李齊英，張廣風(fēng)，王欣如，劉佳瑩，劉 屹

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽(yáng) 110001)

胃癌是常見(jiàn)的惡性腫瘤，患者預(yù)后差，早發(fā)現(xiàn)、早診斷及早治療對(duì)改善患者預(yù)后至關(guān)重要[1]。胃黏膜活檢是早期診斷胃癌的常用方法，但受限于取材范圍，診斷準(zhǔn)確性有限[2]，且不能評(píng)價(jià)腫瘤擴(kuò)散及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移[3]。目前治療胃癌已不再局限于單純手術(shù)或放化療，新輔助化療與傳統(tǒng)手術(shù)相結(jié)合、靶向藥物及腹腔灌洗等治療方法逐漸應(yīng)用于臨床。早期科學(xué)、量化地評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)腫瘤治療反應(yīng)及預(yù)后，有助于及時(shí)調(diào)整治療方案，減少藥物不良反應(yīng)，減輕患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)CT、MRI、PET/CT等影像學(xué)檢查是診斷及監(jiān)測(cè)胃癌患者預(yù)后的重要手段，但不能觀察腫瘤內(nèi)部異質(zhì)性及生物學(xué)性能等變化[4-5]。影像組學(xué)可提供肉眼無(wú)法辨別圖像的客觀信息，能比視覺(jué)分析更詳細(xì)、定量地評(píng)估病變特征，發(fā)現(xiàn)和翻譯未知、潛在的信息[5-7]，近年來(lái)已逐漸應(yīng)用于胃癌的組織病理學(xué)分級(jí)、腫瘤分期預(yù)測(cè)、鑒別診斷、療效及預(yù)后評(píng)估。本文就影像組學(xué)在胃癌中的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 影像組學(xué)概述

影像組學(xué)是新興的影像學(xué)研究領(lǐng)域[8]，指從CT、MRI或PET等圖像中提取大量影像學(xué)特征，并進(jìn)行高通量定量分析，將圖像轉(zhuǎn)化為具有高分辨率、可重復(fù)及低冗余的可挖掘數(shù)據(jù)，采用有價(jià)值的目標(biāo)數(shù)據(jù)綜合評(píng)價(jià)腫瘤于各種空間、時(shí)間上的異質(zhì)性，包括基因、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、微環(huán)境、組織和器官等。

影像組學(xué)的工作流程[6-7]如下：①圖像采集和圖像重建；②圖像分割及勾畫ROI(自動(dòng)、半自動(dòng)執(zhí)行或手動(dòng)勾畫ROI)；③特征提取和量化，此為影像組學(xué)的核心流程，提取ROI紋理特征參數(shù)，包括形狀或大小、一階直方圖或球面統(tǒng)計(jì)特征、二階直方圖或紋理、更高階的統(tǒng)計(jì)特征及其他特殊圖像的特征；提取的紋理特征數(shù)據(jù)量巨大，某些特征之間可能彼此高度相關(guān)或冗余，故數(shù)據(jù)降維是紋理分析的重要步驟；④特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析；⑤構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和模型驗(yàn)證，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法獲得高精度和高效率預(yù)測(cè)模型[9-10]，以足量數(shù)據(jù)訓(xùn)練和驗(yàn)證模型。

2 影像組學(xué)在胃癌中的研究進(jìn)展

2.1 胃癌鑒別診斷 胃腺癌、淋巴瘤及間質(zhì)瘤是胃部最常見(jiàn)的3種腫瘤。影像組學(xué)對(duì)于鑒別胃部病變具有重要價(jià)值。Ba-Ssalamah等[11]觀察47例胃腺癌(胃腺癌組)、15例胃間質(zhì)瘤(胃間質(zhì)瘤組)和8例胃淋巴瘤(胃淋巴瘤組)胃部動(dòng)、靜脈期CT圖像的紋理特征，發(fā)現(xiàn)采用不同降維方法、不同機(jī)器學(xué)習(xí)方法及不同時(shí)期的紋理特征鑒別診斷胃腺癌與淋巴瘤、胃腺癌與胃間質(zhì)瘤及胃間質(zhì)瘤與淋巴瘤的效能不同，3組的紋理特征總熵、均值和差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其中動(dòng)脈期紋理特征對(duì)腫瘤鑒別的準(zhǔn)確率更高。Ma等[12]通過(guò)勾畫三維ROI提取485個(gè)紋理特征，篩選最有價(jià)值的紋理特征，同時(shí)選用CT客觀特征(胃壁厚度、浸潤(rùn)程度等)及臨床特征(年齡、性別等)，分別建立客觀特征模型、紋理特征模型及兩者組合模型，用于鑒別Borrmann Ⅳ型胃癌與原發(fā)性淋巴瘤，結(jié)果表明紋理特征模型的敏感度和特異度均較高，組合模型的AUC值(0.903)最高，敏感度為100%。上述研究結(jié)果提示，影像組學(xué)對(duì)胃部腫瘤具有較強(qiáng)的鑒別能力，可提高診斷胃癌的準(zhǔn)確率。

2.2 胃癌組織病理學(xué)特征與紋理特征的相關(guān)性 建立胃癌圖像特征與組織病理學(xué)特征的聯(lián)系具有重要臨床意義，也是影像組學(xué)研究的重要方向。Liu等[13]分析胃癌患者術(shù)前CT圖像的紋理特征參數(shù)與組織病理學(xué)特征(胃癌分化程度、Lauren分型及有無(wú)神經(jīng)、血管浸潤(rùn))的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)門靜脈期紋理參數(shù)平均衰減、最大衰減、所有百分位數(shù)和眾數(shù)與胃癌分化程度均顯著相關(guān)；動(dòng)脈期紋理參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差和熵與Lauren分型呈顯著負(fù)相關(guān)；根據(jù)門靜脈期的平均CT值、各百分位CT值、眾數(shù)等能區(qū)分彌漫型與腸型胃癌，依據(jù)動(dòng)脈期的標(biāo)準(zhǔn)差、最小衰減和熵可鑒別胃癌是否存在血管浸潤(rùn)。此外，研究[14]表明，術(shù)前3.0T MRI的ADC圖相關(guān)各階熵可很好地評(píng)價(jià)胃癌有無(wú)血管、神經(jīng)浸潤(rùn)。Liu等[15]分析胃癌患者CT圖像的紋理參數(shù)與免疫組織化學(xué)生物標(biāo)志物的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈期、靜脈期的標(biāo)準(zhǔn)差、熵、高階熵等與E-鈣黏蛋白的表達(dá)水平顯著相關(guān)，動(dòng)脈期的偏度、靜脈期的均值和自相關(guān)可區(qū)分Ki-67抗核抗原陰性與陽(yáng)性表達(dá)的胃癌，靜脈期的熵和對(duì)比度與血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體2的表達(dá)水平呈正相關(guān)。影像組學(xué)可提供更為客觀的與組織病理學(xué)、免疫組化標(biāo)志物相關(guān)的紋理信息，間接或直接反映腫瘤遷移、增殖和血管生成能力。

2.3 胃癌分期、分級(jí)及轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè) 影像學(xué)檢查是評(píng)估胃癌分期、分級(jí)及轉(zhuǎn)移的重要手段。進(jìn)展期胃癌常見(jiàn)腹膜轉(zhuǎn)移，但CT對(duì)體積較小(最大徑<1 cm)的轉(zhuǎn)移癌敏感度較低。Liu等[16]分析153例胃癌患者術(shù)前CT圖像的紋理參數(shù)(平均值、最大頻率、眾數(shù)、偏度、峰度及熵)與術(shù)后TNM分期的相關(guān)性，單因素分析顯示根據(jù)最大頻率、動(dòng)脈期偏度和靜脈期最大頻率可鑒別早期與晚期胃癌；動(dòng)脈期最大頻率、熵等可預(yù)測(cè)腫瘤有無(wú)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移；靜脈期最大頻率可評(píng)價(jià)腫瘤有無(wú)遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移；T1期和T2期病變的偏度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。研究[14]表明3.0T MRI的ADC圖像相關(guān)的一階和各角度二階熵與胃癌T分期、N分期和總分期顯著相關(guān)。Kim等[17]觀察經(jīng)手術(shù)證實(shí)有腹膜轉(zhuǎn)移癌、但術(shù)前CT未觀察到轉(zhuǎn)移征象的胃癌患者，發(fā)現(xiàn)其腹膜轉(zhuǎn)移癌的均值、熵和標(biāo)準(zhǔn)差均較高，對(duì)比度較低，且熵可單獨(dú)預(yù)測(cè)腹膜轉(zhuǎn)移癌。影像組學(xué)可檢出術(shù)前肉眼無(wú)法辨別的腹膜轉(zhuǎn)移，對(duì)胃癌分期、分級(jí)及預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移更為敏感、客觀，可為促進(jìn)個(gè)體化治療及改善預(yù)后提供依據(jù)。

2.4 評(píng)價(jià)放化療反應(yīng)及手術(shù)預(yù)后 影像組學(xué)在腫瘤的放化療效果評(píng)價(jià)、預(yù)后預(yù)測(cè)中具有重要意義。Giganti等[18]對(duì)比分析胃癌CT圖像的紋理特征，單因素分析顯示14個(gè)紋理參數(shù)(包括一階參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差、游程長(zhǎng)度矩陣的熵等)差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；多因素分析顯示熵、極差、均方根可區(qū)分術(shù)前輔助治療后原發(fā)病灶病理學(xué)完全緩解與非完全緩解胃癌，肯定了紋理特征預(yù)測(cè)化療反應(yīng)的潛在價(jià)值。Hou等[19]觀察43例接受脈沖低劑量放射治療的晚期胃癌伴腹腔轉(zhuǎn)移患者的增強(qiáng)CT圖像的紋理特征，發(fā)現(xiàn)原發(fā)病灶病理學(xué)完全緩解組與非完全緩解組的一階熵、小區(qū)域低灰度權(quán)重、均值、聚類、熵及小區(qū)域權(quán)重差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而用于預(yù)測(cè)治療反應(yīng)的2種機(jī)器學(xué)習(xí)模型(k近鄰分類及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))的預(yù)測(cè)性能差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Giganti等[20]分析胃癌患者術(shù)前CT圖像特征的生存曲線，發(fā)現(xiàn)紋理特征≤閾值與>閾值的患者生存率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；且多因素分析表明紋理特征的均方根、平均絕對(duì)偏差與生存率呈負(fù)相關(guān)，熵、能量、最大CT值及偏度與生存率呈正相關(guān)。Yoon等[21]觀察人表皮生長(zhǎng)因子受體2陽(yáng)性的進(jìn)展期胃癌患者放化療后存活時(shí)間與治療前CT圖像紋理特征的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)對(duì)比度、方差及相關(guān)性等紋理特征閾值與≤閾值患者的生存率明顯不同，化療前圖像顯示異質(zhì)性的紋理特征越高，患者存活率越高，預(yù)測(cè)精確度>0.7。上述研究提示，紋理參數(shù)可能成為有臨床價(jià)值的影像學(xué)生物標(biāo)志物之一，用于預(yù)測(cè)胃癌放化療反應(yīng)及患者生存率。

3 胃癌影像組學(xué)的挑戰(zhàn)與發(fā)展

目前胃癌影像組學(xué)仍處于研究階段，其發(fā)展仍面臨巨大挑戰(zhàn)：①技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，多數(shù)研究為回顧性研究，獲取和重建圖像的方法、圖像后處理的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，各項(xiàng)研究的圖像(CT、MRI、PET/CT)質(zhì)量各異，采用的圖像處理軟件也不同，且采用不同掃描儀所獲得的研究結(jié)果也存在差異；②多采用半自動(dòng)或手動(dòng)勾畫ROI，存在主觀性差異，提取特征的可重復(fù)性有待進(jìn)一步觀察，且以二維和三維ROI提取紋理參數(shù)的分析結(jié)果存在差異[22]；③多為單中心研究，樣本量有限，而以有限樣本建立的預(yù)測(cè)模型需龐大的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證，包括單中心的內(nèi)部驗(yàn)證及多中心的外部驗(yàn)證；④目前胃癌影像組學(xué)研究多針對(duì)診斷、治療或預(yù)后等單方面，多方面聯(lián)合研究的工作量較大且耗時(shí)，但有助于提高影像組學(xué)的臨床應(yīng)用價(jià)值；⑤胃部疾病的種類較多，但影像組學(xué)對(duì)胃部少見(jiàn)疾病的研究資料相對(duì)較少。

胃癌影像組學(xué)未來(lái)發(fā)展的方向是建立統(tǒng)一標(biāo)注的數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)全自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化ROI勾畫軟件，擇優(yōu)應(yīng)用多種機(jī)器學(xué)習(xí)方法。多中心合作是必然趨勢(shì)，大樣本量數(shù)據(jù)驗(yàn)證是影像組學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵。臨床醫(yī)生及影像科醫(yī)生應(yīng)密切合作，在影像組學(xué)機(jī)器模型中科學(xué)、量化地引入患者年齡、腫瘤標(biāo)志物等參數(shù)[23]。借鑒結(jié)直腸癌[24]、肺癌[25]及乳腺癌[26]等影像組學(xué)方法，未來(lái)胃癌影像組學(xué)研究方向包括預(yù)測(cè)不同時(shí)期遠(yuǎn)處淋巴結(jié)及其他器官轉(zhuǎn)移，胃癌晚期靶向化療反應(yīng)的預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)，放化療對(duì)器官、組織損傷評(píng)估以及人表皮生長(zhǎng)因子受體2等基因過(guò)表達(dá)與影像組學(xué)的相關(guān)性等。