CT影像組學(xué)在兒童縱隔神經(jīng)母細(xì)胞瘤與節(jié)細(xì)胞神經(jīng)母細(xì)胞瘤鑒別診斷中的價值

李 鑫，楊 明，王樹杰，常利名，李光民，高修成*

（1.唐山市婦幼保健院放射科，河北唐山063000；2.南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院放射科，南京210008；3.唐山市工人醫(yī)院放射科，河北唐山063000）

0 引言

外周神經(jīng)母細(xì)胞源性腫瘤（peripheral neuroblastic tumours，pNT）是嬰幼兒最常見的顱外實(shí)體腫瘤[1]，年發(fā)病率約1.05/10萬[2]，致死率居兒童惡性腫瘤的第3位。pNT起源于交感神經(jīng)節(jié)的原始神經(jīng)外胚層神經(jīng)峭細(xì)胞，屬胚胎性腫瘤，沿交感神經(jīng)鏈分布，多發(fā)生于腎上腺、后縱隔、頸部和盆腔，其中縱隔發(fā)病率約占15%[1，3]。根據(jù)分化程度不同，pNT可分為節(jié)細(xì)胞神經(jīng)瘤（ganglioneuroma，GN）、節(jié)細(xì)胞神經(jīng)母細(xì)胞瘤（ganglioneuroblastoma，GNB）和神經(jīng)母細(xì)胞瘤（neuroblastoma，NB）3種。其中NB和GNB屬于惡性腫瘤[4]，兩者臨床及CT表現(xiàn)相似，鑒別困難，但惡性程度和預(yù)后差異較大，故術(shù)前精確診斷對治療方式的選擇及預(yù)后評估具有重要意義。本研究采用影像組學(xué)方法對NB和GNB的CT圖像進(jìn)行客觀、量化分析，評估其鑒別診斷的價值，以期為臨床治療提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性收集南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院2014年1月至2019年7月經(jīng)病理證實(shí)的縱隔NB患兒和GNB患兒的臨床資料。其中，NB患兒13例（男6例、女7例），年齡（1.8±1.3）歲（NB組）；GNB患兒17例（男9例、女8例），年齡（4.1±1.5）歲（GNB組）。納入標(biāo)準(zhǔn)：符合診斷標(biāo)準(zhǔn)且經(jīng)病理證實(shí)為NB或GNB；患兒術(shù)前1周均行CT平掃及動脈期、靜脈期增強(qiáng)掃描；CT檢查前均未接受手術(shù)及放化療治療；圖像清晰，病灶顯示佳。排除標(biāo)準(zhǔn)：臨床及病理資料不全及圖像質(zhì)量欠佳者；CT檢查前進(jìn)行放化療或手術(shù)治療者。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 CT數(shù)據(jù)采集

采用飛利浦256或64排螺旋CT機(jī)進(jìn)行掃描。患兒取仰臥位，不配合的患兒檢查前口服10%水合氯醛（1 mL/kg）。采用平掃及動脈期、靜脈期增強(qiáng)掃描，掃描層厚0.675 mm，重組層厚3.0 mm，層間距3.0 mm，管電壓80 kV，管電流采用自動毫安秒調(diào)節(jié)技術(shù)，掃描范圍自胸廓入口至肺底，并用鉛皮防護(hù)生殖器。CT增強(qiáng)掃描采用高壓注射器經(jīng)肘靜脈注射對比劑，對比劑采用劑量為1.5 mL/kg的碘海醇，注射速率1.8～2.0 mL/s，分別于注射后20和60 s獲得動脈期、靜脈期圖像。

1.3 圖像處理及影像組學(xué)特征提取

將NB和GNB病例的3期CT圖像分別導(dǎo)入ImageJ軟件，由有10 a CT診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師逐層勾畫出腫瘤區(qū)域作為感興趣區(qū)（region of interest，ROI）。影像組學(xué)特征提取由東南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人員采用Phtyon語言編寫的圖像分析軟件自動得出，使用二維小波基進(jìn)行分解，得到共計4個子空間，記為ILL、ILH、IHL和IHH，原始圖像信息主要集中在ILL，ILH包含水平細(xì)節(jié)，IHL包含垂直細(xì)節(jié)，IHH包含對角線方向的邊緣信息，故將ILL、ILH和IHL3個子空間作為特征提取的對象，計算不同半徑同心圓內(nèi)像素的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。研究中提取的特征包括一階灰度統(tǒng)計特征（5%~95%每間隔5%的各百分比CT值、平均值、最小值、最大值、峰度、偏度、熵及方差）、紋理特征（對比度、差異性、均勻性、能量及相關(guān)性）及小波特征（ILL、ILH和IHL3個子空間不同半徑同心圓的均值和標(biāo)準(zhǔn)差）等共104個特征參數(shù)，選取一階灰度特征參數(shù)值繪制成直方圖，如圖1、2所示。

圖1 NB患兒增強(qiáng)CT動脈期直方圖

圖2 GNB患兒增強(qiáng)CT動脈期直方圖

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，驗(yàn)證NB和GNB 2組數(shù)據(jù)的正態(tài)性，符合正態(tài)分布以±s表示，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行兩組間比較，不符合正態(tài)分布的計量資料采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。繪制ROC曲線確定診斷效能，AUC值為0.7～0.8代表具有一定的診斷效能，AUC值＞0.8代表具有良好的診斷效能[5]。

2 結(jié)果

2.1 NB和GNB 2組特征參數(shù)值差異

NB與GNB 2組數(shù)據(jù)均呈正態(tài)分布，其中平掃（49個）、動脈期（35個）及靜脈期（26個）的特征參數(shù)值差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。平掃特征參數(shù)包括平均值、最小值、偏度、Mode-count（模式-計數(shù)）、Percentile（百分位數(shù)，20th~95th）及小波；動脈期特征參數(shù)包括平均值、峰度、Mode-value（模式-值）、Percentile（10th~95th）、小波；靜脈期特征參數(shù)包括平均值、峰度、Modevalue、Percentile（10th~95th）、小波。

2.2 NB和GNB特征參數(shù)診斷效能比較

平掃特征參數(shù)值中AUC值＞0.7的共有27個，詳見表1。其中二階小波ILH1/4半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差（V68）和二階小波IHL1/4半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差（V69）的AUC值最大，為0.873，見表1，如圖3所示。動脈期特征參數(shù)值中AUC值＞0.7的共有13個，詳見表2。其中一階小波IHL1/4半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差（V45）的AUC值最大，為0.888，見表2，如圖4所示。靜脈期特征參數(shù)值中AUC值＞0.7的共有6個，詳見表3。其中一階小波ILH1/4半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差（V44）和一階小波ILH1/8半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差（V50）的AUC值最大，為0.800，見表3，如圖5所示。3期中具有診斷效能的均為小波參數(shù)，其中3期中均有4種特征參數(shù)可鑒別NB和GNB的差異，分別為一階小波ILH1/4半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差、一階小波ILH1/8半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差、一階小波IHL1/8半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差和二階小波ILH1/4半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差。

表1 基于CT平掃圖像提取的2組特征參數(shù)值差異性比較

3 討論

生物學(xué)異質(zhì)性是腫瘤的重要特征之一，CT影像組學(xué)能夠有效量化腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性，以影像組學(xué)參數(shù)構(gòu)建預(yù)測模型可用于腫瘤的鑒別。目前影像組學(xué)多用于腫瘤的研究，尤其是小波變換在兒童顱后窩腦腫瘤的分類中取得了較好的效果[6]。Huang等[7]創(chuàng)新性地應(yīng)用影像組學(xué)對早期非小細(xì)胞肺癌分期進(jìn)行研究，從大量圖像中提取、篩選出了有意義的影像組學(xué)特征，運(yùn)用LASSO-logistic方法構(gòu)建了有效的影像組學(xué)模型，在非小細(xì)胞肺癌術(shù)前預(yù)測方面具有一定價值，為臨床決策提供了參考。徐肖攀等[8]分析了基于高階導(dǎo)數(shù)變換的紋理特征在膀胱腫瘤中的應(yīng)用研究進(jìn)展，說明基于CT圖像的影像組學(xué)特征可以進(jìn)行腫瘤的分類及預(yù)測。既往研究[9]報道，CT是診斷縱隔神經(jīng)母細(xì)胞源性腫瘤的重要影像方法，在腫瘤的診斷及分期中具有重要價值。目前也已有報道CT影像組學(xué)鑒別非小細(xì)胞肺癌縱隔轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)的研究[10]，但鮮見采用影像組學(xué)進(jìn)行兒童縱隔腫瘤鑒別診斷的報道。本研究基于CT平掃、增強(qiáng)后動脈期及靜脈期的圖像進(jìn)行影像組學(xué)分析，評估其量化鑒別兒童縱隔NB及GNB的價值，可為臨床術(shù)前診斷提供信息。

本研究發(fā)現(xiàn)，基于CT圖像的NB及GNB的影像組學(xué)特征有統(tǒng)計學(xué)差異，其中具有診斷效能的參數(shù)為一階統(tǒng)計參數(shù)（峰度）、二階紋理特征及小波特征[6，11]。研究顯示CT平掃（49個）、動脈期（35個）、靜脈期（26個）特征參數(shù)值差異有統(tǒng)計學(xué)意義，這說明基于CT圖像的影像組學(xué)可以定量、客觀地評估這2種惡性縱隔腫瘤的異質(zhì)性。在NB與GNB的3個時相的特征分析中，均有4組特征（一階小波ILH1/4半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差、一階小波ILH1/8半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差、一階小波IHL1/8半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差及二階小波ILH1/4半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差）可鑒別二者的差異，這說明無論是平掃還是增強(qiáng)掃描均有穩(wěn)定的特征可鑒別NB與GNB。這些特征在不同的增強(qiáng)狀態(tài)及用藥前后均穩(wěn)定存在，與患者呼吸和運(yùn)動造成的圖像上細(xì)微的差別影響不大，說明是可以鑒別NB與GNB的穩(wěn)定參數(shù)，但是其具體所代表的腫瘤的病理特征尚不能明確。

圖3 平掃ROC曲線

表2 基于CT動脈期圖像提取的2組特征參數(shù)值差異性比較

圖4 動脈期ROC曲線

同時，本研究還顯示了動脈期的一階小波IHL1/4半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差的ROC的AUC值最大，為0.888。出現(xiàn)診斷效能最高的參數(shù)位于動脈期的原因可能是由于細(xì)胞種類和構(gòu)成方面的差異造成微觀特征表現(xiàn)不同。NB由未分化的神經(jīng)母細(xì)胞構(gòu)成，實(shí)性成分稍多而細(xì)胞外基質(zhì)較少，同時由于其多伴有鈣化、出血、壞死、囊變，因此內(nèi)部異質(zhì)性明顯。而GNB由神經(jīng)細(xì)胞及不同分化程度的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、神經(jīng)纖維細(xì)胞及黏液基質(zhì)構(gòu)成，其內(nèi)部異質(zhì)性略低于NB[12]。王攀鴿等[13]報道了CT強(qiáng)化特征有助于鑒別兒童縱隔NB及GNB。其研究顯示，NB與GNB各期CT值比較均無統(tǒng)計學(xué)差異，但NB動脈期強(qiáng)化較GNB明顯，有統(tǒng)計學(xué)差異，且與其病理特征相吻合。本研究動脈期特征參數(shù)診斷效能最高，與王攀鴿等[13]的研究一致。

表3 基于CT靜脈期圖像提取的2組特征參數(shù)值差異性比較

圖5 靜脈期ROC曲線

本研究存在的局限性：（1）CT掃描設(shè)備不同。本研究采用64排和256排2臺CT設(shè)備，可能對得到的影像質(zhì)量有一定影響，但是使用的均為飛利浦CT，采用了相同的層厚及重組方式，圖像的均質(zhì)性高于使用不同機(jī)型的CT。（2）總體樣本量偏小，樣本的選擇可能缺乏代表性、隨機(jī)性。今后的研究還需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，并增加多家醫(yī)學(xué)研究中心的數(shù)據(jù)。（3）ROI為手工分割，可能存在一定誤差。本研究采取的是3D ROI勾畫，較單一最大層面勾畫準(zhǔn)確度高，期待基于深度學(xué)習(xí)的半自動或自動勾畫方法。

綜上所述，基于CT圖像的影像組學(xué)能夠有效量化腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性，動脈期的一階小波IHL1/4半徑同心圓標(biāo)準(zhǔn)差具有較高的診斷效能。基于影像組學(xué)特征參數(shù)分析能夠較好地鑒別縱隔NB及GNB，可在術(shù)前為臨床提供更多的信息，有望為臨床進(jìn)行精準(zhǔn)醫(yī)療及制訂個性化的治療方案提供幫助[14]。