基線動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像紋理特征對(duì)直腸癌放化療病理反應(yīng)狀態(tài)的預(yù)測價(jià)值

劉思野，文 露，侯 靜，聶少麟，周菊梅，曹 芳，盧 強(qiáng)，覃玉卉，于小平

1.中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院，湖南省腫瘤醫(yī)院放射診斷科，湖南 長沙 410006；

2.中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院，湖南省腫瘤醫(yī)院結(jié)直腸外科，湖南 長沙 410006；

3.中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院，湖南省腫瘤醫(yī)院放療科，湖南 長沙 410006；

4.中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院，湖南省腫瘤醫(yī)院病理科，湖南 長沙 410006

局部進(jìn)展期直腸癌的標(biāo)準(zhǔn)治療方案是新輔助放化療聯(lián)合全直腸系膜切除術(shù)［1-2］，而病理學(xué)檢查是評(píng)價(jià)新輔助放化療效果的金標(biāo)準(zhǔn)。早期評(píng)價(jià)直腸癌新輔助放化療的病理學(xué)反應(yīng)，可幫助患者實(shí)現(xiàn)個(gè)性化治療。目前，有不少研究［3-5］采用動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像（dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI）預(yù)測直腸癌患者對(duì)新輔助放化療的病理學(xué)反應(yīng)狀態(tài)，但結(jié)論不一，甚至相互矛盾。原因可能在于DCE-MRI參數(shù)值不能反映腫瘤的異質(zhì)性［6］。紋理分析，作為一種新興的醫(yī)學(xué)圖像分析方法，可以量化腫瘤異質(zhì)性［7-9］。目前，鮮有研究報(bào)道基線DCE-MRI參數(shù)圖像的紋理特征是否有助于預(yù)測直腸癌原發(fā)灶新輔助放化療后達(dá)到病理學(xué)完全緩解（pathological complete response，pCR）。因此，本研究旨在探討基線DCE-MRI紋理特征在評(píng)估直腸癌原發(fā)灶放化療病理學(xué)反應(yīng)方面的潛能。

1 資料和方法

1.1 一般資料

本研究經(jīng)中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。共收集38例局部進(jìn)展期（cT3-4N0-2M0）直腸癌患者，包括27例男性患者和11例女性患者，年齡22～73歲，平均年齡51歲。所有患者均在新輔助放化療前經(jīng)結(jié)腸鏡下病理學(xué)活檢證實(shí)為直腸非黏液型腺癌。

1.2 設(shè)備及掃描方法

所有患者于新輔助放化療1～3 d前，依次行盆腔常規(guī)MRI平掃及DCE-MRI掃描?；颊呷⊙雠P位，使用美國GE公司的MR360 1.5 T超導(dǎo)型磁共振儀及相控體線圈。常規(guī)平掃檢查：① 軸位T2WI快速自旋回波（fast spin echo，F(xiàn)SE）圖像，重復(fù)時(shí)間（repetition time，TR）為4 435 ms，回波時(shí)間（echo time，TE）為102 ms，層厚5 mm，層距1 mm，視野（ field of view，F(xiàn)OV）380 mm，采集矩陣320×224，激發(fā)次數(shù)（number of excitation，NEX）為2；② 斜軸位高分辨率T2加權(quán)FSE圖像，TR為4 500 ms，TE為102 ms，層厚3 mm，層距0.5 mm，F(xiàn)OV為256 mm，采集矩陣200×200，NEX為4；③ 矢狀位高分辨率T2加權(quán)FSE圖像，TR 4 500 ms，TE 102 ms，層厚3 mm，層距0.5 mm，F(xiàn)OV為256 mm，采集矩陣200×200，NEX為4。DCE-MRI檢查：① 肝臟快速三維容積動(dòng)態(tài)增強(qiáng)（liver acquisition with volume acceleration，LAVA）-T1WI平掃：翻轉(zhuǎn)角為2o和15o，TR為3 ms，TE為1.3 ms，F(xiàn)OV為380 mm，層厚3 mm，層距0.5 mm；② 多時(shí)相LAVA-T1WI動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描：翻轉(zhuǎn)角15o，TR為3 ms，TE為1.3 ms，F(xiàn)OV為380 mm，層厚3 mm，層距0.5 mm。每個(gè)時(shí)相6 s，共掃描56個(gè)時(shí)相。在多時(shí)相動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描開始后18 s使用高壓注射器經(jīng)肘部靜脈注射造影劑釓雙胺（劑量：0.1 mmol/kg，流速3.5 mL/s），隨后以20 mL 0.9%的NaCl溶液沖管。

1.3 圖像采集及紋理分析

將原始磁共振數(shù)據(jù)導(dǎo)入至GE Advantage Windows Workstation 4.6（AW 4.6）工作站，使用Cinetool軟件進(jìn)行后處理。由1名放射診斷科醫(yī)師在LAVA-T1WI動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描強(qiáng)化最明顯的一期圖像上參照軸位T2WI圖像逐層沿直腸癌原發(fā)灶外緣手動(dòng)勾畫感興趣區(qū)域（region of interest，ROI），并自動(dòng)生成4種DCE-MRI參數(shù)圖，分別為容量轉(zhuǎn)運(yùn)常數(shù)（volume transfer constant，Ktrans）、速率常數(shù)（rate constant，Kep）、血漿容量分?jǐn)?shù)（plasma volume fraction，fPV）、血管外細(xì)胞外間隙容量分?jǐn)?shù)（extravascular extracellular volume fraction，Ve）。病灶所有層面的ROI勾畫完成后，軟件自動(dòng)生成感興趣體積（volume of interest，VOI），并提供相應(yīng)的DCE-MRI參數(shù)值。

DCE-MRI參數(shù)圖的紋理分析采用MaZda軟件。MaZda可從每個(gè)VOI中獲?。孩?9種一級(jí)紋理特征，包括均值、方差、偏度、峰度，以及第1、10、50、90和99百分位數(shù)（Pere.1%、Pere.10%、Pere.50%、Pere.90%、Pere.99%）；② 11種二級(jí)紋理特征（即共生矩陣特征），包括角二階矩（angular second moment，AngScMom）、對(duì)比度（Contrast）、相關(guān)度（Correlat）、差分熵（difference entropy，DifEntrp）、差分方差（difference variance，DifVarnc）、熵（Entropy）、逆差矩（inverse difference moment，InvDfMom）、和平均數(shù)（sum average，SumAverg）、和熵（sum entropy，SumEntrp）、平方和（sum of squares，SumOfSqs）、和方差（sum variance，SumVarnc）。

1.4 病理學(xué)反應(yīng)評(píng)估

患者行MRI檢查后，接受新輔助放化療，放療總劑量為50 Gy，分25次完成，同期口服卡培他濱1 650 mg/（m2·d）。放化療結(jié)束后8周行全直腸系膜切除術(shù)。腫瘤原發(fā)灶的病理學(xué)反應(yīng)狀態(tài)由1名病理科醫(yī)師根據(jù)Dworak腫瘤消退分級(jí)（tumor regression grade，TRG）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估［10］：① TRG 4級(jí)，鏡下無存活腫瘤細(xì)胞；② TRG 3級(jí)，纖維組織中有散在的存活腫瘤細(xì)胞；③ TRG 2級(jí)，存活腫瘤細(xì)胞數(shù)量較多，但少于纖維組織；④ TRG 1級(jí)，存活腫瘤細(xì)胞多于纖維組織；⑤ TRG 0級(jí)，腫瘤細(xì)胞對(duì)治療無反應(yīng)。pCR組包括病理學(xué)反應(yīng)為TRG 4級(jí)的患者，非pCR組包括病理學(xué)反應(yīng)屬TRG 0～3級(jí)的患者。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 22.0及Medcalc 15.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料以±s表示，計(jì)數(shù)資料以頻數(shù)表示。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。pCR組與非pCR組治療前DCE-MRI參數(shù)值及紋理特征值上的差異（單變量分析）用Mann-Whitney U檢驗(yàn)比較。pCR的獨(dú)立預(yù)測因子由多變量logistic回歸分析獲取，共構(gòu)建3個(gè)logistic回歸模型，分別為模型1（基于一級(jí)紋理特征）、模型2（基于二級(jí)紋理特征）及模型3（基于一級(jí)及二級(jí)紋理特征）。單個(gè)紋理特征和3個(gè)多變量回歸模型對(duì)pCR的預(yù)測能力用受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線評(píng)價(jià)。采用Fisher確切概率法比較pCR與非pCR兩組之間在T分期、N分期和病理學(xué)分化程度上的差異，比較一級(jí)與二級(jí)紋理特征組之間在紋理特征構(gòu)成比上的差異。紋理特征構(gòu)成比定義為對(duì)pCR有預(yù)測能力的紋理特征數(shù)占該組紋理特征總數(shù)的百分比。

2 結(jié) 果

腫瘤T分期：cT3期患者有10例，cT4期28例。N分期：cN0、cN1及cN2期分別有11、20和7例。病理分化程度：高、中和低分化患者分別為6、25和7例。T分期、N分期及病理學(xué)分化程度在pCR組（8例）與非pCR組（30例）之間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P值分別為0.653、1.000和0.848）。

Ktrans、Kep、fPV及Ve參數(shù)值在pCR組與非pCR組之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表1）。在36個(gè)一級(jí)紋理特征中，有2個(gè)（5.56%）對(duì)pCR有預(yù)測價(jià)值，即均數(shù)Ve（MeanVe）及偏度Ve（SkewnessVe）；在44個(gè)二級(jí)紋理特征中，有16個(gè)（36.36%）對(duì)pCR有預(yù)測價(jià)值（表2）。二級(jí)紋理特征構(gòu)成比明顯高于一級(jí)紋理特征的構(gòu)成比（P=0.001）。

與非pCR組相比，pCR組的SkewnessVe、相關(guān)度Kep（CorrelatKep）、差分方差fPV（difference variance of fPV，DifVarncfPV）、差分方差Kep（diあerence variance of Kep，DifVarncKep）、差分熵fPV（diあerence entropy of fPV，DifEntrpfPV）、差分熵Ve（diあerence entropy of Ve，DifEntrpVe）、熵fPV（EntropyfPV）、熵Ve（EntropyVe）、和平均數(shù)fPV（sum average of fPV，SumAvergfPV）、和熵fPV（sum entropy of fPV，SumEntrpfPV）及和熵Ve（sum entropy of Ve，SumEntrpVe）值更高，而MeanVe、角二階矩fPV（angular second moment of fPV，AngScMomfPV）、角二階矩Ve（angular second moment of Ve，AngScMomVe）、對(duì)比度ktrans（Contrastktrans）、逆差矩fPV（inverse diあerence moment of fPV，InvDfMomfPV）、和平均數(shù)ktrans（sum average of Ktrans，SumAvergKtrans）及和平均數(shù)Ve（sum average of Ve，SumAvergVe）值更低（P均＜0.05，表2）。圖1和圖2分別為1例pCR及1例非pCR患者的MRI圖像。

就紋理特征對(duì)pCR的預(yù)測能力而言，單因素分析時(shí)，單個(gè)紋理特征的ROC曲線的曲線下面積（area under curve，AUC）為0.571～0.817，靈敏度為33.33%～100.00%，特異度25.00%～100.00%（表2）。在多變量分析中，模型1中pCR的獨(dú)立預(yù)測因子為偏度ve（P=0.014），此模型的AUC為0.729（95% CI：0.514～0.944），靈敏度90.00%，特異度62.50%；模型2中pCR的獨(dú)立預(yù)測因子是SumAvergfPV（P=0.003），此模型的AUC值為0.975（95%CI：0.930～1.000），靈敏度93.33%，特異度100.00%；模型1與模型2的AUC值之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.028）；模型3中pCR的獨(dú)立預(yù)測因子、AUC值、靈敏度及特異度與模型2完全一致。

表1 pCR組與非pCR組之間在DCE-MRI參數(shù)值上的差異

表2 DCE-MRI參數(shù)圖紋理特征的單變量分析結(jié)果

圖1 新輔助放化療后局部進(jìn)展期直腸癌（cT3N0M0期）患者1影像圖及病理學(xué)觀察

圖2 新輔助放化療后局部進(jìn)展期直腸癌（cT3N0M0期）患者2影像圖及病理學(xué)觀察

3 討 論

3.1 一級(jí)紋理特征與DCE-MRI參數(shù)值的比較

本研究顯示，在pCR與非pCR兩組之間在直腸癌原發(fā)灶的4個(gè)治療前DCE-MRI參數(shù)值上差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示基線DCEMRI參數(shù)值對(duì)直腸癌新輔助放化療病理學(xué)反應(yīng)狀態(tài)的預(yù)測價(jià)值有限，與Gollub等［4］和Kim等［11］的研究結(jié)果相似。本研究的一級(jí)紋理特征中，MeanVe及SkewnessVe在pCR與非pCR組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示一級(jí)紋理特征對(duì)直腸癌pCR有預(yù)測價(jià)值。相關(guān)研究［12］發(fā)現(xiàn)，SkewnessVe可以幫助鑒別直腸癌放化療后病理學(xué)反應(yīng)良好組（TRG 3～4級(jí)）和反應(yīng)不良組（TRG 0～2級(jí)）。以上研究表明，一級(jí)紋理特征在直腸癌療效預(yù)測方面可能優(yōu)于DCE-MRI參數(shù)值，原因可能在于DCE-MRI參數(shù)值是基于平均值分析，不能反映瘤內(nèi)異質(zhì)性［6］，而腫瘤的異質(zhì)性會(huì)影響腫瘤對(duì)治療的反應(yīng)［13］。

3.2 二級(jí)紋理特征與一級(jí)紋理特征的比較

本研究發(fā)現(xiàn)，在預(yù)測pCR方面，二級(jí)紋理特征構(gòu)成比明顯高于一級(jí)紋理特征構(gòu)成比，提示二級(jí)紋理特征可以為預(yù)測直腸癌pCR提供更多的指標(biāo)。本研究也發(fā)現(xiàn)，與基于一級(jí)紋理特征構(gòu)建的多變量模型相比，基于二級(jí)紋理特征構(gòu)建的多變量模型對(duì)pCR的預(yù)測效能更高（AUC分別為0.975、0.729，P=0.028）。本研究還發(fā)現(xiàn)，基于一級(jí)特征與二級(jí)特征共同構(gòu)建的多變量模型，其預(yù)測直腸癌原發(fā)灶pCR的獨(dú)立預(yù)測因子為二級(jí)紋理特征，并沒有一級(jí)紋理特征，且該模型的AUC值、靈敏度及特異度與單獨(dú)基于二級(jí)紋理特征構(gòu)建的多變量模型完全一致。綜合本研究的上述發(fā)現(xiàn)，在預(yù)測直腸癌原發(fā)灶新輔助放化療的病理學(xué)反應(yīng)方面，二級(jí)紋理特征可能要優(yōu)于一級(jí)紋理特征。其原因可能在于一級(jí)紋理特征僅反映腫瘤MRI圖像的像素及體素灰度頻率分布，而二級(jí)紋理特征可反映像素及體素之間的空間與位置關(guān)系，故二級(jí)紋理特征較一級(jí)紋理特征更能充分地反映腫瘤的異質(zhì)性［14］。

3.3 紋理特征的含義及其與異質(zhì)性的關(guān)系

本研究中，均值、偏度、AngScMom、Correlat、Contrast、Entropy、DifVarnc、DifEntrp、InvDfMom、SumAverg及SumEntrp值在pCR組與非pCR組中差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。均值反映直方圖的中心趨勢，并不能直接反映組織異質(zhì)性，而偏度表示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布偏斜方向和程度的度量，可直接反映組織異質(zhì)性［15］。AngScMom和InvDfMom是組織的同質(zhì)性的度量［16-17］。Contrast用于測量圖像的局部變化［17］，反映圖像的清晰度和紋理溝紋的深淺程度，Entropy反映圖像紋理的復(fù)雜度和混亂度［17］，DifVarnc指體素對(duì)間灰度差的變化，Contrast、Entropy及DifVarnc可直接反映組織的異質(zhì)性［17-18］。SumEntrp和DifEntrp分別是相鄰體素灰度總和、相鄰體素灰度差的隨機(jī)性度量［17］，二者與異質(zhì)性的關(guān)系并不明確。Correlat指圖像灰度線性相關(guān)度，SumAverg反映圖像的整體亮度［16-17］，它們與組織異質(zhì)性無直接相關(guān)［18］。在本研究中，偏度、Contrast、Entropy及DifVarnc在pCR組與非pCR組中差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示pCR組與非pCR組在瘤內(nèi)異質(zhì)性方面有一定差別。

本研究存在的不足：① 樣本量小，這會(huì)導(dǎo)致一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)偏倚；② 沒有探討直腸癌原發(fā)灶治療后DCE-MRI的紋理特征與其療效之間的關(guān)系。

總之，本研究發(fā)現(xiàn)基線DCE-MRI參數(shù)圖的紋理特征在預(yù)測直腸癌原發(fā)灶新輔助放化療的病理學(xué)反應(yīng)方面或許有一定價(jià)值，且二級(jí)紋理特征的預(yù)測價(jià)值可能優(yōu)于一級(jí)紋理特征。