CT 影像組學在肝細胞癌聯(lián)合治療后短期療效的應用

段茜婷，王關順，丁 榮，王 娜，寸紅麗，楊 泠

（昆明醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院/云南省腫瘤醫(yī)院放射科，云南 昆明 650118）

肝細胞性肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是世界上第6 常見的癌癥，也是第3 大癌癥相關死亡原因[1]。超過60% 的肝癌患者在初診時被診斷為中期或晚期，不能接受根治性治療[2]。經(jīng)導管動脈化療栓塞術（transcatheter arterial chemoembolization，TACE）對肝癌患者的預后和存活有積極的影響，通過減少流向靶肝腫瘤的血流量和增加注射細胞毒劑的停留時間，誘導腫瘤組織缺血、壞死、液化、吸收和減少[3]。以前的報道表明超過50% 的肝癌患者經(jīng)肝動脈栓塞術后達到了客觀的反應，這種客觀反應與較長的生存期有關，且在至少6 個月內(nèi)達到并保持客觀反應的患者預后比其他患者好[4-5]。由于HCC 具有雙重供血、血管栓塞再通及側(cè)支循環(huán)重建等多種因素，容易造成腫瘤殘留、復發(fā)，術后腫瘤完全壞死率僅約為17%～38%[6]。因此，提出了TACE 與系統(tǒng)治療（例如索拉非尼）相結合，可有效控制肝腫瘤的生長[7]。索拉非尼是一種口服多激酶抑制劑，不僅能直接抑制腫瘤細胞增殖，還能阻斷腫瘤血管生成和生長，是進展性肝癌患者局部治療后的標準治療方法[8]。影像組學是一種新興的將醫(yī)學圖像轉(zhuǎn)換成高維量化數(shù)據(jù)的方法，目前在肝癌診治方面顯示出巨大潛能[9-10]，有望成為預測肝癌聯(lián)合治療療效預測的新方法。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本研究回顧性收組2013 年8 月至2021 年3月在云南省腫瘤醫(yī)院行TACE 聯(lián)合索拉菲尼治療的肝細胞癌患者，所有患者均嚴格按照以下納入及排除標準進行篩選。本研究中筆者將術后6 個月內(nèi)（≤6 月）發(fā)生腫瘤進展的定義為短期進展，按照改良實體腫瘤療效評價標準（mRECIST）對腫瘤療效進行評估。

納入標準：（1）首診、未經(jīng)治療的有病理依據(jù)或符合美國肝臟病研究協(xié)會（american association for the study of liver diseases，AASLD）最新的肝細胞癌診療指南[11]診斷為肝細胞癌的患者；（2）所有患者初始采用的治療方案為TACE，術后規(guī)律服用索拉菲尼（400 mg，2 次/d，直至病情進展或出現(xiàn)不可耐受的毒性反應）；（3）術前1～2 周內(nèi)行CT 掃描（包括平掃、動脈期、門脈期）。臨床、實驗室檢查資料完整。術后1～2 個月、半年進行影像學隨訪評估療效；（4）病灶數(shù)目≤4 個。

排除標準：（1）合并其他原發(fā)性腫瘤；（2）嚴重肝硬化患者，Child-Pugh 分級達C 級；（3）存在肝外轉(zhuǎn)移或大血管浸潤；（4）隨訪時間少于6 個月的患者。

根據(jù)納入和排除標準，本研究共納入患者159 例。112 例在隨訪的6 個月內(nèi)發(fā)生了進展，被歸為短期進展者，47 例6 個月內(nèi)隨訪未發(fā)現(xiàn)進展，被歸為非短期進展組。在所有納入患者中，包含男性136 例，女性23 例，范圍為30～85 歲。腫瘤大小范圍為3.0～15.0 cm。使用R 語言“Caret”包，等比例抽樣分組，根據(jù)計算機隨機分組的結果（7∶3），訓練組共112 例（包括83 例短期進展者，29 例非短期進展），驗證組共47 例（包括29例短期進展者，18 例非短期進展）。

1.2 隨訪方案

所有腫瘤患者在術后1 月、3 月及6 月進行規(guī)律隨訪復查。復查的內(nèi)容包括：實驗室檢查及肝臟增強CT/MRI。術后6 個月通過影像圖像依據(jù)mRECIST 標準[12]評估TACE 聯(lián)合索拉菲尼的短期療效。

1.3 TACE 聯(lián)合索拉菲尼治療

1.3.1 TACE 治療將動脈導管選擇性或超選擇性插入到腫瘤的供血靶動脈，緩慢注入碘油混合乳劑及明膠海綿顆粒進行栓塞，直到通過熒光透視觀察到動脈血流量明顯減少。在后續(xù)成像中檢測殘留或新腫瘤，TACE 循環(huán)以“按需”為基礎重復進行，如果患者不適合接受進一步的TACE治療，他們將獲得其他支持治療。所有TACE 程序均由6 位具有8 a 以上經(jīng)驗的介入放射科醫(yī)生完成。

1.3.2 索拉非尼的施用索拉非尼在每次TACE療程后給予患者口服。為了保持肝功能，索拉非尼在每次TACE 療程的1 d 前停止給藥。原則上，索拉非尼的劑量為每天2 次，每次400 mg（每天800 mg）。但是，允許因藥物相關的不良事件中斷治療并降低劑量（每天1 次400 mg，隔天1 次400 mg）。如果減少劑量后任何3 級或4 級不良事件持續(xù)發(fā)生，索拉非尼的給藥將被中斷，直到不良反應減輕或消失為止。

1.4 圖像采集

掃描設備：SIEMENS Definition AS+128 層CT、SIEMENS SOMATOM Force 192 層 CT 及PHILIPS Ingenuity Core 128 層CT。掃描方法：所有患者術前均接受CT 平掃及增強（包括動脈期、門脈期、延遲期）掃描。患者檢查前禁食4～6 h，掃描范圍至少包括膈頂至肝臟下極。平掃結束后，采用雙筒高壓注射器靜脈團注非離子型對比劑碘海醇或碘佛醇50～100 mL。注射對比劑后30 s 左右進行動脈期掃描，60 s 左右進行門脈期掃描，120 s 左右進行延遲期掃描。

1.5 影像組學特征提取及預處理

采用西門子Syngo.via 后處理工作站中的Radiomics 程序，半自動勾畫最大腫瘤動脈期和門脈期CT 圖像的整個病灶作為感興趣空間（region of interest，ROI），通過Radiomics 程序，筆者從每一期圖像中提取到854 個影像組學特征，每位患者動脈期和門脈期共提取1 708 個特征。隨后，使用中位數(shù)對特征矩陣中缺失值進行填充，并對所有特征進行Z-score 標準化。同時，為了消除高維數(shù)據(jù)及冗余因素對結果的影響，防止過擬合現(xiàn)象，本研究還進行了LASSO 回歸并進行5 折的交叉驗證，使用多個λ 值來評估具有較少特征的多元回歸模型的性能，以確定對鑒別進展組和非進展組有價值的最優(yōu)特征子集。

1.6 統(tǒng)計學處理

通過R 語言（版本3.4.1，https://www.r-project.org/）和SPSS 統(tǒng)計分析軟件（版本25.0）進行分析。連續(xù)變量采用學生t檢驗或Mann-WhitneyU 檢驗，分類變量采用卡方檢驗或Fisher 精確檢驗。在假設檢驗中，若其不符合正態(tài)分布，則使用Mann-Whitney U test 進行檢驗處理；反之，若其符合正態(tài)分布，再進行方差齊性檢驗，如果通過則進行t檢驗，如果未通過則進行校正t檢驗。采用單變量和多變量邏輯回歸篩選所有臨床變量。多元邏輯回歸模型的建立是基于R 語言的“Rms”包完成的。通過ROC 分析，使用最大約登指數(shù)對應的截斷值，評價各模型的診斷性能。P＜ 0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 訓練組及驗證組

訓練集和驗證集臨床基線資料的組間比較顯示，除肝炎病史及性別，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）外，其余所有臨床參數(shù)在組間差異無統(tǒng)計學意義（P＞ 0.05）。表明訓練組和驗證組的臨床參數(shù)是相對平衡，提示分組對模型的構建是合理的，見表1。

表1 訓練集和驗證集的臨床參數(shù)比較[n（%）]Tab.1 Comparison of clinical parameters between the training group and the validation group [n（%）]

2.2 預測模型的效能與驗證

對特征進行Z-score 標準化后，對訓練組中的每個特征進行了假設檢驗，共832 個影像組學特征（校正后的P＜ 0.05）用于后續(xù)的分析。使用LASSO 回歸中五折的交叉驗證方法，調(diào)節(jié)不同參數(shù)λ 以實現(xiàn)模型的二項式偏差最小，從而篩選出效能最好的特征組合。垂直虛線表示最佳λ 取值對應的log（λ）值，選擇標準為最小化標準，見圖1。圖2 為LASSO 回歸模型中特征系數(shù)收斂圖，圖中的每條曲線代表每個自變量系數(shù)的變化軌跡，垂直線對應篩選出的非零特征，共選出11 個最優(yōu)特征子組（包括動脈期圖像上提取的3 個組學特征及門脈期提取的8 個組學特征）。圖3 為11 個影像組學特征的相關性熱圖分析，作為特征可視化。臨床因素中單因素結果顯示：性別、年齡、肝炎病史、肝硬化、肝包膜，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；腫瘤最大徑線和腫瘤數(shù)目，差異有統(tǒng)計學意義（P＜ 0.05），因此將二者納入到多因素邏輯回歸分析后，差異有統(tǒng)計學意義（P＜ 0.05），可以作為預測短期療效的獨立預測因子，見表2。整合影像組學模型和臨床模型建立一個聯(lián)合模型。3個模型的診斷性能，見圖4、圖5，其中綠色曲線代表影像組學模型，藍色曲線為臨床模型，紅色曲線為聯(lián)合模型，下方顯示對應的曲線下面積（AUC）值。校準曲線，見圖6、圖7，縱坐標代表模型預測HCC 患者TACE 聯(lián)合索拉菲尼治療后短期療效的實際概率，橫坐標代表預測概率。對角線表示“理想模型”的預測性能，曲線表示本研究模型的預測性能。若曲線越接近對角線，則模型的校準度越好。決策曲線，見圖8、圖9，縱坐標表示凈收益，橫坐標表示閾概率。在3 個模型的比較中，不管是綜合預測能力（即AUC）、校準能力、臨床效益等方面，聯(lián)合模型均優(yōu)于影像組學模型和臨床模型。

圖1 套索回歸Fig.1 Lasso Regression

圖2 特征系數(shù)收斂圖Fig.2 Convergence diagram of characteristic coefficients

圖3 11 個影像組學特征的相關性熱圖分析Fig.3 Correlation heat map analysis of 11 image radiomic features

圖4 訓練集的 ROC 曲線Fig.4 ROC Curve in Training set

圖5 驗證集的 ROC 曲線Fig.5 ROC Curve in Test set

圖6 訓練集校準曲線Fig.6 Training set calibration

圖7 驗證集校準曲線Fig.7 Validation set calibration

圖8 訓練集 DCA 曲線Fig.8 DCA Curve in Training set

圖9 驗證集 DCA 曲線Fig.9 DCA Curve in Validation set

表2 臨床參數(shù)的單因素和多因素邏輯回歸分析Tab.2 Univariate and multivariate logistic regression analysis of clinical parameters

3 討論

原發(fā)性肝癌與病毒性肝炎、肝硬化關系密切，起病隱匿，惡性程度高。隨著靶向藥物的不斷發(fā)展，肝癌的治療方法已進入個體化分子靶向治療相關基因的時代，具有顯著的療效和安全性，意味著它正迅速成為中晚期肝癌的標準治療方法[7]。多項研究基于CT 或MRI 影像組學采用不同的算法構建肝細胞癌TACE 術后療效預測模型，均證實影像組學能有效地預測其術后療效。Sun 等[13]學者探討術前多參數(shù)磁共振放射組學模型在預測肝癌經(jīng)導管動脈化療栓塞治療不能切除肝癌的短期進展，結果顯示聯(lián)合術前磁共振成像T2 加權、擴散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）和表觀擴散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）影像組學特征能很好地預測不能切除的肝癌患者的短期進展（6 個月）情況。Fei[14]研究酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像（amide proton transfer，APT）和體內(nèi)非相干運動（intravoxel incoherent motion，IVIM）成像參數(shù)結合腫瘤形態(tài)學特征，建立了比單一模型更好的肝癌對TACE 反應的預測模型。

在本研究中，共篩選出來11 個組學特征，包括從動脈期圖像上提取的3 個組學特征及門脈期提取的8 個組學特征構建的影像組學模型，預測模型訓練集和驗證集的AUC 值分別約為0.945、0.918，對應的敏感性及特異性分別為0.862、0.793 和0.894、0.833。與以往結果不一致[13]，以往研究傾向于動脈期圖像的放射組學分析更有助于預后判斷，他們認為動脈期成像中的腫瘤紋理能夠反映腫瘤強化模式，從而有助于預后判斷，筆者研究得出的門脈期圖像有較高預測價值，原因可能是門靜脈影像組學特征有助于預測微血管侵犯及腫瘤異質(zhì)性，從而對預測預后更有價值。一位學者[15]分析了32 篇涉及肝轉(zhuǎn)移瘤（liver metastases，LM）的CT、MRI 或PET-CT 影像組學的文章，發(fā)現(xiàn)化療后熵的降低和均勻性的增加與腫瘤化療后的有效率相關，與RECIST 標準相比，影像組學特征可以更早地預測化療反應，并且，紋理分析還能將LM 與其他肝臟腫瘤區(qū)分開來。在臨床因素中，無論是單因素還是多因素分析，腫瘤最大徑和腫瘤數(shù)目都是預測短期療效的獨立危險因素，二者所構建的臨床預測模型訓練集和驗證集的AUC 值分別約為0.811、0.857，對應的敏感性及特異性分別為0.846、0.862 和0.723、0.833。與以往研究結果相仿[16-17]，一些實驗指出肝癌患者的TACE 療效與腫瘤狀態(tài)（數(shù)量或大小）密切相關，特別是肝癌患者治療后，持久反應≥3 個月和≥6 個月的患者預后較好腫瘤最大徑及腫瘤數(shù)目是預測短期療效的獨立危險因素。迄今為止，甲胎蛋白是唯一被批準用于HCC 的監(jiān)測和診斷的生物標志物。對于早期HCC 的檢測，研究發(fā)現(xiàn)AFP 值隨時間的變化優(yōu)于單點AFP 值。甲胎蛋白的變化被整合到肝細胞癌早期檢測篩查（包括患者當前的AFP 水平、AFP 變化率、年齡、ALT和血小板計數(shù)）算法中[18]。而在本研究中AFP 并不是TACE 聯(lián)合索拉菲尼治療短期療效的獨立預測因素。最后，將影像組學模型加入術前臨床模型后得到聯(lián)合模型訓練集和驗證集的AUC 值分別約為0.958、0.95，對應的敏感性及特異性分別為0.923、0.931 和0.894、0.889。研究結果表明不僅單獨的影像組學模型預測短期療效的能力優(yōu)于術前臨床因素模型，把影像組學模型加入術前臨床模型中還能明顯提高術前臨床模型的預測能力，這提示影像組學模型可能在肝細胞癌常規(guī)影像學特征及實驗室檢查的基礎上，能夠提供額外有價值的關于肝細胞癌TACE 術后聯(lián)合索拉菲尼短期療效的信息，幫助臨床醫(yī)生在術前對患者進行篩選。

本研究存在一定局限性：（1）該研究為回顧性研究，所納入患者的CT 圖像由不同CT 機掃描得到，而且病人來源于單一的醫(yī)療結構，不同的醫(yī)療機構病人構成及掃描方案有差異，因此存在選擇偏倚；（2）腫瘤感興趣區(qū)勾畫只包括單一最大病變，主要是因為最大的病變反映了肝癌最具侵襲性的行為；（3）本研究樣本量較小，在筆者后續(xù)進行的研究中，應開展更大規(guī)模、多中心樣本的前瞻性研究，以獲得更多、更可靠的證據(jù)和有意義的結論。