應(yīng)用CT紋理分析評價胰腺癌透明質(zhì)酸含量

解添淞，馬曉茜，童 彤，周正榮,3

1.復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射診斷科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032；2.復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院病理科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032；3.上海市閔行區(qū)腫瘤醫(yī)院放射診斷科，上海 200240

胰腺癌是惡性程度最高的消化道惡性腫瘤，其中約90%的病理學(xué)類型為胰腺導(dǎo)管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC），5年生存率僅約7%［1］。手術(shù)切除是目前可能治愈胰腺癌的唯一手段，但絕大部分患者確診時已失去手術(shù)機(jī)會。與其他惡性腫瘤相比，胰腺癌的重要組織學(xué)特征在于腫瘤內(nèi)含有大量的纖維基質(zhì)，可達(dá)腫瘤體積的50%以上［2］。其中，細(xì)胞外基質(zhì)中的透明質(zhì)酸在胰腺癌的發(fā)生、發(fā)展中扮演著重要的角色，并且與胰腺癌的化療抵抗密切相關(guān)［3］。有研究［4-5］表明，不同透明質(zhì)酸含量的胰腺癌在侵襲性和對間質(zhì)靶向治療的反應(yīng)上存在顯著差異，對腫瘤透明質(zhì)酸含量的評價將有助于胰腺癌的個體化治療。

當(dāng)下臨床上判斷腫瘤表型的金標(biāo)準(zhǔn)是病理學(xué)檢查，但是病理標(biāo)本的獲取存在有創(chuàng)操作的局限性。紋理分析通過對醫(yī)學(xué)圖像中的像素灰階變化規(guī)律進(jìn)行量化，提取出無法被影像醫(yī)師肉眼所識別的豐富信息，在腫瘤影像學(xué)中受到越來越多的關(guān)注［6］。有鑒于此，本研究基于CT圖像展開紋理分析，尋找與胰腺癌透明質(zhì)酸含量具有相關(guān)性的紋理特征，探討CT紋理分析在評價胰腺癌透明質(zhì)酸含量上的應(yīng)用價值。

1 資料和方法

1.1 臨床資料

回顧性分析2015年6月—2015年12月在復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院治療的PDAC患者，納入標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng)根治性手術(shù)后病理學(xué)檢查證實(shí)為PDAC，病理標(biāo)本留存于復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院組織庫；②根治術(shù)2周前在復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院行增強(qiáng)CT檢查，掃描儀器為德國Siemens SOMATOM Sensation 64排螺旋CT；③手術(shù)前未經(jīng)過其他治療，如新輔助放化療等。排除標(biāo)準(zhǔn)：①腫瘤直徑過小或呈等密度，CT圖像難以清晰地顯示腫瘤邊界；②CT圖像上存在偽影。

1.2 CT檢查方法

采用德國Siemens SOMATOM Sensation 64排螺旋CT進(jìn)行腹部CT平掃及增強(qiáng)掃描。檢查前4 h內(nèi)禁食，上機(jī)掃描前口服約800 mL溫水以充盈胃及十二指腸。掃描參數(shù)如下：管電壓120 kV，管電流300 mA，層厚1 mm。對比劑采用碘佛醇（江蘇恒瑞醫(yī)藥股份有限公司，含碘320 mg/mL），劑量1.5 mL/kg，由高壓注射器經(jīng)肘靜脈團(tuán)注，流率3.0 mL/s。注射對比劑后約30、80 s啟動掃描獲取動脈期、門靜脈期圖像。

1.3 紋理分析方法

患者的門靜脈期CT圖像以DICOM格式從PACS工作站導(dǎo)入3D-slicer圖像后處理軟件（www.slicer.org）。由1名放射科醫(yī)師在不知曉免疫組織化學(xué)檢測結(jié)果的前提下使用Segmentation組件對腫瘤的全部層面進(jìn)行手動分割，避免將血管、胰管、胰周脂肪等結(jié)構(gòu)置入感興趣區(qū)（region of interest，ROI）內(nèi)。為了衡量勾畫者間的一致性，上述過程由另1名放射科醫(yī)師再次獨(dú)立完成（圖1）。紋理參數(shù)提取使用基于Python的pyradiomics包（http://github.com/Radiomics/pyradiomics），計算ROI內(nèi)紋理特征共56個，包括形態(tài)學(xué)特征13個，一階特征（firstorder）15個，灰度游程矩陣（gray level runlength matrix，GLRLM）12個，灰度分差矩陣（gray level differential matrix，GLDM）11個，灰度區(qū)域大小矩陣（gray-level size zone matrix，GLSZM）5個。

1.4 透明質(zhì)酸含量檢測

調(diào)取組織庫內(nèi)病理標(biāo)本進(jìn)行石蠟切片，使用免疫組織化學(xué)染色對胰腺癌組織透明質(zhì)酸含量進(jìn)行半定量分析。山羊抗人透明質(zhì)酸多克隆一抗、驢抗山羊單克隆二抗均購自英國Abcam公司，實(shí)驗(yàn)步驟按試劑盒說明書進(jìn)行。由1名病理科醫(yī)師根據(jù)腫瘤間質(zhì)染色信號占腫瘤面積之比來判斷透明質(zhì)酸含量。陽性染色大于50%者列入透明質(zhì)酸高表達(dá)（highhyaluronan，high-HA）組，小于50%者列入透明質(zhì)酸低表達(dá)（low-hyaluronan，low-HA）組（圖1）。

圖1 患者的CT圖像和病理學(xué)圖像Fig.1 CT and pathological images of the patients

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

使用統(tǒng)計軟件R3.5.1（http://www.R-project.org）進(jìn)行特征篩選和模型構(gòu)建。使用組間相關(guān)系數(shù)（interclass correlation index，ICC）評價兩名ROI勾畫者間特征的一致性，ICC大于0.75認(rèn)為特征一致性良好。比較high-HA組和low-HA組間的紋理特征差異：首先采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)判斷兩組特征的正態(tài)性，兩組均符合正態(tài)分布則采用Bartlett檢驗(yàn)判斷兩組間方差齊性，符合方差齊性者采用Studentt檢驗(yàn)，不符合方差齊性者采用Welcht檢驗(yàn)；不符合正態(tài)分布者使用非參數(shù)Mann-WhitneyU檢驗(yàn)。針對兩組間差異顯著的紋理參數(shù)進(jìn)行構(gòu)建logistic回歸評價預(yù)測效能，并進(jìn)行受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線分析，計算曲線下面積（area under curve，AUC）。患者一般資料的比較使用Fisher精確檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 臨床資料

本研究共納入PDAC患者30例，中位年齡61.5歲。免疫組織化學(xué)檢測結(jié)果顯示，low-HA組13例，high-HA組17例。TNM分期、組織學(xué)分化級別、脈管癌栓、周圍神經(jīng)侵犯等臨床特征在兩組間均未發(fā)現(xiàn)顯著差異（表1）。

表1 不同透明質(zhì)酸含量胰腺癌患者的臨床特征Tab.1 Clinical characteristics of PDAC patients with different hyaluronan content

2.2 紋理分析

基于CT門靜脈期圖像所提取的56個特征中，ICC大于0.75的有18個。正態(tài)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)上述18個特征均呈偏態(tài)分布。經(jīng)Mann-WhitneyU檢驗(yàn)對特征集在兩組患者間的差異進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有4個特征在高、低透明質(zhì)酸含量的患者間存在顯著差異，分別是Volume、LeastAxis、Skewness、Energy（表2）。為避免多重共線性，選擇逐步回歸法篩選變量并構(gòu)建logistic回歸模型（雙向法），最終Skewness作為自變量進(jìn)入模型，似然比檢驗(yàn)P=0.03。ROC曲線分析結(jié)果顯示，該模型AUC值為0.738，在最佳診斷截斷點(diǎn)時特異度為69.2%，靈敏度為76.5%（圖2）。

表2 不同腫瘤透明質(zhì)酸含量的胰腺癌患者的紋理特征Tab.2 Texture features in PDAC patients with different tumor hyaluronan content

圖2 通過logistic逐步回歸，最終選擇出Skewness作為最優(yōu)特征，其鑒別高、低透明質(zhì)酸含量的胰腺癌患者效能最佳Fig.2 Skewness was selected as the best feature in discriminating PDAC patients with high and low hyaluronan content by logistic stepwise regression

3 討 論

豐富的纖維基質(zhì)是胰腺癌區(qū)別于其他實(shí)體瘤的顯著特點(diǎn)。研究［3］顯示，腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)中的透明質(zhì)酸不僅與胰腺癌的侵襲性具有密切的聯(lián)系，并且在胰腺癌化療抵抗中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。促進(jìn)癌組織中透明質(zhì)酸的降解或抑制透明質(zhì)酸的合成均可能會增加胰腺癌的化療敏感性［7-8］。目前，可針對性降解腫瘤組織中透明質(zhì)酸的藥物PEGPH20已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，并取得初步成果。2018年，來自美國福瑞德-哈金森癌癥研究中心的HALO-202 Ⅱ期隨機(jī)臨床試驗(yàn)顯示［5］，在透明質(zhì)酸高含量的Ⅳ期胰腺癌患者中應(yīng)用PEGPH20可提高吉西他濱/白蛋白結(jié)合型紫杉醇化療的效果，患者的無進(jìn)展生存期顯著延長；而在透明質(zhì)酸低含量的患者中，這一治療方法的預(yù)后改善并不顯著。該研究為胰腺癌的治療提供了新思路，同時也提示腫瘤透明質(zhì)酸含量水平可能是PEGPH20治療的指證。此外，也有研究指出，腫瘤透明質(zhì)酸含量是胰腺癌的獨(dú)立預(yù)后因素［9］。因此，評價腫瘤透明質(zhì)酸含量對胰腺癌的個體化治療具有重要意義。

近期研究［10-11］表明，動態(tài)對比增強(qiáng)成像、擴(kuò)散加權(quán)成像等功能磁共振方法在胰腺癌透明質(zhì)酸含量的動態(tài)監(jiān)測上具有應(yīng)用價值。但磁共振成像時間長，并且存在禁忌證，在臨床應(yīng)用上受到一定限制。CT掃描速度快，空間分辨率高，是胰腺癌術(shù)前診斷和分期的首選影像學(xué)檢查。常規(guī)CT圖像僅能反映腫瘤的形態(tài)學(xué)信息，無法實(shí)現(xiàn)對微觀組織成分的評價。紋理分析是一種新興的圖像分析方法，通過對醫(yī)學(xué)圖像中的像素灰階進(jìn)行數(shù)學(xué)分析獲得紋理參數(shù)，并尋找紋理參數(shù)與腫瘤表型或臨床特征間的關(guān)聯(lián)，為無創(chuàng)評價腫瘤異質(zhì)性提供了新方法。近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)紋理分析在胰腺癌臨床診療的多個方面均具有應(yīng)用前景。在鑒別診斷方面，Reinert等［12］基于CT門靜脈期圖像發(fā)現(xiàn)了8個在胰腺癌和神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤間具有鑒別價值的紋理特征，其中二階特征GLCM_IMC2診斷效能最佳。Huang等［13］的研究發(fā)現(xiàn)，CT紋理特征S（5，-5）SumAverg可用于胰腺淋巴瘤和胰腺癌間的鑒別，AUC為0.704。在預(yù)后評價方面，有研究［14］指出，由CT靜脈期提取的陽性體素平均值是不可切除性胰腺癌的獨(dú)立預(yù)后因素。Qiu等［15］基于CT圖像所提取的紋理特征構(gòu)建支持向量機(jī)，用于對高、低分化的胰腺癌進(jìn)行術(shù)前預(yù)測，該模型的準(zhǔn)確度可達(dá)86%。此外，Borhani等［16］的研究顯示，紋理分析還可用于預(yù)測胰腺癌新輔助治療的療效，其中，治療過程中Skewness參數(shù)的變化與腫瘤標(biāo)志物下降存在相關(guān)性。

本研究對胰腺癌患者的CT門靜脈期圖像展開紋理分析，從18個一致性良好的特征中發(fā)現(xiàn)Volume、LeastAxis、Skewness、Energy 4個紋理特征在不同透明質(zhì)酸含量的胰腺癌患者中存在顯著差異。其中，Volume、LeastAxis屬于形態(tài)學(xué)特征，Volume用于描述腫瘤體積的大小，而LeastAxis則用于描述腫瘤三維容積的最短軸距。透明質(zhì)酸高含量的胰腺癌所提取的Volume和LeastAxis顯著增高，提示腫瘤體積與透明質(zhì)酸含量存在關(guān)聯(lián)，這與Gebauer等［17］的結(jié)論基本一致。Skewness和Energy屬于一階特征，它們基于直方圖分析的方法分別描述ROI內(nèi)灰階的分布和強(qiáng)度。腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)中的透明質(zhì)酸可以大量吸附水分子，增加腫瘤內(nèi)部的組織靜水壓，從而導(dǎo)致腫瘤血管的塌陷、閉塞［18］。上述病理生理學(xué)改變會間接影響對比劑分子在腫瘤組織中流入、流出過程，這可能是引起圖像灰階改變及紋理特征差異的病理學(xué)基礎(chǔ)。最終，通過logistic逐步回歸的篩選發(fā)現(xiàn)，Skewness在鑒別兩組胰腺癌患者中的診斷效能最佳，AUC為0.738。

本研究尚存在一些局限性：①由于樣本量相對有限，本研究未使用獨(dú)立的驗(yàn)證集對結(jié)論加以驗(yàn)證，但控制了特征提取的數(shù)量，并利用一致性分析和逐步回歸對特征進(jìn)行了篩選，可在一定程度上避免過擬合；②為保證圖像參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，本研究獲取的圖像均由同一臺CT掃描儀采集，其他的掃描條件是否能得到一致的結(jié)論仍有待研究。綜上所述，CT紋理分析有望成為無創(chuàng)評價胰腺癌透明質(zhì)酸含量的新方法，為胰腺癌的個體化治療提供參考。