鄭營營，徐俊彥，張建平,4, 盛偉琪，張勇平，王明偉，章英劍

1.復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海200032；

2.復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)影像研究中心，上海200032；

3.上海分子影像探針工程技術(shù)研究中心，上海200032；

4.核物理與離子束應(yīng)用教育部重點實驗室，上海 200433；

5.復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院病理科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032

結(jié)直腸癌是臨床上常見的惡性腫瘤，在整體惡性腫瘤的發(fā)病率中居第三位［1］。近幾年隨著檢查技術(shù)的提高以及個體化治療理念的實施，結(jié)直腸癌早期檢出率相應(yīng)提高，結(jié)直腸癌總體死亡率明顯降低［2］。但是局部晚期直腸癌術(shù)后復(fù)發(fā)率高、預(yù)后差，新輔助放療聯(lián)合手術(shù)根治性切除聯(lián)合輔助化療是局部晚期結(jié)直腸癌的標(biāo)準(zhǔn)治療方法。術(shù)前新輔助放化療可以提高其局部控制率及手術(shù)保留括約肌幾率，明顯改善患者預(yù)后并提高患者的生存質(zhì)量，準(zhǔn)確的療效評估不僅對后續(xù)的個體化治療具有重要的指導(dǎo)作用，還有明顯的預(yù)后預(yù)測價值。大量的研究探索了利用18F-FDG PET/CT代謝相關(guān)參數(shù)預(yù)測新輔助放化療局部晚期直腸癌（locally adcanced rectal cancer，LARC）患者的生存期和病理反應(yīng)，但結(jié)果存在爭議［3-6］。最近有研究利用放射組學(xué)方法評估新輔助治療療效得到了良好的效果［7-8］。放射組學(xué)紋理分析主要通過一系列的數(shù)學(xué)運算、分析，最終評價圖像中的灰度、濃聚程度和像素的位置來反應(yīng)腫瘤內(nèi)異質(zhì)性［9］。腫瘤異質(zhì)性包括腫瘤內(nèi)異質(zhì)性和腫瘤間異質(zhì)性［10］，主要與血管生成、增殖及乏氧有關(guān)［11］。本文旨在探討紋理分析方法對LARC患者新輔助放化療療效的預(yù)測價值。

1 資料和方法

1.1 患者資料

本研究回顧性分析了2009年7月—2011年11月間臨床診斷為T3-4和（或）N+LARC患者48例，其中男性39例，女性9例，平均年齡（52.9±9.7）歲。所有患者均接受總劑量為（50～55）Gy/25次/5周的術(shù)前放療，同期卡培他濱（625 mg/m2，每天2次，每周1～5 d，共5周）和奧沙利鉑（85 mg/m2，每周1次，共5周）化療，并在治療前、后1周內(nèi)行18F-FDG PET/CT顯像。

1.2 病理評價

所有患者在新輔助放化療結(jié)束后6～8周全部行手術(shù)治療，由兩位經(jīng)驗豐富的病理科醫(yī)師獨立評估患者的手術(shù)標(biāo)本，并根據(jù)Dworak等［12］提出的標(biāo)準(zhǔn)對腫瘤退縮程度進(jìn)行分級（grade of tumor regression，TRG）。

0級：無消退。1級：主要腫塊出現(xiàn)明顯的纖維化和（或）血管病變。2級：少部分細(xì)胞發(fā)生主要纖維化改變（很容易區(qū)分）。3級：在纖維組織中發(fā)現(xiàn)，伴或不伴黏液極少腫瘤細(xì)胞（顯微鏡下很難發(fā)現(xiàn)）。4級：沒有腫瘤細(xì)胞，只有纖維組織塊（完全消退或反應(yīng)）。

本研究根據(jù)TRG分級將患者分為無反應(yīng)組（TRG0～2級）和有反應(yīng)組（TRG3～4級）［7］。

1.3 顯像方法

18F-FDG 由本科室回旋加速器及其合成模塊生產(chǎn)。所有患者禁食6 h，并于治療前測量血糖水平低于10 mmol/L。18F-FDG（7.4 MBq/kg）注射后平靜休息1 h，CT采集大腿近端至頭部，電壓120 kV，電流80～250 mA，螺距3.6，旋轉(zhuǎn)時間0.5 s。結(jié)束后行PET同機(jī)掃描，范圍與CT相同，2 min/床位。我們采用OSEM算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，并經(jīng)CT衰減校正后得到PET/CT融合圖像。

1.4 圖像分析及數(shù)據(jù)處理

PET/CT圖像由兩位資深核醫(yī)學(xué)科醫(yī)師獨立閱片，腫瘤區(qū)域內(nèi)大于40%最大攝取值（maximal standard uptake，SUVmax）被定義為腫瘤靶區(qū)的輪廓邊緣，由軟件自動勾畫并獲取腫瘤代謝體積（metabolic tumor volume，MTV）。

紋理分析參數(shù)的獲得主要包括兩步，第一步，將腫瘤感興趣區(qū)內(nèi)的體素矩陣化；第二步，通過對提取出的矩陣元加權(quán)從而獲得紋理特征參數(shù)，上述兩步均由改編后Matlab軟件自動完成。共提取了72個特征，其中歸一化共生矩陣（a normalized gray-level co-occurrence matrix，NGLCM)生成的熵（entropy）和對比度參數(shù)（contrast）以及局部灰度差分矩陣（a neighborhood gray-tone difference matrix，NGTDM）生成的粗糙度參數(shù)（coarseness）用以分析單變量預(yù)測療效的研究。利用支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）方法分析了所有的72個參數(shù)。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。所有連續(xù)變量均表示為±s，紋理分析的變量分析采用Kruskal-Wallis 單因素方差分析，采用受試者工作特征曲線（receiver operator characteristic curve，ROC）預(yù)測紋理分析的診斷效能，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義?；赗語言實現(xiàn)SVM方法，首先對變量去冗余降維，然后對剩余的獨立變量通過kernlab包中的ksvm函數(shù)構(gòu)建模型，將80%數(shù)據(jù)做為訓(xùn)練集，20%的數(shù)據(jù)做為測試集，分別選擇vanilladot和tanhdot作為核函數(shù)。

2 結(jié) 果

2.1 患者特征

48例入組患者的基本信息如表1所示，不同TRG分級病例數(shù)目如下：無TRG0，TRG1為7例（14.6%），TRG2為21例（42.0%），TRG3為10例（20.0%），TRG4為10例（20.8%）。由此，有反應(yīng)組20例（41.7%），無反應(yīng)組28例（58.3%）。

2.2 SUVmax、MTV、紋理特征的ROC曲線分析

2.3 SVM方法預(yù)測結(jié)果

通過相關(guān)性過濾降維，最終將變量壓縮到9和10個。通過PET1和PET2數(shù)據(jù)構(gòu)建的SVM模型獲得的靈敏度分別為25.00%和57.14%，特異度均為100%，有反應(yīng)預(yù)測率均為100%，無反應(yīng)預(yù)測率為53.85%和66.67%，總的預(yù)測準(zhǔn)確率為60.00%和76.92%。

3 討 論

新輔助放化療聯(lián)合手術(shù)治療及術(shù)后化療已成為目前LARC的治療規(guī)范，然而原發(fā)灶治療后的病理反應(yīng)必須通過手術(shù)才能獲得，如能早期通過可靠的影像學(xué)手段準(zhǔn)確評估原發(fā)灶的退縮情況，對退縮良好的患者將有可能縮小手術(shù)范圍甚至避免根治性手術(shù)［13］，另一方面對新輔助放化療不敏感無病理緩解的患者可盡早更換治療方案［14］。臨床上個體化治療的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確評估和預(yù)測新輔助治療的反應(yīng)，既往實體瘤的反應(yīng)評估標(biāo)準(zhǔn)（Response Evaluation Criteria in Solid Tumors，RECIST）主要依賴治療后形態(tài)學(xué)的改變，但是我們在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其對部分病例似乎不能準(zhǔn)確評估病灶活性的變化［15］。

18F-FDG PET/CT是臨床上常規(guī)使用的代謝顯像方式，相比于傳統(tǒng)影像學(xué)檢查，在評估腫瘤療效反應(yīng)中更具優(yōu)勢。SUVmax是最常用的PET/CT半定量分析參數(shù)，然而它僅代表了腫瘤中代謝最高部分的代謝活性，卻不能反映腫瘤的整體情況，所以有研究者引入另一些參數(shù)如SUVmean、MTV和總糖酵解量（total lesion glycolysis，TLG）等。我們的研究表明，治療前原發(fā)灶SUVmax不能區(qū)分直腸癌新輔助治療后的病理反應(yīng)，這與多項研究的結(jié)果一致［16-17］。治療后的原發(fā)灶SUVmax在療效預(yù)測中的價值存在爭議［17-18］，我們的研究表明其不能預(yù)測治療反應(yīng)，研究結(jié)果的差異可能與臨床療效反應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)不同有關(guān)，如完全反應(yīng)、部分反應(yīng)、病情穩(wěn)定、病情進(jìn)展、降期和TRG；另一個原因可能與納入的病例數(shù)目有關(guān)。有多項研究利用MTV預(yù)測腫瘤治療療效，認(rèn)為MTV相較于SUVmax值有更好的預(yù)測價值［19-20］，然而本研究顯示無論利用治療前還是治療后的MTV均無法對直腸癌新輔助放化療病理反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測。本中心在前期研究中發(fā)現(xiàn)治療前與手術(shù)前MTV及TLG的變化率可預(yù)測直腸癌新輔助放化療后病理反應(yīng)，可區(qū)分病理反應(yīng)者與無反應(yīng)者［21］，但本研究僅納入新輔助放化療治療前（PET1）及治療后（PET2）早期PET/CT顯像數(shù)據(jù)，治療后早期受放療炎癥干擾可能影響真正有活性范圍的勾畫，故未發(fā)現(xiàn)MTV的預(yù)測價值。

紋理分析是腫瘤內(nèi)異質(zhì)性分析的一種新方法，它主要通過一系列的數(shù)學(xué)運算來反映圖像中像素或體素的灰度與其位置的關(guān)系。腫瘤內(nèi)異質(zhì)性主要表現(xiàn)為基因和表觀遺傳狀態(tài)、基因和蛋白表達(dá)以及形態(tài)結(jié)構(gòu)的多樣性，從而對腫瘤診斷、治療和預(yù)后方面帶來挑戰(zhàn)［10］。目前紋理分析已用于頭頸部腫瘤、食管癌、肺癌的療效預(yù)測及腫瘤內(nèi)異質(zhì)性分析等［8，22］。

有研究［10］發(fā)現(xiàn)基于PET/CT紋理分析參數(shù)（Δ%熵、Δ%粗糙度參數(shù)）能有效區(qū)分人表皮生長因子受體2（human epidermal growth factor receptor 2，HER-2）和非病理完全緩解。有研究表明紋理分析參數(shù)與LARC疾病特異性生存期及無進(jìn)展生存期均有明顯相關(guān)性，并且粗糙度參數(shù)值越大，治療結(jié)果越差［7］，該研究多因素分析顯示TLG是新輔助放化療病理反應(yīng)的重要預(yù)測因子，單因素分析顯示紋理分析的大部分參數(shù)均與療效顯著相關(guān)，但本研究僅發(fā)現(xiàn)對比度參數(shù)2與病理反應(yīng)相關(guān)（P=0.038），可區(qū)分病理反應(yīng)組與無反應(yīng)組，可能與樣本量的差異有關(guān)。

通常對比度參數(shù)反映圖像的清晰度和紋理的溝紋深淺，圖像中有明顯的溝紋則值較大；熵反應(yīng)圖像中的信息量，如果圖像中紋理非常少，那么熵的值接近于0；粗糙度參數(shù)則反應(yīng)圖像中的粒度，如果圖像的組成區(qū)域非常大，其值則非常大，表明灰度改變非常小。本研究顯示紋理分析參數(shù)熵和粗糙度參數(shù)不能區(qū)分病理反應(yīng)組與無反應(yīng)組。

本研究還使用了SVM方法，該法屬于機(jī)器學(xué)習(xí)常用的方法，能有效避免當(dāng)前采用單因素分析時，但沒有考慮包括潛在混雜因素的多變量影響，也沒有進(jìn)行多重測試的校正，并且沒有通過交叉驗證的魯棒性驗證。相較于單因素分析，基于SVM模型的分析對于療效評價更有價值，無論PET1還是PET2，其有反應(yīng)預(yù)測率均為100%。

本研究證實局部晚期直腸癌新輔助放化療后1周內(nèi)PET/CT圖像紋理分析對療效具有一定的預(yù)測價值，但有效的紋理分析參數(shù)constrast 2的診斷效能尚不完善，其AUC為0.677；通過SVM建模方法分析，有反應(yīng)預(yù)測率高達(dá)100%。