能譜CT碘水圖的紋理分析在評估結直腸癌患者胸苷酸合成酶表達狀態中的價值

代歡歡 黃 文 張文娟

近年來，結直腸癌的發病率和死亡率在我國呈上升趨勢。5-氟尿嘧啶是結直腸癌的常規治療藥物之一，但不同腸癌患者對5-氟尿嘧啶的應答率及毒副反應存在差異。胸苷酸合成酶（thymidylate synthetase，TS）作為5-氟尿嘧啶的靶點，其表達水平可視為腸癌患者對5-氟尿嘧啶敏感性的指標之一［1］。TS高表達的腸癌患者往往對5-氟尿嘧啶的應答率更高，且該類患者可能毒副反應發生率更高［2］。目前對TS的檢測依靠手術或者腸鏡所獲取的病理組織標本，該方法創傷性大、成本高，且并非適用于所有腸癌患者。CT紋理分析作為一種無創的研究方法，可提取圖像的紋理特征，用于定量描述組織的像素空間分布信息，目前在疾病的鑒別診斷及病理分型中均有報道［3-4］。本研究旨在探討碘（水）圖紋理特征用于術前評估結直腸癌TS表達水平的價值。

方 法

1.一般資料

回顧性收集2017年1月—2020年1月于我院行術前能譜CT全腹掃描的結直腸癌患者資料。納入標準：①均行結直腸癌根治性切除手術；②術后病理確診為結直腸癌；③術后病理標本可獲取，且經免疫組織化學檢測獲取TS表達水平（腫瘤細胞質棕黃色染色定義為陽性，否則為陰性）。排除標準：①臨床及影像學檢查資料完整；②CT檢查前行抗腫瘤治療；③圖像偽影重或病灶顯示欠清。本研究最終納入130例結直腸癌患者，依據術后病理信息，將所有患者分為TS高表達組（n=89）及TS低表達組（n=41）。其中，TS高表達組男性62例、女性27例，年齡38～82歲，平均（59.35±10.55）歲；腺癌83例（管狀腺癌40例，乳頭狀腺癌39例，黏液腺癌4例），腺鱗癌6例。TS低表達組男性31例、女性10例，年齡37～80歲，平均（58.22±9.13）歲；腺癌39例（管狀腺癌20例，乳頭狀腺癌18例，黏液腺癌1例），腺鱗癌2例。

2.CT掃描及圖像后處理

采用Revolution CT掃描機（GEhealthcare）行平掃及動脈期、靜脈期增強掃描。囑患者于CT掃描前3 d接受流質飲食，檢查當日禁食4 h、檢查前20 min飲水800～1 000 ml，并行腸道準備。患者仰臥位，先行平掃。掃描參數：能譜成像模式，管電壓80 kV、140 kV瞬時切換，管電流230～445 mA，層厚及層間距均1.25 mm，探測器寬度80 mm，球管旋轉時間0.6 s，螺距0.992∶1，視野50 cm×50 cm。隨后行增強掃描：對比劑碘海醇（含碘量300 mg/ml），經肘前靜脈以3～3.5 ml/s速率注入，劑量1.2 ml/kg。分別于對比劑注射30、60 s后獲得動脈期、靜脈期圖像。將CT掃描圖像傳至GE AW 4.6工作站，采用GSIViewer軟件獲取動脈期及靜脈期碘（水）密度圖像，層厚及層間距均取5 mm。

3.紋理特征提取

將能譜CT動脈期及靜脈期碘（水）密度圖像導入ITK-SNAP軟件，分別由觀察者1及觀察者2（分別具有5年和8年腹部影像診斷經驗的醫師），在對患者信息未知的情況下，于結直腸癌病灶最大軸徑所在層面勾畫感興趣區（ROI）。觀察者1勾畫2次，時間間隔至少3個月。ROI沿結直腸癌病灶輪廓，并避開腸周脂肪及腸內容物（圖1）。進一步采用A.K.軟件提取動脈期及靜脈期紋理特征各387個，具體包括一階參數、直方圖參數、矩陣變換、小波變換、濾波變換參數。

圖1 術后病理診斷為升結腸癌病例ROI勾畫

4.紋理特征降維及模型建立

采用R軟件（版本3.6.0）軟件進行統計分析。特征篩選流程包括一致性檢驗、相關性檢驗、差異性檢驗、logistic回歸。具體如下：

一致性檢驗：采用組內相關系數（intra-class correlation coefficient，ICC）檢驗分析紋理特征的觀察者間一致性及觀察者內一致性，獲得ICC值高于0.85的紋理特征。相關性檢驗：采用Pearson相關性檢驗，進一步剔除相關系數低于0.85的紋理特征。差異性檢驗：采用Shapiro Wilk檢驗分析紋理特征的正態性，符合正態分布且方差齊的特征采用獨立樣本t檢驗比較組間差異，否則采用Mann-WhitneyU檢驗。logistic回歸：采用logistic回歸逐步進行紋理特征的篩選，采用赤池信息準則后退法，獲取Akaike信息準則（AIC）值對應最小的診斷模型。

采用受試者操作特征（ROC）曲線分析動脈期及靜脈期的紋理特征的診斷效能，并計算曲線下面積（AUC）、靈敏度、特異度。P＜0.05為差異有統計學意義。

結 果

1.紋理特征降維

觀察者內一致性檢驗：由觀察者1的2次提取的紋理特征進行ICC檢驗后，在774例特征（動脈期及靜脈期紋理特征各387個）中，共654個紋理特征的ICC值高于0.85。觀察者間一致性檢驗：將觀察者1第一次測量和觀察者2測量獲得的上述654個紋理特征行ICC檢驗，共584個特征的ICC值高于0.85（約占全部紋理特征的75.45%）。

采用Pearson相關性檢驗，剩余126個紋理特征的相關性系數大于等于0.85。進一步采用Mann-WhitneyU檢驗，獲得在TS高表達及低表達組間差異顯著的紋理特征。動脈期：TS高表達組的平均值、Haralick顯著高于TS低表達組，能量值、熵值、逆差距顯著低于TS低表達組。靜脈期：TS高表達組的能量值、熵值顯著低于TS低表達組。

2.紋理特征診斷效能

2.1 單個紋理特征

靜脈期的能量值取閾值0.000 3時，預測TS表達水平的效能最優，AUC為0.725，靈敏度為72.37%，特異度為60.98%。

2.2 聯合診斷

采用logistic回歸，將有組間差異的紋理特征進行聯合，logistic回歸公式如下：

（1）動脈期聯合=-2.941-0.049×動脈期平均值+315.900 0×動脈期能量值+0.170×動脈期熵值+8.275×動脈期逆差距-13.037×動脈期Haralick；

（2）靜脈期聯合=-5.681+122.450×靜脈期能量值+7.346×靜脈期熵值；

（3）動靜脈期聯合=-7.038-0.054×動脈期平均值+247.651×動脈期能量值+0.118×動脈期熵值+9.547×動脈期逆差距-10.210×動脈期Haralick+280.740×靜脈期能量值+9.742×靜脈期熵值。

動脈期聯合模型：AUC為0.841，靈敏度和特異度分別為78.95%和82.93%。靜脈期聯合模型：AUC為0.773，靈敏度和特異度分別為64.47%和85.37%。動脈期及靜脈期聯合模型：AUC為0.882，靈敏度和特異度分別為86.84%和82.93%。詳見表1、圖2。

表1 動脈期、靜脈期紋理特征及其聯合模型的ROC分析

圖2 動脈期、靜脈期及其聯合評估TS表達水平的ROC曲線

討 論

1.TS高表達與低表達結直腸癌的碘濃度分布

碘（水）密度圖像可以反映組織的血供情況，當組織的血液供應越豐富時，組織所表現出的碘（水）密度值就越高［5］。本研究中，我們收集了結直腸癌患者的碘（水）密度圖像，并進一步提取圖像的紋理特征，定量反映出ROI中的碘濃度分布特點。我們發現，動脈期碘（水）密度圖像中，TS高表達組的平均值顯著高于TS低表達組，該結果可通過TS高表達的結直腸癌具有更加豐富的血供來解釋。已有研究［6］指出，TS高表達的腫瘤組織中，腫瘤血管密度、血管內皮生長因子α、微血管密度、CD34等均有更高的表達量。即TS高表達組的血供更高，故其在碘（水）密度圖中表現為更高的碘濃度，紋理參數中的平均值也越高。

2.TS高表達與低表達結直腸癌的腫瘤異質性

紋理分析能夠提取多維度的圖像特征，這些特征對圖像像素空間分布進行了更加準確客觀的闡述［7］。與傳統肉眼觀察相比，紋理分析深入挖掘了圖像信息，為組織異質性的描述提供了更多的影像學標志［8］。本研究中，我們發現動脈期TS高表達組的Haralick顯著高于TS低表達組，能量值、熵值、逆差距均顯著低于TS低表達組。靜脈期TS高表達組的能量值、熵值顯著低于TS低表達組。Haralick、能量值、熵值、逆差距均從像素空間分布角度反映圖像異質性，提供了圖像像素分布的隨機性、像素變化程度、像素分布的規則性等信息。該結果提示我們，TS高表達的結直腸癌組織擁有更高的組織異質性。既往研究［9-10］報道，TS高表達的腫瘤組織往往伴隨著更高的侵襲性，且該類組織更易表現為低分化程度、高異型性。所以，TS高表達的腫瘤組織在碘（水）密度圖中異型性更高，在像素分布的隨機性、區域像素分布變化程度等方面均更明顯。此外，TS高表達的結直腸癌患者往往預后偏差［10］，這可能與其豐富的血供及高異質性有關，和本研究中所發現的紋理參數中表現出的碘（水）密度圖中的影像學差異一致。

3.紋理特征的診斷效能

本研究中納入了患者的動脈期及靜脈期碘（水）密度圖，但最后納入模型中的紋理參數存在差異，我們分析認為，造成動脈期及靜脈期差異的原因是這2個期相根據造影劑注射時間進行劃分，對腸癌病灶的顯示存在差異，動脈期對腫瘤黏膜強化顯示清晰，而靜脈期對間質纖維成分的顯示更具優勢［11］。對組間差異顯著的紋理特征進行聯合診斷后，發現動脈期聯合模型的AUC為0.841，靜脈期聯合模型的AUC為0.773。當將動脈期及靜脈期聯合后，模型的診斷效能最高，AUC值達到0.882，進一步分析logistic回歸中的公式，發現動靜脈期聯合后，“能量值”的系數最大（動脈期為247.651，靜脈期為280.740），表明綜合考慮動脈期及靜脈期的碘濃度分布及異質性，有助于提升診斷效能，且能量值所提示的“區域像素值變化程度”在聯合診斷中發揮的作用最大。

4.局限性

本研究存在一定的局限性：①為回顧性研究，且納入的樣本量較小，未來研究中需要進一步擴充樣本量；②所納入的紋理特征有限，未來需要納入更充足的紋理特征進行分析；③回顧文獻，紋理參數的具體生物學意義并未完全闡明，即紋理參數的數值與組織病理的對應關系并未完全闡明，未來需要進一步納入組織病理學信息，探討紋理參數的可解釋性。

綜上所述，基于能譜CT碘（水）密度圖像進行紋理分析，可于術前無創預測結直腸癌TS表達水平，將動脈期及靜脈期紋理特征聯合后，其診斷效能更優，對輔助結直腸癌的化療方案選擇和優化有一定的價值。