脾臟影像紋理特征預(yù)測肝硬化患者食管靜脈曲張嚴(yán)重程度的研究

張華妮 李嘉穎 周敏輝 陳海波 孫志超

食管靜脈曲張破裂出血是肝硬化門靜脈高壓癥死亡的主要原因，6 周死亡率高達(dá)15%～25%[1]。食管靜脈曲張嚴(yán)重程度可分為輕度、中度及重度，輕中度和重度患者每年出血的風(fēng)險(xiǎn)分別為5%和15%[2]。早期預(yù)測食管靜脈曲張嚴(yán)重程度并提早干預(yù)可明顯改善患者預(yù)后。肝內(nèi)血流阻力增高是肝硬化早期門靜脈高壓形成的主要原因，出現(xiàn)食管靜脈曲張等側(cè)支循環(huán)開放時(shí)影響門靜脈高壓的主要因素則是肝外因素，如脾臟內(nèi)的高動(dòng)力血流循環(huán)和血管擴(kuò)張[3]。研究表明，脾臟硬度與門靜脈高壓及食管靜脈曲張密切相關(guān)[4]，臨床上脾臟硬度值的測量主要通過超聲彈性成像技術(shù)，然而易受操作者的主觀性以及患者自身?xiàng)l件（如肥胖、腹水等）的影響[5]。內(nèi)鏡檢查結(jié)果是評估食管靜脈曲張程度的“金標(biāo)準(zhǔn)”[3]，但患者往往不易耐受。因此，臨床亟需一種新的無創(chuàng)性的方法來評估肝硬化患者食管靜脈曲張嚴(yán)重程度。盡管臨床已有許多無創(chuàng)性血清學(xué)診斷指標(biāo)，如天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶-丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶比值（aspartate aminotransferase to alanine aminotransferase ratio，AAR）、肝纖維化4 因子（fibrosis index based on four factors，F(xiàn)IB-4）、肝纖維化指數(shù)（fibrosis index，F(xiàn)I）等用于預(yù)測食管靜脈曲張嚴(yán)重程度，但尚未達(dá)成共識[6]。影像紋理特征是無創(chuàng)、客觀和可重復(fù)的影像生物學(xué)指標(biāo)，可間接反映病理生理改變，并已被廣泛用于肝臟疾病的診斷和評估[7-8]。因此，本研究基于脾臟影像紋理特征構(gòu)建肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度的預(yù)測模型，并探討其臨床應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 對象和方法

1.1 對象 回顧性收集2015 年1 月至2021 年5 月浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院收治的肝硬化患者1 385例。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）符合《肝硬化診治指南（2019 版）》[9]的臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)；（2）內(nèi)鏡檢查結(jié)果顯示存在食管靜脈曲張；（3）所有患者均接受腹部CT 檢查，與內(nèi)鏡檢查時(shí)間間隔不超過1 個(gè)月。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）有門靜脈高壓相關(guān)治療史，如經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門體分流術(shù)、脾切除、部分脾栓塞等；（2）自發(fā)形成脾腎胃異常分流；（3）臨床資料和影像資料不全；（4）有肝臟及脾臟腫瘤史；（5）合并有嚴(yán)重心腦血管疾病、腎功能衰竭和造血系統(tǒng)疾病等原發(fā)性疾病。根據(jù)納排標(biāo)準(zhǔn)，本研究最終納入73 例患者，其中男46 例，女27 例；年齡30～97 歲。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)（批件號：2020-KL-049-01）。

1.2 方法

1.2.1 無創(chuàng)性血清學(xué)指標(biāo)收集 患者無創(chuàng)性血清診斷指標(biāo)包括AAR、FIB-4、FI、天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶-血小板比值（aspartate aminotransferase-platelet ratio index，APRI）、King 指數(shù)、Lok 指數(shù)[10]。收集血生化指標(biāo)：白蛋白（albumin，ALB）、TBil、AST、ALT、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶（gamma-glutamyl transpeptidase，GGT）。凝血類指標(biāo)：PT、國際化標(biāo)準(zhǔn)比值（international standard ratio，INR）、Fib。血常規(guī)參數(shù)：PLT、血小板壓積（platelet specific volume，PCT）。具體計(jì)算公式如下：（1）AAR=AST/ALT；（2）FIB-4=（年齡×AST）/（PLT×ALT1/2）；（3）FI=8-0.01×PLT-ALB；（4）APRI=[（AST/ULN）×100]/PLT（ULN=AST 的正常上限值）；（5）King 指數(shù)=年齡×AST×INR/PLT；（6）Lok 指數(shù)=-5.56-0.0086×PLT+1.26×AST/ALT+5.27×INR。

1.2.2 腹部CT 檢查 多層螺旋CT 掃描儀（日本東芝公司Aquilion ONE 320 和德國西門子公司SOMATOM Sensation 64），掃描參數(shù):管電壓120 kV，自動(dòng)管電流100～250 mA，準(zhǔn)直0.5 mm×80 或0.6 mm×64，矩陣512×512，常規(guī)層厚5.0 mm、薄層重建層厚1.0 mm、層間距0.8 mm，重建算法為軟組織算法。

1.2.3 內(nèi)鏡檢查 胃鏡檢查采用CV290 電子胃鏡（日本Olympus 公司），由10 年以上工作經(jīng)驗(yàn)的消化內(nèi)科醫(yī)師進(jìn)行胃鏡檢查。根據(jù)日本門靜脈高壓研究會提出的標(biāo)準(zhǔn)，將患者分為輕度食管靜脈曲張組（EV1組）、中度食管靜脈曲張組（EV2 組）和重度食管靜脈曲張（EV3 組）：EV1，輕度線狀擴(kuò)張；EV2，中度串珠擴(kuò)張；EV3，顯著結(jié)節(jié)狀或瘤狀擴(kuò)張[11]。根據(jù)食管靜脈曲張破裂出血的風(fēng)險(xiǎn)，將患者進(jìn)一步分為高危食管靜脈曲張組（EV2、EV3 和EV1 并伴有紅色征）和低危食管靜脈曲張組（EV1 不伴有紅色征）[12]。

1.2.4 脾臟影像紋理特征的提取和模型構(gòu)建

1.2.4.1 圖像分割 將腹部CT 平掃圖像以DICOM 格式通過影像歸檔和通信系統(tǒng)（picture archiving and communication system，PACS）下載并導(dǎo)入ITK-SNAP（Version 3.4.0）軟件中，由1 名放射診斷醫(yī)師在脾門層面沿著脾臟邊緣進(jìn)行感興趣區(qū)（region of interest，ROI）的手動(dòng)勾畫，勾畫時(shí)避開周圍大血管及臟器，并由另一名放射診斷醫(yī)師進(jìn)行圖像審核。將勾畫好的ROI 圖像保存為NIFTI 格式。

1.2.4.2 特征提取 將保存為NIFTI 格式的ROI 圖像和原圖像一起導(dǎo)入多模態(tài)科研平臺（Version 1.6.3.6），使用Python 軟件包PyRadiology（2.2.0 版）進(jìn)行特征提取，提取的特征包括一階統(tǒng)計(jì)量、形狀特征、灰度共生矩陣、灰度游程矩陣、灰度連通區(qū)域矩陣、灰度依賴矩陣、轉(zhuǎn)換類型、小波變換、局部二值模式等，共1 379 個(gè)特征值。

1.2.4.3 特征篩選及模型構(gòu)建 （1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：使用Z-SCORE 方法對所提取的特征進(jìn)行歸一化處理。（2）特征選擇：為了消除特征之間嚴(yán)重的共線性，先計(jì)算特征之間的線性相關(guān)系數(shù)ρ，當(dāng)ρ≥0.90 時(shí)剔除其中1個(gè)特征，直到所有特征之間的線性相關(guān)系數(shù)＜0.90；再使用方差分析進(jìn)行特征選擇。最后將所有患者以7∶3隨機(jī)分為訓(xùn)練組與驗(yàn)證組，隨機(jī)次數(shù)設(shè)置為5。（3）影像組學(xué)模型構(gòu)建：基于篩選后保留的組學(xué)特征值通過LinearSVC 方法進(jìn)行影像組學(xué)模型構(gòu)建，并對模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3 觀察指標(biāo) （1）比較低危食管靜脈曲張組與高危食管靜脈曲張組一般資料；（2）分析無創(chuàng)性血清學(xué)指標(biāo)對肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度的診斷效能。（3）篩選出與肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度相關(guān)的脾臟影像紋理特征參數(shù)，并分析其構(gòu)建的模型對肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度的診斷效能。

2 結(jié)果

2.1 低危食管靜脈曲張組與高危食管靜脈曲張組一般資料比較 在73 例肝硬化食管靜脈曲張患者中，低危食管靜脈曲張組23 例（31.5%），高危食管靜脈曲張組50 例（68.5%）。兩組患者性別、年齡、肝炎類型、ALB、TBil、AST、ALT、GGT、PT、INR、PLT、PCT 比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），高危食管靜脈曲張組患者Fib 水平低于低危食管靜脈曲張組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表1。

表1 低危食管靜脈曲張組與高危食管靜脈曲張組一般資料比較

2.2 無創(chuàng)性血清學(xué)指標(biāo)對肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度的診斷效能分析 ROC 曲線分析顯示，APRI 的預(yù)測效能最高，AUC 為0.631（95%CI：0.499～0.763），靈敏度0.480、特異度0.826、陽性預(yù)測值0.857、陰性預(yù)測值0.422。FI 的 預(yù)測 效 能最 低，AUC 為0.477（95%CI：0.314～0.641），靈敏度0.820，特異度0.348，陽性預(yù)測值0.723，陰性預(yù)測值0.470，見圖1（插頁）、表2。

表2 無創(chuàng)性血清學(xué)指標(biāo)對肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度的診斷效能分析

圖1 無創(chuàng)性血清學(xué)指標(biāo)診斷肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度ROC 曲線

2.3 脾臟影像紋理特征參數(shù)篩選結(jié)果及構(gòu)建的模型對肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度的診斷效能分析1 379 個(gè)影像紋理特征參數(shù)中，最終篩選出8 個(gè)與肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度顯著相關(guān)，見表3，其中wavelet-LLH_glszm_SizeZoneNonUniformity 特征參數(shù)相關(guān)性最高（r=0.437，P＜0.05）?；诤Y選的8 個(gè)影像紋理特征參數(shù)構(gòu)建LinearSVC 模型，訓(xùn)練組AUC 為0.870（95%CI：0.773～0.967），靈敏度0.823，特異度0.765；驗(yàn)證組AUC 為0.876（95%CI：0.723～1.000），靈敏度0.867，特異度0.714；見圖2（插頁）。

表3 基于方差分析篩選具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的與肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度相關(guān)的脾臟影像紋理特征參數(shù)

圖2 脾臟紋理特征模型瀑布圖及ROC 曲線（A、C：訓(xùn)練組；B、D：驗(yàn)證組）

3 討論

食管靜脈曲張是肝硬化門靜脈高壓引起的主要側(cè)支循環(huán)，當(dāng)門靜脈高壓形成門-體側(cè)支循環(huán)后，內(nèi)臟小血管舒張，門靜脈血流量增加促使門靜脈壓力增高[3]。脾臟是重要的血液儲存器官，隨著肝硬化門靜脈壓力的增加，脾淋巴組織增大和過度激活以及血管生成和纖維化增加，導(dǎo)致脾臟的被動(dòng)充血，最終引起脾臟體積的增大[13]。因此，脾臟的變化可以間接反映食管靜脈曲張的嚴(yán)重程度。

本研究在腹部CT 平掃的圖像上進(jìn)行脾臟影像紋理特征的提取，相對于增強(qiáng)CT 而言，CT 平掃可以避免對比劑對人體腎臟的毒性損害。本研究共提取出8 個(gè)與肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度具有相關(guān)性的影像紋理特征參數(shù)，主要為wavelet 轉(zhuǎn)換特征，小波轉(zhuǎn)換特征是高階特征，能夠反映圖像多領(lǐng)域多尺度的信息[14]，可反映脾臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)變化（血管增生和纖維化）的差異程度；original_shape 形態(tài)學(xué)特征，可反映脾臟形態(tài)、大小和規(guī)則度等信息，從而反映脾臟的纖維化程度[15]；lbp 特征為局部二值模式，具有旋轉(zhuǎn)不變性和灰度不變性等優(yōu)點(diǎn)[16]，可穩(wěn)定地呈現(xiàn)脾臟局部紋理特征的改變。肝硬化患者出現(xiàn)食管靜脈曲張側(cè)支循環(huán)開放時(shí)，脾臟是影響門靜脈高壓的主導(dǎo)因素。隨著門靜脈壓力的增加，患者不僅會出現(xiàn)脾臟的形態(tài)增大，而且脾內(nèi)的血管生成和纖維化也逐漸增加。既往研究也發(fā)現(xiàn)高危食管靜脈曲張患者的脾臟硬度值較低?；颊吒遊4]，與本研究發(fā)現(xiàn)的8 個(gè)脾臟紋理特征參數(shù)與食管靜脈曲張嚴(yán)重程度呈正相關(guān)的結(jié)果類似。因此，脾臟紋理特征參數(shù)可以客觀反映不同程度食管靜脈曲張患者的異質(zhì)性。

基于8 個(gè)脾臟CT 平掃影像紋理特征構(gòu)建的影像組學(xué)模型，在訓(xùn)練組和驗(yàn)證組中的AUC 均高于0.850，表明影像組學(xué)模型在無創(chuàng)性評估肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度上具有比較穩(wěn)定的預(yù)測能力。Liu 等[17]通過一項(xiàng)前瞻性的多中心研究發(fā)現(xiàn)基于CT 的影像組學(xué)模型在預(yù)測門靜脈高壓癥方面表現(xiàn)良好，AUC 為0.849（95%CI：0.786～0.911），可作為一種無創(chuàng)性預(yù)測門靜脈高壓癥的方法。Tseng 等[18]構(gòu)建了一項(xiàng)CT 影像組學(xué)模型來無創(chuàng)性預(yù)測門靜脈高壓及患者結(jié)局，同樣發(fā)現(xiàn)該模型具有比較好的診斷效能（AUC= 0.866）；與本研究構(gòu)建的脾臟CT 影像組學(xué)模型的預(yù)測能力類似。無創(chuàng)性血清學(xué)指標(biāo)（AAR、FIB-4、FI、APRI、King 評分、Lok評分）在預(yù)測肝硬化食管靜脈曲張中也有一定的應(yīng)用價(jià)值[19]。但在本研究中，無創(chuàng)性血清學(xué)指標(biāo)模型的AUC 均在0.700 以下。Bledar 等[20]采用AAR、FIB-4、FI 、APRI、King 評分指標(biāo)來預(yù)測食管靜脈曲張破裂出血分險(xiǎn)，同樣發(fā)現(xiàn)其AUC 均比較低，范圍在0.450～0.550，這與本研究結(jié)果是相似的。這些血清學(xué)指標(biāo)預(yù)測肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度的效能均不高，可能是因?yàn)椴荒芘懦渌祀s因素導(dǎo)致的血清學(xué)指標(biāo)變化，如抗病毒治療的時(shí)間不一致等[20]。因此，在預(yù)測食管靜脈曲張嚴(yán)重程度方面，本研究構(gòu)建的無創(chuàng)性脾臟影像紋理特征模型較血清學(xué)指標(biāo)更穩(wěn)定且具有更大的應(yīng)用潛能。

本研究也存在局限性：第一，本研究為回顧性研究，且樣本量較少，缺少外部驗(yàn)證；第二，針對肝硬化患者未進(jìn)行代償期和失代償期的分層研究；第三，沒有對肝硬化的不同病因（酒精性、HBV等）進(jìn)行分類分析；第四，未對患者進(jìn)行彈性成像檢查獲得脾臟硬度值。

綜上所述，脾臟影像紋理特征模型對肝硬化食管靜脈曲張嚴(yán)重程度有一定的預(yù)測價(jià)值，可以輔助臨床醫(yī)生為肝硬化食管靜脈曲張患者早期精準(zhǔn)地制定個(gè)體化診療方案，以降低食管靜脈曲張破裂出血的風(fēng)險(xiǎn)，提高肝硬化門靜脈高壓癥患者的生活質(zhì)量。