曾錦程,李成海,2.3,王玉香,江一粟,李發(fā)琪,2.3
影像組學(xué)在高強(qiáng)度聚焦超聲治療子宮肌瘤療效預(yù)測(cè)中的研究進(jìn)展
曾錦程1,李成海1,2.3,王玉香1,江一粟1,李發(fā)琪1,2.3
1.重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,重慶 400016;2.超聲醫(yī)學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400016;3.重慶市生物醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400016
高強(qiáng)度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound,HIFU)作為一種非侵入性治療技術(shù),可無創(chuàng)治療子宮肌瘤?;颊叩漠愘|(zhì)性和技術(shù)的局限性導(dǎo)致患者術(shù)后預(yù)后存在差異。因此,術(shù)前對(duì)患者進(jìn)行療效預(yù)測(cè)具有重要意義。影像組學(xué)通過醫(yī)學(xué)圖像高通量提取定量特征,將醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為可挖掘的高維數(shù)據(jù),利用提取到的特征和現(xiàn)有模型建立相關(guān)預(yù)測(cè)模型,為臨床醫(yī)生提供有效參考。本文綜述影像組學(xué)在HIFU治療子宮肌瘤療效預(yù)測(cè)中的研究進(jìn)展,以期為其臨床治療和基礎(chǔ)研究提供理論參考。
高強(qiáng)度聚焦超聲;子宮肌瘤;影像組學(xué);療效預(yù)測(cè)
子宮肌瘤是女性生殖系統(tǒng)常見的良性腫瘤,多見于30~50歲女性。研究顯示,子宮肌瘤對(duì)患者的生活質(zhì)量有顯著的負(fù)面影響[1]。高強(qiáng)度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound,HIFU)可將超聲波束直接聚焦到腫瘤上,使靶點(diǎn)發(fā)生不可逆的凝固性壞死而達(dá)到治療子宮肌瘤的目的[2]。目前,臨床上通常根據(jù)磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)-T2加權(quán)圖像(T2weighted imaging,T2WI)上肌瘤、骨骼肌、子宮內(nèi)膜的信號(hào)值,按照Funaki分型分為Funaki Ⅰ型(低信號(hào))、Funaki Ⅱ型(等信號(hào))和Funaki Ⅲ型(高信號(hào))3種類型;與低信號(hào)和等信號(hào)類型相比,高信號(hào)類型較難治療,消融率較低[3-6]。上述劃分方法對(duì)臨床醫(yī)生選擇合適的子宮肌瘤患者具有一定的臨床指導(dǎo)意義,但其易受臨床醫(yī)生主觀因素影響且并不完全適用于臨床。
影像組學(xué)旨在從醫(yī)學(xué)圖像上提取相關(guān)影像組學(xué)特征,經(jīng)特征篩選和納入后建立模型,其模型預(yù)測(cè)結(jié)果可為醫(yī)生的臨床治療提供參考。本文綜述影像組學(xué)在HIFU治療子宮肌瘤療效預(yù)測(cè)中的研究進(jìn)展,以期為臨床治療和基礎(chǔ)研究提供理論參考。
相較于目前主流的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)方法,MRI在軟組織成像方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),可清晰反映子宮肌瘤的相關(guān)信息,是當(dāng)前影像組學(xué)技術(shù)主要的研究對(duì)象之一。在影像組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于預(yù)測(cè)HIFU治療子宮肌瘤療效之前,已有學(xué)者探究MRI信號(hào)及紋理特征與HIFU治療子宮肌瘤療效的關(guān)系。Gong等[7]將245例接受過HIFU治療的患者以非灌注體積比(non-perfused volume ratio,NPVR)=80%為界分為兩組,并采用邏輯回歸方法研究影響消融率的因素;結(jié)果發(fā)現(xiàn),與NPVR≤80%的患者相比,NPVR>80%的患者T2WI上肌瘤與骨骼肌的信號(hào)強(qiáng)度比值顯著降低,肌瘤與骨骼肌的信號(hào)強(qiáng)度比值與NPVR呈負(fù)相關(guān)。Yang等[8]將1000例接受過HIFU治療的子宮肌瘤患者納入研究,從患者的一般信息、臨床癥狀、實(shí)驗(yàn)室檢查和肌瘤影像學(xué)特征4個(gè)方面收集32個(gè)獨(dú)立變量,通過多因素邏輯回歸研究發(fā)現(xiàn),T2WI信號(hào)強(qiáng)度是影響消融效率的最重要因素。常規(guī)MRI信號(hào)可反映患者子宮肌瘤病變情況,但缺乏對(duì)肌瘤及周圍組織血流灌注和血液微循環(huán)信息的表征,而這在之前的研究中被認(rèn)為是影響消融率的一大因素。Li等[9]基于動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI中定量灌注參數(shù)Ktrans值對(duì)子宮肌瘤消融率進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè),其預(yù)測(cè)模型的曲線下面積(area under the curve,AUC)為0.817。Sainio等[10]將HIFU治療前接受過彌散加權(quán)成像(diffusion- weighted imaging,DWI)的42例患者共計(jì)48個(gè)子宮肌瘤納入研究,結(jié)果表明術(shù)前的表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coeffecient,ADC)值與HIFU術(shù)后子宮肌瘤的NPVR呈顯著負(fù)相關(guān)。
上述研究結(jié)果顯示,依靠傳統(tǒng)T2WI信號(hào)分類、相關(guān)參數(shù)和成像方法無法借助肌瘤的病理學(xué)特征準(zhǔn)確預(yù)測(cè)子宮肌瘤HIFU術(shù)后消融率,具有一定的局限性。其原因可能是基于MRI信號(hào)參數(shù)的定性分類研究無法為定量評(píng)估患者的肌瘤內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)差異提供參考[11]。為進(jìn)一步揭示MRI影像與HIFU療效差異的關(guān)系,部分學(xué)者從MRI紋理特征方面開展相關(guān)研究。蘇佰燕等[12]以16例癥狀性子宮肌瘤患者為研究對(duì)象,通過分析術(shù)前MRI-T2WI紋理特征與HIFU術(shù)后即刻N(yùn)PVR的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)治療前后MRI紋理參數(shù)的變化與磁共振引導(dǎo)下HIFU治療子宮肌瘤的療效間存在一定相關(guān)性。Hocquelet等[13]研究發(fā)現(xiàn),從MRI-T2WI中所提取的14個(gè)紋理參數(shù)有7個(gè)參數(shù)與消融率顯著相關(guān)。相比基于MRI信號(hào)的定性分類,基于圖像紋理的定量分析可為預(yù)測(cè)消融率提供更準(zhǔn)確的信息,但仍只能進(jìn)行相關(guān)性的分析且缺乏統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。
相較于MRI信號(hào)及紋理特征研究,影像組學(xué)的研究方法可更加系統(tǒng)和深入地探究醫(yī)學(xué)圖像與HIFU療效的關(guān)系,且對(duì)模型的性能有統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),是否適用于臨床也可通過臨床決策曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)。Zheng等[14]從患者T2WI和DWI導(dǎo)出的ADC圖中提取組學(xué)特征,分別使用最小絕對(duì)收縮和選擇算子、遞歸特征消除和ReliefF三種特征選擇算法來選擇組學(xué)特征,并將其輸入到K鄰近、邏輯回歸、隨機(jī)森林和支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)四種分類器中用于構(gòu)建模型,表現(xiàn)最好的是ReliefF-SVM組合模型,5次交叉驗(yàn)證后的AUC為0.887。相較于傳統(tǒng)分類方法,雖然基于影像組學(xué)的研究方法在HIFU療效預(yù)測(cè)方面可達(dá)到更好的效果,但在特征選擇方面還有待提升。除組學(xué)特征外,臨床特征的篩選和納入不僅能直接反映不同患者的聲通道情況,更能體現(xiàn)出不同患者腫瘤的異質(zhì)性,有利于模型預(yù)測(cè)能力的提升。Wei等[15]采用多元線性回歸模型對(duì)比基于MRI組學(xué)特征的常規(guī)模型及結(jié)合臨床特征后的組合模型,常規(guī)MRI模型和組合模型調(diào)整后的2值分別為0.385和0.408,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;組合模型預(yù)測(cè)NPVR值與實(shí)際NPVR值之間未觀察到顯著差異,預(yù)測(cè)所得NPVR與實(shí)際NPVR呈正相關(guān)?;诖殴舱裼跋窠M學(xué)的研究為HIFU療效預(yù)測(cè)提供一種更為客觀的方法,其模型的構(gòu)建流程也逐漸規(guī)范化。
相較于其他醫(yī)學(xué)成像方法,超聲成像有著實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像、無輻射及操作簡便等優(yōu)點(diǎn),可用于監(jiān)測(cè)HIFU消融病灶部位的實(shí)時(shí)變化。在早期的相關(guān)研究中,申俊玲等[16]把不同體積、類型、回聲強(qiáng)度及均勻度的子宮肌瘤納入研究并對(duì)其二維灰階超聲圖像與療效進(jìn)行相關(guān)性分析,提高超聲評(píng)價(jià)HIFU治療子宮肌瘤療效的準(zhǔn)確性,但二維灰階超聲無法提供肌瘤內(nèi)部的血流情況,對(duì)判斷肌瘤血供情況仍存在不足。陳錦云等[17]將肌瘤按血供0~4級(jí)進(jìn)行分組,對(duì)比肌瘤體積消融率及其治療所需能效因子,結(jié)果發(fā)現(xiàn)血供與消融能效因子之間呈正相關(guān)。由于能效因子是反映肌瘤治療難易程度的指標(biāo),可看出肌瘤血供是影響子宮肌瘤消融率的一大重要因素。
隨著超聲成像技術(shù)的發(fā)展,對(duì)肌瘤血供及周圍血流分布情況的成像手段可為臨床治療提供更多關(guān)于患者病灶部位的信息。林紫晴等[18]在多普勒超聲的監(jiān)測(cè)下應(yīng)用HIFU治療子宮肌瘤,術(shù)后觀察統(tǒng)計(jì)患者肌瘤情況;結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌瘤體積和肌瘤體積縮小率減小顯著,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,提示彩色多普勒超聲可通過測(cè)量HIFU術(shù)后肌瘤情況而有效判斷其療效。通過與微泡相結(jié)合,超聲造影則可通過定量分析子宮肌瘤內(nèi)部的血流灌注情況評(píng)價(jià)HIFU的療效。胡紅等[19]比較超聲造影與常規(guī)彩色多普勒超聲對(duì)HIFU療效評(píng)估的差異,結(jié)果發(fā)現(xiàn)相較于常規(guī)彩超,超聲造影技術(shù)更能準(zhǔn)確地評(píng)估肌瘤的血流灌注情況及治療前后肌瘤的大小和范圍。黃藝媚等[20]對(duì)比超聲造影和彩色多普勒超聲用于隨訪患者HIFU治療后6個(gè)月的療效情況,同樣也發(fā)現(xiàn)超聲造影可更好地評(píng)估HIFU治療子宮肌瘤后其體積和血供情況。
以上研究主要是基于超聲圖像的定性分析,其研究結(jié)果證實(shí)基于超聲圖像可判別子宮肌瘤的消融效果,但仍然沒有系統(tǒng)性定量評(píng)價(jià)HIFU消融子宮肌瘤的療效。丁桂升等[21]為探討子宮肌瘤超聲特征與HIFU消融療效的關(guān)系,根據(jù)子宮肌瘤內(nèi)部回聲強(qiáng)度將患者分為高回聲組、等回聲組、低回聲組,并同時(shí)記錄患者的基礎(chǔ)臨床信息及子宮肌瘤的相關(guān)信息,最后穿刺活檢進(jìn)行組織病理對(duì)照分析研究;結(jié)果發(fā)現(xiàn)高回聲組、等回聲組、低回聲組的消融率分別為(74.64±16.32)%、(59.39±13.21)%、(47.11±11.26)%,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。不同回聲強(qiáng)度的子宮肌瘤在HIFU術(shù)后其療效存在差異,原因可能是肌瘤內(nèi)部的病理成分及結(jié)構(gòu)影響聲能量的傳遞及沉淀,但該研究并未考慮肌瘤血供及周圍血流情況,這可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。
由于二維普通超聲的分辨率低、有效信息較少,目前基于超聲圖像的超聲影像組學(xué)的分析尚處于早期發(fā)展階段,在HIFU治療子宮肌瘤療效預(yù)測(cè)方面還沒有系統(tǒng)的組學(xué)研究。但隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)的發(fā)展,在肝纖維化疾病及甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性診斷方面,超聲影像組學(xué)已能很好地克服其所帶來的挑戰(zhàn),且在不斷地提升模型效能,取得接近臨床金標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果。超聲作為HIFU治療子宮肌瘤的監(jiān)控手段,在HIFU療效預(yù)測(cè)方面的潛力巨大,有待深入研究探索。
在HIFU療效預(yù)測(cè)方面,除上述提到的基于MRI及超聲的影像組學(xué)相關(guān)研究外,其他影像技術(shù)在HIFU療效預(yù)測(cè)中的應(yīng)用也受到廣泛關(guān)注。聲輻射力脈沖彈性成像(acoustic radiation force impulse elastography,ARFIE)是近年來興起的成像技術(shù),短時(shí)程內(nèi)將聚焦聲脈沖作用于組織區(qū)域,使組織產(chǎn)生瞬時(shí)、微米級(jí)位移,并通過發(fā)射聲脈沖序列檢測(cè)組織發(fā)生的彈性位移,組織位移的程度可直接決定其彈性,ARFIE技術(shù)被廣泛應(yīng)用于組織彈性的評(píng)估。Zhang等[22]采用聲觸診組織定量技術(shù)在術(shù)前測(cè)定患者子宮肌瘤的剪切波速度(shear wave speed,SWV),其肌瘤硬度通過聲觸診組織成像(virtual touch tissue imaging,VTI)技術(shù)進(jìn)行分級(jí),以術(shù)后消融率的70%將患者分為兩組,比較兩組患者術(shù)前子宮肌瘤的SWV和VTI分級(jí),發(fā)現(xiàn)其有顯著差異,相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)術(shù)后消融率與術(shù)前子宮肌瘤的SWV值和VTI等級(jí)呈負(fù)相關(guān),利用術(shù)前子宮肌瘤SWV值預(yù)測(cè)消融率<70%的AUC為0.75。子宮肌瘤SWV值與平滑肌細(xì)胞含量呈負(fù)相關(guān),與膠原纖維含量呈正相關(guān);消融率與平滑肌細(xì)胞含量呈正相關(guān),與膠原纖維含量呈負(fù)相關(guān);這可能是因?yàn)榧×鲋衅交〖?xì)胞含量越高,微血管、膠原纖維等間質(zhì)成分含量越低,導(dǎo)致腫瘤內(nèi)部的微循環(huán)效率越低,傳熱效果越好,有利于術(shù)中聲能量的傳遞,此類肌瘤的SWV值越低,彈性模量越小,表明其組織硬度也越小[23]。ARFIE技術(shù)在評(píng)估病變組織結(jié)構(gòu)中具有簡便、客觀、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),在臨床上已具備多種臟器檢查的能力,但在子宮肌瘤的診斷中應(yīng)用相對(duì)較少,其用于HIFU術(shù)后療效預(yù)測(cè)方面的實(shí)用性及有效性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。
在HIFU治療子宮肌瘤療效預(yù)測(cè)的研究中,基于MRI影像組學(xué)的相關(guān)研究最為廣泛。從最開始的基于MRI-T2WI信號(hào)分類的研究到結(jié)合影像特征及臨床特征進(jìn)行療效預(yù)測(cè),影像組學(xué)展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),可為HIFU療效預(yù)測(cè)提供一種更為客觀、有效的方法。結(jié)合不同序列及模態(tài)的MRI影像可改進(jìn)術(shù)前HIFU療效預(yù)測(cè)的效果,但模型構(gòu)建的流程及特征的選擇還需進(jìn)一步規(guī)范化。特征的可解釋性也是亟待解決的問題。超聲圖像由于其成像的特點(diǎn),目前關(guān)于HIFU療效預(yù)測(cè)的研究主要基于回聲強(qiáng)度展開,多普勒超聲和超聲造影技術(shù)則可通過血流灌注情況進(jìn)一步預(yù)測(cè)HIFU療效,超聲影像組學(xué)的研究仍處于起步階段。深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展將有助于使用超聲圖像或視頻并結(jié)合多模態(tài)影像開展相關(guān)組學(xué)研究,醫(yī)生可在術(shù)前通過影像組學(xué)工具針對(duì)不同患者制定個(gè)性化的治療方案,使更多的子宮肌瘤患者受益于HIFU。
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(2023–03–14)
(2023–09–18)
R737.3
A
10.3969/j.issn.1673-9701.2023.28.032
重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(KJZD-M202000402);重慶市英才計(jì)劃“包干制”項(xiàng)目(cstc2021ycjh-bgzxm0068)
李發(fā)琪,電子信箱:lifq@cqmu.edu.cn