪廓法、區(qū)域生長法等，勾畫腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)域[2-3]，勾畫方法有病灶全體積和單一最大層面兩種，單一最大層面勾畫法操作簡單，應(yīng)用較多；第三步，特征提取和量化，是從感興趣區(qū)(ROI)中提取高維特征數(shù)據(jù)，包括形態(tài)特征、語義特征、紋理特征(包括一階、二階、高階特征等)[1-3]；第四步，特征選擇，根據(jù)特征方法、穩(wěn)定程度、重復(fù)性、與分期和預(yù)后的關(guān)系等來選取圖像特征；最后，分析建模、建立數(shù)據(jù)庫，常用方法有線性回歸、Logistic回歸、樸素貝葉斯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Cox回歸，并將篩選出的影像組學(xué)特征納入合適的預(yù)測模型中。

1.2影像組學(xué)的特征 影像組學(xué)特征主要包括形態(tài)特征、紋理特征、語義特征。形態(tài)特征通過分析計(jì)算ROI的影像學(xué)表現(xiàn)來描述腫瘤特征，包括緊密度、球形不均勻度、表面積、體積等[4]。語義特征主要包括血管分布、毛刺、大小、位置、形狀等。紋理分析是通過計(jì)算病灶圖像紋理特征，計(jì)算腫瘤的微觀異質(zhì)性程度，定量分析其與腫瘤生物學(xué)特征的關(guān)系，常用紋理特征有：一階特征，反映所測體素的均勻性、對(duì)稱性及局部強(qiáng)度的分布變化，如熵、銳度、平均值、最大值、最小值、一致性、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根方差等[1,4]；二階特征，描述體素空間分布強(qiáng)度等級(jí)的特征，如灰度共生矩陣(GLCM)、灰度運(yùn)行長度矩陣(GLRLM)；高階思維特征，如灰度進(jìn)行區(qū)域發(fā)展大小關(guān)系矩陣(GLSZM)、鄰域平均灰度圖像差值比較矩陣(NGTDM)[5]。影像組學(xué)特征提供了更多腫瘤生物學(xué)特征和行為的潛在信息，可以單獨(dú)使用，也可以與其他臨床數(shù)據(jù)、基因組學(xué)數(shù)據(jù)、病理數(shù)據(jù)等結(jié)合使用，綜合評(píng)估腫瘤的病理類型和分期，確定治療方案和判斷預(yù)后。

2 影像組學(xué)在食管癌T分期中的應(yīng)用

國際抗癌聯(lián)盟及美國癌癥聯(lián)合會(huì)發(fā)布的第8版食管及食管胃交界部癌TNM分期，是目前食管癌治療前分期的主要評(píng)估方法[6]。食管癌T分期與治療方法的選擇及預(yù)后具有高度相關(guān)性， T1和T2期食管癌常采用傳統(tǒng)外科手術(shù)方法治療，T3期主要設(shè)計(jì)采用外科手術(shù)配合化療方案。獲取食管癌患者T分期信息有助于臨床上針對(duì)不同患者選擇合理的治療方案。

2.1CT影像組學(xué)在食管癌T分期中的應(yīng)用 CT是食管癌臨床T分期的主要影像學(xué)檢查手段，主要反映腫瘤的形態(tài)學(xué)信息。由于食管壁在CT圖像上的分辨率較低，尤其是早期小病灶范圍大多局限于粘膜下層，常規(guī)方法難以鑒別，早期食管癌的分期主要通過病理活檢取得。常規(guī)CT將食管癌侵犯漿膜診斷為T3期，脂肪組織間隙及鄰近結(jié)構(gòu)受侵診斷為T4期，而食管周圍脂肪組織因人而異，導(dǎo)致區(qū)分T3、T4期有一定難度。國內(nèi)學(xué)者利用CT平掃及增強(qiáng)對(duì)食管鱗狀細(xì)胞癌進(jìn)行分期，顯示T1-2期準(zhǔn)確率為66.67%，T3期和T4期準(zhǔn)確率分別為77.78%、96.30%。表明根據(jù)形態(tài)學(xué)變化評(píng)價(jià)食管癌T分期存在一定的局限性[7]。基于CT圖像的影像組學(xué)可以定量分析腫瘤的形態(tài)特征及生物學(xué)特性，提供更多關(guān)于腫瘤異質(zhì)性的信息。

CT影像組學(xué)主要通過提取和量化圖像特征進(jìn)行食管癌T分期，但影像組學(xué)研究也是基于常規(guī)CT圖像，早期小病灶難以明確病灶范圍，目前研究主要集中在≤T2和>T2期[8]。朱宗明等[9]對(duì)40例食管癌患者CT圖像特征進(jìn)行紋理分析后發(fā)現(xiàn)逆差距、角二階矩、熵組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Liu等[10]手動(dòng)勾畫食管鱗狀細(xì)胞癌CT圖像的ROI進(jìn)行紋理分析，顯示峰態(tài)在T1-2期與T3-4期間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Wu等[11]研究發(fā)現(xiàn)基于影像組學(xué)的多參數(shù)模型有助于提高食管癌T分期的準(zhǔn)確性。CT影像組學(xué)采用定量參數(shù)判斷食管癌T分期，提供了常規(guī)圖像以外的附加信息，有助于區(qū)分≤T2和>T2期食管癌，兩者聯(lián)合使用或可提高食管癌T分期的準(zhǔn)確性[12]。

2.2PET/CT影像組學(xué)在食管癌T分期中的應(yīng)用 最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取值(SUVmax)是18F-FDG PET/CT圖像分析中應(yīng)用最廣泛的參數(shù)之一，對(duì)判斷食管癌的臨床分期有一定的價(jià)值。但是腫瘤壞死、細(xì)胞增殖、微血管密度和缺氧等均會(huì)造成18F-FDG攝取不均，因此從單一體素中提取的SUVmax不能代表腫瘤的總活動(dòng)性和異質(zhì)性。PET/CT影像組學(xué)可以從一定程度上對(duì)腫瘤內(nèi)18F-FDG的分布進(jìn)行量化分析[13]，并與其他數(shù)據(jù)信息相互補(bǔ)充，對(duì)食管癌T分期具有一定的指導(dǎo)作用。一項(xiàng)PET/CT影像組學(xué)研究對(duì)40例食管鱗癌患者術(shù)前PET/CT圖像進(jìn)行紋理分析，結(jié)果表明PET/CT影像組學(xué)有助于提高食管癌分期的準(zhǔn)確性[14]。ROC曲線顯示，熵可以預(yù)測T2期以上腫瘤。此外，紋理特征也是T2期以上食管癌的顯著預(yù)測因子[13]。相比常規(guī)PET/CT圖像，影像組學(xué)特征能更有效地進(jìn)行腫瘤分期，有望成為預(yù)測食管癌T分期的新方法。

2.3MRI影像組學(xué)在食管癌T分期中的應(yīng)用 在食管癌診治中具有廣泛的應(yīng)用。基于MRI功能成像的影像組學(xué)特征可以對(duì)食管癌異質(zhì)性進(jìn)行分析，結(jié)合臨床參數(shù)，評(píng)價(jià)患者分期信息，構(gòu)建無侵襲性MRI定量分析模型評(píng)估食管癌的異質(zhì)性在國內(nèi)外已進(jìn)行了較多的探索[15]。Qu等[16]對(duì)病理證實(shí)的181例食管癌患者的臨床資料進(jìn)行了回顧性分析，采用lasso和彈性網(wǎng)絡(luò)回歸模型對(duì)特征空間降維后進(jìn)行Logistic回歸分析，結(jié)果顯示：所選取9個(gè)影像組學(xué)特征所構(gòu)建的模型與食管癌浸潤程度相關(guān)。表明MRI影像組學(xué)聯(lián)合臨床參數(shù)構(gòu)建多元邏輯回歸模型對(duì)術(shù)前T分期具有較好的價(jià)值。

3 總結(jié)和展望

提取食管癌更加細(xì)微的影像學(xué)特征，更加準(zhǔn)確地對(duì)食管癌進(jìn)行術(shù)前T分期是當(dāng)今主要研究方向之一。目前越來越多的研究將影像組學(xué)與臨床、病理結(jié)果相結(jié)合，推動(dòng)了影像組學(xué)技術(shù)的發(fā)展。但目前食管癌影像組學(xué)的T分期研究仍處于探索階段，多數(shù)研究樣本量較小，所得結(jié)論缺乏廣泛驗(yàn)證，且影像設(shè)備、成像方式、掃描參數(shù)等會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量造成較大差異，國內(nèi)及國際上尚無統(tǒng)一的圖像獲取標(biāo)準(zhǔn)，圖像特征提取的穩(wěn)定性相對(duì)較差，短期內(nèi)獲取相同大影像數(shù)據(jù)庫存在困難。食管是空腔臟器，ROI的勾畫決定影像學(xué)特征的提取，如何避免病變周圍組織偽影，準(zhǔn)確勾畫ROI也是該技術(shù)目前面臨的挑戰(zhàn)。影像組學(xué)有望成為食管癌T分期中的一種有意義的量化分析手段，但仍需進(jìn)一步規(guī)范和深入探討。