CT 影像組學(xué)在肝細(xì)胞癌聯(lián)合治療后短期療效的應(yīng)用

段茜婷，王關(guān)順，丁 榮，王 娜，寸紅麗，楊 泠

（昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院/云南省腫瘤醫(yī)院放射科，云南 昆明 650118）

肝細(xì)胞性肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是世界上第6 常見的癌癥，也是第3 大癌癥相關(guān)死亡原因[1]。超過60% 的肝癌患者在初診時(shí)被診斷為中期或晚期，不能接受根治性治療[2]。經(jīng)導(dǎo)管動(dòng)脈化療栓塞術(shù)（transcatheter arterial chemoembolization，TACE）對肝癌患者的預(yù)后和存活有積極的影響，通過減少流向靶肝腫瘤的血流量和增加注射細(xì)胞毒劑的停留時(shí)間，誘導(dǎo)腫瘤組織缺血、壞死、液化、吸收和減少[3]。以前的報(bào)道表明超過50% 的肝癌患者經(jīng)肝動(dòng)脈栓塞術(shù)后達(dá)到了客觀的反應(yīng)，這種客觀反應(yīng)與較長的生存期有關(guān)，且在至少6 個(gè)月內(nèi)達(dá)到并保持客觀反應(yīng)的患者預(yù)后比其他患者好[4-5]。由于HCC 具有雙重供血、血管栓塞再通及側(cè)支循環(huán)重建等多種因素，容易造成腫瘤殘留、復(fù)發(fā)，術(shù)后腫瘤完全壞死率僅約為17%～38%[6]。因此，提出了TACE 與系統(tǒng)治療（例如索拉非尼）相結(jié)合，可有效控制肝腫瘤的生長[7]。索拉非尼是一種口服多激酶抑制劑，不僅能直接抑制腫瘤細(xì)胞增殖，還能阻斷腫瘤血管生成和生長，是進(jìn)展性肝癌患者局部治療后的標(biāo)準(zhǔn)治療方法[8]。影像組學(xué)是一種新興的將醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成高維量化數(shù)據(jù)的方法，目前在肝癌診治方面顯示出巨大潛能[9-10]，有望成為預(yù)測肝癌聯(lián)合治療療效預(yù)測的新方法。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本研究回顧性收組2013 年8 月至2021 年3月在云南省腫瘤醫(yī)院行TACE 聯(lián)合索拉菲尼治療的肝細(xì)胞癌患者，所有患者均嚴(yán)格按照以下納入及排除標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選。本研究中筆者將術(shù)后6 個(gè)月內(nèi)（≤6 月）發(fā)生腫瘤進(jìn)展的定義為短期進(jìn)展，按照改良實(shí)體腫瘤療效評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（mRECIST）對腫瘤療效進(jìn)行評估。

納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）首診、未經(jīng)治療的有病理依據(jù)或符合美國肝臟病研究協(xié)會(huì)（american association for the study of liver diseases，AASLD）最新的肝細(xì)胞癌診療指南[11]診斷為肝細(xì)胞癌的患者；（2）所有患者初始采用的治療方案為TACE，術(shù)后規(guī)律服用索拉菲尼（400 mg，2 次/d，直至病情進(jìn)展或出現(xiàn)不可耐受的毒性反應(yīng)）；（3）術(shù)前1～2 周內(nèi)行CT 掃描（包括平掃、動(dòng)脈期、門脈期）。臨床、實(shí)驗(yàn)室檢查資料完整。術(shù)后1～2 個(gè)月、半年進(jìn)行影像學(xué)隨訪評估療效；（4）病灶數(shù)目≤4 個(gè)。

排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）合并其他原發(fā)性腫瘤；（2）嚴(yán)重肝硬化患者，Child-Pugh 分級達(dá)C 級；（3）存在肝外轉(zhuǎn)移或大血管浸潤；（4）隨訪時(shí)間少于6 個(gè)月的患者。

根據(jù)納入和排除標(biāo)準(zhǔn)，本研究共納入患者159 例。112 例在隨訪的6 個(gè)月內(nèi)發(fā)生了進(jìn)展，被歸為短期進(jìn)展者，47 例6 個(gè)月內(nèi)隨訪未發(fā)現(xiàn)進(jìn)展，被歸為非短期進(jìn)展組。在所有納入患者中，包含男性136 例，女性23 例，范圍為30～85 歲。腫瘤大小范圍為3.0～15.0 cm。使用R 語言“Caret”包，等比例抽樣分組，根據(jù)計(jì)算機(jī)隨機(jī)分組的結(jié)果（7∶3），訓(xùn)練組共112 例（包括83 例短期進(jìn)展者，29 例非短期進(jìn)展），驗(yàn)證組共47 例（包括29例短期進(jìn)展者，18 例非短期進(jìn)展）。

1.2 隨訪方案

所有腫瘤患者在術(shù)后1 月、3 月及6 月進(jìn)行規(guī)律隨訪復(fù)查。復(fù)查的內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)室檢查及肝臟增強(qiáng)CT/MRI。術(shù)后6 個(gè)月通過影像圖像依據(jù)mRECIST 標(biāo)準(zhǔn)[12]評估TACE 聯(lián)合索拉菲尼的短期療效。

1.3 TACE 聯(lián)合索拉菲尼治療

1.3.1 TACE 治療將動(dòng)脈導(dǎo)管選擇性或超選擇性插入到腫瘤的供血靶動(dòng)脈，緩慢注入碘油混合乳劑及明膠海綿顆粒進(jìn)行栓塞，直到通過熒光透視觀察到動(dòng)脈血流量明顯減少。在后續(xù)成像中檢測殘留或新腫瘤，TACE 循環(huán)以“按需”為基礎(chǔ)重復(fù)進(jìn)行，如果患者不適合接受進(jìn)一步的TACE治療，他們將獲得其他支持治療。所有TACE 程序均由6 位具有8 a 以上經(jīng)驗(yàn)的介入放射科醫(yī)生完成。

1.3.2 索拉非尼的施用索拉非尼在每次TACE療程后給予患者口服。為了保持肝功能，索拉非尼在每次TACE 療程的1 d 前停止給藥。原則上，索拉非尼的劑量為每天2 次，每次400 mg（每天800 mg）。但是，允許因藥物相關(guān)的不良事件中斷治療并降低劑量（每天1 次400 mg，隔天1 次400 mg）。如果減少劑量后任何3 級或4 級不良事件持續(xù)發(fā)生，索拉非尼的給藥將被中斷，直到不良反應(yīng)減輕或消失為止。

1.4 圖像采集

掃描設(shè)備：SIEMENS Definition AS+128 層CT、SIEMENS SOMATOM Force 192 層 CT 及PHILIPS Ingenuity Core 128 層CT。掃描方法：所有患者術(shù)前均接受CT 平掃及增強(qiáng)（包括動(dòng)脈期、門脈期、延遲期）掃描?；颊邫z查前禁食4～6 h，掃描范圍至少包括膈頂至肝臟下極。平掃結(jié)束后，采用雙筒高壓注射器靜脈團(tuán)注非離子型對比劑碘海醇或碘佛醇50～100 mL。注射對比劑后30 s 左右進(jìn)行動(dòng)脈期掃描，60 s 左右進(jìn)行門脈期掃描，120 s 左右進(jìn)行延遲期掃描。

1.5 影像組學(xué)特征提取及預(yù)處理

采用西門子Syngo.via 后處理工作站中的Radiomics 程序，半自動(dòng)勾畫最大腫瘤動(dòng)脈期和門脈期CT 圖像的整個(gè)病灶作為感興趣空間（region of interest，ROI），通過Radiomics 程序，筆者從每一期圖像中提取到854 個(gè)影像組學(xué)特征，每位患者動(dòng)脈期和門脈期共提取1 708 個(gè)特征。隨后，使用中位數(shù)對特征矩陣中缺失值進(jìn)行填充，并對所有特征進(jìn)行Z-score 標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)，為了消除高維數(shù)據(jù)及冗余因素對結(jié)果的影響，防止過擬合現(xiàn)象，本研究還進(jìn)行了LASSO 回歸并進(jìn)行5 折的交叉驗(yàn)證，使用多個(gè)λ 值來評估具有較少特征的多元回歸模型的性能，以確定對鑒別進(jìn)展組和非進(jìn)展組有價(jià)值的最優(yōu)特征子集。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

通過R 語言（版本3.4.1，https://www.r-project.org/）和SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件（版本25.0）進(jìn)行分析。連續(xù)變量采用學(xué)生t檢驗(yàn)或Mann-WhitneyU 檢驗(yàn)，分類變量采用卡方檢驗(yàn)或Fisher 精確檢驗(yàn)。在假設(shè)檢驗(yàn)中，若其不符合正態(tài)分布，則使用Mann-Whitney U test 進(jìn)行檢驗(yàn)處理；反之，若其符合正態(tài)分布，再進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，如果通過則進(jìn)行t檢驗(yàn)，如果未通過則進(jìn)行校正t檢驗(yàn)。采用單變量和多變量邏輯回歸篩選所有臨床變量。多元邏輯回歸模型的建立是基于R 語言的“Rms”包完成的。通過ROC 分析，使用最大約登指數(shù)對應(yīng)的截?cái)嘀?，評價(jià)各模型的診斷性能。P＜ 0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 訓(xùn)練組及驗(yàn)證組

訓(xùn)練集和驗(yàn)證集臨床基線資料的組間比較顯示，除肝炎病史及性別，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）外，其余所有臨床參數(shù)在組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞ 0.05）。表明訓(xùn)練組和驗(yàn)證組的臨床參數(shù)是相對平衡，提示分組對模型的構(gòu)建是合理的，見表1。

表1 訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的臨床參數(shù)比較[n（%）]Tab.1 Comparison of clinical parameters between the training group and the validation group [n（%）]

2.2 預(yù)測模型的效能與驗(yàn)證

對特征進(jìn)行Z-score 標(biāo)準(zhǔn)化后，對訓(xùn)練組中的每個(gè)特征進(jìn)行了假設(shè)檢驗(yàn)，共832 個(gè)影像組學(xué)特征（校正后的P＜ 0.05）用于后續(xù)的分析。使用LASSO 回歸中五折的交叉驗(yàn)證方法，調(diào)節(jié)不同參數(shù)λ 以實(shí)現(xiàn)模型的二項(xiàng)式偏差最小，從而篩選出效能最好的特征組合。垂直虛線表示最佳λ 取值對應(yīng)的log（λ）值，選擇標(biāo)準(zhǔn)為最小化標(biāo)準(zhǔn)，見圖1。圖2 為LASSO 回歸模型中特征系數(shù)收斂圖，圖中的每條曲線代表每個(gè)自變量系數(shù)的變化軌跡，垂直線對應(yīng)篩選出的非零特征，共選出11 個(gè)最優(yōu)特征子組（包括動(dòng)脈期圖像上提取的3 個(gè)組學(xué)特征及門脈期提取的8 個(gè)組學(xué)特征）。圖3 為11 個(gè)影像組學(xué)特征的相關(guān)性熱圖分析，作為特征可視化。臨床因素中單因素結(jié)果顯示：性別、年齡、肝炎病史、肝硬化、肝包膜，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；腫瘤最大徑線和腫瘤數(shù)目，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.05），因此將二者納入到多因素邏輯回歸分析后，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.05），可以作為預(yù)測短期療效的獨(dú)立預(yù)測因子，見表2。整合影像組學(xué)模型和臨床模型建立一個(gè)聯(lián)合模型。3個(gè)模型的診斷性能，見圖4、圖5，其中綠色曲線代表影像組學(xué)模型，藍(lán)色曲線為臨床模型，紅色曲線為聯(lián)合模型，下方顯示對應(yīng)的曲線下面積（AUC）值。校準(zhǔn)曲線，見圖6、圖7，縱坐標(biāo)代表模型預(yù)測HCC 患者TACE 聯(lián)合索拉菲尼治療后短期療效的實(shí)際概率，橫坐標(biāo)代表預(yù)測概率。對角線表示“理想模型”的預(yù)測性能，曲線表示本研究模型的預(yù)測性能。若曲線越接近對角線，則模型的校準(zhǔn)度越好。決策曲線，見圖8、圖9，縱坐標(biāo)表示凈收益，橫坐標(biāo)表示閾概率。在3 個(gè)模型的比較中，不管是綜合預(yù)測能力（即AUC）、校準(zhǔn)能力、臨床效益等方面，聯(lián)合模型均優(yōu)于影像組學(xué)模型和臨床模型。

圖1 套索回歸Fig.1 Lasso Regression

圖2 特征系數(shù)收斂圖Fig.2 Convergence diagram of characteristic coefficients

圖3 11 個(gè)影像組學(xué)特征的相關(guān)性熱圖分析Fig.3 Correlation heat map analysis of 11 image radiomic features

圖4 訓(xùn)練集的 ROC 曲線Fig.4 ROC Curve in Training set

圖5 驗(yàn)證集的 ROC 曲線Fig.5 ROC Curve in Test set

圖6 訓(xùn)練集校準(zhǔn)曲線Fig.6 Training set calibration

圖7 驗(yàn)證集校準(zhǔn)曲線Fig.7 Validation set calibration

圖8 訓(xùn)練集 DCA 曲線Fig.8 DCA Curve in Training set

圖9 驗(yàn)證集 DCA 曲線Fig.9 DCA Curve in Validation set

表2 臨床參數(shù)的單因素和多因素邏輯回歸分析Tab.2 Univariate and multivariate logistic regression analysis of clinical parameters

3 討論

原發(fā)性肝癌與病毒性肝炎、肝硬化關(guān)系密切，起病隱匿，惡性程度高。隨著靶向藥物的不斷發(fā)展，肝癌的治療方法已進(jìn)入個(gè)體化分子靶向治療相關(guān)基因的時(shí)代，具有顯著的療效和安全性，意味著它正迅速成為中晚期肝癌的標(biāo)準(zhǔn)治療方法[7]。多項(xiàng)研究基于CT 或MRI 影像組學(xué)采用不同的算法構(gòu)建肝細(xì)胞癌TACE 術(shù)后療效預(yù)測模型，均證實(shí)影像組學(xué)能有效地預(yù)測其術(shù)后療效。Sun 等[13]學(xué)者探討術(shù)前多參數(shù)磁共振放射組學(xué)模型在預(yù)測肝癌經(jīng)導(dǎo)管動(dòng)脈化療栓塞治療不能切除肝癌的短期進(jìn)展，結(jié)果顯示聯(lián)合術(shù)前磁共振成像T2 加權(quán)、擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）和表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）影像組學(xué)特征能很好地預(yù)測不能切除的肝癌患者的短期進(jìn)展（6 個(gè)月）情況。Fei[14]研究酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像（amide proton transfer，APT）和體內(nèi)非相干運(yùn)動(dòng)（intravoxel incoherent motion，IVIM）成像參數(shù)結(jié)合腫瘤形態(tài)學(xué)特征，建立了比單一模型更好的肝癌對TACE 反應(yīng)的預(yù)測模型。

在本研究中，共篩選出來11 個(gè)組學(xué)特征，包括從動(dòng)脈期圖像上提取的3 個(gè)組學(xué)特征及門脈期提取的8 個(gè)組學(xué)特征構(gòu)建的影像組學(xué)模型，預(yù)測模型訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的AUC 值分別約為0.945、0.918，對應(yīng)的敏感性及特異性分別為0.862、0.793 和0.894、0.833。與以往結(jié)果不一致[13]，以往研究傾向于動(dòng)脈期圖像的放射組學(xué)分析更有助于預(yù)后判斷，他們認(rèn)為動(dòng)脈期成像中的腫瘤紋理能夠反映腫瘤強(qiáng)化模式，從而有助于預(yù)后判斷，筆者研究得出的門脈期圖像有較高預(yù)測價(jià)值，原因可能是門靜脈影像組學(xué)特征有助于預(yù)測微血管侵犯及腫瘤異質(zhì)性，從而對預(yù)測預(yù)后更有價(jià)值。一位學(xué)者[15]分析了32 篇涉及肝轉(zhuǎn)移瘤（liver metastases，LM）的CT、MRI 或PET-CT 影像組學(xué)的文章，發(fā)現(xiàn)化療后熵的降低和均勻性的增加與腫瘤化療后的有效率相關(guān)，與RECIST 標(biāo)準(zhǔn)相比，影像組學(xué)特征可以更早地預(yù)測化療反應(yīng)，并且，紋理分析還能將LM 與其他肝臟腫瘤區(qū)分開來。在臨床因素中，無論是單因素還是多因素分析，腫瘤最大徑和腫瘤數(shù)目都是預(yù)測短期療效的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，二者所構(gòu)建的臨床預(yù)測模型訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的AUC 值分別約為0.811、0.857，對應(yīng)的敏感性及特異性分別為0.846、0.862 和0.723、0.833。與以往研究結(jié)果相仿[16-17]，一些實(shí)驗(yàn)指出肝癌患者的TACE 療效與腫瘤狀態(tài)（數(shù)量或大小）密切相關(guān)，特別是肝癌患者治療后，持久反應(yīng)≥3 個(gè)月和≥6 個(gè)月的患者預(yù)后較好腫瘤最大徑及腫瘤數(shù)目是預(yù)測短期療效的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。迄今為止，甲胎蛋白是唯一被批準(zhǔn)用于HCC 的監(jiān)測和診斷的生物標(biāo)志物。對于早期HCC 的檢測，研究發(fā)現(xiàn)AFP 值隨時(shí)間的變化優(yōu)于單點(diǎn)AFP 值。甲胎蛋白的變化被整合到肝細(xì)胞癌早期檢測篩查（包括患者當(dāng)前的AFP 水平、AFP 變化率、年齡、ALT和血小板計(jì)數(shù)）算法中[18]。而在本研究中AFP 并不是TACE 聯(lián)合索拉菲尼治療短期療效的獨(dú)立預(yù)測因素。最后，將影像組學(xué)模型加入術(shù)前臨床模型后得到聯(lián)合模型訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的AUC 值分別約為0.958、0.95，對應(yīng)的敏感性及特異性分別為0.923、0.931 和0.894、0.889。研究結(jié)果表明不僅單獨(dú)的影像組學(xué)模型預(yù)測短期療效的能力優(yōu)于術(shù)前臨床因素模型，把影像組學(xué)模型加入術(shù)前臨床模型中還能明顯提高術(shù)前臨床模型的預(yù)測能力，這提示影像組學(xué)模型可能在肝細(xì)胞癌常規(guī)影像學(xué)特征及實(shí)驗(yàn)室檢查的基礎(chǔ)上，能夠提供額外有價(jià)值的關(guān)于肝細(xì)胞癌TACE 術(shù)后聯(lián)合索拉菲尼短期療效的信息，幫助臨床醫(yī)生在術(shù)前對患者進(jìn)行篩選。

本研究存在一定局限性：（1）該研究為回顧性研究，所納入患者的CT 圖像由不同CT 機(jī)掃描得到，而且病人來源于單一的醫(yī)療結(jié)構(gòu)，不同的醫(yī)療機(jī)構(gòu)病人構(gòu)成及掃描方案有差異，因此存在選擇偏倚；（2）腫瘤感興趣區(qū)勾畫只包括單一最大病變，主要是因?yàn)樽畲蟮牟∽兎从沉烁伟┳罹咔忠u性的行為；（3）本研究樣本量較小，在筆者后續(xù)進(jìn)行的研究中，應(yīng)開展更大規(guī)模、多中心樣本的前瞻性研究，以獲得更多、更可靠的證據(jù)和有意義的結(jié)論。