MSCT 增強(qiáng)掃描期相及VOI 的選擇在基于影像組學(xué)方法預(yù)測原發(fā)性肝細(xì)胞癌微血管侵犯中的價(jià)值

徐向東 張婉麗，2 梁芳蓉，2 丁文雙 劉虔鋮 賴勝圣

1 廣州市第一人民醫(yī)院放射科 （廣州 510180）

2 華南理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院 （廣州 510006）

3 廣州市第一人民醫(yī)院病理科 （廣州 510180）

4 廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院 （廣州 510520）

原發(fā)性肝細(xì)胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是全球癌癥相關(guān)死亡的第四大原因，預(yù)后及長期生存情況不佳，部分肝切除術(shù)后患者5年復(fù)發(fā)率高達(dá)70%［1-2］。既往研究表明，微血管侵犯（microvascular invasion，MVI）是肝癌切除術(shù)后高復(fù)發(fā)率及低生存率的獨(dú)立預(yù)測因素之一［3-4］。作為識別手術(shù)或活檢標(biāo)本中MVI狀態(tài)的金標(biāo)準(zhǔn)，病理檢查受到其有創(chuàng)性、滯后性及取樣偏倚性等問題的制約［5-6］。在這樣的背景下，新興的影像組學(xué)方法通過挖掘肉眼無法識別的醫(yī)學(xué)影像圖像特征，可建立腫瘤相關(guān)影像學(xué)生物標(biāo)志物預(yù)測模型，為肝癌MVI狀態(tài)的無創(chuàng)可視化評估提供新視角［7-9］。

然而，現(xiàn)有CT影像組學(xué)相關(guān)研究大都僅探討了動態(tài)對比增強(qiáng)CT單一期相術(shù)前預(yù)測MVI的效能，尚無對如何選擇最優(yōu)期相以獲得最佳影像組學(xué)預(yù)測效能的相關(guān)報(bào)道。此外，由于MVI通常發(fā)生于腫瘤-正常肝實(shí)質(zhì)交界處，對于病灶感興趣區(qū)（region of interest，ROI）的選擇非常重要，既往大多數(shù)研究ROI僅選擇HCC腫瘤本身，這可能會丟失瘤周肝實(shí)質(zhì)所隱藏的重要圖像特征。因此，本研究擬探討MSCT四期增強(qiáng)掃描單一/不同期相及不同容積感興趣區(qū)（volume of interest，VOI）選擇在基于影像組學(xué)方法預(yù)測原發(fā)性肝細(xì)胞癌中MVI的價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性收集廣州市第一人民醫(yī)院2017年3月—2019年3月期間經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)為肝細(xì)胞癌的187例患者的臨床及影像學(xué)資料。納入標(biāo)準(zhǔn)為：臨床及術(shù)前MSCT四期增強(qiáng)掃描檢查資料完整。排除標(biāo)準(zhǔn)為：（1）術(shù)前接受過手術(shù)或藥物等治療（n=71）；（2）HCC復(fù)發(fā)者（n=7）；（3）MSCT檢查與手術(shù)的時(shí)間間隔超過2周（n=6）；（4）經(jīng)穿刺活檢而不是術(shù)后標(biāo)本的組織病理學(xué)檢查（n=15）。最終88例患者納入本研究中，其中MVI陽性者47例（男41 例，女6例），年齡24～79歲，平均年齡（54.2±13.4）歲。MVI陰性者41例（男36 例，女5例），年齡26～86歲，平均年齡（58.8±12.3）歲。

收集所有納入病例的基本臨床資料，包括：血清甲胎蛋白（alpha-fetoprotein，α-AFP）水平，肝炎病毒感染病史包括乙型或丙型肝炎血清免疫學(xué)檢查結(jié)果，是否存在肝硬化和臨床Child-Pugh分級。

1.2 HCC組織病理學(xué)檢查

所有HCC手術(shù)標(biāo)本均由我院一名具有14年消化系統(tǒng)病理診斷臨床工作經(jīng)驗(yàn)的病理學(xué)家檢查完成。根據(jù)“7點(diǎn)基線取材”法取材后，對病灶進(jìn)行MVI檢查，其診斷標(biāo)準(zhǔn)為［10］：在顯微鏡下于內(nèi)皮細(xì)胞襯覆的血管腔內(nèi)見到癌細(xì)胞巢團(tuán)，以癌旁門靜脈分支為主（含包膜內(nèi)血管），并對MVI進(jìn)行病理學(xué)分級：（1）M0：未發(fā)現(xiàn)MVI病灶；（2）M1（低危組）：≤5個(gè)MVI，且發(fā)生于近癌旁肝組織（距離腫瘤邊緣＜1 cm）；（3）M2（高危組）：＞5個(gè)MVI，或MVI發(fā)生于遠(yuǎn)癌旁肝組織（距離腫瘤邊緣＞1 cm）。當(dāng)癌旁肝組織內(nèi)的衛(wèi)星病灶與MVI難以鑒別時(shí)，一致認(rèn)為是MVI陽性病灶。

1.3 MSCT圖像采集

1.3.1 CT掃描設(shè)備和掃描參數(shù) 采用多層螺旋CT（multi-slice spiral CT，MSCT）掃描獲得術(shù)前四期增強(qiáng)圖像（Toshiba Aquilion One，Siemens Somatom Definition，GE HiSpeed 16，Philips Brilliance 64）。MSCT掃描參數(shù)分別是：球管電壓為120 kVp，管電流為200 mAs，掃描層厚為5 mm。增強(qiáng)掃描采用高壓注射器經(jīng)肘前靜脈注射非離子碘化造影劑（碘普胺，370 mgI/mL，約2.0 mL/kg，最大劑量為180 mL），依次采集MSCT四期增強(qiáng)圖像，分別是：動脈早期（P1，注射對比劑后18～25 s）；動脈晚期（P2，注射對比劑后35～40 s）；門靜脈期（P3，注射對比劑后50～60 s），和延遲期（P4，注射對比劑后120～250 s）。

1.3.2 感興趣區(qū)的勾畫 所有圖像均以DICOM格式存儲并匿名化處理。兩名分別具有5年和16年的放射診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師在未知MVI病理結(jié)果的情況下，通過ITK-SNAP軟件在4期MSCT圖像中沿最大腫瘤的邊緣逐層勾畫，獲得瘤體VOI（volume of tumor，Vt），見圖1。兩位放射科醫(yī)師勾畫VOI的一致性檢驗(yàn)通過Dice相似系數(shù)進(jìn)行測量。對于Dice系數(shù)大于0.9的病例，取兩名醫(yī)師勾畫VOI的交集；對于Dice系數(shù)小于0.9的病例，兩位醫(yī)師通過溝通討論以解決病變邊界的差異，直至達(dá)成共識。然后使用計(jì)算機(jī)形態(tài)學(xué)膨脹算法自動將Vt外擴(kuò)10 mm，獲得瘤體+瘤周VOI（volume of tumor and Volume of peritumor，Vt+Vp），當(dāng)接觸到肝臟邊緣、膽管或大的血管（血管內(nèi)徑≥2 mm）時(shí)，則觸碰點(diǎn)處的VOI膨脹程序停止，而其他位置的膨脹程序照常進(jìn)行。

1.4 影像組學(xué)特征提取和模型建立

使用公開獲取的python軟件包Pyradiomics從每個(gè)VOI中提取影像組學(xué)特征，包括一階特征、直方圖特征和紋理特征共94個(gè)。由于Vt自動外擴(kuò)受限于人為所設(shè)定的外擴(kuò)邊界，故未對Vt+Vp提取形態(tài)學(xué)特征。隨后，采用15種特征選擇方法和10種分類器建立150個(gè)（15×10）預(yù)測模型。對四期增強(qiáng)圖像的不同VOI進(jìn)行特征提取、合并且應(yīng)用于模型之中，得到不同的組合，并采用十折交叉檢驗(yàn)驗(yàn)證模型效能。模型的預(yù)測性能通過受試者工作特性（receiver operating characteristic，ROC）曲線下面積（area under the curve，AUC），準(zhǔn)確度（accuracy，ACC），靈敏度（sensitivity，SEN）和特異度（specificity，SPE）進(jìn)行量化評估。通過比較最大AUC值確定用于預(yù)測MVI狀態(tài)的MSCT的最佳期相和最佳VOI，并通過十折交叉驗(yàn)證以確定性能最優(yōu)的前三個(gè)預(yù)測模型。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS 25.0軟件和Python 3.6.2進(jìn)行分析。計(jì)量資料符合正態(tài)分布的以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，2組之間比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以百分比表示，組間比較采用卡方檢驗(yàn)、校正卡方檢驗(yàn)或者Fisher精確概率法檢驗(yàn)；雙向P＜0.05被認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 患者臨床基本數(shù)據(jù)特征

本研究由符合納入標(biāo)準(zhǔn)的47例MVI陽性和41例MVI陰性的患者組成，MVI陽性的發(fā)生率為53.4%。年齡在2組之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，MVI陰性者年齡稍偏大，而在性別，肝硬化，肝炎病毒感染病史，血清AFP水平和Child-Pugh分級指標(biāo)中，MVI陽性組和MVI陰性組均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），見表1。

表1 MVI陽性組和陰性組患者臨床基本特征±s，n（%）

表1 MVI陽性組和陰性組患者臨床基本特征±s，n（%）

注：HBV：乙型肝炎病毒；HCV丙型肝炎病毒。a表示采用的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。

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2.2 影像組學(xué)分析結(jié)果

將從Vt或Vt+Vp中提取的特征分別應(yīng)用于150個(gè)預(yù)測模型中。表2總結(jié)了基于Vt和Vt+Vp在MSCT所有期相及其組合中模型的診斷效能對比。結(jié)果顯示，在MSCT掃描的四個(gè)期相中，兩種VOI門靜脈期的最大AUC值（0.768 和 0.782）及準(zhǔn)確度（0.728 和 0.728）均明顯高于其他三個(gè)單一期相或其期相的組合，表明基于門靜脈期的特征對于顯示肝細(xì)胞癌MVI的狀態(tài)具有最優(yōu)的預(yù)測能力。此外，見圖2，基于Vt+Vp的模型在所有期相中的最大AUC值幾乎均高于Vt（除外P3&4、P1&3&4），而相應(yīng)的準(zhǔn)確度、敏感度、特異度也大多比Vt的更高，顯示出更好的預(yù)測能力（表2所示）。為此，本研究對比了在門靜脈期中不同VOI的性能最優(yōu)的前三個(gè)模型的預(yù)測效能，見表3，模型基于Vt+Vp均具有更高的AUC值，其中隨機(jī)森林（Random Forest，RF）分類算法在兩種VOI中均顯示出較好的預(yù)測效能，表明Vt+Vp的特征對于顯示肝細(xì)胞癌MVI的狀態(tài)更全面。

表2 不同VOI在MSCT四期增強(qiáng)圖像及各期相組合中的預(yù)測性能對比

表3 門靜脈期中不同VOI的性能最優(yōu)的前三個(gè)模型的預(yù)測效能對比

圖2 不同VOI 在15 個(gè)MSCT 期相及期相組合中預(yù)測性能的最大AUC 值

3 討 論

MVI是指在顯微鏡下于門靜脈、肝靜脈、大的囊狀血管或由內(nèi)皮細(xì)胞襯覆的血管間隙中發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞，以癌旁門靜脈分支侵犯最為多見，MVI常與HCC的瘤周門靜脈小分支溝通而形成肝癌的轉(zhuǎn)移途徑［10］。作為HCC的獨(dú)立預(yù)后因素，MVI為HCC患者治療策略的制定提供了重要的參考價(jià)值，若能在術(shù)前明確診斷MVI的狀態(tài)，不僅可指導(dǎo)外科手術(shù)醫(yī)生對病灶切緣范圍的評估，保證殘肝的足夠肝功能，且對監(jiān)測術(shù)后復(fù)發(fā)、評估遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移及輔助治療方案的選擇都具有重要的意義［1，4］。術(shù)前穿刺活檢的不確定性、有創(chuàng)性及存在種植轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)，使其廣泛應(yīng)用受限。而臨床常用的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)聯(lián)合新興的影像組學(xué)方法有望為HCC患者的個(gè)體化治療提供更多的指導(dǎo)價(jià)值。

MSCT由于其掃描速度快、覆蓋面積大、獲得的圖像豐富，在臨床上已廣泛應(yīng)用。既往對MVI術(shù)前預(yù)測的研究多是基于MSCT的單個(gè)（或兩個(gè)）期相進(jìn)行的，尤其是動脈晚期和門靜脈期［11-12］，期相不全的研究可能會因?yàn)楹雎粤似渌谙嚯[含的相關(guān)征象而低估MVI的預(yù)測性能。因此本研究嘗試性探討了MSCT的四期增強(qiáng)掃描圖像以及期相所有組合的影像組學(xué)特征對MVI的預(yù)測效能，結(jié)果表明門靜脈期對預(yù)測MVI起最重要的作用。孫等在研究MSCT表現(xiàn)與MVI的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)MVI陽性組和陰性組的動脈期CT值、延遲期 CT值比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，而MVI陽性組的門靜脈期CT值顯著高于無MVI組［13］，證明了門靜脈期的CT表現(xiàn)更能作為MVI的預(yù)測指標(biāo)。Matsui等［14］的研究揭示了MVI陽性的病灶周圍有豐富的腫瘤引流血管，在CT肝動脈造影和肝動脈-門靜脈造影中呈現(xiàn)瘤周放射狀強(qiáng)化，認(rèn)為瘤周出現(xiàn)了異常的血流灌注。Nishie等［15］報(bào)道MVI陽性的HCC病灶比MVI陰性者具有更大的瘤周強(qiáng)化區(qū)域，提示MVI陽性病灶更有可能存在微小門靜脈侵犯，這與MVI多發(fā)生于門靜脈的小分支中的病理特點(diǎn)相符，證實(shí)了MVI的陽性征象容易在門靜脈期被發(fā)現(xiàn)。Ma等［16］進(jìn)一步通過研究HCC患者的動態(tài)增強(qiáng)CT的影像組學(xué)以術(shù)前預(yù)測MVI，發(fā)現(xiàn)門靜脈期影像組學(xué)特征表現(xiàn)出比動脈期和延遲期更好的預(yù)測性能，得到最高的AUC值為0.79。這也與本研究得到門靜脈期預(yù)測MVI為最優(yōu)期相的結(jié)果相符。因此，MVI的病理特點(diǎn)決定了MSCT上門靜脈期存在更多的相關(guān)征象，在臨床工作中，建議放射科診斷醫(yī)師更多地關(guān)注門靜脈期的影像征象，可能有助于HCC中MVI的陽性發(fā)現(xiàn)。

此外，本研究結(jié)果顯示，Vt中動脈早期的AUC值最低，而Vt+Vp中，動脈早期聯(lián)合延遲期（P1&4）的AUC值最低，因此本研究認(rèn)為動脈早期對預(yù)測MVI的貢獻(xiàn)非常有限。MSCT四期增強(qiáng)掃描可在一次注射對比劑后依次獲得肝臟雙動脈期（動脈早期和動脈晚期）、門靜脈期和平衡期，一定程度上可反映腫瘤的血流動力學(xué)變化。既往多數(shù)研究表明，MSCT四期增強(qiáng)掃描在肝癌檢出率、肝臟良惡性病灶鑒別、肝癌病理分化程度上有一定的臨床意義，且多數(shù)研究表明其中的動脈晚期的各項(xiàng)診斷性能比動脈早期優(yōu)越。如江新青等［17］利用多層螺旋CT雙動脈期與門靜脈期增強(qiáng)掃描對原發(fā)性肝癌病灶檢出的研究中發(fā)現(xiàn)，動脈晚期病灶總體檢出的敏感性比動脈早期明顯要高（99.6%vs89.6%），具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。Pozzi等［18］通過MSCT動脈早期、動脈晚期及雙動脈期對111個(gè)HCC病灶進(jìn)行識別中發(fā)現(xiàn)，雙動脈期對病灶檢出的性能最好，平均敏感度和陽性預(yù)測值為94.1% 和 95.1%，但是雙動脈期的敏感度與動脈晚期相比并沒有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。又如汪銀玉等［19］對肝癌在16層螺旋CT動脈增強(qiáng)三期的強(qiáng)化特點(diǎn)及臨床應(yīng)用價(jià)值分析中發(fā)現(xiàn)，病灶在動脈早期的CT值與平掃并無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，而動脈晚期腫瘤整體強(qiáng)化較佳。因此，動脈早期在HCC相關(guān)研究的作用非常有限。到目前為止，并沒有相關(guān)研究討論并分析了MSCT雙動脈期對HCC MVI的預(yù)測效能，而本研究結(jié)果表明，門靜脈期的作用最佳，而動脈早期對MVI的預(yù)測效能甚微。國內(nèi)外指南說明，具有典型HCC影像學(xué)特征的肝占位性病變，若同時(shí)符合HCC臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)的患者，可通過CT或磁共振成像（MRI）直接診斷［10，20］。我國2022年版原發(fā)性肝癌診療指南中亦指出：用于診斷HCC的CT/MRI的動態(tài)增強(qiáng)三期包括僅包括動脈晚期（通常注射對比劑后約35 s）、門靜脈期（通常注射對比劑后60～90 s）和延遲期（通常注射對比劑后約3 min）［10，20］，并沒有強(qiáng)調(diào)動脈早期的必要性。因此，筆者建議在HCC的常規(guī)增強(qiáng)CT檢查中可以無需進(jìn)行動脈早期的掃描，以減少患者的輻射劑量。

病理檢查表明MVI發(fā)生于癌旁肝組織，因此，影像上的瘤周區(qū)域?qū)τ贛VI狀態(tài)的評估相當(dāng)重要。既往研究報(bào)道了常規(guī)動態(tài)增強(qiáng)CT/MR成像提示MVI陽性的常見表現(xiàn)如病灶包膜不完整、腫瘤邊緣不光滑、動脈期瘤周強(qiáng)化以及MRI中使用肝膽特異性對比劑時(shí)肝膽排泄期瘤周低信號等，都是肉眼可識別的于瘤周區(qū)域呈現(xiàn)的影像學(xué)特征［21-22］。Chou等［23］通過影像與病理結(jié)果一一對照，證實(shí)了HCC中提示腫瘤邊緣不光滑的影像征象如結(jié)節(jié)外延伸、多結(jié)節(jié)融合或浸潤性的腫瘤邊緣都存在MVI陽性病灶。既往文獻(xiàn)報(bào)道，影像組學(xué)方法可挖掘肉眼無法識別的圖像征象，進(jìn)一步提高術(shù)前無創(chuàng)性預(yù)測HCC MVI狀態(tài)的性能［9］。如Xu等［24］通過分別提取并比較腫瘤整體（VOIentire）、腫瘤內(nèi)部50%（VOI 50%）和鄰近腫瘤表面的5 mm的環(huán)形區(qū)域（VOIpenumbra）的影像組學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)從VOIentire和VOIpenumbra提取的影像組學(xué)特征在MVI預(yù)測性能中優(yōu)于VOI 50%，獲得最高的AUC值在訓(xùn)練/驗(yàn)證集中分別為0.841和0.829，然而，該研究并沒有進(jìn)一步分析和比較 VOIentire+ VOIpenumbra這一組合。Feng等［25］的研究則采用了這一組合作為研究對象，其通過在 Gd-EOB-DTPA 增強(qiáng)MRI圖上勾畫瘤體和瘤體+瘤周10 mm區(qū)域兩種ROI，從肝膽排泄期中提取影像組學(xué)特征以構(gòu)建預(yù)測MVI的影像組學(xué)模型，得到瘤體聯(lián)合瘤周10 mm的ROI性能最好，其在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的AUC值分別為0.85和0.83。本研究結(jié)果也表明Vt+Vp預(yù)測HCC MVI狀態(tài)的AUC值最高，提示此區(qū)域具有更多的提示MVI的相關(guān)信息，這與既往報(bào)道一致。因此，筆者建議放射科醫(yī)生在臨床工作中需多留意門靜脈期HCC瘤周影像學(xué)異常征象可能有助于發(fā)現(xiàn)病灶MVI存在與否。

本研究存在一些不可避免的局限性：首先這是一項(xiàng)回顧性和單中心研究，且樣本量相對較小，這是因?yàn)镸SCT四期增強(qiáng)掃描被要求納入動脈早期成像，這在很多當(dāng)?shù)蒯t(yī)療機(jī)構(gòu)中未采用相同的掃描方案，難以符合納入標(biāo)準(zhǔn)，筆者后續(xù)會進(jìn)一步擴(kuò)充樣本量以更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仳?yàn)證本研究結(jié)果。其次，本研究采用的是人工勾畫VOI的方式，除了耗費(fèi)大量人力和時(shí)間外，病灶的準(zhǔn)確性和完整性未得到充分的肯定。但是本研究僅僅是Vt需要人工勾畫，而Vt+Vp是在Vt的基礎(chǔ)上通過計(jì)算機(jī)算法自動重建的，在一定程度上減輕了研究者的工作量，后續(xù)也會進(jìn)一步探討對病灶行半自動或全自動分割策略下與本研究結(jié)果的一致性，以期證實(shí)本研究結(jié)果的可重復(fù)性。

綜上所述，本研究結(jié)果初步表明了基于Vt+Vp建立的影像組學(xué)模型在預(yù)測HCC MVI狀態(tài)中表現(xiàn)優(yōu)于Vt，基于MSCT增強(qiáng)掃描的門靜脈期的模型比其他單一期相或多期相組合表現(xiàn)更佳。臨床工作中放射科診斷醫(yī)師更多關(guān)注門靜脈期中Vt+Vp這一區(qū)域的影像學(xué)細(xì)節(jié)或異常征象可有助于對MVI狀態(tài)進(jìn)行評估。