復(fù)發(fā)性急性胰腺炎T2WI 序列影像組學(xué)特征與臨床特征的相關(guān)性

胡云濤，劉念，黃小華*

0 前言

在急性胰腺炎（acute pancreatitis, AP）中，大約有10%～30%的患者會(huì)出現(xiàn)復(fù)發(fā)性急性胰腺炎（recurrent acute pancreatitis, RAP）[1-2]。RAP 反復(fù)發(fā)作會(huì)增加患者進(jìn)展為慢性胰腺炎或胰腺癌的風(fēng)險(xiǎn)，因此早期預(yù)防RAP 發(fā)生十分重要[3]。影像組學(xué)自2012 年提出后迅速發(fā)展[4-6]，尤其對(duì)于疾病的診斷及鑒別診斷、預(yù)后及療效評(píng)估的研究更為深入，如在對(duì)肺部結(jié)節(jié)、乳腺癌、前列腺癌、AP 等研究中已取得初步成就[7-14]。但目前對(duì)于影像組學(xué)特征所代表的生物學(xué)意義尚未清楚，導(dǎo)致影像組學(xué)特征的可解釋性較差，因此本研究初步探討了基于T2WI 序列RAP 的影像組學(xué)特征與臨床特征之間的相關(guān)性，間接反映影像組學(xué)特征的生物學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，通過川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，免除受試者知情同意，批準(zhǔn)文號(hào)：2020ER203-1?；仡櫺苑治?016 年1 月至2020 年12 月期間在川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院經(jīng)MRI、臨床和生化檢查診斷為AP 的患者病例200 例。本研究通過電話或有無再次因AP 住院記錄隨訪兩年，將200 例患者分為初發(fā)AP 組127 例，RAP 組73 例。AP 組有并發(fā)癥94 例（急性液體積聚73 例、急性壞死物積聚15 例、胰腺假性囊腫6 例），RAP 組有并發(fā)癥48 例（急性液體積聚35 例、急性壞死物積聚4 例、胰腺假性囊腫3例，包裹性壞死6例）。

1.2 納入及排除標(biāo)準(zhǔn)

初發(fā)性AP 組納入標(biāo)準(zhǔn)：符合《亞特蘭大分類法》AP 診斷指南標(biāo)準(zhǔn)[15]，AP 首次發(fā)作有且僅有一次。根據(jù)MR嚴(yán)重指數(shù)（MR Severity Score Index, MRSI）評(píng)分分為輕度（0～3 分）、中度（4～6 分）、重度（7～10分）[16]。RAP組納入標(biāo)準(zhǔn)：按照RAP的診斷標(biāo)準(zhǔn)[17]，同時(shí)滿足以下2條標(biāo)準(zhǔn)：（1）有至少2次AP發(fā)作；（2）兩次AP發(fā)作之間至少間隔3個(gè)月。AP組排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）慢性胰腺炎急性發(fā)作、胰腺腫瘤等胰腺其他疾??；（2）圖像模糊、掃描參數(shù)不一致。RAP組排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）慢性胰腺炎、胰腺腫瘤等胰腺其他疾病；（2）圖像模糊、掃描參數(shù)不一致；（3）臨床數(shù)據(jù)不完整、失訪患者[9]。

1.3 掃描方案

采用美國GE 公司Discovery MR750 3.0 T MRI掃描儀，32 通道體部相控陣列線圈進(jìn)行檢查。囑患者檢查前禁食、禁水，并進(jìn)行呼吸訓(xùn)練。采取仰臥位足先進(jìn)。呼吸門控置于腹部起伏最大處。掃描范圍覆蓋整個(gè)上腹部。掃描參數(shù)：軸位T2WI 單次激發(fā)快速自旋回波序列，視野34.0 cm×34.0 cm，矩陣320×256，層 厚6.0 mm，間 距2.0 mm，重 復(fù) 時(shí) 間4500～6000 ms，回波時(shí)間90～120 ms。

1.4 圖像分割及特征提取

由兩名具有5 年腹部影像診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科主治醫(yī)生分別使用IBEX軟件（IBEX，β1.0，http://bit.ly/IBEX_MDAnderson，基于matlab 的開源軟件）來勾畫胰腺周圍三維感興趣區(qū)，包括胰腺的壞死區(qū)域，并避免膽總管和血管等（圖1）[9]。將圖像進(jìn)行重采樣，從T2WI 圖像中共提取了1353 個(gè)特征，重采樣x、y、z參數(shù)為1、1、1。

圖1 男，47 歲，急性胰腺炎，感興趣區(qū)勾畫示意圖。勾畫胰腺周圍三維感興趣區(qū)，包括胰腺的壞死區(qū)域（1A），并避免膽總管和血管（1B）。Fig.1 Male, 47 years old, acute pancreatitis, delineation of region of interest.The region of interest around the pancreatic parenchyma is delineated, including the necrotic area of the pancreas (1A)， the common bile duct and blood vessels are avoided (1B).

1.5 觀察者內(nèi)及觀察者間一致性檢驗(yàn)

由上述兩名放射科醫(yī)生分別勾畫所有入組患者首次掃描圖像的感興趣區(qū)域，提取特征并進(jìn)行比較，以評(píng)估觀察者之間影像組學(xué)特征的一致性（intra-class correlation coeficient, ICC）。2 周后，從所有患者中隨機(jī)抽取50 例的T2WI 圖像，由其中一名放射科醫(yī)生再次勾畫靶區(qū)并提取特征，與第一次的特征進(jìn)行比較，以評(píng)估觀察者內(nèi)一致性[9]。

1.6 特征篩選及相關(guān)性分析

通過Z-score 標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)和方差齊性檢驗(yàn)，再通過兩個(gè)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)或者M(jìn)ann-WhitneyU檢驗(yàn)進(jìn)行第一次降維，隨后再采用最小絕對(duì)收縮和選擇算子（least absolute shrinkage and selection operator, LASSO）算法進(jìn)行第二次降維。將剩余的影像組學(xué)特征與差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的臨床特征進(jìn)行相關(guān)性分析，P＜0.05 為具有相關(guān)性，r值＞0.5認(rèn)為具有強(qiáng)相關(guān)性。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)使用R軟件（版本3.5.2，https://cran.r-project.org）和SPSS（版本27.0）軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。對(duì)于計(jì)量資料采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)是否服從正態(tài)分布，以及是否滿足方差齊性，同時(shí)符合以上兩個(gè)條件采用兩個(gè)獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)，否則采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)。采用卡方檢驗(yàn)比較AP 組和RAP 組的性別、并發(fā)癥、酗酒、高脂血癥、膽結(jié)石差異。等級(jí)資料采用非參數(shù)的秩和檢驗(yàn)，比較AP 組和RAP組的嚴(yán)重程度差異。

2 結(jié)果

2.1 一般資料

本研究共納入AP 患者病例200 例，其中AP 組127 例，RAP 組73 例。AP 組膽囊結(jié)石43 例、膽管結(jié)石2例、肝內(nèi)膽管結(jié)石1例，RAP組膽囊結(jié)石25例，膽管結(jié)石4 例。AP 組的年齡為（48±15）歲，RAP 組的年齡為（47±15）歲。本研究對(duì)AP組及RAP組患者的一般資料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)性別（P=0.010）、酗酒（P=0.004）、高脂血癥（P＜0.001）、嚴(yán)重程度（P＜0.001）差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。而年齡（P=0.672）、膽結(jié)石（P=0.622）、并發(fā)癥（P=0.215）差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表1）。

表1 臨床資料Tab.1 Clinical data

2.2 一致性檢驗(yàn)、降維和特征篩選

通過觀察者內(nèi)ICC 檢驗(yàn)后篩選出ICC＞0.75 的特征1141 個(gè)，通過觀察者間ICC 檢驗(yàn)后保留ICC＞0.75 的特征761 個(gè)。隨后進(jìn)行單因素t檢驗(yàn)或者M(jìn)ann-WhitneyU檢驗(yàn)和LASSO降維，經(jīng)單因素分析后T2WI 數(shù)據(jù)集還有749 個(gè)特征。通過調(diào)整LASSO 正則化最佳參數(shù)λ值，進(jìn)行10 倍交叉驗(yàn)證，獲得λ值為0.016，并選擇最簡潔模型時(shí)的剩余特征數(shù)，最后T2WI 數(shù)據(jù)集剩余9 個(gè)特征（集群趨勢、方差、2 個(gè)相關(guān)性、短游程低灰度優(yōu)勢、范圍、總平均數(shù)、表面積密度、四分位數(shù)）（圖2～3）。

圖2 影像組學(xué)特征觀察者一致性檢驗(yàn)。2A：觀察者組內(nèi)的影像組學(xué)特征一致性評(píng)估，剩余1141個(gè)特征；2B：觀察者組間的影像組學(xué)特征一致性評(píng)估，剩余761個(gè)特征。紅線以上（ICC＞0.75）表示特征具有良好的穩(wěn)定性或觀察者間/內(nèi)一致性。ICC：組內(nèi)相關(guān)系數(shù)。 圖3 LASSO特征選擇圖。3A：圖中曲線代表特征的變化軌跡，黑色垂直線定義了λ的最佳值為0.016；3B：左側(cè)和右側(cè)的虛線分別代表二項(xiàng)式偏差最小模型原則和距離二項(xiàng)式偏差最小值的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)的最簡潔模型原則，本研究中采用最簡潔模型原則。LASSO：最小絕對(duì)收縮和選擇算子。Fig.2 Observer consistency test of radiomics features.2A: Intra-observer consistency evaluation of radiomics features, 1141 remaining features; 2B: Inter-observer consistency evaluation of radiomics features, 761 remaining features.A correlation coefficient greater than 0.75 (above the red line) indicates good feature stability or inter-/intra-observer consistency.ICC: intra-class correlation coefficient.Fig.3 LASSO feature selection diagram.3A: The curve in the figure represents the trajectory of feature changes, and the black vertical line defines the optimal value of lambda as 0.016; 3B: The dashed lines on the left and right represent the principle of the minimum binomial bias model and the principle of the simplest model within one standard deviation from the minimum binomial bias, respectively.The principle of the simplest model within one standard deviation is used in this study.LASSO: least absolute shrinkage and selection operator.

2.3 影像組學(xué)特征與臨床特征相關(guān)性

并發(fā)癥與范圍（r=0.606，95%CI：0.508～0.690；P＜0.01）、總 平 均 數(shù)（r=0.606，95%CI：0.508～0.690；P＜0.01）、四 分 位 數(shù)（r=0.606，95%CI：0.508～0.690；P＜0.01）呈強(qiáng)正相關(guān)；膽結(jié)石與短游程低灰度優(yōu)勢特征呈強(qiáng)正相關(guān)（r=0.575，95%CI：0.470～0.663；P＜0.01）；高脂血癥與總平均數(shù)（r=0.501，95%CI：0.386～0.601；P＜0.01）、四分位數(shù)（r=0.575，95%CI：0.470～0.663；P＜0.01）呈強(qiáng)正相關(guān)；酗酒與范圍（r=0.699，95%CI：0.618～0.765；P＜0.01）、總 平 均 數(shù)（r=0.822，95%CI：0.770～0.864；P＜0.01）、四 分 位 數(shù)（r=0.699，95%CI：0.618～0.765；P＜0.01）呈強(qiáng)正相關(guān)（表2）。

表2 影像組學(xué)特征與臨床特征的相關(guān)性Tab.2 Correlation between radiomics features and clinical features

3 討論

目前影像組學(xué)在AP 復(fù)發(fā)中已初有研究，但傳統(tǒng)影像組學(xué)研究只探討模型的預(yù)測或者診斷效能。而關(guān)于影像組學(xué)特征潛在的生物學(xué)意義的研究較少，導(dǎo)致影像組學(xué)特征的解釋性較差。本研究在傳統(tǒng)的影像組學(xué)基礎(chǔ)上，分析了RAP患者影像組學(xué)特征與臨床特征之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)并發(fā)癥與范圍、總平均數(shù)、四分位數(shù)呈強(qiáng)正相關(guān)；膽結(jié)石與短游程低灰度優(yōu)勢特征呈強(qiáng)正相關(guān)；高脂血癥與總平均數(shù)、四分位數(shù)呈強(qiáng)正相關(guān)；酗酒與范圍、總平均數(shù)、四分位數(shù)呈強(qiáng)正相關(guān)。本文在此結(jié)果上探討了影像組學(xué)特征所潛在的生物學(xué)意義，為影像組學(xué)治療RAP時(shí)提供一定的參考。

3.1 影像組學(xué)特征和臨床特征差異

本研究中共提取了T2WI 圖像1353 個(gè)特征，經(jīng)過ICC 分析和降維后剩余9 個(gè)最佳影像組學(xué)特征（集群趨勢、方差、2個(gè)相關(guān)性、短游程低灰度優(yōu)勢、范圍、總平均數(shù)、表面積密度、四分位數(shù)）。其中集群趨勢、方差、相關(guān)性、總平均數(shù)屬于灰度共生矩陣，反映圖像灰度在步長、方向等變化的綜合信息。短游程低灰度優(yōu)勢屬于灰度游程矩陣，反映的是用具有相同灰度級(jí)的像素點(diǎn)分析紋理圖像度量，主要用于線性結(jié)構(gòu)紋理的分析。范圍、四分位數(shù)屬于灰度直方圖，用常用基礎(chǔ)的度量值反映圖像中像元灰度的分布規(guī)律。表面積密度屬于形狀，反映三維ROI輪廓的基本信息特征[9]。

另外，多數(shù)研究表明膽道疾病、高脂血癥、酗酒、年齡、性別等是RAP 高危因素，尤其中年男性受工作環(huán)境影響發(fā)病率較高[18-22]。性別、酗酒、高脂血癥、嚴(yán)重程度風(fēng)險(xiǎn)因素在本研究中均得到證實(shí)，而年齡、膽結(jié)石差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，此結(jié)果可能是受RAP組樣本量相對(duì)較少的影響。

3.2 影像組學(xué)特征與臨床特征相關(guān)性

并發(fā)癥（急性液體積聚、急性壞死物積聚、胰腺假性囊腫、包裹性壞死、胰周膿腫）[23-25]常見于中重度AP患者，并發(fā)癥的有無及分類是AP復(fù)發(fā)因素，本研究發(fā)現(xiàn)并發(fā)癥與范圍、總平均數(shù)、四分位數(shù)具有強(qiáng)相關(guān)性，原因可能是AP 并發(fā)癥的出現(xiàn)加劇了胰腺腺泡細(xì)胞和胰島的損傷，從而引起胰腺在MRI 信號(hào)上的改變[26]。膽結(jié)石是引起AP 最常見因素之一，本研究發(fā)現(xiàn)膽結(jié)石與短游程低灰度優(yōu)勢具有強(qiáng)相關(guān)性，分析原因可能是結(jié)石的大小和結(jié)石出現(xiàn)的位置引起膽胰管梗阻、胰液分泌受限[27-28]，進(jìn)一步引起胰腺損傷從而導(dǎo)致圖像上的改變。隨著近年來生活水平的改善，肥胖、高脂血癥的發(fā)病率逐漸增高，而高脂血癥會(huì)誘發(fā)AP，高脂血癥性AP 患者容易復(fù)發(fā)[29-31]，且復(fù)發(fā)后治療較為困難和復(fù)雜，本研究發(fā)現(xiàn)高脂血癥與總平均數(shù)、四分位數(shù)具有強(qiáng)相關(guān)性，分析原因可能是脂質(zhì)浸潤胰腺細(xì)胞所致[32]，從而引起胰腺在影像上的變化。眾所周知，隨著酒精劑量增加AP 發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加[33]，有研究提出酒精會(huì)導(dǎo)致胰腺導(dǎo)管內(nèi)蛋白質(zhì)堆積引起腺泡細(xì)胞萎縮和纖維化[34-36]，從而引起胰腺在圖像上信號(hào)和形態(tài)的改變，而本研究發(fā)現(xiàn)酗酒與范圍、總平均數(shù)、四分位數(shù)特征具有強(qiáng)相關(guān)性。以上結(jié)果間接反映了影像組學(xué)特征所代表的生物學(xué)意義，當(dāng)患者的影像組學(xué)特征（集群趨勢、方差、2個(gè)相關(guān)性、短游程低灰度優(yōu)勢、范圍、總平均數(shù)、表面積密度、四分位數(shù)）出現(xiàn)差異時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)思考患者是否存在以上病因，從而為治療和預(yù)防RAP提供一定的指導(dǎo)。

3.3 局限性

本研究具有以下局限性：（1）未納入更多的數(shù)值型生化指標(biāo)；（2）由于并發(fā)癥和膽結(jié)石位置種類較多，而本研究RAP 數(shù)據(jù)量較少，不能很好反映各種并發(fā)癥和膽結(jié)石位置與影像組學(xué)特征的關(guān)系；（3）AP 靶區(qū)勾畫存在一定難度，需要具有豐富診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師指導(dǎo)；（4）未聯(lián)合多參數(shù)序列比較。所以在未來的研究中，將會(huì)納入更多的臨床指標(biāo)和多參數(shù)序列去探索影像組學(xué)特征所潛在的生物學(xué)意義。

4 結(jié)論

綜上所述，RAP 影像組學(xué)特征與臨床特征具有一定相關(guān)性，可潛在反映影像組學(xué)特征的生物學(xué)意義。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：黃小華設(shè)計(jì)本研究的方案，對(duì)稿件重要內(nèi)容進(jìn)行了修改；胡云濤起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)；劉念分析本研究的數(shù)據(jù)，對(duì)稿件進(jìn)行了修改，并獲得了四川省科技創(chuàng)新苗子工程項(xiàng)目資金資助；全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對(duì)本研究的所有方面負(fù)責(zé)，確保本研究的準(zhǔn)確性和誠信。