王聰，劉娜，包絲雨，曹樂，辛迪，卑貴光

（1.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院放射診斷科，沈陽 110812；2.北京深睿博聯(lián)科技有限責(zé)任公司研發(fā)中心，北京 100080）

前列腺癌是最常見的男性惡性腫瘤，我國(guó)前列腺癌發(fā)病率及病死率逐年升高［1-2］。T2加權(quán)（T2 weighted imaging，T2WI）磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）與彌散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）技術(shù)廣泛應(yīng)用于前列腺癌術(shù)前診斷［3］，超高b值DWI（b=3 000 s/mm2）的應(yīng)用也越來越廣泛，但仍有部分患者良惡性鑒別診斷準(zhǔn)確率較低，目前，經(jīng)直腸超聲（transrectal ultrasonography，TRUS）引導(dǎo)下穿刺活檢仍是臨床診斷金標(biāo)準(zhǔn)。TRUS受患者基礎(chǔ)狀態(tài)、醫(yī)療條件等多種因素限制，執(zhí)行率較低，而且TRUS存在發(fā)生術(shù)后并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。因此，提高前列腺癌影像診斷準(zhǔn)確率、減少術(shù)前不必要活檢是目前急需解決的問題。近年來從醫(yī)學(xué)圖像中提取大量定量成像特征的影像組學(xué)［4］受到了廣泛的關(guān)注，豐富的影像組學(xué)特征與機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合可以使診斷前列腺癌更加客觀。與臨床評(píng)估相比影像組學(xué)更有助于良惡性前列腺病變的鑒別［5-6］。本研究對(duì)前列腺超高b值DWI呈高信號(hào)病灶的雙參數(shù)MRI圖像進(jìn)行影像組學(xué)特征分析，并與第二版前列腺影像報(bào)告和數(shù)據(jù)系統(tǒng)（the second edition of prostate imaging reporting and data system，PI-RADS v2）評(píng) 分系統(tǒng)進(jìn)行比較，探討MRI影像組學(xué)模型對(duì)前列腺病變良惡性的診斷價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

回顧性分析我院2016年1月至2019年8月期間就診的前列腺病變患者的臨床資料。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）年齡＞50歲，前列腺特異抗原（prostate specific antigen，PSA）升高且有排尿困難等臨床癥狀；（2）超高b值DWI檢查呈高信號(hào)且PI-RADS v2≥3分的前列腺病變；（3）MRI檢查4周內(nèi)進(jìn)行TRUS引導(dǎo)下穿刺活檢，獲得病理結(jié)果。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）MRI檢查前已行前列腺活檢、放化療及內(nèi)分泌治療等；（2）MRI圖像質(zhì)量不佳或病灶廣泛轉(zhuǎn)移累及較多其他組織。共81例患者納入研究，年齡53～87歲，平均年齡71.7歲，總PSA為4.04～270.00 ng/mL，中位數(shù)為37.62 ng/mL。惡性47例，其中腺癌45例，鱗狀細(xì)胞癌1例，移行細(xì)胞癌1例；Gleason評(píng)分≥（3+4）/（4+3）29例。良性34例，其中，前列腺良性增生（benign prostate hyperplasia，BPH）32例，前列腺炎2例。

1.2 檢查方法

采用美國(guó)GE MR750 3.0T 掃描儀，盆腔線圈，患者仰臥位，范圍覆蓋整個(gè)盆腔進(jìn)行檢查，軸位T2WI壓脂掃描參數(shù)為：激勵(lì)2次，TR 6 524.0 ms，TE 91.0 ms，F(xiàn)OV 22 cm×22 cm，矩陣352×352，層厚5.0 mm，層間距0.5 mm。軸位DWI復(fù)制T2WI壓脂掃描定位線，激 勵(lì)2次，TR 2 000.0 ms，TE 60.2 ms，矩陣96×96，層厚5.0 mm，層間距0.5 mm，b=1 000 s/mm2、3 000 s/mm2的FOV 分別為28 cm×28 cm、30 cm×30 cm。

1.3 前列腺病灶PI-RADS v2評(píng)分

由2名具有10年以上腹部影像診斷學(xué)經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生共同協(xié)商對(duì)前列腺病灶進(jìn)行PI-RADS v2評(píng)分，以病理結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算不同PI-RADS v2評(píng)分病變的陽性預(yù)測(cè)值（positive predictive value，PPV），并用受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線的曲線下面積（area under curve，AUC）、靈敏度、特異度評(píng)價(jià)PI-RADS v2評(píng)分系統(tǒng)鑒別前列腺良惡性病變的效能。

1.4 穿刺活檢

采用“12+1”穿刺活檢法［7］，取13條病理組織，活組織病理標(biāo)本浸泡于中性甲醛中固定2 h，然后進(jìn)行取材、脫水、透明、浸蠟、包埋、切片、染色等程序后由1名具有10年以上工作經(jīng)驗(yàn)的病理科專家觀察組織切片。

1.5 前列腺靶病灶分割及影像組學(xué)特征提取

將所有患者的橫軸面T2WI壓脂和DWI掃描（b=1 000 s/mm2、b=3 000 s/mm2）圖像導(dǎo) 入Dr.Wise多模態(tài)科研平臺(tái)（版本號(hào)1.6），利用平臺(tái)自動(dòng)勾畫功能對(duì)DWI（b=3 000 s/mm2）序列上的病灶進(jìn)行逐層勾畫，由1名具有10年以上腹部影像診斷學(xué)經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生對(duì)勾畫病灶的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以DWI（b=3 000 s/mm2）勾畫的病灶為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)T2WI壓脂及DWI（b=1 000 s/mm2）病灶進(jìn)行逐層半自動(dòng)勾畫，1周后由同一名醫(yī)生及另外1名同級(jí)別醫(yī)生分別對(duì)病灶進(jìn)行二次勾畫，并對(duì)3次結(jié)果進(jìn)行組內(nèi)及組間一致性檢驗(yàn)；所有患者的病灶勾畫完成后采用B樣條插值采樣技術(shù)進(jìn)行重采樣，形成三維體素，然后通過軟件自動(dòng)提取出病灶7類影像組學(xué)特征，包括一階特性、形狀特征、紋理特征、亮度特征、灰階運(yùn)行長(zhǎng)度矩陣、灰度判斷矩陣、相鄰的灰度級(jí)［8］。

1.6 特征篩選及建立影像組學(xué)特征預(yù)測(cè)模型

將提取的特征剔除缺失率＞10%部分，然后進(jìn)行特征間線性相關(guān)檢查，剔除自相關(guān)性高（P≥0.9）的特征參數(shù)，再使用L1正則方法進(jìn)行特征選擇，采用隨機(jī)森林（random forest，RF）方法構(gòu)建診斷模型，按照7 ∶3的比例經(jīng)計(jì)算機(jī)隨機(jī)選取出訓(xùn)練組及驗(yàn)證組，并以5折交叉驗(yàn)證方法對(duì)診斷模型進(jìn)行檢驗(yàn)，利用MedCalc軟件繪制出ROC 曲線及其檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撵`敏度和特異度。

2 結(jié)果

2.1 前列腺病灶PI-RADS v2評(píng)分

患者PI-RADS v2評(píng)分結(jié)果見表1。鑒別前列腺良惡性病變的ROC的AUC為0.653，95%CI為0.539～0.755，診斷靈敏度、特異度分別為0.717、0.486。

表1 81例患者PI-RADS v2評(píng)分結(jié)果Tab.1 PI-RADS v2 scores in 81 cases

2.2 病灶標(biāo)注及特征降維結(jié)果

前列腺癌及前列腺良性增生典型病例圖像見圖1、圖2。圖A與圖B對(duì)比可見自動(dòng)勾畫得到感興趣區(qū)的準(zhǔn)確性很高。組間一致性檢驗(yàn)（intraclass correlation coefficient，ICC）結(jié)果為0.87～0.96。

圖1 外周帶及中央帶右側(cè)前列腺癌患者（79歲）圖像Fig.1 Image of a 79-year-old patient with prostate cancer in the right peripheral and central zones

圖2 外周帶及中央帶前部BPH患者（65歲）圖像Fig.2 Image of a 65-year-old patient with benign prostatic hyperplasia in the anterior parts of the peripheral and central zones

81例患者靶病灶提取得到103個(gè)特征，103個(gè)特征剔除缺失率＞10%的部分，然后進(jìn)行特征間線性相關(guān)檢查，剔除自相關(guān)性高（P≥0.9）的71個(gè)特征參數(shù)，再使用L1正則方法（系數(shù)=0.1）進(jìn)行特征篩選，最后T2WI壓脂和DWI b=3 000 s/mm2分別得到9個(gè)原始數(shù)據(jù)特征，DWI b=1 000 s/mm2得到10個(gè)特征，其中3個(gè)研究序列共有的特征參數(shù)2個(gè)（伸長(zhǎng)率及球形度）。

2.3 影像組學(xué)模型對(duì)前列腺病變良惡性鑒別結(jié)果

經(jīng)過特征清洗及篩選得到特征參數(shù)，采用RF法建模、并用5折交叉驗(yàn)證方法得到訓(xùn)練集及驗(yàn)證集在各個(gè)序列指標(biāo)，T2WI壓脂及各b值DWI序列在驗(yàn)證集的影像組學(xué)特征預(yù)測(cè)結(jié)果見表2，ROC曲線見圖3。

表2 T2WI壓脂及各b值DWI序列在驗(yàn)證集的影像組學(xué)特征預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.2 Prediction results of radiomics characteristics of T2-weighted fat-pressing imaging and b-value DWI sequences in the verification set

圖3 驗(yàn)證集各序列ROC曲線Fig.3 Receiver operating characteristic curves of each sequence in the verification set

2.4 PI-RADS v2評(píng)分與影像組學(xué)模型診斷效能比較

利用MedCalc 19.2.0軟件進(jìn)行DeLong檢驗(yàn)計(jì)算得出DWI b=1 000 s/mm2及DWI b=3 000 s/mm2的組學(xué)模型診斷效能結(jié)果顯示，AUC分別為0.800、0.833，明顯高于PI-RADS v2評(píng)分（均P＜ 0.05）；T2WI壓脂組學(xué)模型診斷效能的AUC為0.723，與PI-RADS v2比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞ 0.05）。

3 討論

T2WI壓脂及 DWI是前列腺癌診斷中的重要序列，T2WI壓脂能夠清晰顯示前列腺及其周圍組織的解剖關(guān)系，可以較好顯示病灶的大小及其侵襲范圍，DWI公認(rèn)為是鑒別前列腺病變良惡性的重要診斷序列，隨著b值升高，前列腺癌病灶信號(hào)強(qiáng)度變化不明顯，非癌組織信號(hào)明顯減低，甚至接近背景噪聲［9］，超高b值對(duì)水分子擴(kuò)散敏感度高，能降低組織微循環(huán)灌注的影響，對(duì)比度更高［10］，本研究中81個(gè)超高b值高信號(hào)結(jié)節(jié)經(jīng)病理證實(shí)有34個(gè)良性病變，PI-RADS v2評(píng)分系統(tǒng)特異度不高、僅為0.486。可能的原因包括：（1）前列腺良性病變超高b值顯示為高信號(hào)可能是因?yàn)殚g質(zhì)型結(jié)節(jié)、纖維腺瘤型結(jié)節(jié)和腺肌型結(jié)節(jié)等以基質(zhì)型增生為主的前列腺良性增生含有較多膠原和基質(zhì)細(xì)胞（纖維母細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞），腺體及液體成分少，大量纖維組織使細(xì)胞外間隙減小、排列緊密，與前列腺癌的基本組織結(jié)構(gòu)相似［11-12］。（2）根據(jù)T2WI壓脂及DWI信號(hào)變化對(duì)前列腺病變進(jìn)行PI-RADS v2評(píng)分無客觀定量的診斷標(biāo)準(zhǔn)，在良惡性病變不夠典型、信號(hào)差異不明顯時(shí)PIRADS v2評(píng)分受影像診斷醫(yī)生主觀判斷和工作經(jīng)驗(yàn)等因素影響較大。因此，需要找到一種更加客觀準(zhǔn)確的影像診斷方法來提高診斷效能，減少術(shù)前不必要的活檢。

影像組學(xué)是從醫(yī)學(xué)圖像中提取豐富的定量成像特征并與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法［4］，使MRI解釋更加客觀，T2WI壓脂和DWI序列是影像組學(xué)研究最常見的序列。本研究采用自動(dòng)勾畫DWI（b=3 000 s/mm2）序列病灶的感興趣區(qū)，并以其范圍為參考標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行DWI（b=1 000 s/mm2）及T2WI壓脂序列的感興趣區(qū)標(biāo)注，這種標(biāo)注方法減少了人工標(biāo)注感興趣區(qū)的主觀因素影響，能夠更客觀提取病灶的組學(xué)特征。

研究［13-14］證明感興趣的三維區(qū)域能更完整地描述病變，原則上能得到更可靠且不易受到采樣誤差影響的結(jié)果。本研究在逐層標(biāo)注完成后采用B樣條插值采樣技術(shù)進(jìn)行重采樣形成三維體素，比二維體素提取出更多的影像組學(xué)特征，可完整、準(zhǔn)確描述病變。

CHEN等［15］研究證明基于T2WI及DWI的表觀彌散系數(shù)圖的影像組學(xué)模型鑒別前列腺病變良惡性的驗(yàn)證模型診斷效能優(yōu)于PI-RADS v2評(píng)分，陳麗華等［16］的研究證明影像組學(xué)模型能夠很好鑒別前列腺PI-RADS v2 4分病變的良惡性，其效能超過臨床模型及諾謨圖模型。本研究建立了基于放射學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于前列腺PI-RADS v2 3～5分病變良惡性鑒別診斷評(píng)估。通過提取大量定量影像特征和有效特征選擇，建立了基于RF的T2WI壓脂和多b值DWI影像組學(xué)模型，T2WI壓脂和DWI b=3 000 s/mm2分別得到9個(gè)原始數(shù)據(jù)特征，DWI b=1 000 s/mm2得到10個(gè)特征：（1）3個(gè)研究序列共有的特征參數(shù)有2個(gè)（伸長(zhǎng)率、球形度），伸長(zhǎng)率為腫瘤形狀中最大長(zhǎng)度和第二大長(zhǎng)度的比值，取值為1時(shí)說明腫瘤為圓形，取值為0時(shí)說明腫瘤形狀為線形；球形度是腫瘤區(qū)域相對(duì)于球體形狀圓度的量度，取值范圍：0＜球形度≤1。取值越接近1表示腫瘤形狀越接近球體。（2）T2WI壓脂模型權(quán)重系數(shù)最大的特征為差異熵，為像素鄰域強(qiáng)度值差異的隨機(jī)性/變異性的度量，取值越大，說明圖像中相鄰區(qū)域亮度變化越明顯。（3）DWI b=1 000 s/mm2、b=3 000 s/mm2模型權(quán)重系數(shù)最大的特征分別為熵、最大。熵為指定圖像值中的不確定性/隨機(jī)性，值越大說明圖像越紊亂；最大為感興趣區(qū)內(nèi)的最大灰度強(qiáng)度。建模后驗(yàn)證RF模型中DWI b=1 000 s/mm2及b=3 000 s/mm2鑒別診斷前列腺病變良惡性的AUC分別為0.800、0.833，靈敏度分別為0.732、0.821，特異度分別為0.733、0.756。其靈敏度、特異度及AUC均明顯超過PI-RADS v2評(píng)分（均P＜ 0.05），具有較高的診斷效能，實(shí)現(xiàn)了正確的診斷評(píng)估。與PI-RADS v2評(píng)分系統(tǒng)比較，T2WI壓脂組學(xué)模型診斷效能優(yōu)勢(shì)不明顯（P＞ 0.05），考慮與T2WI壓脂序列良惡性病灶信號(hào)重疊區(qū)較多，半自動(dòng)修改病灶感興趣區(qū)時(shí)部分病灶邊界勾畫不夠準(zhǔn)確有關(guān)。

總之，MRI影像組學(xué)模型能夠客觀準(zhǔn)確鑒別前列腺超高b值DWI高信號(hào)病變的良惡性，其診斷效能明顯高于PI-RADS v2評(píng)分系統(tǒng)，減少了不必要活檢給患者帶來的痛苦。本研究的局限性：（1）所有病理結(jié)果都是經(jīng)TRUS活檢證實(shí)，缺乏根治性前列腺切除標(biāo)本的進(jìn)一步驗(yàn)證。（2）因前列腺癌患者年齡較大、TRUS活檢受限導(dǎo)致采樣困難；本研究樣本量較小，可能導(dǎo)致研究結(jié)果偏倚。今后進(jìn)一步的研究應(yīng)包括更大的研究人群，積極推廣標(biāo)準(zhǔn)化多中心研究［17-18］及其他外部驗(yàn)證隊(duì)列來測(cè)試重復(fù)性，以此促進(jìn)研究成果的推廣使用。