影像組學(xué)特征預(yù)測周圍型肺癌Ki-67 水平的CT 研究

魏偉 韓冬 賈永軍 雷雨欣 于楠 于勇 樊麗華

肺癌是全世界癌癥死亡的主要原因［1］，其中周圍型肺癌約占70%以上［2］。雖然肺癌的療法越來越多，但即使是早期肺癌患者，部分預(yù)后仍很差［3］，最重要的原因可能是癌癥在空間和時間上的異質(zhì)性所致［4］。隨著精準(zhǔn)治療的臨床應(yīng)用，腫瘤治療法以分子病理學(xué)為金標(biāo)準(zhǔn)的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)手術(shù)模式。腫瘤細胞在增殖、分化及擴散時會產(chǎn)生很多有代表性的生物學(xué)標(biāo)志物，用更便捷的分子生物學(xué)標(biāo)志物來動態(tài)觀察肺癌的生物學(xué)行為成為趨勢。

癌癥發(fā)生、發(fā)展最直接的原因是不可控性細胞增殖［5］，Ki-67 是反映肺癌病灶增殖狀態(tài)、評估預(yù)后及分子靶向藥物設(shè)計［6］中最常用的指標(biāo)，然而Ki-67 表達水平只能由術(shù)后組織標(biāo)本確定?；顧z穿刺可能導(dǎo)致出血、氣胸和增加轉(zhuǎn)移的可能性［7］，故在術(shù)前尋找一種無創(chuàng)方法預(yù)測Ki-67 的表達水平至關(guān)重要。CT 增強成像是診斷肺癌最常用的檢查手段。有文獻證實隨著Ki-67 表達水平升高，CT 強化程度越高、分化程度越低、強化越不均勻［8］。影像組學(xué)較傳統(tǒng)的影像圖像能更好地顯示病灶內(nèi)部特征，提供腫瘤的形狀、大小、強度和體積等信息［9］，準(zhǔn)確評估腫瘤生物學(xué)行為和癌癥遺傳學(xué)［10］，體現(xiàn)了無創(chuàng)和便捷的優(yōu)點。本研究主要基于CT 增強動脈期圖像構(gòu)建影像組學(xué)標(biāo)簽來預(yù)測周圍型肺癌的Ki-67 表達水平，為評估腫瘤侵襲性和預(yù)后情況提供更多依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本研究經(jīng)機構(gòu)倫理委員會審核通過（審批號：SZFYIEC-YJ-KYBC-2022 年第［07］號）?；仡櫺允占締挝?017 年5 月—2020 年11 月行胸部CT 平掃及增強掃描并在檢查后2 周內(nèi)經(jīng)病理證實、行Ki-67 表達水平檢測的117 例周圍型肺癌患者，并符合以下納入及排除標(biāo)準(zhǔn)。納入標(biāo)準(zhǔn)：1)經(jīng)手術(shù)或穿刺活檢病理證實并有完整CT 增強動脈期圖像數(shù)據(jù)、Ki-67 表達結(jié)果和病理結(jié)果的周圍型肺癌患者；2)病灶為實性結(jié)節(jié)及腫塊；3)未接受放化療等治療。排除標(biāo)準(zhǔn)：1)合并其他臟器原發(fā)惡性腫瘤；2)因呼吸運動偽影導(dǎo)致圖像質(zhì)量差，影響病灶分割；3)腫瘤呈浸潤性生長難以分割。共納入周圍型肺癌患者117 例，男43 例，女74 例，年齡35～79 歲（中位年齡54 歲）。病理證實Ki-67 高表達組54 例，Ki-67 低表達組63 例，采用分層抽樣方法按7∶3 的比例將患者隨機分為訓(xùn)練組（n=82）和驗證組（n=35）。

1.2 影像數(shù)據(jù)采集

所有患者于CT 掃描前均簽署增強CT 知情同意書，采用GE Discovery CT 750 HD（GE 醫(yī)療）對所有受檢者進行常規(guī)平掃及對比劑注射30 s 和60 s后采集的雙期增強掃描。掃描范圍從胸廓入口至最低側(cè)肋膈角水平。掃描參數(shù)：層厚5 mm，層間距5 mm；重組層厚1 mm，重組層距1 mm，管電壓120 kV，管電流自動毫安。對比劑應(yīng)用碘海醇（300 mg I/mL），采用德國Ulrich 高壓注射器經(jīng)右肘前靜脈注射對比劑，注射流率3.5～4.0 mL/s。

1.3 Ki-67 免疫組化分析

所有病理結(jié)果均經(jīng)穿刺或術(shù)后病理證實，穿刺取3 個地方以保證Ki-67 檢測能代表整個腫瘤。Ki-67 表達水平分為高表達組（Ki-67≥50%）和低表達組（Ki-67＜50%）。

1.4 興趣區(qū)勾畫及影像組學(xué)特征計算

將CT 增強動脈期圖像導(dǎo)入ITK-SNAP 軟件，然后由具有8 年胸部影像診斷經(jīng)驗的影像科醫(yī)師勾畫瘤灶的容積興趣區(qū)（volume of interest，VOI），包含分葉、空洞、出血、壞死及血管區(qū)域。將腫瘤的VOI 保存為邊界文件（.nii 格式），兩個月后再經(jīng)另外一位中級以上影像診斷醫(yī)師對文件進行手動修正，以確保邊界文件的準(zhǔn)確度。將腫瘤的影像DICOM 數(shù)據(jù)及邊界文件導(dǎo)入A.K 軟件，396 個影像組學(xué)特征被提取，特征包含6 類（圖1），其中GLCM 及GLRLM 步長設(shè)置為1、4 及7。

圖1 病灶分割及特征提取。增強CT 動脈期原始DICOM 圖像；病灶分割以及3D View；提取影像組學(xué)特征，包括灰度共生矩陣（GLCM）、直方圖（Histogram）、灰度行程矩陣（GLRLM）、灰度大小區(qū)域矩陣（GLSZM）、形狀（Formfactor）及Haralick。

1.5 影像組學(xué)特征篩選及模型的建立

本研究使用LASSO 回歸模型進一步篩選訓(xùn)練組周圍型肺癌病灶的影像組學(xué)特征，并且將篩選的影像組學(xué)特征與其回歸系數(shù)建立影像組學(xué)標(biāo)簽，并計算每例患者的影像組學(xué)評分，再結(jié)合臨床基本資料進行二元多因素Logistic 回歸分析，選擇出預(yù)測Ki-67 表達水平的獨立危險因素。使用影像組學(xué)模型對驗證組的數(shù)據(jù)進行內(nèi)部驗證。

1.6 影像組學(xué)標(biāo)簽效能評估

根據(jù)受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線，計算敏感度及特異度，使用ROC 曲線下面積（area under the curve，AUC）觀察影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測能力。根據(jù)Hosmer-Lemeshow 檢驗分別評估在訓(xùn)練組和驗證組影像組學(xué)標(biāo)簽的校準(zhǔn)度。影像組學(xué)預(yù)測標(biāo)簽采用決策曲線分析法（decision curve analysis，DCA）［11］分析不同概率閾值下患者的凈受益情況，評估影像組學(xué)標(biāo)簽的臨床價值。

1.7 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析采用SPSS 22.0 軟件及R 語言，P＜0.05 被認(rèn)為具有統(tǒng)計學(xué)差異。滿足正態(tài)分布且方差齊的計量資料采用獨立樣本t 檢驗，以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。計數(shù)資料采用卡方檢驗，用n/%表示。一致性檢驗時二分類參數(shù)采用Kappa 檢驗，有序多分類參數(shù)采用Weighted-Kappa 檢驗。

2 結(jié)果

2.1 預(yù)測周圍型肺癌Ki-67 表達的危險因素

在訓(xùn)練組和驗證組中將Ki-67 表達水平分為高表達組和低表達組。在對患者性別、年齡、吸煙和影像組學(xué)評分的Logistic 回歸分析顯示，在訓(xùn)練組和驗證組Ki-67 高低表達患者的年齡、性別和吸煙之間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），影像組學(xué)評分被認(rèn)為是預(yù)測周圍型肺癌Ki-67 表達水平的獨立預(yù)測因子（表1）。

表1 預(yù)測周圍型肺癌Ki-67 的危險因素

2.2 影像組學(xué)評分

對396 個影像組學(xué)特征進行Z 分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用LASSO 回歸模型對數(shù)據(jù)進行降維，再通過十字交叉驗證獲得最優(yōu)λ 值（圖2）。共篩選出7 個非零系數(shù)特征（圖3）。Ki-67 高、低表達組CT 動脈期圖像與影像組學(xué)特征見圖4、5。然后通過影像組學(xué)標(biāo)簽計算影像組學(xué)風(fēng)險評分。Ki-67 高、低表達組影像組學(xué)評分在訓(xùn)練組分別為-1.89±1.13及0.51±1.18，具有統(tǒng)計學(xué)差異（t=-7.89，P＜0.01），在驗證組分別為-1.28±1.21 及0.74±0.87，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-3.76，P＜0.01）。

圖2 交叉驗證圖。Log（λ）=-2.045，得出最優(yōu)λ 值為0.1309。

圖3 系數(shù)圖。通過Log（λ）共篩選出7 個非零系數(shù)特征。

圖4 男，66 歲，右肺下葉周圍型肺癌。Ki-67 高表達CT 動脈期橫斷位圖像。Ki-67 高表達影像組學(xué)特征ZShortRunEmphasis_AllDirection_offset7_SD、ZdifferenceVariance、ZSphericity、ZMaximum3DDiameter、ZCorrelation_angle135_offset4、ZIntensityVariability、ZCompactness1。圖5 女，47 歲，左肺下葉周圍型肺癌。Ki-67 低表達CT 動脈期橫斷位圖像。Ki-67 低表達影像組學(xué)特征：ZMaxIntensity、ZMeanDeviation、ZPercentile45、ZQuantile0.975、ZClusterProminence_AllDirection_offset1、ZClusterProminence_angle135_offset4、ZLowIntensityLargeAreaEmphasis。圖6 訓(xùn)練組。圖7 驗證組。圖8 決策曲線圖。所有：將所有患者都認(rèn)為Ki-67 高表達；無：將所有患者都認(rèn)為Ki-67 低表達。

2.3 影像組學(xué)預(yù)測模型公式

以Ki-67 表達水平為因變量，將周圍型肺癌的影像組學(xué)評分作為自變量，納入二元Logistics回歸。預(yù)測周圍型肺癌Ki-67 表達水平的獨立預(yù)測因素是影像組學(xué)評分。該預(yù)測模型為Y=1/［1+exp（-Z）］，Z=2.275×Radiomics_score+0.712。

2.4 影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測性能

對影像組學(xué)標(biāo)簽進行ROC 分析，在訓(xùn)練組AUC 為0.844（95%CI：0.725～0.964），敏感度93%，特異度71%。Hosmer-Lemeshow 檢驗結(jié)果顯示，校準(zhǔn)度是0.709（圖6）。在驗證組AUC 為0.881（95%CI：0.756～0.954），敏感度91%，特異度75%，校準(zhǔn)度0.950（圖7）。在兩個受試組中，影像組學(xué)標(biāo)簽可較好地預(yù)測Ki-67 表達。

2.5 決策曲線分析

DCA 圖分析顯示，當(dāng)閾值概率在3%～63%之間時，基于CT 增強動脈期圖像的影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測周圍型肺癌Ki-67 表達情況優(yōu)于將所有患者都認(rèn)為Ki-67 高表達及將所有患者都認(rèn)為Ki-67 低表達（圖8）。

3 討論

周圍型肺癌的發(fā)病率越來越高，那么對于該疾病的早期篩查、預(yù)測及預(yù)后顯得尤為重要［12］。當(dāng)發(fā)現(xiàn)周圍型肺癌時，通過用一定的影像學(xué)檢查及生物學(xué)標(biāo)記物判斷其惡性程度及預(yù)后，對其后續(xù)治療有一定的價值。周圍型肺癌CT 影像特征相對復(fù)雜，術(shù)前明確良惡性并不一定準(zhǔn)確，故需要憑借影像學(xué)、腫瘤生物學(xué)標(biāo)記物、病理組織切片染色等方法診斷周圍型肺癌。Ki-67 作為一種與細胞增殖相關(guān)的生物標(biāo)志物［13］，是研究較多的增殖細胞標(biāo)記物之一。有研究［14］表明，Ki-67 增殖指數(shù)與腫瘤的分化程度及侵襲性顯著相關(guān)，Ki-67 表達水平越高，說明腫瘤生長越快，惡性程度越高，侵襲能力越強，預(yù)后越差，可用來評估腫瘤惡性程度。不同的肺癌生長方式不同，故其CT 表現(xiàn)呈現(xiàn)出不同的影像學(xué)特征，Ki-67 等腫瘤標(biāo)記物的表達情況決定了腫瘤生長方式。“影像組學(xué)”的概念自2010 年由Gillies 等［15］第一次提出并后續(xù)經(jīng)Lambin等［16］完善后，逐步發(fā)展成當(dāng)前影像學(xué)界的研究熱點，通過影像組學(xué)方法分析圖像，可以獲得影像圖像中包含的分子水平信息，可輔助臨床醫(yī)師為患者制作獨立的治療方案［17］。通過影像組學(xué)方法分析胸部增強CT 圖像，不同的影像特征預(yù)測分子生物學(xué)標(biāo)志物Ki-67 表達水平具有顯著效果，并且可指導(dǎo)治療和評估預(yù)后。

本研究采用基于CT 增強動脈期圖像的影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測周圍型肺癌Ki-67 的表達情況，研究結(jié)果：影像組學(xué)標(biāo)簽在預(yù)測周圍型肺癌Ki-67 ROC 曲線顯示，在訓(xùn)練組AUC 為0.844，在驗證組AUC 為0.881，在兩個受試組中，影像組學(xué)標(biāo)簽可以較好地預(yù)測周圍型肺癌Ki-67 表達程度，進而預(yù)測腫瘤的惡性程度和預(yù)后情況，為臨床制定治療措施提供了一定的指導(dǎo)。本研究應(yīng)用A.K 軟件提取肺癌影像組學(xué)特征，采用LASSO 回歸對特征數(shù)據(jù)進行進一步降維并建立模型，對其代價函數(shù)添加一定的懲罰項，使建立的模型具有更銳利的函數(shù)，不易產(chǎn)生過擬合。應(yīng)用十字交叉驗證得到最優(yōu)λ 值，使影像組學(xué)預(yù)測模型更接近理想模型。既往研究表明，影像組學(xué)評分是預(yù)測惡性腫瘤的獨立危險因素［18］，本研究基于影像組學(xué)預(yù)測模型中只有影像組學(xué)評分是預(yù)測Ki-67 的表達情況的獨立危險因素，與之相符。有研究表明Ki-67 表達水平與臨床資料（性別、年齡、吸煙）關(guān)系緊密［19，20］，但是本研究年齡、性別、吸煙在Ki-67 高低表達組之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），與既往研究結(jié)果不同，可能與本研究病例數(shù)較少有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，Ki-67 是早期肺腺癌患者行肺段切除后復(fù)發(fā)的獨立危險因素［23］，故在術(shù)前選用無創(chuàng)性檢測方式測定Ki-67 的表達情況，對于手術(shù)的術(shù)式選擇非常重要。本研究發(fā)現(xiàn)影像組學(xué)標(biāo)簽可以較好地?zé)o創(chuàng)性預(yù)測Ki-67 的表達水平。

本研究有以下幾個局限性：第一，病例數(shù)較少。第二，以周圍型肺癌為研究對象，尚區(qū)分具體的病理類型。第三，僅用增強CT 動脈期圖像進行特征提取。第四，部分病例是經(jīng)皮穿刺活檢證實的，雖然也可用于預(yù)估Ki-67 表達水平，但小活檢組織并不能代表全部腫瘤組織。

綜上所述，本研究基于增強CT 動脈期圖像創(chuàng)建的影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測周圍型肺癌Ki-67 表達水平有較高的價值。