影像組學在高強度聚焦超聲治療子宮肌瘤療效預測中的研究進展

曾錦程，李成海,2.3，王玉香，江一粟，李發(fā)琪,2.3

影像組學在高強度聚焦超聲治療子宮肌瘤療效預測中的研究進展

曾錦程1，李成海1,2.3，王玉香1，江一粟1，李發(fā)琪1,2.3

1.重慶醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院，重慶 400016；2.超聲醫(yī)學工程國家重點實驗室，重慶 400016；3.重慶市生物醫(yī)學工程重點實驗室，重慶 400016

高強度聚焦超聲（high intensity focused ultrasound，HIFU）作為一種非侵入性治療技術，可無創(chuàng)治療子宮肌瘤。患者的異質性和技術的局限性導致患者術后預后存在差異。因此，術前對患者進行療效預測具有重要意義。影像組學通過醫(yī)學圖像高通量提取定量特征，將醫(yī)學圖像轉換為可挖掘的高維數(shù)據(jù)，利用提取到的特征和現(xiàn)有模型建立相關預測模型，為臨床醫(yī)生提供有效參考。本文綜述影像組學在HIFU治療子宮肌瘤療效預測中的研究進展，以期為其臨床治療和基礎研究提供理論參考。

高強度聚焦超聲；子宮肌瘤；影像組學；療效預測

子宮肌瘤是女性生殖系統(tǒng)常見的良性腫瘤，多見于30～50歲女性。研究顯示，子宮肌瘤對患者的生活質量有顯著的負面影響[1]。高強度聚焦超聲（high intensity focused ultrasound，HIFU）可將超聲波束直接聚焦到腫瘤上，使靶點發(fā)生不可逆的凝固性壞死而達到治療子宮肌瘤的目的[2]。目前，臨床上通常根據(jù)磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）-T2加權圖像（T2weighted imaging，T2WI）上肌瘤、骨骼肌、子宮內(nèi)膜的信號值，按照Funaki分型分為Funaki Ⅰ型（低信號）、Funaki Ⅱ型（等信號）和Funaki Ⅲ型（高信號）3種類型；與低信號和等信號類型相比，高信號類型較難治療，消融率較低[3-6]。上述劃分方法對臨床醫(yī)生選擇合適的子宮肌瘤患者具有一定的臨床指導意義，但其易受臨床醫(yī)生主觀因素影響且并不完全適用于臨床。

影像組學旨在從醫(yī)學圖像上提取相關影像組學特征，經(jīng)特征篩選和納入后建立模型，其模型預測結果可為醫(yī)生的臨床治療提供參考。本文綜述影像組學在HIFU治療子宮肌瘤療效預測中的研究進展，以期為臨床治療和基礎研究提供理論參考。

1 基于MRI影像組學的相關研究進展

相較于目前主流的醫(yī)學影像技術方法，MRI在軟組織成像方面具有獨特的優(yōu)勢，可清晰反映子宮肌瘤的相關信息，是當前影像組學技術主要的研究對象之一。在影像組學技術應用于預測HIFU治療子宮肌瘤療效之前，已有學者探究MRI信號及紋理特征與HIFU治療子宮肌瘤療效的關系。Gong等[7]將245例接受過HIFU治療的患者以非灌注體積比（non-perfused volume ratio，NPVR）=80%為界分為兩組，并采用邏輯回歸方法研究影響消融率的因素；結果發(fā)現(xiàn)，與NPVR≤80%的患者相比，NPVR>80%的患者T2WI上肌瘤與骨骼肌的信號強度比值顯著降低，肌瘤與骨骼肌的信號強度比值與NPVR呈負相關。Yang等[8]將1000例接受過HIFU治療的子宮肌瘤患者納入研究，從患者的一般信息、臨床癥狀、實驗室檢查和肌瘤影像學特征4個方面收集32個獨立變量，通過多因素邏輯回歸研究發(fā)現(xiàn)，T2WI信號強度是影響消融效率的最重要因素。常規(guī)MRI信號可反映患者子宮肌瘤病變情況，但缺乏對肌瘤及周圍組織血流灌注和血液微循環(huán)信息的表征，而這在之前的研究中被認為是影響消融率的一大因素。Li等[9]基于動態(tài)增強MRI中定量灌注參數(shù)Ktrans值對子宮肌瘤消融率進行相關預測，其預測模型的曲線下面積（area under the curve，AUC）為0.817。Sainio等[10]將HIFU治療前接受過彌散加權成像（diffusion- weighted imaging，DWI）的42例患者共計48個子宮肌瘤納入研究，結果表明術前的表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coeffecient，ADC）值與HIFU術后子宮肌瘤的NPVR呈顯著負相關。

上述研究結果顯示，依靠傳統(tǒng)T2WI信號分類、相關參數(shù)和成像方法無法借助肌瘤的病理學特征準確預測子宮肌瘤HIFU術后消融率，具有一定的局限性。其原因可能是基于MRI信號參數(shù)的定性分類研究無法為定量評估患者的肌瘤內(nèi)部組織結構差異提供參考[11]。為進一步揭示MRI影像與HIFU療效差異的關系，部分學者從MRI紋理特征方面開展相關研究。蘇佰燕等[12]以16例癥狀性子宮肌瘤患者為研究對象，通過分析術前MRI-T2WI紋理特征與HIFU術后即刻NPVR的相關性，發(fā)現(xiàn)治療前后MRI紋理參數(shù)的變化與磁共振引導下HIFU治療子宮肌瘤的療效間存在一定相關性。Hocquelet等[13]研究發(fā)現(xiàn)，從MRI-T2WI中所提取的14個紋理參數(shù)有7個參數(shù)與消融率顯著相關。相比基于MRI信號的定性分類，基于圖像紋理的定量分析可為預測消融率提供更準確的信息，但仍只能進行相關性的分析且缺乏統(tǒng)一的評判標準。

相較于MRI信號及紋理特征研究，影像組學的研究方法可更加系統(tǒng)和深入地探究醫(yī)學圖像與HIFU療效的關系，且對模型的性能有統(tǒng)一的評判標準，是否適用于臨床也可通過臨床決策曲線進行評價。Zheng等[14]從患者T2WI和DWI導出的ADC圖中提取組學特征，分別使用最小絕對收縮和選擇算子、遞歸特征消除和ReliefF三種特征選擇算法來選擇組學特征，并將其輸入到K鄰近、邏輯回歸、隨機森林和支持向量機（support vector machine，SVM）四種分類器中用于構建模型，表現(xiàn)最好的是ReliefF-SVM組合模型，5次交叉驗證后的AUC為0.887。相較于傳統(tǒng)分類方法，雖然基于影像組學的研究方法在HIFU療效預測方面可達到更好的效果，但在特征選擇方面還有待提升。除組學特征外，臨床特征的篩選和納入不僅能直接反映不同患者的聲通道情況，更能體現(xiàn)出不同患者腫瘤的異質性，有利于模型預測能力的提升。Wei等[15]采用多元線性回歸模型對比基于MRI組學特征的常規(guī)模型及結合臨床特征后的組合模型，常規(guī)MRI模型和組合模型調整后的2值分別為0.385和0.408，差異具有統(tǒng)計學意義；組合模型預測NPVR值與實際NPVR值之間未觀察到顯著差異，預測所得NPVR與實際NPVR呈正相關。基于磁共振影像組學的研究為HIFU療效預測提供一種更為客觀的方法，其模型的構建流程也逐漸規(guī)范化。

2 基于超聲影像組學的相關研究進展

相較于其他醫(yī)學成像方法，超聲成像有著實時動態(tài)成像、無輻射及操作簡便等優(yōu)點，可用于監(jiān)測HIFU消融病灶部位的實時變化。在早期的相關研究中，申俊玲等[16]把不同體積、類型、回聲強度及均勻度的子宮肌瘤納入研究并對其二維灰階超聲圖像與療效進行相關性分析，提高超聲評價HIFU治療子宮肌瘤療效的準確性，但二維灰階超聲無法提供肌瘤內(nèi)部的血流情況，對判斷肌瘤血供情況仍存在不足。陳錦云等[17]將肌瘤按血供0～4級進行分組，對比肌瘤體積消融率及其治療所需能效因子，結果發(fā)現(xiàn)血供與消融能效因子之間呈正相關。由于能效因子是反映肌瘤治療難易程度的指標，可看出肌瘤血供是影響子宮肌瘤消融率的一大重要因素。

隨著超聲成像技術的發(fā)展，對肌瘤血供及周圍血流分布情況的成像手段可為臨床治療提供更多關于患者病灶部位的信息。林紫晴等[18]在多普勒超聲的監(jiān)測下應用HIFU治療子宮肌瘤，術后觀察統(tǒng)計患者肌瘤情況；結果發(fā)現(xiàn)肌瘤體積和肌瘤體積縮小率減小顯著，差異具有統(tǒng)計學意義，提示彩色多普勒超聲可通過測量HIFU術后肌瘤情況而有效判斷其療效。通過與微泡相結合，超聲造影則可通過定量分析子宮肌瘤內(nèi)部的血流灌注情況評價HIFU的療效。胡紅等[19]比較超聲造影與常規(guī)彩色多普勒超聲對HIFU療效評估的差異，結果發(fā)現(xiàn)相較于常規(guī)彩超，超聲造影技術更能準確地評估肌瘤的血流灌注情況及治療前后肌瘤的大小和范圍。黃藝媚等[20]對比超聲造影和彩色多普勒超聲用于隨訪患者HIFU治療后6個月的療效情況，同樣也發(fā)現(xiàn)超聲造影可更好地評估HIFU治療子宮肌瘤后其體積和血供情況。

以上研究主要是基于超聲圖像的定性分析，其研究結果證實基于超聲圖像可判別子宮肌瘤的消融效果，但仍然沒有系統(tǒng)性定量評價HIFU消融子宮肌瘤的療效。丁桂升等[21]為探討子宮肌瘤超聲特征與HIFU消融療效的關系，根據(jù)子宮肌瘤內(nèi)部回聲強度將患者分為高回聲組、等回聲組、低回聲組，并同時記錄患者的基礎臨床信息及子宮肌瘤的相關信息，最后穿刺活檢進行組織病理對照分析研究；結果發(fā)現(xiàn)高回聲組、等回聲組、低回聲組的消融率分別為（74.64±16.32）%、（59.39±13.21）%、（47.11±11.26）%，差異具有統(tǒng)計學意義。不同回聲強度的子宮肌瘤在HIFU術后其療效存在差異，原因可能是肌瘤內(nèi)部的病理成分及結構影響聲能量的傳遞及沉淀，但該研究并未考慮肌瘤血供及周圍血流情況，這可能對實驗結果產(chǎn)生一定的影響。

由于二維普通超聲的分辨率低、有效信息較少，目前基于超聲圖像的超聲影像組學的分析尚處于早期發(fā)展階段，在HIFU治療子宮肌瘤療效預測方面還沒有系統(tǒng)的組學研究。但隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習和遷移學習的發(fā)展，在肝纖維化疾病及甲狀腺結節(jié)良惡性診斷方面，超聲影像組學已能很好地克服其所帶來的挑戰(zhàn)，且在不斷地提升模型效能，取得接近臨床金標準的結果。超聲作為HIFU治療子宮肌瘤的監(jiān)控手段，在HIFU療效預測方面的潛力巨大，有待深入研究探索。

3 基于其他影像組學的相關研究進展

在HIFU療效預測方面，除上述提到的基于MRI及超聲的影像組學相關研究外，其他影像技術在HIFU療效預測中的應用也受到廣泛關注。聲輻射力脈沖彈性成像（acoustic radiation force impulse elastography，ARFIE）是近年來興起的成像技術，短時程內(nèi)將聚焦聲脈沖作用于組織區(qū)域，使組織產(chǎn)生瞬時、微米級位移，并通過發(fā)射聲脈沖序列檢測組織發(fā)生的彈性位移，組織位移的程度可直接決定其彈性，ARFIE技術被廣泛應用于組織彈性的評估。Zhang等[22]采用聲觸診組織定量技術在術前測定患者子宮肌瘤的剪切波速度（shear wave speed，SWV），其肌瘤硬度通過聲觸診組織成像（virtual touch tissue imaging，VTI）技術進行分級，以術后消融率的70%將患者分為兩組，比較兩組患者術前子宮肌瘤的SWV和VTI分級，發(fā)現(xiàn)其有顯著差異，相關性分析發(fā)現(xiàn)術后消融率與術前子宮肌瘤的SWV值和VTI等級呈負相關，利用術前子宮肌瘤SWV值預測消融率<70%的AUC為0.75。子宮肌瘤SWV值與平滑肌細胞含量呈負相關，與膠原纖維含量呈正相關；消融率與平滑肌細胞含量呈正相關，與膠原纖維含量呈負相關；這可能是因為肌瘤中平滑肌細胞含量越高，微血管、膠原纖維等間質成分含量越低，導致腫瘤內(nèi)部的微循環(huán)效率越低，傳熱效果越好，有利于術中聲能量的傳遞，此類肌瘤的SWV值越低，彈性模量越小，表明其組織硬度也越小[23]。ARFIE技術在評估病變組織結構中具有簡便、客觀、準確等優(yōu)點，在臨床上已具備多種臟器檢查的能力，但在子宮肌瘤的診斷中應用相對較少，其用于HIFU術后療效預測方面的實用性及有效性還需進一步驗證。

4 小結與展望

在HIFU治療子宮肌瘤療效預測的研究中，基于MRI影像組學的相關研究最為廣泛。從最開始的基于MRI-T2WI信號分類的研究到結合影像特征及臨床特征進行療效預測，影像組學展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢，可為HIFU療效預測提供一種更為客觀、有效的方法。結合不同序列及模態(tài)的MRI影像可改進術前HIFU療效預測的效果，但模型構建的流程及特征的選擇還需進一步規(guī)范化。特征的可解釋性也是亟待解決的問題。超聲圖像由于其成像的特點，目前關于HIFU療效預測的研究主要基于回聲強度展開，多普勒超聲和超聲造影技術則可通過血流灌注情況進一步預測HIFU療效，超聲影像組學的研究仍處于起步階段。深度學習和遷移學習技術的發(fā)展將有助于使用超聲圖像或視頻并結合多模態(tài)影像開展相關組學研究，醫(yī)生可在術前通過影像組學工具針對不同患者制定個性化的治療方案，使更多的子宮肌瘤患者受益于HIFU。

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（2023–03–14）

（2023–09–18）

R737.3

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.28.032

重慶市教育委員會科學技術研究計劃項目（KJZD-M202000402）；重慶市英才計劃“包干制”項目（cstc2021ycjh-bgzxm0068）

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