肝膽期肝實(shí)質(zhì)MRI的放射組學(xué)對(duì)小肝癌的預(yù)測(cè)價(jià)值

姜宇晴，張孟超

(吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 放射科，吉林 長(zhǎng)春130033)

肝硬化患者是發(fā)生肝細(xì)胞癌的高風(fēng)險(xiǎn)人群，需要定期檢查以盡早發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞癌并進(jìn)行治療，從而提高其生存率[1-3]。現(xiàn)階段的篩查方式敏感性低，仍存在質(zhì)疑[4-5]。釓塞酸二鈉(Gd-EOB-DTPA)是一種肝膽特異性對(duì)比劑，有研究表明，對(duì)Gd-EOB-DTPA增強(qiáng)MRI的肝膽期肝實(shí)質(zhì)圖像進(jìn)行直方圖分析，可以較為準(zhǔn)確的評(píng)估肝硬化程度[6-7]。而放射組學(xué)分析包含直方圖分析。因此，我們推測(cè)放射組學(xué)分析同樣可以根據(jù)肝膽期肝實(shí)質(zhì)圖像對(duì)肝硬化程度進(jìn)行評(píng)估，且有可能根據(jù)肝硬化程度與小肝癌發(fā)生的相關(guān)性，對(duì)小肝癌的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)。Gd-EOB-DTPA增強(qiáng)MRI在發(fā)現(xiàn)小肝癌方面具有更高的敏感性[8]。在此基礎(chǔ)上，若肝膽期肝實(shí)質(zhì)MRI的放射組學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)小肝癌的預(yù)測(cè)，將為肝硬化患者隨訪(fǎng)監(jiān)測(cè)小肝癌提供更好的選擇。本研究將主要研究肝膽期肝實(shí)質(zhì)MRI的放射組學(xué)對(duì)病毒性肝炎肝硬化患者發(fā)生小肝癌的預(yù)測(cè)價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

初始共搜集了292例在Gd-EOB-DTPA增強(qiáng)MRI檢查中有明顯肝硬化影像學(xué)表現(xiàn)的患者，時(shí)間跨度為2014年10月至2018年6月。排除標(biāo)準(zhǔn)如下：①接受過(guò)抗癌治療，無(wú)論何種形式(n=104)；②非病毒性肝炎引起的肝硬化(n=28)；③患有會(huì)影響肝功能的全身性疾病或肝功能Child -Pugh分級(jí)為C級(jí)(n=11)；④圖像中存在偽影，干擾肝實(shí)質(zhì)ROI的采集(n=5)；⑤肝實(shí)質(zhì)內(nèi)同時(shí)存在肝細(xì)胞癌以外的惡性腫瘤(n=13)；⑥存在的肝細(xì)胞癌直徑>3cm(n=39)。最終得到92個(gè)病例。根據(jù)是否存在肝細(xì)胞癌，將病例分為兩組：無(wú)肝癌組(n=44)和小肝癌組(n=48)。收集每位患者的以下臨床信息：診斷年齡、性別、病毒性肝炎類(lèi)型以及肝功能Child-Pugh分級(jí)情況，留待分析。測(cè)量并記錄小肝癌組患者肝細(xì)胞癌的大小。因缺乏組織活檢結(jié)果，本研究中肝細(xì)胞癌的診斷以影像學(xué)表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)，即病灶呈“快進(jìn)快出”的典型強(qiáng)化方式，這一診斷標(biāo)準(zhǔn)符合中國(guó)原發(fā)性肝癌診斷和治療指南(2017年版)中對(duì)肝細(xì)胞癌的臨床診斷要求[9]。

1.2 圖像采集

1.3 圖像分析、臨床信息比較

由兩名高年資影像科醫(yī)生在醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)(PACS)工作站上對(duì)所有初始納入病例的Gd-EOB-DTPA增強(qiáng)MRI進(jìn)行獨(dú)立盲法閱片，嚴(yán)格遵照排除標(biāo)準(zhǔn)篩選出最終的研究人口并進(jìn)行分組，當(dāng)兩名醫(yī)生的意見(jiàn)發(fā)生沖突時(shí)，則與另外1名高年資醫(yī)生協(xié)商一致后進(jìn)行確定。

1.4 圖像處理、感興趣區(qū)選取及放射組學(xué)特征提取

將兩組病例的肝膽期MR圖像以DICOM格式從PACS工作站導(dǎo)出，用A.K.軟件(Artificial Intelligence Kit,A.K.,GE Healthcare,China)進(jìn)行圖像的預(yù)處理，這一過(guò)程可以校正不同MRI掃描儀、不同患者造成的圖像差異。

隨后進(jìn)行感興趣區(qū)域(ROI)的選取，由1名對(duì)臨床信息及分組情況均不知情的高年資醫(yī)生在 ITK-SNAP軟件(http://www.itk-snap.org/) 中進(jìn)行。ROI的選取原則：直徑=30像素的圓形，位于臨近肝門(mén)區(qū)層面的肝右葉，確保完全避開(kāi)肝內(nèi)的局灶性病變(如囊腫、血管瘤、癌灶等)，同時(shí)要盡可能避免與肝內(nèi)的主要血管、膽管重疊。

特征的提取在A.K.軟件中進(jìn)行，需將圖像及ROI一一對(duì)應(yīng)導(dǎo)入。一共可提取出385個(gè)特征，分為3類(lèi)：(1)42個(gè)直方圖特征；(2)9個(gè)形態(tài)學(xué)特征；(3)334個(gè)紋理特征，包括灰度共生矩陣(GLCM)、灰度行程矩陣(GLRLM)、灰度區(qū)域大小矩陣(GLZSM)。

1.5 數(shù)據(jù)劃分、特征選擇及預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

首先需處理特征值數(shù)據(jù)中的異常值，具體方法是用中位數(shù)替代異常值；然后以7∶3為分割比例，令計(jì)算機(jī)隨機(jī)選取70%的樣本作為訓(xùn)練集，用于特征選擇并建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，30%的樣本作為驗(yàn)證集，用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性；最后對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(Standardization)。

特征選擇的過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)依次進(jìn)行了組間統(tǒng)計(jì)學(xué)差異檢驗(yàn)、單因素Logistic回歸及spearman相關(guān)性分析(threshold=0.8)。最終選取出的組學(xué)特征可重復(fù)性和穩(wěn)定性均較高，可用來(lái)建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

機(jī)器學(xué)習(xí)模型的建立以多元logistic回歸模型作為分類(lèi)器。用ROC曲線(xiàn)來(lái)說(shuō)明放射組學(xué)特征的診斷性能，在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集中分別計(jì)算ROC曲線(xiàn)下面積(AUC)、準(zhǔn)確度、特異度、靈敏度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來(lái)評(píng)估分類(lèi)器的性能。最后用DeLong’s test比較訓(xùn)練集和驗(yàn)證集AUC的差異。

以上過(guò)程均在R Studio(Version 1.0.143-? 2009-2016 R Studio,Inc.)中進(jìn)行。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對(duì)無(wú)肝癌組及小肝癌組患者的臨床信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，用t檢驗(yàn)來(lái)比較兩組患者的年齡有無(wú)差異，而性別、病毒類(lèi)型及肝功能情況的比較選用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行，上述方法均在P<0.05時(shí)表明兩組數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的差異，這一過(guò)程使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果

2.1 基本臨床信息

無(wú)肝癌組及小肝癌組的臨床特征見(jiàn)表1， 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，兩組患者性別、年齡、病毒性肝炎類(lèi)型的差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；肝功能的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，小肝癌組中肝功能為Child-Pugh B級(jí)的肝硬化患者多于無(wú)肝癌組。

表1 患者的臨床特征分析

2.2 數(shù)據(jù)劃分及特征選擇

訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的數(shù)據(jù)劃分如表2所示，通過(guò)二分類(lèi)法，設(shè)置無(wú)肝癌組為0，小肝癌組為1。

表2 訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的分配

特征選擇時(shí)，進(jìn)行組間統(tǒng)計(jì)學(xué)差異檢驗(yàn)后，從385個(gè)組學(xué)特征中篩選出了94個(gè)特征，而第二步單因素Logistic回歸后，剩余65個(gè)特征，然后運(yùn)用spearman相關(guān)性分析進(jìn)一步去冗余，最終得到7個(gè)組學(xué)特征，如表3所示。

表3 特征選擇結(jié)果

2.3 預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

基于7個(gè)組學(xué)特征，用多元邏輯回歸的方法建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型并驗(yàn)證。訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的ROC曲線(xiàn)分析結(jié)果如圖1所示，訓(xùn)練集的AUC為0.809(95%CI：0.703-0.915)，驗(yàn)證集的AUC為0.805(95%CI：0.643-0.967)，并計(jì)算兩組的準(zhǔn)確度、靈敏度及特異性以評(píng)估模型的性能(表4)。最后用 DeLong’s test 對(duì)兩組的AUC進(jìn)行差異檢驗(yàn)，得到P值=1.0，表明訓(xùn)練集與驗(yàn)證集之間的AUC不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，一致性好。

圖1 訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的ROC曲線(xiàn)分析結(jié)果

表4 訓(xùn)練集和驗(yàn)證集 logistic 回歸模型分析結(jié)果

3 討論

本研究對(duì)病毒性肝炎肝硬化患者的肝膽期肝實(shí)質(zhì)圖像進(jìn)行放射組學(xué)分析，從而構(gòu)建出了病毒性肝炎肝硬化患者發(fā)生小肝癌的預(yù)測(cè)模型，并用ROC曲線(xiàn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估：訓(xùn)練集的AUC=0.809，說(shuō)明該模型能夠?qū)Σ《拘愿窝赘斡不颊甙l(fā)生小肝癌進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)；而驗(yàn)證集的AUC=0.805，與訓(xùn)練集的結(jié)果相似，說(shuō)明訓(xùn)練集的結(jié)果能夠得到有效驗(yàn)證。

特征提取的過(guò)程中，我們最終得到了7個(gè)最優(yōu)特征(如表3所示)：4個(gè)短行程優(yōu)勢(shì)(Short Run Emphasis，SRE)特征，短行程高灰度優(yōu)勢(shì)(Short Run High Grey Level Emphasis，SRHGLE)特征、灰度非一致性(Grey Level Non-uniformity，GLN)特征及區(qū)域百分比(Zone Percentage，ZP)特征各1個(gè)。這4種特征均屬于紋理特征，其中，灰度非一致性特征和區(qū)域百分比特征屬于灰度區(qū)域大小矩陣(Gray Level Size Zone Matrix，GLSZM)特征，而短行程優(yōu)勢(shì)特征和短行程高灰度優(yōu)勢(shì)特征屬于灰度行程矩陣(Grey Level Run-length Matrix，GLRLM)特征。GLSZM和GLRLM均是描述復(fù)雜紋理特征的高級(jí)統(tǒng)計(jì)矩陣。GLSZM是通過(guò)二元條件概率密度函數(shù)對(duì)紋理圖像的像素分布進(jìn)行計(jì)算而得出的一種統(tǒng)計(jì)表示，通常圖像的紋理越均勻，計(jì)算得出的矩陣就越寬、越平坦，主要用于描述紋理的均勻性以及非周期性，同時(shí)能夠很好的描述類(lèi)似斑紋的紋理[10-13]。GLRLM是對(duì)預(yù)定方向上共線(xiàn)、連續(xù)并具有相同灰度的像素個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，來(lái)表示紋理在預(yù)定方向上的粗糙程度[10,14]。而GLN、ZP和SRE、SRHGLE這4種特征分別通過(guò)不同的計(jì)算公式，對(duì)GLSZM和GLRLM的復(fù)雜度、層次變化等進(jìn)行描述。簡(jiǎn)而言之，這7個(gè)最優(yōu)特征分別體現(xiàn)了肝膽期肝實(shí)質(zhì)MRI紋理的某一特點(diǎn)，是一種復(fù)雜的細(xì)致的量化表達(dá)。

我們認(rèn)為預(yù)測(cè)模型之所以可以很好的區(qū)分病毒性肝炎肝硬化患者是否存在小肝癌是因?yàn)榛颊吒螌?shí)質(zhì)中Gd-EOB-DTPA造影劑分布的均勻性與患者肝硬化的程度成反比。其相關(guān)的病理生理基礎(chǔ)如下：肝硬化發(fā)生后，大量膠原蛋白、蛋白聚糖和其他大分子會(huì)沉積于肝細(xì)胞外基質(zhì)中，逐漸形成纖維化帶，致使有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)肽1(OATP1)和多藥耐藥蛋白2(MPR2)的活性降低，使得肝細(xì)胞對(duì)釓塞酸的攝取減少，使得相應(yīng)的肝膽期肝實(shí)質(zhì)信號(hào)強(qiáng)度降低[15-16]。肝細(xì)胞外基質(zhì)中大分子的沉積是不均勻的，肝硬化程度越重，這種不均勻越顯著，使得肝膽期肝實(shí)質(zhì)的信號(hào)不均勻性隨之增加。而小肝癌的發(fā)生又與肝硬化的程度正相關(guān)。所以紋理特征通過(guò)識(shí)別這種肝膽期肝實(shí)質(zhì)信號(hào)的不均勻程度，可以對(duì)肝硬化的程度進(jìn)行判斷，進(jìn)而對(duì)患者是否存在小肝癌進(jìn)行區(qū)分。Lee等的研究得出了與此相一致的結(jié)論，他們通過(guò)測(cè)算不同組別患者的肝膽期肝實(shí)質(zhì)CV值，證實(shí)了肝膽期肝實(shí)質(zhì)信號(hào)強(qiáng)度的變異程度與乙型肝炎患者發(fā)生肝硬化、肝細(xì)胞癌存在相關(guān)性[17]。當(dāng)肝硬化嚴(yán)重到肝功能Child-Pugh分級(jí)為C級(jí)時(shí)，肝細(xì)胞對(duì)釓塞酸的攝取能力將嚴(yán)重下降，這會(huì)導(dǎo)致肝細(xì)胞攝取釓塞酸的時(shí)間顯著延長(zhǎng)，也就是說(shuō)，在注射造影劑后20 min時(shí)釓塞酸不能被有效攝取，表現(xiàn)為此時(shí)的肝實(shí)質(zhì)信號(hào)的相對(duì)增強(qiáng)與延遲期相比沒(méi)有任何增加[18-19]，這樣的肝膽期圖像不再具備有效性。因此，我們?cè)谶x取病例時(shí)排除了肝功能Child-Pugh分級(jí)為C級(jí)的肝硬化患者。

預(yù)測(cè)模型可以有效的區(qū)分病毒性肝炎肝硬化患者的肝實(shí)質(zhì)狀態(tài)，這將為患者隨訪(fǎng)肝硬化程度并監(jiān)測(cè)小肝癌的發(fā)生提供幫助?；颊哌M(jìn)行Gd-EOB-DTPA增強(qiáng)MRI檢查后，對(duì)其肝膽期肝實(shí)質(zhì)圖像進(jìn)行放射組學(xué)分析，如果結(jié)果判定符合無(wú)肝癌組，同時(shí)沒(méi)有觀(guān)察到可疑肝硬化結(jié)節(jié)，則可以認(rèn)為患者近期發(fā)生小肝癌的風(fēng)險(xiǎn)較低，常規(guī)的6個(gè)月隨訪(fǎng)間隔是可行的；而如果結(jié)果判定符合小肝癌組，則說(shuō)明患者發(fā)生小肝癌的概率較高，即使沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可疑的肝硬化結(jié)節(jié)，仍應(yīng)高度警惕，適當(dāng)縮短隨訪(fǎng)間隔，以便盡早發(fā)現(xiàn)肝癌病灶，為治療提供更多選擇同時(shí)提高患者的生存期。且放射組學(xué)模型作為一種圖像的后期處理分析，不需要在患者做MR檢查時(shí)進(jìn)行額外的操作，在臨床應(yīng)用中具有較高的可行性。

本研究存在一些局限性：①本研究是一項(xiàng)回顧性的橫向研究，所采集的是不同患者的肝實(shí)質(zhì)圖像，在反映肝硬化程度與小肝癌發(fā)生的關(guān)系上可能仍不夠直觀(guān)準(zhǔn)確。若能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相同患者進(jìn)行具有時(shí)間線(xiàn)性的縱向研究可能會(huì)得到更好的結(jié)果。②本研究的研究人數(shù)較少。雖然有多個(gè)放射組學(xué)相關(guān)研究證實(shí)多元Logistic回歸這一方法能在樣本量較少時(shí)也很好的構(gòu)建模型[20-22]，本研究結(jié)果也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)擬合的現(xiàn)象。但若能獲得大量的數(shù)據(jù)樣本無(wú)疑將得到更好更有說(shuō)服力的結(jié)果。③由于紋理特征計(jì)算原理的限制，每個(gè)患者的肝實(shí)質(zhì)圖像中只能設(shè)置1個(gè)ROI，沒(méi)能完整體現(xiàn)肝實(shí)質(zhì)的肝硬化程度。

總之，基于肝膽期肝實(shí)質(zhì)MRI的放射組學(xué)分析能夠?qū)Σ《拘愿窝赘斡不颊甙l(fā)生小肝癌進(jìn)行預(yù)測(cè)，且擁有較好的預(yù)測(cè)效能。