基于Gd-EOB-DTPA增強(qiáng)MRI紋理分析與血清學(xué)指標(biāo)預(yù)測(cè)肝細(xì)胞癌微血管侵犯

陳新蕾,李雨蒙,孫瀟楠,朱文玲,朱麗平,李紹東

微血管侵犯(microvascular invasion,MVI)是肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)具有侵襲性的特征之一,是患者術(shù)后復(fù)發(fā)的重要危險(xiǎn)因素[1-2]。術(shù)前預(yù)測(cè)MVI有助于臨床醫(yī)師采取合適的治療方案和評(píng)估患者的預(yù)后具有重要的臨床意義,也是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。病理活檢是診斷MVI的金標(biāo)準(zhǔn),但術(shù)前穿刺活檢的準(zhǔn)確性較低且具有一定侵入性。既往研究已經(jīng)報(bào)道了常規(guī)MRI紋理分析預(yù)測(cè)MVI的初步價(jià)值[3]。同時(shí),作為HCC患者的常規(guī)檢查項(xiàng)目之一的血清學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)在MVI的診斷和預(yù)后評(píng)價(jià)方面同樣具有重要作用[4]。GD-EOB-DTPA是肝細(xì)胞特異性對(duì)比劑,已初步應(yīng)用于肝細(xì)胞癌微血管侵犯的評(píng)價(jià)[5]。本研究中擬對(duì)GD-EOB-DTPA增強(qiáng)MRI紋理分析聯(lián)合血清腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)在術(shù)前預(yù)測(cè)HCC伴有MVI中的價(jià)值進(jìn)行探討。

材料與方法

1.研究對(duì)象

回顧性分析2018年12月-2022年6月在本院經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)為原發(fā)性HCC患者的影像學(xué)數(shù)據(jù)和臨床資料。納入標(biāo)準(zhǔn):①經(jīng)術(shù)后病理證實(shí)為HCC并能獲得是否存在MVI的明確診斷;②術(shù)前一個(gè)月內(nèi)接受GD-EOB-DTPA增強(qiáng)MRI檢查和腫瘤標(biāo)志物的血清學(xué)檢查,后者包括甲胎蛋白(AFP)、谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)、谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)和異常凝血酶原-Ⅱ(PIVKA-Ⅱ);③無(wú)其他惡性腫瘤病史。排除標(biāo)準(zhǔn):①術(shù)前進(jìn)行消融或栓塞等HCC相關(guān)治療;②病理或影像學(xué)檢查提示肝內(nèi)病變?yōu)槎喟l(fā);③術(shù)前MRI檢查提示存在大血管侵犯;④MRI圖像質(zhì)量欠佳,影響判讀。

最終將206例HCC患者納入本研究。按照9:1的比例將所有患者分為訓(xùn)練組及驗(yàn)證組。訓(xùn)練組共納入185例患者,男128例,女57例,年齡37～76歲,中位年齡56歲;91例有MVI,94例無(wú)MVI。驗(yàn)證組共納入21例患者,男13例,女8例,年齡40～75歲,中位年齡58歲;9例有MVI,12例無(wú)MVI。記錄患者的各項(xiàng)臨床資料,包括性別、年齡、身高、體重以及有無(wú)肝硬化。

2.MRI掃描

使用GE Signal 3.0T磁共振掃描儀進(jìn)行MRI掃描。常規(guī)行T1WI、T2WI以及肝臟容積加速采集(li-ver acquisition with volume acceleration,LAVA)增強(qiáng)掃描。采用水脂分離及同反向位技術(shù)的LAVA-FLEX序列進(jìn)行T1WI掃描;采用呼吸觸發(fā)單次激發(fā)快速自旋回波(FSE)序列進(jìn)行T2WI掃描;LAVA增強(qiáng)掃描主要參數(shù):TR 5.0 ms,TE 2.5/1.3 ms,矩陣256×180,帶寬142.86 KHz,視野40 cm×40 cm,層厚5.0 mm;預(yù)掃描蒙片后,利用高壓注射器以2.5 mL/s的流率靜脈注射Gd-EOB-DTPA,劑量0.025 mmol/kg,隨后注射20 mL生理鹽水,分別于注射Gd-EOB-DTPA后20 s、70 s、300 s和20 min采集動(dòng)脈期、門靜脈期、延遲期及肝膽期圖像,單期掃描時(shí)間為15 s,每期掃描88層。

3.紋理分析

所有患者的MRI圖像均以DICOM格式從PACS系統(tǒng)導(dǎo)入MaZda 4.6軟件進(jìn)行紋理分析。在紋理特征提取之前,對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,主要步驟:①將圖像的像素調(diào)整為12位;②使用MaZda軟件對(duì)圖像灰度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,減少由于圖像對(duì)比度和亮度帶來(lái)的誤差。然后,由兩位高年資醫(yī)師(具有10年以上工作經(jīng)驗(yàn))分別進(jìn)行ROI的勾畫:在肝膽期MRI圖像上選擇腫瘤直徑最大層面,沿腫瘤的實(shí)性區(qū)域勾畫ROI,注意避開血管、壞死和囊變區(qū)域(圖1)。為了減少主觀因素可能帶來(lái)的誤差,這兩位醫(yī)師對(duì)所有患者的病情并不知情。每例患者自ROI共提取紋理特征參數(shù)837個(gè)。

圖1 患者,男,63歲,發(fā)現(xiàn)肝右后葉巨大占位,術(shù)后病理證實(shí)為HCC合并MVI。a)動(dòng)脈期圖像示肝右后葉內(nèi)類圓形病灶呈明顯不均勻強(qiáng)化;b)門靜脈期圖像示病灶強(qiáng)化程度減低;c)肝膽期圖像示病灶呈低信號(hào),表明病灶總體而言呈“快進(jìn)快出”樣強(qiáng)化;d)使用MaZda紋理分析軟件,在肝膽期圖像上沿病灶邊緣勾畫ROI,提取病灶的紋理特征。

4.紋理特征的選擇和降維

使用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient,ICC)分析兩位醫(yī)師自勾畫的ROI所提取的組學(xué)特征值的一致性。ICC>0.75認(rèn)為一致性良好。首先排除ICC<0.75的紋理特征,以此提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性;然后,對(duì)含有方向的紋理特征進(jìn)行平均整合;隨后,采用隨機(jī)森林算法剔除次要特征;最后,為了排除不同紋理特征之間的共線性,剔除相關(guān)系數(shù)值>0.6的特征。

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用R 3.5.1和SPSS 23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Shapiro-Wilk和Levene檢驗(yàn)分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn),然后采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)(不符合正態(tài)分布)或t檢驗(yàn)(符合正態(tài)分布)比較MVI組與非MVI組之間各項(xiàng)紋理特征和血清學(xué)指標(biāo)的差異。最后,采用多因素logistic回歸分析探究MVI的影響因素。

結(jié) 果

肝細(xì)胞癌MVI組與非MVI組之間臨床資料的比較結(jié)果見表1。兩組之間BMI的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),年齡、性別構(gòu)成和合并肝硬化者的占比在兩組之間的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表1 MVI組與非MVI組之間臨床資料的比較

2.紋理特征提取

本研究中自訓(xùn)練集中每個(gè)HCC病灶共提取837個(gè)紋理特征。首先將ICC<0.75的438個(gè)一致性較小的紋理特征剔除;隨后,將剩余的特征進(jìn)行方向選擇,對(duì)0°、45°、90°和135°四個(gè)方向的特征值取平均值;再將剩余的72個(gè)特征采用隨機(jī)森林法進(jìn)行降維后,得到20個(gè)最優(yōu)紋理特征(圖2)。對(duì)這20個(gè)特征進(jìn)行相關(guān)分析以排除高共線性特征,最終獲得7個(gè)相關(guān)性最大的紋理特征:GLCM_Energy,SumAverg,DifVarnc,CE_Entropy、Teta2、Mean和Sigma(圖3)。

圖2 降維圖。將72個(gè)特征采用隨機(jī)森林法進(jìn)行降維,圖中顯示每個(gè)變量的重要性(縱坐標(biāo)為變量重要性),再進(jìn)行方差檢驗(yàn)篩選出20個(gè)特征(綠色框)。

對(duì)7項(xiàng)紋理特征進(jìn)行組間比較,結(jié)果顯示:MVI組的GLCM_Energy、SumAverg、DifVarnc和CE_Entropy值顯著高于非MVI組,而Teta2值顯著低于非MVI組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

3.血清學(xué)指標(biāo)分析

兩組的血清學(xué)指標(biāo)測(cè)量值及組間比較詳見圖4。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,MVI組的ALT、AFP和PIVKA-Ⅱ水平均高于非MVI組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

圖4 7個(gè)相關(guān)性最大的紋理特征及3個(gè)血清學(xué)指標(biāo)測(cè)量值的箱式圖及組間差異分析結(jié)果。MVI組的2個(gè)紋理特征(GLCM_Energy、CE_Entropy)和血清學(xué)指標(biāo)PIVKA-Ⅱ的均值顯著高于非MVI組,組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。注:*P<0.05;** P<0.01;*** P<0.001。

4.紋理特征、血清學(xué)指標(biāo)及聯(lián)合模型預(yù)測(cè)MVI的效能

在校正相關(guān)協(xié)變量后,MVI組的GLCM_Energy和CE_Entropy仍顯著高于非MVI組(P<0.05),而其它紋理特征的組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);在校正相關(guān)協(xié)變量后血清學(xué)指標(biāo)中僅PIVKA-Ⅱ值的組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)?；谏鲜龅?項(xiàng)紋理特征和1項(xiàng)血清學(xué)指標(biāo)構(gòu)建的聯(lián)合模型預(yù)測(cè)MVI的ROC曲線如圖5所示。Logistic回歸分析結(jié)果見表2。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示GLCM_Energy、CE_Entropy和PIVKA-Ⅱ均對(duì)HCC發(fā)生MVI具有一定的預(yù)測(cè)效能(P<0.001)。

表2 獨(dú)立影響因素和聯(lián)合模型在驗(yàn)證集中預(yù)測(cè)HCC合并MVI的效能

圖5 各單一變量及聯(lián)合模型對(duì)MVI預(yù)測(cè)效能的ROC曲線。a)GLCM_Energy,AUC為0.771(95%CI:0.704～0.829);b)CE_Entropy,AUC為0.719(95%CI:0.648～0.782);c)PIVKA-Ⅱ,AUC為0.769(95%CI:0.701～0.827);d)聯(lián)合模型,AUC為0.888(95%CI:0.833～0.930)。

聯(lián)合上述2項(xiàng)紋理特征及血清學(xué)指標(biāo)PIVKA-Ⅱ構(gòu)建的聯(lián)合模型對(duì)HCC發(fā)生MVI具有更高的預(yù)測(cè)效能(圖5),AUC 達(dá)0.888(95%CI:0.833～0.930),敏感度為84.6%(95%CI:75.5%～91.3%),特異度為79.8%(95%CI:70.2%～87.4%)。

5.獨(dú)立隊(duì)列驗(yàn)證

在驗(yàn)證集中,使用訓(xùn)練集擬合模型在驗(yàn)證集上測(cè)試模型,通過(guò)比較不同模型的測(cè)試MSE選出最佳模型,結(jié)果表明,紋理特征GLCM_Energy、CE_Entropy和血清學(xué)指標(biāo)PIVKA-Ⅱ能夠預(yù)測(cè)MVI(P<0.05);聯(lián)合模型具有更高的預(yù)測(cè)效能,AUC為0.860(95%CI:0.726～0.944),詳見表2。

討 論

建立合適的預(yù)測(cè)模型是術(shù)前預(yù)測(cè)MVI的一種較被廣泛認(rèn)可的方法[6],本研究中初步探討了基于Gd-EOB-DTPA增強(qiáng)MRI提取的紋理特征聯(lián)合腫瘤標(biāo)志物相關(guān)的血清學(xué)指標(biāo)在術(shù)前預(yù)測(cè)MVI中的價(jià)值,結(jié)果表明基于MRI紋理特征與血清學(xué)指標(biāo)構(gòu)建的聯(lián)合模型在術(shù)前預(yù)測(cè)HCC伴有MVI中具有較高的應(yīng)用價(jià)值,有利于提高預(yù)測(cè)效能。

對(duì)于HCC MVI的預(yù)測(cè),既往的臨床研究中采用了多種模式?；贖CC患者的DWI圖像預(yù)測(cè)MVI的研究結(jié)果顯示,因MVI 1～2級(jí)的病灶內(nèi)毛細(xì)血管微循環(huán)血流灌注減低,故病灶的ADC值下降[7,8],但DWI穩(wěn)定性相對(duì)較差,總體而言相關(guān)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性不夠高。基于MR T2WI的紋理分析預(yù)測(cè)MVI的研究結(jié)果表明,T2WI因其較好的分辨率、一致性和可重復(fù)性,在術(shù)前預(yù)測(cè)HCC合并MVI方面具有一定價(jià)值,預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性較高[3]。但由于選取的參數(shù)單一,尚需探討能否基于其它序列(動(dòng)態(tài)增強(qiáng))的圖像提取更多有意義的紋理特征信息。

本研究中聯(lián)合運(yùn)用基于Gd-EOB-DTPA增強(qiáng)肝膽期磁共振圖像的紋理分析和血清學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)來(lái)探討其預(yù)測(cè)HCC合并MVI的價(jià)值[9]。首先,作為肝膽特異性MRI對(duì)比劑,具有正常功能的肝細(xì)胞在攝取Gd-EOB-DTPA對(duì)比劑后的肝膽期表現(xiàn)為明顯強(qiáng)化呈高信號(hào),肝細(xì)胞功能受損或不含正常功能肝細(xì)胞的病變對(duì)Gd-EOB-DTPA的攝取能力下降,導(dǎo)致其肝膽期信號(hào)不同程度減低,故此期圖像上腫瘤組織與周圍肝實(shí)質(zhì)的信號(hào)差異較使用常規(guī)對(duì)比劑時(shí)更為明顯,且腫瘤的邊界更清晰,使得對(duì)肝癌病灶的分割更加準(zhǔn)確[10]。此外,肝膽期圖像在一定程度上能反映肝癌細(xì)胞的分化程度,不同分化程度的HCC發(fā)生MVI的風(fēng)險(xiǎn)不同[11]。因此,本研究中選擇肝膽期圖像進(jìn)行紋理分析。其次,紋理分析技術(shù)是放射學(xué)領(lǐng)域一種較新的研究方法,該方法能夠從圖像中提取高通量信息,并將其轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行分析的定量數(shù)據(jù)。此外,有研究結(jié)果顯示部分臨床血清學(xué)指標(biāo),如AFP、去飽和-γ-羥基凝血酶原(DCP)、PIVKA-Ⅱ、血小板與淋巴細(xì)胞的比值(PLR)、中性粒細(xì)胞與淋巴細(xì)胞的比值(NLR)、淋巴細(xì)胞與單核細(xì)胞的比值(LMR)和天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶與血小板比值(APRI)等,與HCC患者M(jìn)VI的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)[12]。因此,血清學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)常作為肝臟腫瘤患者術(shù)前的一項(xiàng)常規(guī)檢查項(xiàng)目,并且血清學(xué)指標(biāo)相對(duì)于病理及影像學(xué)資料而言,在臨床實(shí)踐中更易獲得,其準(zhǔn)確性、客觀性較強(qiáng),因此利用血清學(xué)指標(biāo)建立預(yù)測(cè)模型對(duì)于MVI的早期預(yù)測(cè)具有較高的臨床實(shí)用價(jià)值[4,13]。

本研究中對(duì)自每個(gè)病灶ROI初步提取的837個(gè)紋理特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)降維后,篩選出7個(gè)獨(dú)立的紋理特征,再進(jìn)行組間比較,獲得組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的5個(gè)紋理特征,采用ROC曲線分析這5個(gè)參數(shù)對(duì)MVI的預(yù)測(cè)效能,結(jié)果顯示GLCM_Energy和CE_Entropy的AUC分別為0.771和0.719。GLCM_Energy(能量)是灰度共生矩陣各元素值的平方和,是度量圖像紋理灰度變化的穩(wěn)定程度的指標(biāo),反映了圖像灰度分布均勻程度和紋理粗細(xì)度。能量值大表明圖像上ROI內(nèi)是一種規(guī)則變化的較為穩(wěn)定的紋理。CE_Entropy(熵),用于估計(jì)ROI內(nèi)灰度像素強(qiáng)度的不均勻性和不規(guī)則性。較高的熵值反映了更大的成像不均勻性,它可能是組織病理學(xué)上顯示的腫瘤異質(zhì)性和侵襲性的一種成像生物標(biāo)志物。在廣譜的紋理特征的分析中,熵已被證明是局灶性肝臟病變的一個(gè)潛在預(yù)測(cè)因子[6]。另外,本研究結(jié)果顯示組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的血清學(xué)指標(biāo)為PIVKA-Ⅱ,其AUC為0.769,與Poté等[14]的研究結(jié)果基本一致。PIVKA-Ⅱ在一定程度反映了機(jī)體在對(duì)抗腫瘤生長(zhǎng)的平衡狀態(tài)[15]。有研究表明,與術(shù)前血清內(nèi)低水平PIVKA-Ⅱ的HCC患者相比,術(shù)前血清內(nèi)高水平PIVKA-Ⅱ的HCC患者更容易形成門靜脈癌栓和微血管浸潤(rùn)[16]。雖然這些參數(shù)在一定程度上能反映MVI組與非MVI組之間腫瘤的異質(zhì)性,但單一參數(shù)預(yù)測(cè)HCC伴有MVI的效能較低。進(jìn)一步分析比較紋理特征及紋理特征聯(lián)合血清學(xué)指標(biāo)診斷MVI的效能,結(jié)果顯示,紋理特征聯(lián)合血清學(xué)指標(biāo)的診斷效能明顯高于單一的紋理特征,聯(lián)合模型的AUC提高至0.888,敏感度達(dá)84.62%,特異度為79.79%。并且在驗(yàn)證組中也能獲得較好的預(yù)測(cè)效能。

目前,已有學(xué)者報(bào)道了增強(qiáng)MRI紋理分析在預(yù)測(cè)HCC合并MVI中的應(yīng)用價(jià)值。馬霄虹等[17]基于常規(guī)增強(qiáng)MRI的紋理分析預(yù)測(cè)HCC合并MVI,訓(xùn)練集中動(dòng)脈期和門靜脈期影像組學(xué)模型診斷MVI的ROC下面積分別為0.774和0.681,基于動(dòng)脈期紋理特征構(gòu)建的模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性更高,但其AUC略低于本研究中Gd-EOB-DTPA增強(qiáng)MRI肝膽期紋理特征GLCM_Energy和CE_Entropy的AUC(分別為0.771和0.719),其原因可能是上述研究采用常規(guī)Gd對(duì)比劑進(jìn)行增強(qiáng)MRI,而本研究中采用Gd-EOB-DTPA作為對(duì)比劑,選取的是肝膽期增強(qiáng)圖像,所提取的特征能更準(zhǔn)確地反映HCC的異質(zhì)性等相關(guān)信息。黃京城等[18]對(duì)增強(qiáng)MRI動(dòng)脈期、門靜脈期及延遲期圖像分別進(jìn)行影像組學(xué)特征的提取,選擇最優(yōu)影像組學(xué)模型并結(jié)合臨床-影像特征模型構(gòu)建臨床-影像-組學(xué)模型。結(jié)果顯示3期聯(lián)合影像組學(xué)模型的診斷效能達(dá)到最優(yōu),在訓(xùn)練組與測(cè)試組中的AUC分別為0.934及0.911,其AUC高于本研究中的結(jié)果,其原因可能是采用了3期圖像來(lái)提取紋理特征。張泳欣等[19]建立了一個(gè)基于臨床-影像特征及血液學(xué)指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型,其術(shù)前預(yù)測(cè)肝癌MVI的AUC為0.895,略高于本研究中的聯(lián)合模型,其原因可能是上述研究在評(píng)估影像特征時(shí),較本研究中納入了更多的臨床和影像特征,如淋巴結(jié)計(jì)數(shù)、VEGF-A血清濃度等指標(biāo),既往已有研究結(jié)果表明這些指標(biāo)是MVI的重要預(yù)測(cè)因子[20]。

本研究存在一定的局限性:第一,這是一項(xiàng)回顧性研究,可能存在樣本選擇偏倚;第二,紋理分析中ROI邊界的勾畫由放射科醫(yī)師手動(dòng)完成,受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的影響較大;第三,僅對(duì)本研究中納入的病例基于是否存在MVI進(jìn)行分組和評(píng)價(jià),而實(shí)際工作中HCC MVI分為三個(gè)級(jí)別,MVI 0級(jí)(即本研究中的HCC無(wú)MVI)、MVI 1級(jí)、MVI 2級(jí)(MVI 1級(jí)和MVI 2級(jí)即本研究中的HCC合并MVI),尚需要針對(duì)MVI分級(jí)進(jìn)一步展開研究。

綜上所述,基于Gd-EOB-DTPA增強(qiáng)肝膽期MRI圖像提取的紋理特征(GLCM_Energy和CE_Entropy)和血清學(xué)腫瘤標(biāo)志物(PIVKA-Ⅱ)構(gòu)建的聯(lián)合模型可用于術(shù)前預(yù)測(cè)HCC合并MVI,且具有較高的預(yù)測(cè)效能。