影像組學(xué)在唾液腺疾病中的應(yīng)用

苑子茵 綜述 鄭 寧 邵 碩 審校

(1 濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院,濟(jì)寧 272013;2 濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院,濟(jì)寧 272011)

唾液腺屬于外分泌腺,其主要功能是分泌唾液。唾液腺疾病可分為腫瘤和類腫瘤性疾病、炎癥性疾病、免疫性疾病等。這些疾病通過常規(guī)影像學(xué)檢查有時很難鑒別病變性質(zhì)。影像組學(xué)指非侵入性從標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)影像圖像中提取高通量的定量特征來指導(dǎo)臨床診療，通過對大量影像數(shù)據(jù)的提取、挖掘、分析及處理，從而得到圖像信息與疾病間的聯(lián)系[1]。目前影像組學(xué)已在唾液腺疾病的診斷、治療、預(yù)后以及靶區(qū)勾畫等方面取得了重大進(jìn)展。

1 影像組學(xué)概述

醫(yī)療設(shè)備的改進(jìn)和科技進(jìn)步提供了更多、更準(zhǔn)確的圖像信息用于疾病的診斷。影像組學(xué)從CT、MRI或PET圖像上提取大量影像學(xué)特征，并將其轉(zhuǎn)換為可挖掘的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)分析，通過對這些數(shù)據(jù)的量化分析，發(fā)現(xiàn)圖像信息與疾病本身的聯(lián)系，從而更準(zhǔn)確反映疾病的異質(zhì)性[2]。影像組學(xué)作為近年來出現(xiàn)的影像學(xué)研究的新領(lǐng)域，已在各類疾病的鑒別診斷、治療及預(yù)后等方面發(fā)揮了很大作用。

影像組學(xué)的工作流程大致分為5步：1)圖像的獲取和重建。即通過CT、MRI或PET獲得大量影像學(xué)資料，并對這些資料進(jìn)行預(yù)處理，使其具有一致性。2)圖像分割。利用電腦軟件對感興趣區(qū)域進(jìn)行勾畫，因為感興趣區(qū)域直接用于提取定量特征，準(zhǔn)確度高低會影響后續(xù)影像組學(xué)分析。根據(jù)自動化的程度，可分為純手工勾畫、半自動人機(jī)交互勾畫及全自動勾畫3類[3]。3)圖像特征提取。提取正常和異常組織的影像圖像上的有用信息，包括感興趣區(qū)域邊界、形狀、大小、紋理以及血流動力學(xué)等特征[4]。4)統(tǒng)計分析及數(shù)據(jù)庫建立。將所提取的特征信息轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)用統(tǒng)計學(xué)方法和選定適用的模型加以分析及整理，并運(yùn)用大量數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫。5)臨床預(yù)測。整合影像特征、臨床特征、遺傳基因數(shù)據(jù)用于判斷疾病性質(zhì)、分型、分期及預(yù)后等，從而指導(dǎo)臨床醫(yī)生制定個體化治療方案。

2 影像組學(xué)在唾液腺疾病中的應(yīng)用

2.1 影像組學(xué)在唾液腺腫瘤中的應(yīng)用

由于唾液腺腫瘤種類復(fù)雜多樣，生物學(xué)行為各不相同，因此術(shù)前對唾液腺性質(zhì)、腫瘤亞型的鑒別診斷以及惡性腫瘤分期非常重要。細(xì)針穿刺活檢(FNAC)是診斷唾液腺腫塊性質(zhì)的有效輔助手段，但是穿刺結(jié)果往往因獲取的細(xì)胞學(xué)材料過少、病灶位置過深,以及醫(yī)生的臨床經(jīng)驗而不明確；且FNAC屬于有創(chuàng)性檢查，可能引起腫瘤細(xì)胞的擴(kuò)散，造成惡性腫瘤復(fù)發(fā)。影像組學(xué)通過提取并分析圖像中的體素或像素的灰度值特征、變化趨勢、分布狀態(tài)等數(shù)據(jù)，能夠客觀地反映信號強(qiáng)度(異質(zhì)性)的空間分布，具有作為影像學(xué)生物標(biāo)志物的潛力[5-6]。CT紋理分析可用于比較腮腺多形性腺瘤與腺淋巴瘤，其中平均值、異質(zhì)性以及聯(lián)合多個紋理參數(shù)的診斷效能較高(AUC>0.9)[7-8]。任思桐等[9]研究表明CT平掃圖像紋理分析可用于鑒別腮腺多形性腺瘤及惡性腫瘤。而且基于CT圖像的三維紋理特征的平均值、能量可用于鑒別多種類型的腮腺良惡性腫瘤[10]。楊亮等[11]通過腮腺腫瘤的CT平掃及增強(qiáng)動、靜脈期圖像進(jìn)行紋理分析，得出增強(qiáng)靜脈期的總熵是鑒別良、惡性腮腺腫瘤的最佳參數(shù)(AUC=0.88)。此外，尚有學(xué)者基于標(biāo)準(zhǔn)T1加權(quán)圖像和對比增強(qiáng)T1加權(quán)圖像的共生矩陣及游程矩陣獲得的紋理特征鑒別良、惡性腮腺病變；基于增強(qiáng)T1加權(quán)圖像的小波變換能量鑒別多形性腺瘤和腺淋巴瘤[12]。任繼亮等[13]利用ADC圖紋理分析預(yù)測術(shù)前舌和口底鱗狀細(xì)胞癌組織學(xué)分級，發(fā)現(xiàn)了69.23%的紋理參數(shù)在觀察者間測量一致性極好，且在直方圖參數(shù)中，Ⅰ級鱗狀細(xì)胞癌的ADC10顯著高于 Ⅱ、Ⅲ級，能量及熵則低于后者。上述各種研究，通過影像組學(xué)中的紋理分析，可以對唾液腺腫瘤的性質(zhì)及亞型鑒別、惡性腫瘤分期提供幫助。周宇堃等[14]從腮腺腫瘤T1WI、IDEAL-T2WI圖像中提取影像組學(xué)特征，建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，得出T1WI、IDEAL-T2WI及T1WI聯(lián)合IDEAL-T2WI影像組學(xué)特征可鑒別多形性腺瘤和腺淋巴瘤，尤其T1WI聯(lián)合IDEAL-T2WI效能較高，AUC為0.87，準(zhǔn)確率83%。Shao 等[15]開發(fā)并驗證了基于DWI圖像的影像組學(xué)分析作為鑒別良性和惡性涎腺上皮性腫瘤的分類模型；篩選出DWI圖像中最佳的放射特征，利用所選特征建立分類模型，得出邏輯回歸(LR)和支持向量機(jī)(SVM)兩種算法，具有較好預(yù)測良惡性腫瘤的分類性能。上述研究證明影像組學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)方法結(jié)合構(gòu)建的影像組學(xué)模型對于術(shù)前診斷唾液腺腫瘤提供了很大幫助，為臨床疾病的診斷提供可靠的影像學(xué)依據(jù)，對臨床治療具有指導(dǎo)意義。

關(guān)于唾液腺腫瘤大小的術(shù)前評估和唾液腺癌的預(yù)后預(yù)測，周培鋒等[16]通過影像組學(xué)模型預(yù)測多形性腺瘤的直徑，分析模型應(yīng)切除的最大直徑與實際切除最大直徑的差異，進(jìn)而可以修正手術(shù)范圍，防止復(fù)發(fā)。目前此研究只是初步建模預(yù)測，還未在臨床取得廣泛應(yīng)用。此外，利用18F-FDG PET/CT提取的紋理特征預(yù)測唾液腺癌的預(yù)后，有助于風(fēng)險分級[17]。ROC曲線分析表明，最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取值、標(biāo)準(zhǔn)化攝取熵值、均勻性、熵、區(qū)域尺寸不均勻性(ZSNU)和高強(qiáng)度區(qū)域強(qiáng)調(diào)(HIZE)與總生存期(OS)顯著相關(guān)。另有研究[18]基于18F-FDG PET/CT的紋理分析預(yù)測近距離放療后晚期唾液腺癌的預(yù)后；通過分析提取的54個特征，發(fā)現(xiàn)最小強(qiáng)度(MIN)、長游程強(qiáng)調(diào)(LRE)是無進(jìn)展生存期的顯著預(yù)測因子。影像組學(xué)在其它部位腫瘤診斷、療效評價及復(fù)發(fā)預(yù)測等方面開展了較多研究，目前影像組學(xué)在唾液腺惡性腫瘤術(shù)前評估、預(yù)后及療效評估方面的研究尚少，需要更多研究來驗證其預(yù)測價值。

2.2 影像組學(xué)判斷唾液腺功能損傷的臨床價值

自1899年進(jìn)入放射治療階段以來,放療已經(jīng)成為治療頭頸部惡性腫瘤的主要手段。然而，放療可能會導(dǎo)致唾液腺組織不同程度的損傷,早期預(yù)測患者放療后期口干或唾液腺腺體萎縮情況，并及時調(diào)整治療方案，會有效降低放療副作用，減輕痛苦。通過對放射治療后腮腺的平均CT值和腮腺體積變化進(jìn)行分析，能得出在第五周(模型預(yù)測精度和治療適應(yīng)時間的折衷時期)的CT口干評分(CTXS)，可用于預(yù)測放療結(jié)束時口干的嚴(yán)重程度，以確定后續(xù)的治療方法[19]。結(jié)合唾液量和口干的關(guān)系，基于CT影像組學(xué)特征可前瞻性評估鼻咽癌放射治療患者未來急性口干的可能性和程度[20]。Scalco等[21]利用紋理分析法評價放療時腮腺組織的結(jié)構(gòu)變化，平均強(qiáng)度和分形維數(shù)預(yù)測腮腺萎縮的準(zhǔn)確率分別為66.7%和50%。對采用放射治療頭頸腫瘤的患者進(jìn)行影像組學(xué)研究，在劑量-體積參數(shù)和基線因素的基礎(chǔ)上，加入CT圖像生物標(biāo)記物(IBMS)，即腮腺的短期重點和頜下腺的CT強(qiáng)度特征，可預(yù)測12個月后中重度口干(XER12m)和唾液黏滯(STIC12m)[22]。Nardone等[23-24]對上述研究進(jìn)行了改進(jìn)，加入腮腺和頜下腺的照射劑量方面的因素，發(fā)現(xiàn)劑量體積直方圖中V30、熵、對比度與急性口干顯著相關(guān)；灰度共生矩陣的相關(guān)性(GLCM Correlation)、V30、長游程不均勻性與慢性口干顯著相關(guān)。由于MRI在軟組織對比成像方面優(yōu)于CT和PET，在區(qū)分脂肪和實質(zhì)腺體組織方面更準(zhǔn)確。因此，研究磁共振生物標(biāo)記物(MR-IBMs)可以為預(yù)測晚期口干提供更好的信息。此后van Dijk等[25]又探討MR-IBMs是否與放療后12個月口干癥相關(guān)，并對XER12m模型進(jìn)行了改進(jìn)，實現(xiàn)了對放療后晚期口干癥的預(yù)測(AUC=0.83)。Pota等[26]綜合多種預(yù)測因子(患者臨床信息、放射劑量信息、腺體放射治療過程中的CT圖像的紋理特征、初始和最終治療階段的腮腺體積變化)，建立預(yù)測模型，判斷腮腺萎縮及放射治療長期毒性。Sheikh等[27]分析放射治療開始前從唾液腺的CT和MRI圖像中提取的特征(形狀特征、一階統(tǒng)計特征、灰度共生矩陣、灰度游程長度矩陣、灰度大小區(qū)域矩陣特征)，與劑量-體積直方圖結(jié)合，可以反映唾液腺功能和潛在的輻射損傷風(fēng)險，將圖像特征整合到預(yù)測模型中有可能改善口干燥癥風(fēng)險分層，最終實現(xiàn)具有真正個性化的頭頸部惡性腫瘤放療。影像組學(xué)在唾液腺功能損傷方面做了大量研究，為臨床早期發(fā)現(xiàn)腫瘤放療后唾液腺損傷提供更可靠的影像學(xué)依據(jù)。

2.3 影像組學(xué)在唾液腺炎性疾病方面的應(yīng)用

原發(fā)性干燥綜合征是一種以眼、口干燥為主要癥狀的慢性系統(tǒng)性自身免疫性疾病[28]。干燥綜合征可能在臨床上表現(xiàn)為多種癥狀，缺乏特異性，因此對于疾病活動性的評估，在制定最佳治療方案和預(yù)測疾病預(yù)后上具有重要意義。Chu等[29]比較了不同活動性患者在臨床、實驗室和影像學(xué)指標(biāo)上的差異，其中中高活動性組和低活動性組的抗-SSB、唇活檢、磁共振成像形態(tài)學(xué)、ADC、ADCmean和熵值有顯著差異，證實了利用腮腺ADC直方圖和紋理分析可預(yù)測疾病活性，從而對預(yù)測原發(fā)性干燥綜合征活動性具有重要臨床意義。

3 挑戰(zhàn)與展望

影像檢查為臨床診斷唾液腺疾病及其治療預(yù)后提供了大量有用信息。近年來，各種功能性磁共振成像技術(shù)越來越多的用于量化腫瘤生理學(xué)和生物學(xué)的相關(guān)特征。影像組學(xué)作為影像學(xué)的一個新研究領(lǐng)域，與臨床信息及基因表型結(jié)合，通過對大量影像特征定量分析，在腫瘤鑒別、分型及分期、腫瘤治療、療效評估、預(yù)后預(yù)測、基因特征鑒定等方面取得一定進(jìn)展，彌補(bǔ)了常規(guī)影像學(xué)檢查的不足，成為臨床醫(yī)學(xué)的研究熱點。

但在唾液腺疾病的應(yīng)用過程中，存在以下問題：1)不同的操作者和機(jī)器設(shè)備在采集條件、數(shù)據(jù)重建、腫瘤體積分割和圖像重采樣等方面有一定的差異，這些因素影響疾病特征的穩(wěn)定性[30]，在進(jìn)行研究時需要標(biāo)準(zhǔn)化的研究設(shè)計及模型的建立。2)影像組學(xué)在研究過程中有大量的數(shù)據(jù)需要計算，這些數(shù)據(jù)的分析及處理需要工科研究者的配合、協(xié)助，需要建立多個學(xué)科之間的聯(lián)系。3)影像組學(xué)的研究需要大量的病例，且需要建立能夠完整貯存每例患者的各種資料的龐大數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)共享[31]，而臨床上符合研究條件的唾液腺疾病的病例收集起來相對困難，需要多中心合作。影像組學(xué)正逐步應(yīng)用到唾液腺疾病的研究中，但目前此類研究多是用紋理參數(shù)分析，運(yùn)用全面影像組學(xué)分析的較少；且大多數(shù)研究納入的樣本量較少或采用單中心研究，準(zhǔn)確性還可進(jìn)一步提高。目前，唾液腫瘤的鑒別及分期、預(yù)測模型的建立是唾液腺疾病影像組學(xué)的研究熱點，相信通過國內(nèi)外研究者和放射科醫(yī)生的共同努力,影像組學(xué)將在唾液腺疾病的診療、分子基因檢測等應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

利益沖突：所有作者均申明不存在利益沖突。