江海濤 王方正 邵國(guó)良 劉璐璐 阮磊 龐佩佩

鼻咽癌是一種特殊類(lèi)型的頭頸部惡性腫瘤，主要發(fā)生在東南亞國(guó)家、北非、中歐［1］，2018年全球新增病例約129，079，死亡72，987人，其中47.7%發(fā)生在中國(guó)［2］。放射治療是鼻咽癌的主要治療手段［3］，對(duì)于局部晚期鼻咽癌最新的NCCN指南推薦的標(biāo)準(zhǔn)療法為同步放化療加誘導(dǎo)化療或輔助化療。誘導(dǎo)化療（induction chemotherapy，IC）能縮小原發(fā)病灶與頸部轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)，為調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃制定時(shí)降低危及器官劑量，同時(shí)也能顯著降低局部晚期鼻咽癌的復(fù)發(fā)率［4］。本文探討基于磁共振影像組學(xué)特征參數(shù)與鼻咽癌誘導(dǎo)化療敏感性的相關(guān)性，揭示影像組學(xué)預(yù)測(cè)鼻咽癌誘導(dǎo)化療療效的可行性。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 收集2016年1月至12月本院病理檢查證實(shí)為非角化性局部晚期鼻咽癌患者27例，男20例，女7例；年齡22～70歲。所有患者同步放化療前行>2周期誘導(dǎo)化療，采用TP方案：順鉑（75mg/m2）聯(lián)合多西紫杉醇（75mg/m2），每周期間隔21d。（1）納入標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng)鼻咽鏡證實(shí)為非角化性癌；②接受>2個(gè)周期的TP方案誘導(dǎo)化療；③化療前1個(gè)月內(nèi)曾行鼻咽部磁共振增強(qiáng)檢查，且圖像清晰無(wú)假牙偽影等影響；④治療前MR圖像鼻咽部原發(fā)占位病灶可測(cè)量（>10mm）。（2）排除標(biāo)準(zhǔn)：①患者既往曾接受抗腫瘤治療；②復(fù)發(fā)鼻咽癌；③有心內(nèi)科的嚴(yán)重疾病。

1.2 方法 （1）分組：誘導(dǎo)化療2周期后3周內(nèi)復(fù)查鼻咽MR和鼻咽鏡，對(duì)比基線(xiàn)鼻咽MR評(píng)價(jià)誘導(dǎo)化療的療效。根據(jù)RECIST 1.1標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估療效［5］，完全緩解（CR）：靶病灶消失；部分緩解（PR）：與治療前基線(xiàn)靶病灶直徑相比減少>30%；部分進(jìn)展（PD）：靶病變直徑相比基線(xiàn)時(shí)直徑總和增加>20%，穩(wěn)定（SD）：對(duì)比治療前基線(xiàn)靶病灶達(dá)不到PR也達(dá)不到PD標(biāo)準(zhǔn)。誘導(dǎo)化療后經(jīng)MR評(píng)估為PR或CR者13例納入敏感組，評(píng)估為SD或PD14例納入不敏感組。（2）MR掃描方案：所有患者均使用3.0TMR掃描儀（Verio3.0T，Siemens Medical Solutions，Germany）頭頸部線(xiàn)圈進(jìn)行鼻咽和頸部區(qū)域?qū)Ρ仍鰪?qiáng)MR檢查。軸位T1WI快速自旋回波圖像［重復(fù)時(shí)間（TR）450ms；回波時(shí)間（TE）8.8ms，90°翻轉(zhuǎn)角；256×168矩陣，層厚4mm；層間距0.8mm］，T2WI軸位自旋回波MR圖像（TR6000ms；TE95ms；90°翻轉(zhuǎn)角；256×168矩陣；層厚4mm；層間距0.8mm）和T2加權(quán)脂肪抑制的自旋回波序列（TR6360ms；TE95ms；90°翻轉(zhuǎn)角；256×168矩陣；層厚4mm；層間距0.8mm）。靜脈推注造影劑歐乃影（0.5mmol/ml）15ml，速率1.5ml/s，造影劑推注完成后，推注15ml生理鹽水，速率1.5ml/s，20s后行軸位T1WI快速自旋回波序列（具體參數(shù)同軸位T1WI參數(shù)）。（3）磁共振組學(xué)分析：①圖像分割：從本院PACS上搜索每個(gè)病例誘導(dǎo)化療前鼻咽部MR檢查并保存CE T1WI序列的DICOM格式圖像，使用ITK-SNAP軟件導(dǎo)入DICOM格式圖像，由2名放射科副主任醫(yī)師協(xié)商后選取鼻咽部原發(fā)腫瘤最大層面，手動(dòng)沿不均質(zhì)強(qiáng)化腫瘤邊緣勾畫(huà)出靶病灶ROI，盡量避開(kāi)頸動(dòng)脈等大血管、出血及壞死囊變區(qū)域，分割出單層腫瘤圖像（見(jiàn)圖1）。②特征參數(shù)的提取和預(yù)處理：使用AI-Kit 軟件對(duì)26例誘導(dǎo)化療前分割出的ROI圖像進(jìn)行特征計(jì)算提取。特征參數(shù)計(jì)算方式包括5類(lèi)，分別為一階統(tǒng)計(jì)特征、二階紋理特征、灰度共生矩陣（GLCM），灰度梯度共生矩陣（GLGCM），小波轉(zhuǎn)換（wavelet transform）共396個(gè)定量參數(shù)。為保證數(shù)據(jù)間的可比性，先將不同量級(jí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為同一量級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，步驟為：奇異值nan使用中值代替；對(duì)每一個(gè)紋理特征進(jìn)行Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算公式為（參數(shù)值-均值）/標(biāo)準(zhǔn)差，具體如下（μ均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，N為病例數(shù)）：

圖1 磁共振組學(xué)圖像分割圖

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 20.0軟件。計(jì)量資料以（）表示，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料用卡方檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。提取的參數(shù)分5大類(lèi)396個(gè)，如果將所有這些參數(shù)一起評(píng)估會(huì)造成過(guò)擬合，且不相關(guān)和冗余的參數(shù)會(huì)混淆學(xué)習(xí)算法［6］，因此采用R語(yǔ)言進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)ANOVA/KW檢驗(yàn)、單因素邏輯回歸和去冗余（r>0.9）來(lái)篩選特征參數(shù)，對(duì)篩選出的參數(shù)按敏感性分組進(jìn)行多元邏輯回歸建模，繪制受試者操作特性曲線(xiàn)（ROC），計(jì)算曲線(xiàn)下面積（AUC），繪制交互式點(diǎn)圖得到兩組間分界值，敏感性，特異性。

2 結(jié)果

2.1 一般資料比較 入組27例患者，均為局部晚期鼻咽非角化性癌，誘導(dǎo)化療敏感組13例，男10例，女3例；年齡39～68（56.23±10.21）歲。不敏感組14例，男10例，女4例，年齡22～70（53.57±14.51）歲。敏感組與不敏感組間治療前年齡、性別比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

2.2 影像組學(xué)特征參數(shù)分析 使用AI-kit軟件提取共396個(gè)定量MR影像組學(xué)特征，從中篩選出2個(gè)紋理特征參數(shù)，分別為135度集群陰影-步長(zhǎng)4（clustershade_angle135_offset4）和全角度相關(guān)性方差-步長(zhǎng) 1（correlation_alldirection_offshe1_SD），135度集群陰影-步長(zhǎng)4的AUC為0.804（95%CI 0.602～0.932），全角度相關(guān)性方差-步長(zhǎng)1的AUC為0.762（95%CI 0.556～0.905），聯(lián)合兩個(gè)紋理特征邏輯回歸后建模（combine）的 AUC 為 0.905（95%CI 0.724～0.984），分界值為0.4525時(shí)，敏感度85.7%，特異度為83.3%（見(jiàn)圖 2～5）。

圖2 定量組學(xué)特征clustershade_angle135_offset4、correlation_alldirection_offset1_SD和兩個(gè)組學(xué)特征邏輯回歸后建模（combine）ROC曲線(xiàn)，AUC分別為0．804（95%CI 0．602～0．932）、0．762（95%CI 0．556～0．905）、0．905（95%CI 0．724～0．984）；圖3 組學(xué)特征參數(shù)clustershade_angle135_offset4敏感組和不敏感組分界值為-0．01116，敏感度為92．9%，特異度66．7%；圖4 組學(xué)特征參數(shù)correlation_alldirection_offshe1_SD敏感組和不敏感組分界值為0．1356，敏感度為57．1%，特異度91．7%；圖5 combine（聯(lián)合兩個(gè)紋理特征邏輯回歸后建模）敏感組和不敏感組分界值為0．4535，敏感度為85．7%，特異度83．3%

3 討論

鼻咽癌誘導(dǎo)化療在鼻咽癌治療過(guò)程中起著重要的作用，然而，并不是所有鼻咽癌患者都對(duì)誘導(dǎo)化療有效，大約<50%的患者對(duì)IC敏感［7-8］。鼻咽癌誘導(dǎo)化療前預(yù)測(cè)患者的治療敏感性有較大的臨床價(jià)值，因?yàn)橹委熓欠裼行軌蜃鳛楸茄拾╊A(yù)后獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。Liu等研究發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)化療后是否敏感可以作為晚期鼻咽癌患者的預(yù)測(cè)指標(biāo)［9］，Hao等報(bào)道腫瘤對(duì)IC的反應(yīng)是4年無(wú)疾病生存期（DFS）、總生存率（OS）和局部無(wú)復(fù)發(fā)生存率（LRRFS）的獨(dú)立因素［8］。同時(shí)接受不敏感的誘導(dǎo)化療增加患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，增大毒副作用，且延誤后期治療方案的實(shí)施。然而目前缺乏有效的生物標(biāo)記預(yù)測(cè)鼻咽癌誘導(dǎo)化療的療效。

2012年Lambin等［10］首次提出影像組學(xué)的概念，旨在通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，提取大量的定量參數(shù)，用以評(píng)價(jià)腫瘤的異質(zhì)性。影像組學(xué)可通過(guò)高通量自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析發(fā)掘與量化影像特征，提取與腫瘤生物學(xué)行為相關(guān)的放射組學(xué)特征；可以支持腫瘤檢測(cè)、診斷、療效評(píng)價(jià)、腫瘤進(jìn)展?fàn)顩r的無(wú)損傷和可重復(fù)性檢查；在輔助鑒別腫瘤組織、判斷腫瘤療效、預(yù)后等方面的臨床應(yīng)用前景良好，對(duì)腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展具有重要意義。已有的研究表明，影像組學(xué)能夠反映腫瘤的異質(zhì)性，反映基因?qū)用娴男畔?，在肺癌等腫瘤基因突變、治療效果、預(yù)后等方面預(yù)測(cè)有大量的研究及廣泛應(yīng)用，并顯示其生物標(biāo)記的優(yōu)勢(shì)［11］，而鼻咽癌療效預(yù)測(cè)及早期評(píng)價(jià)的研究大多基于磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像［12］，Yen等［13］在誘導(dǎo)化療后的早期行全身PET-CT再分期，通過(guò)再分期后的降期為I及II期患者對(duì)比未降期患者，無(wú)復(fù)發(fā)生存期和總生存期顯著延長(zhǎng)，PET-CT再分期可以幫助預(yù)測(cè)誘導(dǎo)化療療效。但這些標(biāo)記應(yīng)用在鼻咽癌誘導(dǎo)化療的療效預(yù)測(cè)仍有爭(zhēng)議。最近，有研究將基于MR的影像組學(xué)應(yīng)用于鼻咽癌同步放化療反應(yīng)的預(yù)測(cè)和生存預(yù)后的關(guān)系［14］。MR具有較高的軟組織分辨率、多參數(shù)及多平面成像等優(yōu)點(diǎn)，成為目前臨床上鼻咽癌的首選檢查方法，用于治療前分期，療效評(píng)估及治療后復(fù)查。

本結(jié)果顯示，鼻咽癌原發(fā)腫瘤的紋理特征及灰度共生矩陣這兩個(gè)特征參數(shù)在誘導(dǎo)化療后敏感組與不敏感組間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。clustershade_angle135_offset4為紋理特征，描述了腫瘤的表面情況，光滑或粗糙，correlation_alldirection_offset1_SD屬于灰度共生矩陣，具有方向性，反映圖像中不同灰度像素分布的相似性、對(duì)稱(chēng)性以及各像素間的空間位置關(guān)系，從而反映腫瘤內(nèi)部細(xì)節(jié)的差異程度是影響誘導(dǎo)化療療效的重要因素。影像組學(xué)特征參數(shù)是根據(jù)體素排列計(jì)算的數(shù)學(xué)測(cè)量值，可以表征腫瘤空間中體素排列的異質(zhì)性［15］，另一方面，腫瘤異質(zhì)性可能是與區(qū)域腫瘤細(xì)胞的增殖，血管生成以及壞死相關(guān)，甚至在一定程度反映基因?qū)用嫦嚓P(guān)信息［16］。MR圖像上的組學(xué)特征可以通過(guò)腫瘤空間中體素的排列反映腫瘤的異質(zhì)性，而異質(zhì)性可能是與療效和預(yù)后相關(guān)的因素。

研究表明，三維分析能夠更完整的反映腫瘤組織的異質(zhì)性［17］，但三維分析更為復(fù)雜和耗時(shí)，且因?yàn)榇殴舱駥雍駷?mm，導(dǎo)致邊緣部分會(huì)受部分容積效應(yīng)的影響，在手動(dòng)勾畫(huà)病灶的頭尾側(cè)邊界時(shí)難以把握病灶的邊界。Lubner等研究顯示三維（VOI）和二維（ROI）影像組學(xué)分析結(jié)果間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明基于單層二維ROI組學(xué)分析結(jié)果是可信的［18］。因此，作者采用單層二維ROI組學(xué)分析，但進(jìn)一步探討三維組學(xué)分析在鼻咽癌患者誘導(dǎo)化療療效預(yù)測(cè)中的潛在價(jià)值仍舊具有重要意義。

本研究局限性：（1）納入分析的樣本量較少未能設(shè)置數(shù)據(jù)驗(yàn)證，可能會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生一定的偏倚；（2）本研究為單中心研究，使用單一的MR掃描儀器，未能區(qū)分不同中心不同MR掃描儀的預(yù)測(cè)效能。今后研究需要擴(kuò)大樣本量，并設(shè)置驗(yàn)證組，同時(shí)需要擴(kuò)大樣本量及多中心前瞻性研究以建立可重復(fù)性及準(zhǔn)確度更高的預(yù)測(cè)模型。

總之，本研究篩選出兩個(gè)影像組學(xué)特征并建立預(yù)測(cè)組學(xué)預(yù)測(cè)模型，證實(shí)這個(gè)模型能夠較好的預(yù)測(cè)鼻咽癌患者對(duì)誘導(dǎo)化療的敏感性。這個(gè)模型作為一種基于MR組學(xué)的影像生物標(biāo)志物，可以為臨床提供一種新的方法來(lái)預(yù)測(cè)誘導(dǎo)化療的療效，指導(dǎo)鼻咽癌的個(gè)體化治療。