CT 紋理分析在評估甲狀腺乳頭狀癌頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中的價值

馬丹妮，張佩佩，方圣偉，耿雅文，魏培英，上官琳玨，項凱麗，趙春雷

（1.浙江中醫(yī)藥大學(xué)第四臨床醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州 310053；2.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬杭州市腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，浙江 杭州 310005；3.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬杭州市第一人民醫(yī)院放射科，浙江 杭州 310003）

甲狀腺癌是內(nèi)分泌系統(tǒng)的最常見的惡性腫瘤，其中以乳頭狀癌（Papillary thyroid carcinoma，PTC）最為常見，PTC 易發(fā)生頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，對頸部淋巴結(jié)性質(zhì)的準(zhǔn)確判斷對于制定個體化手術(shù)方案及術(shù)后長期隨訪都具有重要意義[1-2]。目前，臨床上常用于評估PTC 淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的手段包括頸部B 超、頸部增強CT 檢查及細(xì)針穿刺活檢，但各有局限之處。細(xì)針穿刺活檢最為準(zhǔn)確，但可能出現(xiàn)假陰性，并且為有創(chuàng)操作，可能出現(xiàn)感染、出血等并發(fā)癥，甚至有針道轉(zhuǎn)移的風(fēng)險。B 超及增強CT 雖屬無創(chuàng)檢查，但診斷效能受醫(yī)生經(jīng)驗的主觀影響較大。CT 圖像紋理分析是近年來發(fā)展起來的影像組學(xué)分析方法，通過定量提取人眼無法識別的組織紋理特征（包括一階、二階及高階紋理特征），從不同的維度來反映圖像像素間灰度值分布的模式及變化規(guī)律，提供對腫瘤異質(zhì)性的客觀、定量評估，有助于病變良惡性的鑒別[3]。本研究擬通過對PTC 頸部轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)進(jìn)行CT 紋理分析，探索一種客觀有效地鑒別PTC 頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的新方法。

1 資料與方法

1.1 研究對象

轉(zhuǎn)移組：回顧性收集2014 年3 月—2021 年11月于杭州市腫瘤醫(yī)院行131I 治療后證實存在淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的PTC 術(shù)后患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：①術(shù)后病理為PTC，131I 治療后行131I 全身顯像及頸部SPECT/CT 融合斷層顯像證實頸部存在轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)病灶；②131I 治療前3 月內(nèi)未行增強CT 檢查；③術(shù)前及131I 治療前1 周內(nèi)行頸部CT 平掃，圖像上無可影響紋理分析的嚴(yán)重偽影。排除標(biāo)準(zhǔn)：①CT 圖像偽影明顯，影響紋理分析；②轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)短徑小于3 mm。

對照組：回顧性收集同期于杭州市腫瘤醫(yī)院就診排除甲狀腺惡性腫瘤的患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：①手術(shù)病理確診為甲狀腺良性腫瘤；②臨床評估患者無其他頭頸部疾??；③術(shù)前1 周內(nèi)行頸部CT 平掃。排除標(biāo)準(zhǔn)：①CT 圖像偽影明顯，影響紋理分析。②淋巴結(jié)短徑小于3 mm。

最終納入研究的患者數(shù)為：病例組49 例（男∶女=16∶33，年齡22～71歲，中位年齡43 歲），對照組40 例（男∶女=6∶34，年齡26～72歲，中位年齡54 歲）。

1.2 影像檢查

轉(zhuǎn)移組與對照組患者均使用Somatom Emotion 16（Siemens，德國）CT 儀進(jìn)行CT 平掃，掃描參數(shù)相同，具體如下：仰臥位，掃描范圍自顱底至主動脈弓水平，管電壓110 kV，電流100 mA，層厚為3 mm，矩陣512×512，窗寬250 HU，窗位50 HU。

轉(zhuǎn)移組患者于服用治療劑量131I-碘化鈉溶液（100～200 mCi）72 h 后使用Infinia Hawkeye 4（GE，美國）雙探頭SPECT/CT 儀進(jìn)行131I 全身顯像及頸部131I SPECT/CT 斷層顯像。全身顯像參數(shù)如下：高能通用型準(zhǔn)直器，仰臥位，采集矩陣256×1 024，掃描速度18 cm/min。SPECT/CT 斷層顯像范圍包括131I 全身顯像所示頸部異常攝131I 部位，顯像參數(shù)如下：采集矩陣128×128，6°/幀，10 s/幀，連續(xù)采集360°。同機定位CT 采集參數(shù)：層厚5 mm，電流2.5 mA，管電壓120 kV。

1.3 圖像分析

轉(zhuǎn)移組淋巴結(jié)選擇，由兩位閱片經(jīng)驗豐富的核醫(yī)學(xué)科醫(yī)生根據(jù)結(jié)合131I 全身顯像及131I SPECT/CT融合斷層顯像對患者病灶獨立進(jìn)行定性分析，判斷標(biāo)準(zhǔn)為：在甲狀腺床以外并且排除生理性攝取的異常放射性濃聚部位，在131I 治療前CT 平掃圖像中于對應(yīng)解剖部位可發(fā)現(xiàn)淋巴結(jié)，即判斷為病灶（圖1）。病例組49 例患者中共確定轉(zhuǎn)移組淋巴結(jié)49 個。當(dāng)兩位醫(yī)生意見一致后記錄轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)病灶的具體部位，在CT 平掃圖像選擇對應(yīng)淋巴結(jié)的最大層面，量取并記錄淋巴結(jié)的長短徑，并計算長短徑之比（Ratio of long short diameter，L/S），對計算結(jié)果如有異議則討論達(dá)成一致意見。

圖1 男，43歲，甲狀腺乳頭狀癌頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。圖1a：SPECT/CT 同機定位CT 圖像；圖1b：SPECT/CT 融合圖像；圖1c：常規(guī)CT 平掃圖像，右側(cè)頸部轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)（→）。Figure 1.A 43-year-old male patient with papillary thyroid carcinoma with cervical lymph node metastasis.Figure 1a: CT image of SPECT/CT;Figure 1b: SPECT/CT fusion image.Figure 1c: CT plain scan image,right cervical metastatic lymph node(→).

對照組淋巴結(jié)選擇：對照組40 例患者中共選取對照組淋巴結(jié)46 個。由兩位閱片經(jīng)驗豐富的核醫(yī)學(xué)科醫(yī)生共同在對照組患者的術(shù)前頸部CT 圖像上選擇短徑大于3 mm 的淋巴結(jié)的最大層面，量取并記錄淋巴結(jié)的長短徑，計算L/S。

1.4 影像組學(xué)分析

將所有納入研究的淋巴結(jié)的CT 平掃圖像由DICOM 格式轉(zhuǎn)為BMP 格式（24 位位圖），然后將BMP 圖像導(dǎo)入MaZda 4.6 版紋理分析軟件，在目標(biāo)淋巴結(jié)最大層面的CT 圖像上手動勾畫淋巴結(jié)感興趣區(qū)域（Region of interest，ROI），設(shè)置圖像標(biāo)準(zhǔn)化方式μ±3σ（μ 為像素灰度強度的平均值，σ 為標(biāo)準(zhǔn)差），提取ROI 內(nèi)包括灰度直方圖（histogram）、絕對梯度（absolute gradient，GRA）、灰度共生矩陣（cooccurrence matrix，COM）、游程矩陣（run-length matrix，RLM）、自回歸模型（auto-regressive model，AR）和小波變換（wavelet transform，WAV）在內(nèi)的6大類紋理特征參數(shù)。其中灰度直方圖、絕對梯度為一階紋理參數(shù)，分別描述了ROI 內(nèi)像素灰度的直方圖及幅值梯度的直方圖，提供了像素灰度的信息，但不包含空間關(guān)系信息?；叶裙采仃嚒⒂纬叹仃嚍槎A紋理參數(shù)，可以反映像素的灰度和空間關(guān)系，游程矩陣可提供灰度值游行長度的信息，描述ROI 中特定方向上的灰階強度的同質(zhì)性；灰度共生矩陣反映灰階的分布情況，描述了具有同樣或接近灰度值的像素的位置分布特性；自回歸模型及小波變換為高階紋理參數(shù)，自回歸模型是基于模型的紋理參數(shù)，它假定了像素的灰度值可由相鄰的四個像素的灰度值預(yù)測，描述了相鄰像素灰度值之間的統(tǒng)計相關(guān)性；小波變換描述圖像經(jīng)離散小波變換后的各頻帶的頻帶能量[4]。每個病例共提取紋理特征近300 個。將提取的紋理特征,采用MaZda 軟件自帶的費希爾系數(shù)（Fisher coefficient，F(xiàn)isher）、最小分類誤差聯(lián)合平均相關(guān)系數(shù)（Minimisation of classification error probability and average correlation coefficients，POE ＋ACC）、互信系數(shù)（Mutual information coefficient，MI）3 種紋理特征降維算法進(jìn)行降維。其中，F(xiàn)isher 判別法借助方差分析的思想，將多維數(shù)據(jù)投影至一維直線上，使不同總體間數(shù)據(jù)盡量分散，而每個總體內(nèi)部之間數(shù)據(jù)則盡量集中，從而提高組間的區(qū)分能力。POE+ACC 是先計算一個特征的分類誤差，然后通過最小化分類誤差以及最小化平均相關(guān)系數(shù)來確定下一個特征的選取，重復(fù)以上過程直到達(dá)到規(guī)定的特征數(shù)量的最大值。MI 則是通過計算類與特征之間相互影響的信息量，提取其中對組間分類影響度比較大的特征。降維后分別獲得10 個、10 個、10個，共計30 個最佳紋理特征。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 轉(zhuǎn)移組與對照組淋巴結(jié)L/S 差異

轉(zhuǎn)移組淋巴結(jié)L/S 為1.45±0.37，對照組淋巴結(jié)L/S 為1.47±0.36，二者之間無顯著統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.81）。

2.2 轉(zhuǎn)移組與對照組淋巴結(jié)紋理參數(shù)分析

在降維分析后獲得的30 個紋理參數(shù)中，去除重復(fù)參數(shù)后剩余25 個參數(shù)（表1），對以上參數(shù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗并篩選轉(zhuǎn)移組和對照組間有顯著統(tǒng)計學(xué)差異的紋理參數(shù)，結(jié)果見表2，獲得具有統(tǒng)計學(xué)差異的參數(shù)9個，分別為梯度方差（P=0.002）、S（0，2）均數(shù)和（P=0.000）、S（0，1）均數(shù)和（P=0.000）、S（0，5）變異數(shù)差（P=0.009）、S（1，-1）均數(shù)和（P=0.003）、S（1，1）均數(shù)和（P=0.004）、小波變換低低頻_s-2（P=0.000）、S（1，0）均數(shù)和（P=0.006）、S（5，5）相關(guān)性（P=0.003），將以上9 個參數(shù)分別繪制ROC 曲線，并計算AUC（表3），最終得到具有較好診斷價值（AUC 大于0.7）的4 個紋理參數(shù)（圖2），分別為小波變換低低頻_s-2、S（0，1）均數(shù)和、S（0，2）均數(shù)和和梯度方差，AUC 分別為0.747、0.746、0.726、0.701。

圖2 受試者工作特性曲線。Figure 2.Receiver operating characteristic curve.

表1 降維后獲得的紋理參數(shù)

表2 轉(zhuǎn)移組與對照組紋理參數(shù)的組間比較

表3 具有統(tǒng)計學(xué)差異的紋理參數(shù)ROC 曲線下面積

續(xù)表2 轉(zhuǎn)移組與對照組紋理參數(shù)的組間比較

3 討論

淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移是PTC 最常見的轉(zhuǎn)移方式，術(shù)前及術(shù)后隨訪中對頸部淋巴結(jié)評估的常規(guī)影像學(xué)手段包括B 超、增強CT。其中B 超因其價格低、診斷靈敏度及特異度高，是臨床評估頸部淋巴結(jié)的最常用手段，但B 超具有對深部淋巴結(jié)評估受限、受操作者主觀因素影響較大等缺點[5-6]。對于增強CT，有文獻(xiàn)報道其對PTC 轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)診斷的敏感度僅為55%，特異度為87%[7]，而且對于術(shù)后需要行放射性131I 治療的患者，術(shù)前增強CT 會導(dǎo)致患者體內(nèi)碘含量增高，抑制病灶對131I 的攝取，為避免影響碘治療效果，增強CT 后常規(guī)需要推遲一段時間再進(jìn)行131I治療[8]。CT 平掃雖可以避免碘造影劑的影響，但所能提供的信息較少，常規(guī)閱片對轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)診斷的幫助有限。

CT 紋理分析是一種新型的計算機輔助圖像后處理技術(shù)，其原理是基于ROI 內(nèi)的各像素灰度的分布及變化規(guī)律，通過計算提取紋理特征，描述圖像各像素及其相鄰像素之間的灰度變化規(guī)律，揭示肉眼無法識別的數(shù)字化圖像信息，量化分析組織的異質(zhì)性[3，9]。CT 紋理分析在直腸癌、肺癌、卵巢癌等惡性腫瘤的轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)評估方面已有相關(guān)運用[10-12]，在PTC頸部轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的評估中也見少量CT 紋理分析的報道[13]，但這些研究以回顧性研究為主，參照術(shù)后病理對術(shù)前影像進(jìn)行較粗略的定位、定性分析，無法做到將病理所見的病灶與CT 影像中的相應(yīng)部位進(jìn)行精確對位。

PTC 細(xì)胞保留了甲狀腺濾泡細(xì)胞的部分功能，同樣具有攝碘能力，該特性讓我們通過131I SPECT顯像可以發(fā)現(xiàn)其他常規(guī)影像難以探及的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移病灶，進(jìn)一步進(jìn)行斷層顯像可實現(xiàn)對病灶的精準(zhǔn)定位，對頭頸部異常攝碘灶的定位定性準(zhǔn)確率可達(dá)98%以上[14]。本研究采用131I SPECT/CT 斷層顯像陽性作為判定轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，在同期CT 圖像上判定對應(yīng)轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的準(zhǔn)確位置，克服了以往在CT圖像上對于轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)缺乏有效辨別手段的困難。

本研究通過CT 紋理分析及篩選，最終獲得具有較好診斷效能的4 個紋理參數(shù)。其中小波變換低低頻_s-2 屬于小波變換類別紋理參數(shù)，反應(yīng)了圖像經(jīng)小波變換后低頻信息量，描述了圖像的粗尺度信息[15]，本研究中轉(zhuǎn)移組淋巴結(jié)的小波變換低低頻_s-2 高于對照組，考慮可能與轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)異質(zhì)性較強，紋理粗糙有關(guān)。S（0，1）均數(shù)和、S（0，2）均數(shù)和均屬于灰度共生矩陣類別，代表了圖像像素的強度，數(shù)值越大，圖像越明亮。本研究中，轉(zhuǎn)移組淋巴結(jié)圖像的均數(shù)和值普遍高于對照組，考慮與甲狀腺癌轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)內(nèi)部容易出現(xiàn)砂礫體有關(guān)。梯度方差屬于絕對梯度紋理參數(shù)，體現(xiàn)了ROI 中相鄰像素灰階強度差值離散情況。本研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移組淋巴結(jié)梯度方差低于對照組，但該參數(shù)生物學(xué)相關(guān)較為有限，與腫瘤異質(zhì)性的關(guān)聯(lián)仍需結(jié)合其他紋理參數(shù)綜合評價及進(jìn)一步的研究[16]。

本研究結(jié)果提示，基于CT 平掃圖像的CT 紋理分析在評估PTC 頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中具有潛在的臨床應(yīng)用價值，通過高通量的提取和分析圖像紋理參數(shù)，可協(xié)助判斷病灶性質(zhì)，準(zhǔn)確評估病情以指導(dǎo)患者的個體化治療。

本研究為我們使用CT 影像組學(xué)技術(shù)鑒別PTC淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的初步嘗試，難免存在不足之處：①本研究為單中心研究，樣本量相對較少；②本研究選取的淋巴結(jié)短徑均大于3 mm，對短徑小于3 mm 的病灶圖像處理困難；③在圖像處理中需要進(jìn)行圖像格式的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中可能存在原始數(shù)據(jù)的損失，未來我們計劃使用專用軟件直接處理原始圖像，盡可能避免造成原始數(shù)據(jù)損失的因素；④本研究使用二維平面圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，存在空間采樣的不足。未來我們擬嘗試進(jìn)行三維圖像提取，以期獲取更豐富的圖像信息，并可進(jìn)一步將紋理特征提取與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，提升數(shù)據(jù)分析效能及建立評估模型，以更好地指導(dǎo)臨床個體化治療。