基于磁共振T2WI 影像組學在預(yù)測直腸癌術(shù)前淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的應(yīng)用研究

施 新，張菊香，黃 娟

（上海市第十人民醫(yī)院崇明分院影像科，上海 202157）

直腸癌是消化道最常見的腫瘤之一，也是癌癥死亡第二大原因[1]。直腸癌術(shù)前評估淋巴結(jié)是否存在轉(zhuǎn)移可以為確定進行輔助治療或追加手術(shù)切除等方面提供重要信息[2]。磁共振由于其高分辨率，廣泛用于直腸癌的早期診斷及臨床治療指導。但磁共振評估淋巴結(jié)狀態(tài)多基于形態(tài)學，如大小、形狀等，識別淋巴結(jié)是否為轉(zhuǎn)移的效能有限[3]。影像組學可以高通量地從醫(yī)學圖像中提取、挖掘肉眼無法檢測的定量圖像特征及代謝、生物信息，在腫瘤早期診斷、治療評估和預(yù)后預(yù)測等方面發(fā)揮重要作用。本研究回顧性分析2018 年1 月—2020 年1 月經(jīng)手術(shù)病理證實的67 例直腸癌患者，基于T2WI 序列建立影像組學模型，探討該模型預(yù)測直腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 直腸癌患者67 例，其中男性45 例(67.2%)，女性22 例(32.8%)，年齡29～90 歲，平均63.6±12.2 歲；經(jīng)手術(shù)病理證實，其中淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移39例，無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移28 例。納入標準：(1)術(shù)前2 周內(nèi)行直腸MRI 檢查；(2)行根治性手術(shù)，術(shù)后病理證實為直腸腺癌，并對所有淋巴結(jié)進行評估。排除標準：(1)T2WI 圖像質(zhì)量欠佳，影響圖像分割及特征提?。?2)術(shù)前接受過靶向治療或免疫治療等。

1.2 磁共振檢查方法 采用聯(lián)影uMR-560 1.5T 核磁共振儀器及腹部相控陣線圈，患者檢查前禁食4小時以上，檢查前使用開塞露1 支以清潔腸道。主要掃描序列包括：橫斷面及矢狀面T2WI，橫斷面T1WI、DWI 及增強掃描。橫斷面T2WI 掃描參數(shù)為：TR 3 500 ms，TE 101 ms，F(xiàn)OV 180 mm，矩陣320×320，層厚3 mm，層數(shù)25，無脂肪抑制。

1.3 影像組學分析

1.3 .1 病變分割及特征提?。簩⒛涿蟮闹蹦c癌病變T2WI 序列DICOM 圖像導入Dr.Wise 科研平臺(http：//keyan.deepwise.com)，由兩名放射科醫(yī)生(分別具有5 年及7 年直腸MRI 閱片經(jīng)驗)手動勾畫病灶最大層面邊界，隨后向病灶上下層面自動拓展，自動生成病變的體積感興趣區(qū)(volume of interest，VOI)，見圖1。通過組間相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)評估其再現(xiàn)性，ICC＞0.8 說明兩位觀察者間組學特征提取的一致性較好。在平臺上提取基于10 種圖像預(yù)處理的7 類影像組學特征，包括一階特征(first order features)、形狀特征(shape features)、灰度共生矩陣(GLCM features)、灰度區(qū)域矩陣(GLSZM features)、灰度游程矩陣(GLRLM features)、灰度相依矩陣(GLDM features)和鄰域灰度差分矩陣(NGTDM features)，共1 906 個特征。

圖1 在Dr.Wise 科研平臺上對病灶范圍進行手動分割

1.3 .2 模型構(gòu)建及評估：采用特征相關(guān)性分析方法對特征進行處理，當2 個特征的線性相關(guān)系數(shù)＞0.9時，移除其中一個特征，以達到緩解特征冗余性的目的。采用基于方差分析的特征篩選方法對特征進一步篩選。采用支持向量機的方法對納入的特征進行分析建模，并采用受試者工作特征曲線(receiver op erating characteristic，ROC)評價模型在預(yù)測直腸癌術(shù)前淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的診斷效能。

1.4 統(tǒng)計學處理 采用SPSS 22.0 統(tǒng)計學軟件對數(shù)據(jù)進行分析。符合正態(tài)分布的計量數(shù)據(jù)以±s 表示。采用K 折交叉(K=5)驗證將樣本分為測試集與驗證集，其思想是將樣本分成5 份，輪流將其中4 份做訓練、1 份做驗證，循環(huán)5 次的結(jié)果取均值作為對算法精度的估計，最終在100%數(shù)據(jù)上訓練模型，相比于隨機拆分是一種更強的模型驗證方法。在平臺上對影像組學特征進行篩選后，采用支持向量機分析建模，繪制ROC 曲線，以曲線下面積(area under the curve，AUC)評估模型的診斷效能，并計算準確度、敏感度及特異度。P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

67 例直腸癌患者中出現(xiàn)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移39 例，無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移28 例。訓練集及驗證集的AUC 值分別為0.91(95%CI：0.85～0.97)和0.75(95%CI：0.63～0.87)。影像組學模型預(yù)測直腸癌術(shù)前淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的敏感度、特異度、準確度、陽性預(yù)測值及陰性預(yù)測值在訓練集分別為87%、64%、78%、77%和78%，在驗證集分別為74%、50%、67%%、67%和58%。評價模型在預(yù)測直腸癌術(shù)前淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的診斷效能的ROC 曲線見圖2～3，決策曲線顯示預(yù)測模型有臨床獲益，見圖4。

圖2 影像組學模型預(yù)測直腸癌術(shù)前淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移（訓練集）

圖3 影像組學模型預(yù)測直腸癌術(shù)前淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移（驗證集）

圖4 決策曲線評估臨床獲益

3 討 論

高分辨率磁共振是識別直腸癌臨床分期最常用的檢查方法，國內(nèi)外關(guān)于預(yù)測直腸癌淋巴結(jié)狀態(tài)的研究大多基于磁共振影像組學。本研究通過提取直腸癌患者磁共振T2WI 圖像病灶的影像組學特征，建立模型預(yù)測直腸癌患者淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移,結(jié)果顯示，訓練集和驗證集中模型預(yù)測直腸癌患者術(shù)前淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的ROC 曲線下面積分別為0.91 和0.75，訓練集的敏感度為0.87，特異度為0.64，準確度為0.78；驗證集的敏感度為0.74，特異度為0.50，準確度為0.67。說明該影像組學模型對直腸癌患者術(shù)前淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移具有良好的預(yù)測價值。

有學者建立基于增強CT 的影像組學模型用于預(yù)測直腸癌淋巴結(jié)狀態(tài)，也獲得較好效能[5-6]。張曉燕等[7]建立4 個基于MRI 影像組學模型預(yù)測淋巴結(jié)狀態(tài)，其中最優(yōu)模型在驗證組中的AUC 值為0.795。YANG 等[8]建立磁共振影像組學模型預(yù)測淋巴結(jié)狀態(tài)，在驗證組的AUC 值為0.80。臨床工作中常規(guī)使用的磁共振查序列，包括T1WI、T2WI、DWI 及增強T1WI 等。ZHOU 等[9]建立基于多參數(shù)(包含T1WI、T2WI、ADC 及增強T1WI)的磁共振圖像的影像組學模型，對預(yù)測淋巴結(jié)狀態(tài)具有較好的診斷效能，在驗證組的AUC 值為0.783，結(jié)合臨床指標后的合并模型的AUC 值為0.801。李夢蕾等[10]通過建立臨床-影像組學列線圖術(shù)前預(yù)測結(jié)直腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，顯示該模型也具有良好的鑒別和校正能力。但大多數(shù)學者在研究磁共振影像組學預(yù)測淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中采用T2WI 序列，T2WI 圖像主要突出組織間橫向弛豫的差別，反映磁場微環(huán)境波動特征的不同，自旋質(zhì)子間頻率差異不大，因此能量傳遞更快，圖像對比度較大，能較好顯示正常組織與病變組織的差異。LI 等[11]基于T2WI 圖像建立預(yù)測淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移模型，其驗證組的AUC 值為0.749。本研究也采用T2WI 圖像進行影像組學建模預(yù)測淋巴結(jié)狀態(tài)，驗證集的AUC 值為0.75，同樣達到較好的診斷效能。

大多數(shù)影像組學分析通常在病灶最大層面進行分割，為了提高組學模型的預(yù)測性能，本研究采用手動方法進行三維VOI 分割，其原因一方面是熟練的放射科醫(yī)生能精準分割病灶邊界[12]，另一方面是關(guān)于直腸癌病變的自動或半自動分割方法尚不完善。本研究選擇的影像組學特征包括2 類，一類是基于特征類，包括一階統(tǒng)計量特征、形態(tài)特征及，紋理特征；另一類是基于過濾器類，包括小波分析、對數(shù)特征等。一階特征及形態(tài)學特征我們易于理解，但紋理特征及小波分析等高階統(tǒng)計特征通常無法通過肉眼直觀檢查，但可能與潛在的病理特征或基因突變、分子通路等有關(guān)，能夠反映腫瘤的生物學特性和異質(zhì)性。最后，臨床決策曲線顯示該模型在臨床中是有獲益的。

綜上所述，基于磁共振T2WI 的影像組學模型在預(yù)測直腸癌患者術(shù)前淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中具有較好價值，有助于推進個體化精準治療。本研究為單中心回顧性研究，樣本量較少，未結(jié)合臨床特征，也未分析瘤周組織，結(jié)合瘤周磁共振影像組學特征可能有助于提高直腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的識別效果，今后還需開展多中心、前瞻性、大樣本量的深入研究。