MR-T2WI紋理分析對前列腺中央腺體低信號結(jié)節(jié)良惡性的鑒別

葉瑞婷 鄒玉堅 鄭曉林 楊沛欽 袁灼彬 李建鵬

東莞市人民醫(yī)院放射科 (廣東 東莞 523000)

前列腺增生(benign prostatic hyperplasia，BPH)和前列腺癌(prostate cancer，PCa)是男性泌尿生殖系統(tǒng)最常見的病變。前列腺癌是全球男性發(fā)病率僅次于肺癌的第二大癌癥，其死亡率位居第五，且發(fā)病率逐年上升且呈現(xiàn)年輕化趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，2017年全球共有1334314例前列腺癌新發(fā)病例，其中超過1/5發(fā)生在美國；接下來是中國，2017年前列腺癌患者144887人。在全球范圍內(nèi)，前列腺癌的發(fā)病率從1990年的每十萬人30.49人到2017年的37.86人；相對年輕患者(≤64歲)的比例從1990年的23.6%增加到了2017年的27.3%，其中55～64歲組的新增患者最多[1]。磁共振多參數(shù)成像(multi parameter magnetic resonance imaging，MPMRI)是像診斷前列腺病變的重要方法，常規(guī)MRI分析局限于分析病灶的大小、形狀、位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、強化模式以及與周圍正常組織的關(guān)系，或?qū)RI信號值進行統(tǒng)計鑒別，依賴于個人知識和臨床經(jīng)驗，具有較強的主觀性和局限性，難以滿足臨床精準診斷的要求。紋理分析技術(shù)是影像組學范疇的重要分析方法，它可以通過量化正常和病理組織內(nèi)像素灰度值的空間分布的不均勻度和規(guī)律性來評估圖像信號的不均勻性，從而反映組織病理學水平的微觀異質(zhì)性[2-4]。目前，紋理分析已在肺結(jié)節(jié)的良惡性鑒別、鼻咽癌及腎癌靶向療效的預測、食管的不良生物學特性及乳腺癌、直腸癌療效對比等疾病的研究中應(yīng)用[5]。本文探討MR-T2WI紋理分析在前列腺良惡性病變診斷的可行性，尋求有效、客觀、可量化的參數(shù)，為臨床提供可靠的診斷依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料收集2016年8月至2019年12月共108例行前列腺磁共振成像檢查并取得病理結(jié)果的病例，其中前列腺癌有28例，前列腺增生80例(T2WI上病變呈低信號的46例，混雜偏低信號的36例)。前列腺癌患者組的年齡為59～88歲，平均年齡(71.95±7.11)歲；前列腺增生患者組的年齡為54～88歲，平均年齡(72.90±7.48)歲。尿頻、尿急、排尿困難為患者主要臨床癥狀，血清前列腺特異抗原(prostate specific antigen，PSA)>2.5ng/mL。前列腺癌患者組PSA為4.15～359.01ng/mL，前列腺增生患者組PSA為3.21～67.44ng/mL。所有患者在MRI檢查前未進行前列腺穿刺以及手術(shù)、藥物治療或其他處理,或最后一次活檢后相隔至少4周進行術(shù)前MRI檢查。本研究經(jīng)過東莞市人民醫(yī)院倫理委員會審核批準，檢查前均獲得患者及其家屬同意，并簽署書面知情同意書。

納入標準：病灶T2WI以低信號為主。圖像清晰，沒有偽影。穿刺活檢病理證實前列腺癌或良性前列腺增生，接受根治性前列腺切除術(shù)。沒有MRI掃描和增強的禁忌證(如：肝腎功能不全、植入體內(nèi)金屬物如心臟起搏器等、幽閉恐懼癥)。排除標準：MRI檢查前患者接受放射治療、激素治療、穿刺活檢或前列腺電切除術(shù)；病灶太小，在T2WI圖像上無法勾畫或不能準確勾畫三維興趣區(qū)(ROI)者；臨床、影像及病理資料不全；前列腺增生合并感染(如膿腫、結(jié)核)。

1.2 MR檢查方法使用Siemens Skyra 3.0T磁共振掃描儀、腹部相控陣線圈進行檢查。所有病例行盆腔MR大范圍常規(guī)序列掃描及前列腺范圍高分辨率掃描。1)盆腔大范圍常規(guī)序列掃描：橫軸面TSE-T1WI，橫軸面TSE-T2WI。2)前列腺范圍高分辨率掃描: 橫軸面TSE-T1WI：TR 500ms，TE 13ms，F(xiàn)OV)=200mm×200mm，矩陣=256×256，層厚3mm，層間距0.3mm。橫軸面TSE-T2WI及冠狀位TSET2WI：TR 4170ms，TE 100ms，F(xiàn)OV=200mm×200mm(軸位)、200mm×200mm(冠狀位)，矩陣=256×256，層厚3mm，層間距0.3mm。橫軸面DWI：采用讀出方向分段采樣EPI序列(readout segmentation of long variable echo-trains，RESOLVE-DWI)，b值分別為0、800、1000、2000s/mm2。掃描參數(shù)：TR/TE 3020ms/67ms，F(xiàn)OV=200mm×200mm，矩陣=256×256，層厚3mm，層間距0.3mm，激勵次數(shù)NSA 5次，讀出方向分段5，掃描時間422s。動態(tài)增強掃描：采用三維容積式內(nèi)插值法屏氣檢查序列(3D volumetric interpolated breath-hold examination，3D-VIBE)，軸位掃描，TR/TE 4.8/1.7ms；FOV=260mm×260mm，矩陣=256×256，層厚3mm，層間距0.3mm，每期26層，動態(tài)增強掃描40期，掃描時間160s。

1.3 圖像處理和紋理分析將所有患者的MRI圖像以DICOM格式從PACS工作站導出并儲存。由兩名具有十年以上前列腺MRI影像診斷經(jīng)驗的放射科醫(yī)師首先對圖像的質(zhì)量進行評價，參照T2WI低信號及DWI高信號，在T2WI圖上圍繞病灶(包繞癌區(qū)或增生結(jié)節(jié)區(qū)，但不超過病變范圍)手動繪制ROI。若同時存在2個或2個以上不相鄰癌灶或T2WI低信號增生結(jié)節(jié)灶，選取最大病灶。利用Omni-Kinertics (GE)軟件所選取ROI進行紋理分析，得到定量參數(shù): 能量(energy)、熵(entropy)、偏度(skewness)、峰值(kurtosis)、均勻度(uniformity)、平均值(mean Value)和標準差(standard deviation)。

1.4 統(tǒng)計學方法統(tǒng)計分析采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件，所有計量資料用(±s)表示。先對各組數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗和方差齊性檢驗。前列腺癌與前列腺增生結(jié)節(jié)紋理分析各定量參數(shù)比較采用單因素方差分析和獨立樣本t檢驗。兩位觀察者對前列腺癌和增生結(jié)節(jié)紋理分析定量參數(shù)測量差異性分析采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)法(intraclass correlation coefficient，ICC，其中，0表示不可信，1表示完全可信，一般認為信度低于0.4表示信度較差，大于0.75表示信度良好。應(yīng)用受試者工作特征曲線(receiver operator characteristic，ROC) 分析T2WI圖像紋理分析各定量參數(shù)鑒別前列腺癌與前列腺增生結(jié)節(jié)的效能。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

2.1 MRI-T2WI紋理特征參數(shù)在PCa與BP中的表現(xiàn) PCa、BPH-T2WI低信號結(jié)節(jié)及BPH-T2WI混雜偏低信號結(jié)節(jié)組間能量、熵、偏度、不均勻度、平均值、標準差6個參數(shù)的差異具有統(tǒng)計學意義；峰值于各組間差異無統(tǒng)計學意義，見表1。 PCa組與BPH組間能量、熵、偏度、均勻度、標準差5個參數(shù)的差異具有統(tǒng)計學意義，峰值和平均值于各組間差異無統(tǒng)計學意義，見表2。兩位觀察者對前列腺癌和前列腺增生結(jié)節(jié)紋理分析定量參數(shù)測量有良好一致性，組內(nèi)相關(guān)系數(shù)：能量ICC：0.896；熵ICC:0.880； 偏度ICC: 0.453；峰值ICC:0.865； 均度ICC:0.849；平均值ICC：0.962；標準差I(lǐng)CC：0.937。

表1 前列腺癌組與前列腺增生結(jié)節(jié)組紋理分析定量參數(shù)one-way ANOVA比較

表2 PCa組與BPH組紋理分析參數(shù)獨立樣本t檢驗

2.2 MRI-T2WI紋理特征參數(shù)在PCa與BPH中的診斷效能對上述7個紋理特征參數(shù)的診斷效能進行分析，結(jié)果顯示：7個紋理特征參數(shù)在兩者診斷中的AUC為0.722～0.832，其中標準差最高，偏度和不均勻度最低；在靈敏度方面，7個紋理特征參數(shù)在48.75%～78.75%之間：在特異度方面，7個紋理特征介于42.86%～92.86%之間，見表3、圖1～圖4。

圖1 男，80歲，前列腺癌。圖1A：前列腺中央葉T2WI低信號腫塊；圖1B：DWI(b=1000s/mm2)腫塊上呈高信號(白箭)；圖1C：ADC圖上腫塊呈低信號(白箭)；圖1D：腫塊內(nèi)感興趣區(qū)灰度直方圖左移、峰度增高。圖2 男，77歲，前列腺增生。圖2A：前列腺中央葉增生結(jié)節(jié)T2WI低信號；圖2B：DWI(b=1000s/mm2)呈等信號(白箭)；圖2C：ADC圖上腫塊呈稍低信號(白箭)；圖2D：增生結(jié)節(jié)內(nèi)感興趣區(qū)灰度直方圖左移、峰度降低。圖3 男，68歲，前列腺增生。圖3A：前列腺中央葉增生結(jié)節(jié)T2WI混雜偏低信號腫塊。圖3B：DWI(b=1000s/mm2)腫塊上呈等信號(白箭)。圖3C：ADC圖上腫塊呈等信號(白箭)。圖3D：增生結(jié)節(jié)內(nèi)感興趣區(qū)灰度直方圖右移、峰度增高。

表3 PCa組與BPH組紋理分析定量參數(shù)ROC

圖4 T2WI圖像紋理分析定量參數(shù)鑒別PCa組和BPH組ROC

3 討 論

3.1 前列腺T2WI低信號增生結(jié)節(jié)及癌結(jié)節(jié)的病理基礎(chǔ)及MRI特征前列腺增生結(jié)節(jié)是在前列腺增生基礎(chǔ)上出現(xiàn)的局灶性多中心性的組織病變，主要出現(xiàn)在增生的中央腺體(由中央帶和移行帶兩者組成)[6]，小部分出現(xiàn)在外周帶，結(jié)節(jié)通常成團塊狀，組織比較致密，可以與周邊結(jié)構(gòu)無明顯界限。在病理組織學上，前列腺增生結(jié)節(jié)是腺體和基質(zhì)增生的混合物，結(jié)節(jié)內(nèi)可出現(xiàn)囊性變，結(jié)節(jié)的周圍可包繞致密的基質(zhì)和萎縮的腺體[7]?？紫樘锏萚8]、Franks[9]通過免疫組織化學的研究認為，按病理成分不同，前列腺增生結(jié)節(jié)應(yīng)分為5類，但這5種類型結(jié)節(jié)在磁共振上很難區(qū)分。Ishida等[10]結(jié)合病理組織通過MR-T2WI檢查把前列腺增生分為間質(zhì)增生及非間質(zhì)增生，間質(zhì)增生被定義為腺體成分占前列腺的10%以下，而非間質(zhì)增生被定義為腺體成分占前列腺的10%或以上(或腺體體積與總體積的比率大于0.75)，兩者在磁共振成像確定組織學類型的準確性為94%。間質(zhì)增生含纖維基質(zhì)及平滑肌為主，腺體成分較少，其內(nèi)液體含量低，故于T2WI呈低信號表現(xiàn)；前列腺癌病變組織內(nèi)腺體及癌細胞排列致密，其內(nèi)黏蛋白和液體的含量明顯減少，在T2WI也呈低信號表現(xiàn)；兩者在T2WI上難以鑒別。

3.2 MR-T2WI影像組學在前列腺良惡性病變診斷的診斷及應(yīng)用多參數(shù)MRI是前列腺癌診斷最敏感和特異的影像學檢查方法，也是前列腺癌定位、分期及治療后評估等的重要影像學手段[11]。這些磁共振成像包括T2加權(quán)成像(T2WI)、擴散加權(quán)成像(DWI)、動態(tài)增強磁共振成像(DCE)以及可以選擇性進行的磁共振波譜(MRS)。MR-T2WI能提供前列腺及周圍組織的高分辨率影像，對于前列腺癌的診斷具有較高靈敏度、特異度[12]。而前列腺間質(zhì)增生結(jié)節(jié)與癌結(jié)節(jié)在T2WI上均表現(xiàn)為低信號，兩者難以鑒別。紋理分析是一項圖像后處理技術(shù)，可以利用已獲得的圖像數(shù)據(jù)進行進一步分析，它通過量化正常和病理組織內(nèi)像素灰度值的空間分布的粗糙度和規(guī)律性來評估圖像信號的不均勻性(在人眼所能理解的范圍之內(nèi)和之外)，并且不需要進行額外的掃描及避免增強掃描造影劑的副作用。不依賴于診斷醫(yī)生的主觀因素，分析重復性高；利用醫(yī)學圖像中的宏觀異質(zhì)性可能反映組織病理學水平的微觀異質(zhì)性。紋理分析所得的額外組織異質(zhì)性數(shù)據(jù)為基因水平上診斷提供了可能。

本研究基于MR-T2WI圖，從108例前列腺T2WI低信號病變(癌結(jié)節(jié)28例、增生結(jié)節(jié)80例)中提取紋理特征，以直方圖參數(shù)對兩者進行鑒別。研究紋理參數(shù)為能量、熵、偏度、峰值、不均勻度、平均值、標準差，其中熵為目前研究中是最常用的分析參數(shù)。能量和熵反映了圖像所含信息量的大小，能量反映圖像的均勻性，感興趣區(qū)內(nèi)像素強度越均勻，值越大；熵主要反映的是圖像上紋理的不均勻性或復雜程度，組織成分復雜、熵值高；偏度和峰度是直方圖不對稱性和銳度的度量，反映病變組織內(nèi)信號強度的變化率，變化率大、數(shù)值高；方差和標準差衡量灰度級與平均值的偏離程度，標準差(SD)是在一個感興趣區(qū)測量關(guān)于平均值的像素強度的變化，低SD表示該區(qū)域的像素強度感興趣的是同質(zhì)的，高SD表示該區(qū)域的像素強度感興趣的是異質(zhì)的[13]。本研究通過使用紋理分析軟件(Omni-Kinertics GE)所提取的7個紋理分析定量參數(shù)，其中5個定量參數(shù)(能量、熵、偏度、不均勻度、標準差值)在PCa組和BPH組間差異有統(tǒng)計學意義，有助于鑒別診斷PCa與BPH；定量參數(shù)能量、不均勻度PCa組數(shù)值高于BPH組，熵、偏度及標準差低于BPH組，與國內(nèi)學者許崗等[14]研究結(jié)果一致。而相應(yīng)五個參數(shù)值在BPH T2WI低信號結(jié)節(jié)及T2WI混雜偏低信號結(jié)節(jié)組間相仿。分析其中相關(guān)原因，可能是：前列腺癌區(qū)域內(nèi)有大量緊密排列癌變的腺體組織，黏蛋白和液體的含量明顯減少，組織成分及紋理相對均勻，熵值、偏度及標準差較低，而能量值較高；而前列腺增生結(jié)節(jié)是腺體和基質(zhì)增生的混合物，結(jié)節(jié)內(nèi)可出現(xiàn)囊性變，組織成分及紋理混雜，熵值、偏度及標準差值較高，而能量值較低。本研究中標準差鑒別PCa組和BPH組的AUC值為0.832，當截點為0.5804時，其診斷敏感性為68.75%、特異性為89.29%；而熵則同時有較高的敏感度及診斷效能。既往有學者研究單獨T2WI序列診斷PCa的敏感度為56%、特異度為63%[15]。本研究結(jié)合影像組學方法可進一步提升T2WI在鑒別診斷PCa中的價值。近年來，不少學者結(jié)合T2WI紋理分析對前列腺病變進行研究。Bate等[16]通過對前列腺移行帶內(nèi)前列腺特異性膜抗原的研究，發(fā)現(xiàn)前列腺特異性膜抗原的表達異常與T2WI中的紋理改變相關(guān),為移行帶前列腺癌的檢出提供了新的依據(jù)。Nketiah[17]通過紋理分析，發(fā)現(xiàn)T2WI-MRI衍生的結(jié)構(gòu)特征與前列腺癌組織的潛在病理生理學相關(guān)，可反映前列腺癌的侵蝕性；國內(nèi)學者劉瑤等[18]基于T2WI影像組學方法對前列腺癌與前列腺增生的預測,分析各種方法的靈敏度,特異度、準確率。Sidhu等[19]對前列腺移行帶進行多參數(shù)MRI紋理分析，發(fā)現(xiàn)前列腺癌ADC直方圖等峰值及T1WI圖的熵值明顯降低。這些基于MRI圖像上的紋理分析研究顯示，影像組學分析方法在前列腺腫瘤鑒別診斷中的效能較高，且研究中對前列腺良惡性病變的診斷進行了預測性分析，是磁共振檢查方法的額外補充。

本研究不足：(1)本研究受人群代表性的限制，所得到的結(jié)果需經(jīng)過未來研究的驗證；(2)樣本量較小，但研究方法是新興技術(shù)，結(jié)果仍有統(tǒng)計學意義；(3)僅鑒別前列腺良性增生與前列腺癌，未進行解剖學分區(qū)的定位。

綜上所述, MRI-T2WI紋理分析對前列腺良惡性病變的鑒別診斷及預測具有一定價值，診斷客觀性強，隨著樣本量擴大、設(shè)備性能提升、算法升級、更多數(shù)據(jù)的完善，紋理分析將會廣泛應(yīng)用于臨床鑒別診斷中。