劉思野，文露，侯靜，聶少麟，周菊梅，曹芳，盧強(qiáng)，覃玉卉，于小平*

作者單位：

1. 中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院 湖南省腫瘤醫(yī)院放射診斷科，長沙410006

2. 中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院 湖南省腫瘤醫(yī)院結(jié)直腸外科，長沙410006

3. 中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院湖南省腫瘤醫(yī)院放療科，長沙 410006

4. 中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院湖南省腫瘤醫(yī)院病理科，長沙 410006

新輔助放化療聯(lián)合全系膜切除術(shù)是局部進(jìn)展期直腸癌的標(biāo)準(zhǔn)療法[1-2]。病理檢查是評估其新輔助放化療療效的金標(biāo)準(zhǔn)。早期判別直腸癌新輔助放化療后的病理反應(yīng)，有助于制訂個性化治療方案。新興的影像學(xué)方法，例如體素內(nèi)不相干運(yùn)動擴(kuò)散加權(quán)成像(intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging，IVIM-DWI)的平均參數(shù)值分析，可用于預(yù)測直腸癌新輔助放化療的病理反應(yīng)狀態(tài)[3-5]。而新興的醫(yī)學(xué)圖像分析方法-紋理分析，可量化腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性[6-8]。研究發(fā)現(xiàn)，基于磁共振T2WI[9-10]和表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)像[11]的紋理特征有助于預(yù)測直腸癌療效。國外曾有研究發(fā)現(xiàn)，基于IVIM-DWI參數(shù)圖的一級紋理特征能夠預(yù)測直腸癌新輔助放化療后是否達(dá)到原發(fā)灶病理完全反應(yīng)(pathological complete response，pCR)，但尚未見IVIM-DWI參數(shù)圖二級紋理特征預(yù)測直腸癌療效的研究報道。因此，筆者旨在探討基于IVIM-DWI參數(shù)圖的紋理特征在評估直腸癌原發(fā)灶放化療反應(yīng)方面的潛能，重點(diǎn)是比較一級與二級紋理特征的預(yù)測效能之間是否存在差異。

1 材料與方法

1.1 一般資料

搜集38例臨床及影像資料齊全的局部進(jìn)展期(cT3-4N0-2M0)直腸癌病例。患者年齡22～73歲，平均51歲，男性27例，女性11例。所有研究對象均在放化療前經(jīng)結(jié)腸鏡下病理活檢證實(shí)為直腸非黏液型腺癌。此研究由我院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 設(shè)備及掃描方法

所有患者于新輔助放化療1～3 d前，依次行盆腔常規(guī)平掃及IVIM-DWI掃描。采用GE MR360 1.5 T超導(dǎo)型MRI儀及相控體線圈，患者取仰臥位。IVIM-DWI采用單次激發(fā)自旋回波擴(kuò)散加權(quán)平面回波成像(ssSE-DW-EPI)序列行直腸橫斷面，取12個b值(0、10、20、30、50、80、100、150、200、400、600及800 s/mm2)，TR 4694 ms，TE 102 ms，層厚5 mm，層間距1 mm，視野(FOV)380 mm，NEX為4。

1.3 圖像采集及紋理分析

MRI原始資料先傳至AW 4.6工作站，采用MADC軟件進(jìn)行后處理，由軟件自動生成IVIMDWI參數(shù)圖，包括ADC (表觀擴(kuò)散系數(shù))、D (真實(shí)擴(kuò)散系數(shù))、D*(偽擴(kuò)散系數(shù))及f (灌注分?jǐn)?shù))。由1名放診科醫(yī)師結(jié)合T2WI，在直腸癌原發(fā)灶軸位ADC圖上沿病灶外緣手動勾畫感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，這一ROI被自動復(fù)制到其他D、D*及f圖上。完成病灶所有層面的ROI勾畫后，軟件自動生成感興趣體積(volume of interest，VOI)，并提供相應(yīng)的IVIM-DWI參數(shù)值。再將這些參數(shù)圖以BMP格式保存，導(dǎo)入紋理分析軟件MaZda (http://www.eletel.p.lodz.pl/programy/mazda/index.php?action=mazda)進(jìn)行。MaZda自動從每個VOI中提取9個一級紋理特征(Mean、Variance、Skewness、Kurtosis、Perc1%、Perc10%、Perc50%、Perc90%及Perc99%)值及11個共生矩陣特征(AngScMom、Contrast、Correlat、DifEntrp、Difvarnc、Entropy、InvDfMom、SumAverg、SumEntrp、SumOfSqs及SumVarnc)值。腫瘤體積由每一層ROI的面積乘以層厚并累加而得。

1.4 病理反應(yīng)評估

患者在完成MRI后行新輔助放化療，放療總劑量為50 Gy，分25次完成，同期口服卡培他濱1650 mg/(m2?d)。放化療結(jié)束后8周行全系膜切除術(shù)。由1名經(jīng)驗(yàn)豐富的病理科醫(yī)師采用Dworak腫瘤消退等級(tumor regression grade，TRG)標(biāo)準(zhǔn)來評估腫瘤原發(fā)灶的病理反應(yīng)狀態(tài)[12]：TRG 4，完全反應(yīng)(無殘留的存活腫瘤細(xì)胞)；TRG 3，較少的腫瘤細(xì)胞散在分布于纖維組織之中；TRG 2，腫瘤細(xì)胞殘余較多，但仍少于纖維組織； TRG 1，腫瘤細(xì)胞殘余多于纖維組織；TRG 0，無反應(yīng)。本研究中，將原發(fā)灶病理反應(yīng)為TRG 4的患者歸為pCR組，其余患者歸為非pCR組。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 22.0及Medcalc 15.0行統(tǒng)計分析。計量資料用表示，計數(shù)資料以頻數(shù)表示。采用卡方檢驗(yàn)比較pCR組與非pCR組在性別構(gòu)成、病理分化程度及治療前臨床分期上的差異。采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)比較pCR組與非pCR組在治療前腫瘤體積、IVIM-DWI參數(shù)值及紋理特征值上的差異(單變量分析)。采用多變量Logistic回歸分析(前進(jìn)法，LR；進(jìn)入概率：0.05；剔除概率：0.1)尋找pCR的獨(dú)立預(yù)測因子，共構(gòu)建3個模型，即模型1(基于一級紋理特征)、模型2(基于二級紋理特征)及模型3(基于一級及二級紋理特征)。采用受試者工作特性(ROC)曲線評價單個紋理特征及多變量回歸模型對pCR的預(yù)測能力。P＜0.05視為有統(tǒng)計學(xué)差異。

2 結(jié)果

pCR組(8例)與非pCR組(30例)在患者年齡、性別構(gòu)成、治療前腫瘤體積(表1)以及ADC、D、D*、f參數(shù)值(表2)上沒有顯著性差異。

在基于IVIM-DWI四種參數(shù)圖的80個紋理特征中，17個在pCR組與非pCR組之間存在顯著性差異。與非pCR組相比，pCR組的AngScMomD、AngScMomD*、AngScMomf、DifVarncADC、DifVarncD、ContrastADC及ContrastD*值更低，而Perc10%ADC、Perc10%D、Perc99%D*、CorrelatD*、Correlatf、DifEntrpADC、InvDfMomADC、SumAvergD、SumVarncD*及SumOfSqsD*值更高(表3)。圖1、2分別為1例pCR及1例非pCR患者的MRI。

在pCR的預(yù)測方面，單個紋理特征的ROC曲線下面積(area under curve，AUC)值在0.662～0.829之間，敏感度為33.33%～100.00%，特異度為37.50%～100.00%(表3)。就多變量分析而言，模型1中Perc10%ADC(P=0.032)和Perc10%D(P=0.028)為pCR的獨(dú)立預(yù)測因子，該模型的AUC值為0.754 (95%置信區(qū)間：0.588～0.879)，敏感度為50%，特異度為100%；模型2中pCR的獨(dú)立預(yù)測因子為DifVarncD(P=0.003)和SumVarncD*(P=0.002)，該模型的AUC值為0.929 (95%置信區(qū)間：0.797～0.987)，敏感度為83.33%，特異度為100.00%；模型3的獨(dú)立預(yù)測因子構(gòu)成、AUC值、敏感度及特異度均與模型2完全一致。

表1 pCR和非pCR組的治療前臨床及病理特征比較Tab. 1 Differences in pre-treatment clinical and pathological characteristics between the pCR and non-pCR groups

表2 pCR和非pCR組的治療前IVIM-DWI參數(shù)值比較Tab. 2 Differences in parameters of IVIM-DWI between the pCR and non-pCR groups

圖1 病理完全反應(yīng)(pCR)組直腸癌患者。A：放化療前的T2WI；B：放化療后的T2WI，與放化療前的T2WI相比，示病灶有縮?。籆：感興趣體積(VOI)；D：治療后的病理圖像(HE ×40)，示瘤區(qū)無殘留的存活腫瘤細(xì)胞(完全反應(yīng)，TRG 4)；E～H：四張體素內(nèi)不相干運(yùn)動擴(kuò)散加權(quán)成像(IVIM-DWI)參數(shù)圖，分別為ADC、D、D*和f 圖2 直腸癌患者(非pCR組)。A：放化療前的T2WI；B：放化療后的T2WI，與放化療前的T2WI相比，示病灶有縮?。籆：VOI；D：治療后的病理圖像(HE ×40)，示瘤區(qū)殘留較多的存活腫瘤細(xì)胞(非完全反應(yīng)，TRG 2)；E～H：四張IVIMDWI參數(shù)圖，分別為ADC、D、D*和fFig. 1 A Patient with LARC from the pCR group. A: Pre-therapy T2WI. B: Post-therapy T2WI, showing a relatively good response to nCRT. C: VOI. D:Pathological image (HE ×40) after nCRT, implying the absence of residual cancer (TRG 4). E—H: Four IVIM-DWI parametric maps named ADC, D,D* and f respectively. LARC: locally advanced rectal cancer. pCR: pathological complete response. nCRT: neoadjuvant chemoradiotherapy. VOI: volume of interest. TRG: tumour regression grade. nCRT: neoadjuvant chemoradiotherapy. IVIM-DWI: intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging.Fig. 2 A Patient with LARC from the non-pCR group. A: Pre-therapy T2WI. B: Post-therapy T2WI, showing a relatively good response to nCRT. C: VOI. D:Pathological image (HE ×40) after nCRT, impling more residual tumor cells, but still less than fibrosis (TRG 2). E—H: Four IVIM-DWI parametric maps named ADC, D, D* and f respectively.

表3 直腸癌pCR 組與非pCR組紋理特征的單變量分析結(jié)果Tab. 3 Differences in texture features between the pCR and non-pCR groups

3 討論

紋理分析可通過計算圖像中像素或體素的灰度變化來量化腫瘤異質(zhì)性[13]。紋理分析方法眾多，最常用的是基于統(tǒng)計學(xué)的分析方法，它可提供一級、二級及三級紋理特征。其中，一級紋理特征可通過直方圖分析來評估給定區(qū)域內(nèi)像素或體素的灰度頻率分布情況，而二級紋理特征是評估圖像中像素或體素的位置與空間關(guān)系[14]?；叶裙采仃囀悄壳白畛Ｓ玫亩壖y理特征提取方法[15]，且已被證實(shí)對多種腫瘤的治療反應(yīng)有預(yù)測價值[5，16-18]。

3.1 一級紋理特征的預(yù)測能力

本研究結(jié)果顯示，36個一級紋理特征中，有3個在直腸癌原發(fā)灶pCR與非pCR兩組之間存在顯著性差異，分別是Perc10%ADC、Perc10%D及Perc99%D*。就ADC及D而言，低序百分位數(shù)(如Perc10%)主要受細(xì)胞致密程度的影響，其值越低代表細(xì)胞越密集[19-20]。非pCR組的Perc10%ADC及Perc10%D值明顯低于pCR組，提示治療反應(yīng)較差的直腸癌其治療前瘤灶內(nèi)部細(xì)胞更密集，可能反映腫瘤細(xì)胞增殖更旺盛。D*值反映腫瘤的微循環(huán)灌注狀態(tài)，與腫瘤內(nèi)的微循環(huán)血流速度成正比[3]。本研究中原發(fā)灶pCR組的Perc99%D*值明顯高于非pCR組，說明治療反應(yīng)好的直腸癌其內(nèi)部血供較豐富，因而乏氧程度更輕，從而對放化療的反應(yīng)更好。不過，Nougaret等[5]卻發(fā)現(xiàn)直腸癌治療前IVIM-DWI四個參數(shù)(ADC、D、D*及f)圖的百分位數(shù)均無法預(yù)測其放化療后的pCR狀態(tài)。本研究中IVIM-DWI所有參數(shù)圖的Kurtosis無法預(yù)測直腸癌原發(fā)灶pCR，而De Cecco等[9]卻發(fā)現(xiàn)基線T2WI像的Kurtosis有助于預(yù)測直腸癌pCR狀態(tài)。另有研究發(fā)現(xiàn)，在接受新輔助放化療的直腸癌中，反應(yīng)組(影像上T降期或病理上N降期)與無反應(yīng)組之間在基線ADC圖的一級紋理特征值上沒有顯著性差異[11]。以上不同的研究結(jié)果可能是因?yàn)楦餮芯恐g在樣本構(gòu)成、MRI掃描方法、紋理特征的源影像與提取方法、療效評價標(biāo)準(zhǔn)等方面存在差異所致。

3.2 二級紋理特征的預(yù)測能力

在二級紋理特征中，Contrast、DifVarnc和InvDfMom是反映腫瘤異質(zhì)性的指標(biāo)[21]，即Contrast或DifVarnc值越高、異質(zhì)性越強(qiáng)，而InvDfMom則相反[15，17，21-22]。Correlat和SumAverg與組織異質(zhì)性無直接關(guān)系[21]。本研究中，Contrast、Correlat、DifVarnc、InvDfMom及SumAverg值在原發(fā)灶pCR與非pCR兩組之間存在顯著性差異。與非pCR組相比，pCR組的Contrast和DifVarnc值均更低，而InvDfMom值則更高，這提示治療前IVIM-DWI參數(shù)圖上異質(zhì)性越高的直腸癌對放化療的反應(yīng)越差。在以往關(guān)于直腸癌、乳腺癌及宮頸癌等惡性腫瘤紋理分析的研究中，也有類似現(xiàn)象[11，15，21，23-24]。比如，新輔助放化療后影像上T降期或病理上N降期的直腸癌[11]，其基線ADC圖的InvDfMom值明顯高于非降者，而治療后病理反應(yīng)為TRG 3～4級的直腸癌，其基線CT增強(qiáng)像的Entropy值明顯低于TRG 0～2級的直腸癌[24](InvDfMom值越高或Entropy值越低都代表腫瘤越均質(zhì))。對化療反應(yīng)好(腫瘤長徑縮小超過50%)的乳腺癌，其治療前增強(qiáng)T1WI的Contrast值低于無反應(yīng)(腫瘤長徑縮小不足50%)者[15]。對于宮頸癌，如果其動態(tài)對比增強(qiáng)MRI參數(shù)(增強(qiáng)幅度和對比劑廓清率)圖的Contrast值越高，則治療后復(fù)發(fā)的可能性越大[23]。

3.3 一級紋理特征與二級紋理特征的比較

本研究中，基于二級紋理特征構(gòu)建的多變量模型對直腸癌原發(fā)灶pCR狀態(tài)的預(yù)測效能高于基于一級紋理特征構(gòu)建的模型(AUC值：0.929和0.754，P=0.056)。此外，本研究中以一級與二級特征混合建模用于預(yù)測直腸癌原發(fā)灶pCR時，所有的獨(dú)立預(yù)測因子均為二級紋理特征而不是一級紋理特征。曾有研究發(fā)現(xiàn)，盡管直腸癌原發(fā)灶治療后ADC及D參數(shù)圖的一級紋理特征有助于預(yù)測pCR，但是其預(yù)測效能與IVIM-DWI參數(shù)平均值分析無異[5]。以上提示，在預(yù)測直腸癌原發(fā)灶對新輔助放化療病理反應(yīng)方面，二級紋理特征可能要優(yōu)于一級紋理特征。這可能是因?yàn)槎壖y理特征能夠反映像素及體素之間的空間與位置關(guān)系，而一級紋理特征卻不能，因此在充分反映腫瘤的異質(zhì)性方面一級紋理不及二級紋理特征。

本研究存在以下不足之處。(1)納入的樣本量較小，可能導(dǎo)致一定的統(tǒng)計學(xué)偏倚；(2)未探討治療后的原發(fā)灶I(lǐng)VIM-DWI紋理特征與病理反應(yīng)之間的關(guān)系。因此，今后采用更大樣本量以及不同時間點(diǎn)的IVIM-DWI參數(shù)圖紋理特征來探討紋理特征與直腸癌原發(fā)灶治療反應(yīng)之間的關(guān)系，可能更有價值。

總之，本研究發(fā)現(xiàn)，基于IVIM-DWI參數(shù)圖的紋理特征，特別是二級紋理特征，在預(yù)測局部進(jìn)展期直腸癌原發(fā)灶新輔助放化療的病理反應(yīng)方面可能具有潛在價值。