基于CT衍生的細(xì)胞外容積預(yù)測(cè)肝細(xì)胞癌病理分級(jí)的聯(lián)合模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

李 捷 姜興岳 李乃選

1.濱州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院 (山東 煙臺(tái) 264003)

2.濱州醫(yī)學(xué)院煙臺(tái)附屬醫(yī)院介入血管外科 (山東 煙臺(tái) 264003)

肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)是最常見的肝癌類型之一，其病理分化程度是指腫瘤組織與正常肝細(xì)胞形態(tài)的相似程度[1]。對(duì)于臨床來說，肝細(xì)胞癌的病理分化程度對(duì)于預(yù)后評(píng)估和治療選擇具有重要幫助[2]。一般來說，高分化的肝癌組織(即分化程度良好的組織)預(yù)后較好，低分化的組織(即分化程度差的組織)預(yù)后較差。低分化的HCC更具侵襲性和惡性特征，可能導(dǎo)致更快的腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移，從而影響患者的生存期和復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。此外，病理分化程度對(duì)于HCC治療選擇也具有指導(dǎo)作用。通常來說，高分化的HCC對(duì)于手術(shù)切除、肝移植和局部消融等治療方法的反應(yīng)較好。然而，對(duì)于低分化的HCC，由于其更具侵襲性和惡性特征，手術(shù)療效可能會(huì)受到限制。在這種情況下，可能需要考慮其他治療方法，如放療、靶向藥物治療或化療等[3]。因此，對(duì)于分化不良的HCC患者，可能需要考慮更適當(dāng)?shù)闹委熯x擇，以改善預(yù)后并降低復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。到目前為止，獲取HCC病理分級(jí)的唯一金標(biāo)準(zhǔn)是病理組織活檢。病理組織活檢是一種通過采集組織樣本進(jìn)行顯微鏡下觀察和分析的方法，用于診斷和評(píng)估腫瘤性疾病[4]。盡管這是目前評(píng)估肝細(xì)胞病理分化程度的主要手段之一，但病理活檢仍然存在一些缺點(diǎn)。病理組織活檢通常需要穿刺或手術(shù)切除組織樣本，這對(duì)患者來說是創(chuàng)傷性的。因此，尋找可靠、非侵入性的方法，在確定治療方法之前確定HCC的病理分級(jí)十分重要。

CT衍生的細(xì)胞外容積(extracellular volume，ECV)是一種通過在CT圖像中使用增強(qiáng)劑進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描并計(jì)算得出的參數(shù)[5]。ECV提供了關(guān)于組織微血管彌散和細(xì)胞外間質(zhì)的信息。細(xì)胞外容積是指組織中血管外間質(zhì)的含水容量，包括間質(zhì)、細(xì)胞外基質(zhì)和其他非細(xì)胞成分[6]。由于腫瘤組織的血管和細(xì)胞外間質(zhì)的特點(diǎn)與正常組織不同，CT衍生的ECV可以提供對(duì)腫瘤組織的定量評(píng)估，從而增加對(duì)腫瘤生物學(xué)特征的了解。在該技術(shù)中，患者會(huì)通過靜脈注射一種含有對(duì)比劑(造影劑)的溶液，然后進(jìn)行連續(xù)的CT圖像掃描。這種造影劑會(huì)隨著時(shí)間的推移在血液和細(xì)胞外間質(zhì)之間擴(kuò)散。通過計(jì)算可以得出ECV的數(shù)值，表示為百分比[7-9]。ECV的變化表示腫瘤組織中血管生成和腫瘤間質(zhì)的變化，與腫瘤的侵襲性和預(yù)后相關(guān)。

目前，CT衍生的ECV已被廣泛用于非侵入性病理評(píng)估。其中包括利用ECV評(píng)估HCC患者術(shù)后肝衰竭風(fēng)險(xiǎn)、腎透明細(xì)胞癌的分級(jí)以及晚期直腸癌新輔助化療放療后的完全病理學(xué)反應(yīng)[10-12]。因此，本研究旨在探索CT衍生的ECV在預(yù)測(cè)HCC病理分級(jí)方面的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 患者資料本項(xiàng)回顧性研究已獲得倫理機(jī)構(gòu)審查委員會(huì)的批準(zhǔn)，并豁免了知情同意要求。研究對(duì)象為毓璜頂醫(yī)院和濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院自2014年4月至2023年4月期間，經(jīng)病理學(xué)確認(rèn)HCC且明確了病理分化程度的患者。

入選標(biāo)準(zhǔn)包括：在手術(shù)前4周進(jìn)行腹部CT平掃和動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描的患者；在術(shù)前一周進(jìn)行血清學(xué)和生化檢查的患者；未合并其他腫瘤的患者。排除標(biāo)準(zhǔn)包括：CT圖像質(zhì)量不合格的病例；多發(fā)病灶的HCC患者；在手術(shù)前進(jìn)行射頻消融、TACE、動(dòng)脈栓塞等治療的患者。最終，共有134名患者被納入訓(xùn)練組，81名患者作為完全獨(dú)立的外部驗(yàn)證組。

1.2 規(guī)定病理級(jí)別在本研究中，我們對(duì)病理分化程度進(jìn)行了分類。具體而言，我們將低分化、低-中分化和中分化的HCC判定為高級(jí)別HCC；而將高-中分化和高分化的HCC判定為低級(jí)別HCC。

1.3 數(shù)據(jù)的收集我們請(qǐng)來了三名經(jīng)驗(yàn)豐富的腹部放射科醫(yī)師，分別具有5年、10年和20年的診斷放射學(xué)經(jīng)驗(yàn)。這三名醫(yī)師對(duì)臨床-CT衍生的影像語義特征進(jìn)行了獨(dú)立審查，他們?cè)趯彶檫^程中對(duì)臨床數(shù)據(jù)和影像學(xué)報(bào)告并不知情，但知道患者患有HCC。他們之間進(jìn)行了討論和爭(zhēng)論，直到達(dá)成一致意見。對(duì)以下影像特征進(jìn)行了評(píng)估：(1)病灶最長(zhǎng)徑大小[13]；(2)邊緣特征(平滑與不規(guī)則)[14]；(3)動(dòng)脈期強(qiáng)化(存在與不存在)[15]；(4)門脈期洗脫(存在與不存在)[16]；(5)動(dòng)脈期不均勻強(qiáng)化(存在與不存在)[16]。在回顧性收集和審查的患者記錄中，包括了各種臨床變量，如患者的性別、年齡、血細(xì)胞比容(hematocrit，Hct)、肝炎狀態(tài)(存在或不存在)[17]、肝硬化(存在或不存在)[17]、甲胎蛋白(AFP)水平(≤400ng/mL vs. >400ng/mL)[18]、Child-Pugh分級(jí)(A級(jí)與Β級(jí))[18]以及巴塞羅那臨床肝癌(ΒCLC)分期(A vs. Β或C)[19]。

1.4 圖像分析在PACS系統(tǒng)中，我們調(diào)取了患者的CT平掃圖像和平衡期圖像。我們選擇了腫瘤最大徑所在平面，并分別在腫瘤和腹主動(dòng)脈邊緣周圍勾畫了感興趣區(qū)(region of interest，ROI)來測(cè)量CT值(圖1)。在選擇腫瘤區(qū)域的ROI時(shí)，我們選擇了腫瘤實(shí)性部分進(jìn)行最大ROI的放置；而在選擇腹主動(dòng)脈區(qū)域的ROI時(shí)，我們避開了血管壁來放置最大ROI。不同時(shí)相圖像上的ROI的面積和位置基本相同。這些勾畫過程由兩名放射科醫(yī)生獨(dú)立完成，他們對(duì)所有臨床和病理信息并不知情。我們將平衡期的CT值與平掃期的CT值相減，以得到腫瘤區(qū)域和主動(dòng)脈的絕對(duì)強(qiáng)化值。然后，我們將每位患者的血細(xì)胞比容(hematocrit，Hct)值代入以下公式進(jìn)行計(jì)算：ECV(%)=?HUetumor/?HUaorta[100-Hct(%)][10]。這樣可以計(jì)算出每位患者的CT-ECV值。我們使用類內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC)來評(píng)估勾畫值之間的一致性，ICC值大于0.8表示一致性良好。

圖1A-圖1B 選擇同一水平選擇腹主動(dòng)脈和腫瘤區(qū)域，對(duì)患者平掃CT圖像(1A)和 平衡期CT圖像(1B)繪制ROI。

1.5 CT成像技術(shù)本研究使用了四種不同的CT掃描儀進(jìn)行多期動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描。這四種掃描設(shè)備分別是ICT256(東芝醫(yī)療系統(tǒng)公司)、Optima 660(通用電氣醫(yī)療系統(tǒng)公司)、Philips 64(飛利浦醫(yī)療系統(tǒng)公司)和SOMATOM Definition Flash(西門子醫(yī)療系統(tǒng)公司)。掃描范圍從肺底到髂嵴。我們使用了常規(guī)螺旋掃描模式進(jìn)行平掃圖像的獲取。注射使用的造影劑為碘克沙醇，濃度為320mg/mL，來自恒瑞醫(yī)藥公司。注射速度為3.0～3.5mL/s，總注射量為80～100mL(根據(jù)患者體重計(jì)算，約為1.5mL/kg)。動(dòng)脈期掃描在腹腔上腹主動(dòng)脈水平觸發(fā)衰減閾值(100-150 HU)達(dá)到后的10-20秒開始。門脈期掃描在動(dòng)脈期掃描后延遲20-40秒開始，平衡期(EP)掃描延遲100-120秒開始。掃描參數(shù)如下：管電壓=100-140kV，參考管電流=120-150mAs，增量準(zhǔn)直=60-100mm，螺距=0.6-1.0，旋轉(zhuǎn)時(shí)間=0.4-1.0秒。重建參數(shù)如下：層厚=1.5mm，重建間隔=1mm，使用軟組織卷積核(I31)進(jìn)行重建。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析本研究采用了SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)版本25.0(國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司(IΒM))和R統(tǒng)計(jì)軟件(版本4.2.1)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)于計(jì)量資料，我們使用均值加減標(biāo)準(zhǔn)差表示。我們使用Mann-Whitney U檢驗(yàn)和Student t檢驗(yàn)比較訓(xùn)練集和外部驗(yàn)證集中連續(xù)性變量的差異是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。而分類變量則使用χ2檢驗(yàn)或Fisher精確檢驗(yàn)。通過受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線評(píng)價(jià)各個(gè)模型對(duì)HCC病理分化程度的預(yù)測(cè)效能，計(jì)算相應(yīng)的曲線下面積(area under the curve，AUC)，并使用Delong檢驗(yàn)比較各個(gè)模型AUC的差異，當(dāng)P<0.05時(shí)表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。我們使用Hosmer-Lemeshow檢驗(yàn)，并繪制校準(zhǔn)曲線來評(píng)估聯(lián)合模型在預(yù)測(cè)概率和實(shí)際概率之間的擬合度。通過決策曲線分析(decision curve analysis，DCA)來評(píng)估各個(gè)模型的臨床凈收益率。。我們使用了單因素和多因素logistic回歸來篩選具有顯著性水平(P<0.05)的變量，并形成諾模圖來評(píng)估高級(jí)別HCC的風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié) 果

2.1 患者資料在本研究的訓(xùn)練集中，共有134例病例參與，其中75例被診斷為高級(jí)別HCC，59例被診斷為低級(jí)別HCC。在測(cè)試集中，共有81例病例參與，其中45例為高級(jí)別HCC，36例為低級(jí)別HCC。在所有參與者中，男性有138例，女性有77例。參與者的平均年齡為57.38±10.62歲，年齡范圍從26歲到80歲不等。在訓(xùn)練集和外部驗(yàn)證隊(duì)列之間，對(duì)于患者一般資料的分類信息，并未發(fā)現(xiàn)任何顯著差異(P=0.078-0.965)。

2.2 觀察者間一致性在兩個(gè)醫(yī)院的隊(duì)列中，所有放射科醫(yī)師對(duì)于勾畫值的測(cè)量展示了高度一致性，平均ICC值大于0.80。ECV訓(xùn)練組和ECV驗(yàn)證組的平均ICC值分別為0.81(95%CI=0.73-0.86)和0.86(95%CI=0.79-0.91)。

2.3 諾模圖的開發(fā)與驗(yàn)證根據(jù)單變量分析結(jié)果顯示，有八個(gè)因素對(duì)肝細(xì)胞癌的病理分化程度有顯著影響，包括基于CT衍生的ECV、三個(gè)臨床變量(AFP、肝硬化、ΒCLC分期)，以及四個(gè)CT衍生的影像語義特征(邊緣不規(guī)則、門脈期洗脫、腫瘤最大徑、動(dòng)脈期不均勻強(qiáng)化)。經(jīng)過多變量邏輯回歸分析后，確定了CT衍生的ECV、肝硬化、ΒCLC分期、腫瘤最大徑、動(dòng)脈期不均勻強(qiáng)化作為病理分化程度的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。

表2 訓(xùn)練隊(duì)列中高級(jí)別肝細(xì)胞癌的單變量和多變量Logistic回歸分析

通過構(gòu)建CT衍生的ECV模型，訓(xùn)練集的AUC為0.709(95% CI：0.618～0.800)，外部驗(yàn)證集的AUC為0.806 (95%CI：0.709～0.904)。使用CT衍生的影像語義特征構(gòu)建的模型，訓(xùn)練集AUC為0.819(95%CI：0.749～0.889)，外部驗(yàn)證集AUC為0.792 (95%CI：0.690～0.894)。使用臨床因素構(gòu)建的模型，訓(xùn)練集AUC為0.733 (95%CI：0.651～0.816)，外部驗(yàn)證集AUC為0.777 (95%CI：0.675～0.879)(圖2A、2Β)。根據(jù)多因素邏輯回歸的系數(shù)，將CT衍生的ECV、臨床因素和CT衍生的影像語義特征組合進(jìn)行構(gòu)建，得到了諾模圖(圖2C)，聯(lián)合模型的訓(xùn)練集AUC為0.893 (95%CI：0.837～0.950)，外部驗(yàn)證集AUC為0.896(95% CI：0.825～0.967)。經(jīng)過DeLong檢驗(yàn)，聯(lián)合模型與CT衍生的ECV模型、CT衍生的影像語義特征模型和臨床因素模型進(jìn)行訓(xùn)練集的ROC比較，P值均＜0.05。訓(xùn)練集擬合優(yōu)度H-L檢驗(yàn)的P值為0.387，外部驗(yàn)證集擬合優(yōu)度H-L檢驗(yàn)的P值為0.518，預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖2D、2E)。決策曲線顯示，在高風(fēng)險(xiǎn)閾值概率0.02～0.84范圍內(nèi)，聯(lián)合模型的決策曲線相比于CT衍生的細(xì)胞外容積模型、CT衍生的影像語義特征模型和臨床模型明顯偏上(圖3)。

圖2A-圖2E 訓(xùn)練集(2A)和外部驗(yàn)證集(2B)中的CT衍生的細(xì)胞外容積(藍(lán)色)、CT衍生的影像語義特征(綠色)、臨床模型(紅色)和聯(lián)合模型(紫色)的受試者工作特征 (ROC)曲線。圖2C-2E 列線圖和校準(zhǔn)曲線。圖2C：CT衍生的細(xì)胞外容積、CT衍生影像語義特征結(jié)合臨床因素構(gòu)建聯(lián)合模型列線圖；圖2D-2E：校準(zhǔn)曲線表 明訓(xùn)練集(2D)和外部驗(yàn)證集(2E)的聯(lián)合模型校準(zhǔn)良好。圖3 決策曲線。藍(lán)線代表CT衍生的細(xì)胞外容積模型，綠線代表CT衍生的影像語義特征模型，紅線代表臨床模型，紫代表聯(lián)合模型，對(duì)四個(gè)模型進(jìn)行決策曲線分析，y軸和x軸分別表示標(biāo)準(zhǔn)化凈收益和高風(fēng)險(xiǎn)閾值概率。斜灰色線代表所有患者低級(jí)別HCC的假設(shè)，水平黑線代表所有患者高級(jí)別HCC的假設(shè)。與CT衍生的細(xì)胞外容 積、CT衍生的影像語義特征與臨床因素模型相比，聯(lián)合模型提供了更高的凈收益。

3 討 論

我們的回顧性研究表明，CT衍生的ECV可以作為一個(gè)獨(dú)立的生物學(xué)標(biāo)志物，用于非侵入性區(qū)分高級(jí)別和低級(jí)別HCC。在我們的研究中，我們從CT衍生的影像語義特征和臨床因素中篩選出了腫瘤最大徑、腫瘤動(dòng)脈期不均勻強(qiáng)化、ΒCLC分期[20]和肝硬化這四個(gè)指標(biāo)。這些量化指標(biāo)與實(shí)際臨床應(yīng)用相符。其中，ΒCLC分期是根據(jù)肝癌患者的腫瘤特征、肝功能、病人整體狀態(tài)和肝硬化程度等指標(biāo)確定的主要?jiǎng)澐忠罁?jù)。我們通過結(jié)合CT衍生的影像語義特征和臨床因素構(gòu)建的聯(lián)合模型，能夠獲得更高的效能和臨床凈收益率，幫助臨床醫(yī)生選擇適合HCC患者的治療方案。

在我們的研究中，對(duì)于ECV的測(cè)量是基于HCC組織中造影劑血流動(dòng)力學(xué)的變化。這些變化反映了HCC的血供情況和細(xì)胞外基質(zhì)的改變等[21]。我們認(rèn)為高級(jí)別HCC的ECV較低可能有以下幾個(gè)原因：首先，大多數(shù)病理分化程度差的肝細(xì)胞癌患者常伴有肝硬化，這是肝臟長(zhǎng)期損傷和炎癥反應(yīng)的結(jié)果[22]。肝硬化會(huì)導(dǎo)致肝臟的纖維化和結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而影響對(duì)比劑的分布和動(dòng)力學(xué)，可能導(dǎo)致CT衍生的細(xì)胞外容積下降。第二，ΒCLC分期系統(tǒng)考慮了腫瘤大小、肝功能狀態(tài)以及是否存在局部血管侵犯或遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移[23]。高ΒCLC分期級(jí)別意味著腫瘤較大、肝功能受損，可能與較差的預(yù)后相關(guān)。在高ΒCLC分期級(jí)別的腫瘤中，由于腫瘤負(fù)擔(dān)較重，肝臟正常組織的血供關(guān)系紊亂，可能導(dǎo)致CT衍生的細(xì)胞外容積下降。第三，病理分化程度差的HCC往往表現(xiàn)為較大的腫瘤體積[24]。較大的腫瘤可能與快速生長(zhǎng)、侵襲性增加以及更嚴(yán)重的腫瘤組織壞死有關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤內(nèi)部的血供和對(duì)比劑分布的不均勻性。最后，病理分化程度差的癌細(xì)胞通常具有更高的代謝活性和增加的細(xì)胞增殖能力，導(dǎo)致其對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的需求增加[25]。為了滿足這些需求，癌細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生血管生成相關(guān)因子(如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子VEGF)來促進(jìn)血管形成，使得腫瘤可以獲得更多的血液供應(yīng)。然而，這些新形成的血管結(jié)構(gòu)通常沒有完整的內(nèi)皮細(xì)胞層，導(dǎo)致血管通透性的增加，對(duì)比劑從血管外滲出，進(jìn)一步降低了對(duì)比劑的攝取。同時(shí)，病理分化程度差的癌細(xì)胞還可能通過產(chǎn)生炎癥介質(zhì)如白細(xì)胞介素-6(IL-6)等來引發(fā)炎癥反應(yīng)。急性炎癥反應(yīng)或非特異性炎癥反應(yīng)可能導(dǎo)致血管壁通透性的改變，包括血管壁的收縮和局部血流速度的增加，從而使對(duì)比劑的滯留時(shí)間減少，攝取減少。此外，代謝產(chǎn)物如乳酸和酸性成分的積累也可以改變組織的酸堿平衡，進(jìn)而影響血流動(dòng)力學(xué)和對(duì)比劑的攝取情況。

目前，這項(xiàng)研究仍然存在一些局限性。首先，這是一項(xiàng)回顧性研究，人群樣本相對(duì)有限。第二，CT增強(qiáng)需要使用碘造影劑進(jìn)行血管灌注，而某些患者可能對(duì)碘造影劑過敏或出現(xiàn)不良反應(yīng)，因此，在使用CT增強(qiáng)測(cè)量CT衍生的ECV時(shí)，需要細(xì)心考慮患者的腎功能和過敏史，第三，測(cè)量ECV的精確性受到多種因素的影響，如設(shè)定的平衡期時(shí)長(zhǎng)、血細(xì)胞比容值、圖像的層面校準(zhǔn)等。最后，不同個(gè)體或不同病理狀態(tài)之間存在的生物學(xué)差異可能會(huì)影響ECV的測(cè)量結(jié)果。

綜上所述，基于CT衍生的ECV可以作為一個(gè)可靠的生物學(xué)標(biāo)志物，用于非侵入性地預(yù)測(cè)HCC的病理分級(jí)。我們建立的聯(lián)合模型結(jié)合了影像特征和臨床因素，顯示出較好的預(yù)測(cè)性能，為HCC的個(gè)體化治療提供了新的方向。