帥鴿， 郁義星， 董佳， 楊玲， 胡春洪

乳腺癌的全球發(fā)病率逐年上升，已成為危害全球女性健康的第一大腫瘤疾病[1]，其中人體表皮生長因子受體2(human epidermal growth factor receptor 2，HER2)表達(dá)陽性的的乳腺癌侵襲性強(qiáng)、死亡率高[2]，且未接受抗HER2治療的HER2陽性乳腺癌患者復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)很高[3]。目前，臨床上主要采用熒光原位雜交法(fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH)和免疫組織化學(xué)法(immunohistochemistry，IHC)來確定乳腺癌患者HER2擴(kuò)增和過表達(dá)狀態(tài)。由于部分組織標(biāo)本尺寸較小和腫瘤的異質(zhì)性，利用針吸活檢標(biāo)本評估乳腺癌中HER-2的擴(kuò)增和過表達(dá)狀態(tài)可能并不代表整個(gè)腫瘤[4]。如果能在術(shù)前準(zhǔn)確預(yù)測HER2的表達(dá)狀態(tài)，盡早準(zhǔn)確地對腫瘤進(jìn)行干預(yù)，對后續(xù)的治療方法以及預(yù)后均有幫助[5]。影像組學(xué)被定義為“高通量、自動地從醫(yī)學(xué)影像中提取大批量的影像特征”[6]。近年關(guān)于乳腺X線、CT及MRI影像組學(xué)均有一些應(yīng)用，如利用乳腺X線圖像紋理特征鑒別良惡性乳腺腫塊[7]、基于CT增強(qiáng)圖像影像組學(xué)模型評估乳腺癌腋窩淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、利用乳腺M(fèi)RI影像組學(xué)預(yù)測乳腺癌腫塊對化療后反應(yīng)[8]以及預(yù)測是否為三陰性乳腺癌等。本研究對乳腺癌乳腺X線圖像進(jìn)行影像組學(xué)分析，旨在探討乳腺X線影像組學(xué)標(biāo)簽在術(shù)前預(yù)測乳腺癌患者HER2表達(dá)中的應(yīng)用價(jià)值。

材料與方法

1.病例資料

回顧性分析2018年1月-2020年10月在蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院和蘇州市立醫(yī)院放射科接受乳腺X線攝影檢查的所有乳腺癌女性患者的臨床、病理及影像資料。病例納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡≥18歲的女性初診乳腺癌患者；②經(jīng)組織病理學(xué)證實(shí)的浸潤性乳腺癌；③IHC染色和/或FISH明確Her2狀態(tài)[9]；④乳腺X線檢查后一周內(nèi)行乳腺穿刺或手術(shù)病理活檢。病例排除標(biāo)準(zhǔn)：①Ⅳ期(轉(zhuǎn)移性)乳腺癌；②有其他惡性腫瘤病史；③乳腺X線檢查圖像不全或圖像無法評估；④既往接受過乳腺穿刺、手術(shù)或新輔助化療。按照以上納入和排除標(biāo)準(zhǔn)，共入組222例女性患者，年齡25～83歲，平均年齡(53.70±14.46)歲，其中乳腺癌HER2陽性59例，HER2陰性163例。222例患者均為非特殊類型浸潤性乳腺癌，其中44例患者合并導(dǎo)管原位癌(ductal carcinoma in situ，DCIS)(成分<20%)。按照數(shù)據(jù)的不同來源，將蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院的患者作為訓(xùn)練組(n=154，其中HER2陽性41例，HER2陰性113例)，蘇州市立醫(yī)院患者作為外部驗(yàn)證組(n=68，其中HER2陽性18例，HER2陰性50例)。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會審批通過，免除患者知情同意。

2.乳腺X線攝影及分析

乳腺X線攝影采用Hologic Selenia(Hologic Medical Systems， Boston，USA)數(shù)字乳腺X線機(jī)。掃描方位包括雙乳內(nèi)外斜位(mediolateral oblique，MLO)和頭尾位(cranial caudal，CC)。乳腺X線圖像均以DICOM格式存儲于圖像儲存與傳輸系統(tǒng)(picture archiving and communication system，PACS)系統(tǒng)。乳腺X線圖像評估內(nèi)容包括：①病灶大小：在病灶較大的拍攝體位圖像上測量病灶最大徑；②病灶位置：左側(cè)乳腺和右側(cè)乳腺。③X線征象：參照第5版乳腺影像報(bào)告和數(shù)據(jù)系統(tǒng)(breast imaging reporting and data system，BI-RADS)[10]，包括腫塊、鈣化、腫塊伴鈣化、結(jié)構(gòu)扭曲和非對稱致密。

3.影像組學(xué)分析

利用MaZda4.6軟件(http：//www.eletel.p.lodz.pl/mazda/)對訓(xùn)練集HER2陽性及HER2陰性圖像分別進(jìn)行影像組學(xué)分析。圖像均一化處理：選擇MaZda軟件中μ+3σ(其中μ為圖像灰度值的平均值，σ為圖像灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差)進(jìn)行圖像灰度均一化處理，最大限度地降低對比度和明亮度對圖像灰度值的影像。圖像分割：由2位放射科醫(yī)師選擇病灶顯示清楚且長徑較大的拍攝體位圖像(CC位或MLO位)手動勾畫感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，參考Zhou等[11]研究中的勾畫方法，ROI盡可能包括整個(gè)病灶，大部分腫瘤的境界較為清晰，對于無法清晰顯示邊界的區(qū)域用平滑的弧線相連(圖1、2)。其中60例乳腺腫塊圖像分別由有5年和8年工作經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師分割并評估觀察者之間的差異，之后再由有8年工作經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師再分割1次評估觀察者內(nèi)的差異。所有圖像的分割數(shù)據(jù)由有8年工作經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師第1次分割的60例和剩余162例的數(shù)據(jù)組成。影像組學(xué)定量特征提?。豪肕aZda軟件提取乳腺X線攝影圖像的定量特征，包括灰度直方圖、絕對梯度、灰度共生矩陣、灰度游程矩陣、自回歸模型和小波變換等特征。特征選擇：利用MaZda軟件提供的3種特征選擇方法，即費(fèi)希爾參數(shù)法(Fisher cofficients，F(xiàn)isher)、分類錯(cuò)誤率聯(lián)合平均相關(guān)系數(shù)法(classification error probability combined average correlation，POE+ACC)和相關(guān)信息測度法(mutual information，MI)對提取的定量特征進(jìn)行篩選，MaZda軟件自動選擇出10個(gè)最優(yōu)的特征參數(shù)，得到3組特征子集。使用MaZda軟件中的B11模塊提供的非線性判別分析法(nonlinear discriminant analysis，NDA)對3組特征子集進(jìn)行判別分析，分別計(jì)算出其判斷HER2表達(dá)狀態(tài)的準(zhǔn)確率。原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：在SPSS軟件中運(yùn)用Z-Score算法將所有患者的10個(gè)特征參數(shù)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。構(gòu)建影像組學(xué)標(biāo)簽Radscore：將準(zhǔn)確率最高的特征子集利用二元logistic回歸進(jìn)一步篩選，利用選擇特征的線性融合構(gòu)建影像組學(xué)標(biāo)簽[12]，并計(jì)算每例患者的組學(xué)標(biāo)簽得分，并進(jìn)行受試者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲線分析，計(jì)算其預(yù)測HER2表達(dá)的曲線下面積(area under curve,AUC)、準(zhǔn)確率、敏感度、特異度、陽性預(yù)測值和陰性預(yù)測值。

圖1 右乳乳腺癌HER2陽性患者，女，52歲。a)乳腺X線圖像示右乳1枚不規(guī)則結(jié)節(jié)影(箭)，長徑約1.8cm，邊緣可見分葉、毛刺，內(nèi)部可見細(xì)小鈣化； b) 使用MaZda圖像分割工具在乳腺X線上手動勾畫ROI，提取影像組學(xué)特征； c) 右乳結(jié)節(jié)ROI的灰度直方圖。 圖2 左乳乳腺癌HER2陰性患者，女，46歲。a) 乳腺X線圖像示左乳1枚類圓形結(jié)節(jié)影(箭)，長徑約3.5cm，邊緣光整； b) 使用MaZda圖像分割工具在乳腺X線上手動勾畫ROI，提取影像組學(xué)特征； c) 左乳結(jié)節(jié)ROI的灰度直方圖。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。對兩位醫(yī)師手動分割病灶及同一位醫(yī)師前后兩次手動分割病灶所提取的組學(xué)特征采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)進(jìn)行一致性分析，ICC>0.75 為一致性較好。定性資料以頻數(shù)表示，符合正態(tài)分布的定量資料以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，不符合正態(tài)分布的定量資料以中位數(shù)(25%百分位數(shù)，75%百分位數(shù))表示。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(符合正態(tài)分布時(shí))或Mann-WhitneyU檢驗(yàn)(不符合正態(tài)分布時(shí))比較不同HER2狀態(tài)乳腺癌患者之間定量數(shù)據(jù)的差異；采用卡方檢驗(yàn)比較組間病灶位置和X線征象的差異。最優(yōu)特征子集采用二元logistic向后逐步回歸法進(jìn)一步篩選 。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.臨床及乳腺X線攝影結(jié)果

根據(jù)病理結(jié)果，將222例患者分為HER2陽性組59例和HER2陰性組163例。HER2陽性患者年齡為(54.16±14.54)歲，HER2陰性患者年齡為(52.42±14.25)歲，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.429)。HER2陽性患者病灶大小為(31.01±17.88)mm，HER2陰性患者病灶大小為(31.90±17.88)mm，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.746)。222例患者病變位于右側(cè)乳房105例(47.3%)，左側(cè)乳房117例(52.7%)。乳腺X線攝影表現(xiàn)為腫塊52例(23.4%)、鈣化35例(15.7%)、腫塊伴鈣化52例(23.4%)、結(jié)構(gòu)扭曲42例(18.9%),非對稱性致密41例(18.5%)。訓(xùn)練集與驗(yàn)證集、HER2陽性組與HER2陰性組患者在年齡、病變大小、病灶位置及乳腺X線攝影表現(xiàn)上差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均>0.05,表1、2)。

表1 乳腺癌訓(xùn)練集與驗(yàn)證集患者的臨床指標(biāo)比較結(jié)果

表2 乳腺癌HER2表達(dá)陽性與陰性患者的臨床指標(biāo)比較結(jié)果

2.影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測乳腺癌HER2表達(dá)的效能

兩位醫(yī)師對病灶進(jìn)行手動分割的一致性較好，觀察者內(nèi)與觀察者間的ICC分別為0.88和0.84。

利用MaZda軟件提取訓(xùn)練集HER2陽性和HER2陰性患者的乳腺X線攝影圖像定量特征，共323個(gè)。3種特征選擇方法Fisher、POE+ACC和MI對提取的定量特征進(jìn)行篩選，得到鑒別HER2陽性與HER2陰性乳腺癌的3組特征子集(表3)。利用非線性判別分析法，對三組特征子集進(jìn)行分析，結(jié)果顯示Fisher、(POE+ACC)和MI法選擇的三組特征子集預(yù)測HER2表達(dá)的準(zhǔn)確率分別為85.06%、88.31%和77.27%。

表3 訓(xùn)練組HER2陽性和HER2陰性乳腺癌的3組特征子集

將準(zhǔn)確率最高的POE+ACC法篩選出的10個(gè)特征用二元logistic回歸進(jìn)一步篩選，利用選擇特征的線性融合構(gòu)建影像組學(xué)標(biāo)簽：Radscore=-2.149-0.548×WavEnLH_s-4+0.475×Kurtosis-0.765×Perc.01%-0.703×WavEnHH_s-5-0.513×Teta4+1.069×135dr_ShrtREmp-3.831×WavEnHH_s-1

計(jì)算每例患者的影像組學(xué)標(biāo)簽得分，在訓(xùn)練集HER2陽性組和陰性組乳腺癌的影像組學(xué)得分分別為0.159(-0.357，0.928)和-2.987(-3.997，-1.184)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-8.088，P<0.001)；在驗(yàn)證集HER2陽性組和陰性組乳腺癌的影像組學(xué)得分分別為0.475(-0.412，1.541)和-3.093(-4.126，-1.157)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-4.865，P<0.001,圖3)。將得到的影像組學(xué)得分進(jìn)行ROC曲線分析(圖4)，結(jié)果顯示訓(xùn)練集預(yù)測HER2表達(dá)的AUC、準(zhǔn)確率、敏感度、特異度、陽性預(yù)測值和陰性預(yù)測值分別為0.927(95%可信區(qū)間0.881～0.973)、85.4%、87.6%、71.4%、94.3%和87.0%；驗(yàn)證集預(yù)測HER2表達(dá)的AUC、準(zhǔn)確率、敏感度、特異度、陽性預(yù)測值和陰性預(yù)測值分別為0.889(95%可信區(qū)間0.813～0.964)、94.4%、74.0%、56.7%、97.3%、79.4%(表4)。

圖3 a) 訓(xùn)練集乳腺癌HER2陽性與陰性患者影像組學(xué)得分的箱線圖； b) 驗(yàn)證集乳腺癌HER2陽性與陰性患者影像組學(xué)得分的箱線圖。 圖4 a) 乳腺X線影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測訓(xùn)練集乳腺癌HER2表達(dá)的ROC曲線； b) 乳腺X線影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測驗(yàn)證集乳腺癌HER2表達(dá)的ROC曲線。

表4 乳腺X線影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測乳腺癌HER-2表達(dá)的效能

討 論

本研究基于乳腺X線攝影圖像提取影像組學(xué)特征參數(shù)，構(gòu)建影像組學(xué)標(biāo)簽RadScore，運(yùn)用乳腺X線攝影影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測乳腺癌患者HER2表達(dá)情況,結(jié)果顯示訓(xùn)練集和驗(yàn)證集均有較高的效能，訓(xùn)練集、驗(yàn)證集的AUC和準(zhǔn)確率分別為0.927和85.4%、0.889和94.4%，具有較高的預(yù)測價(jià)值。HER2是乳腺癌患者最重要的分子靶點(diǎn)之一，有研究發(fā)現(xiàn)，接受或不接受曲妥珠單抗(最常見的HER2靶向治療藥物之一)治療的HER2陽性乳腺癌患者的3年無事件生存率(event free survival，EFS)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.013)[13]。此外，由于IHC和FISH檢測中選取組織尺寸較小，可能并不代表整個(gè)腫瘤，且可引發(fā)很多并發(fā)癥，如乳腺炎、乳房瘺、血腫、縫合膿腫等[14]，因此，開發(fā)一種準(zhǔn)確、無創(chuàng)的方法對評估乳腺癌患者的HER2狀態(tài)至關(guān)重要。

近年來，一些研究分析了常規(guī)影像特征與HER2狀態(tài)之間的相關(guān)性。Gajdos等[15]指出乳腺X線攝影的節(jié)段性鈣化與HER2陽性狀態(tài)顯著相關(guān)(P<0.05)。另一項(xiàng)研究表明邊緣模糊的腫塊、腫塊內(nèi)的鈣化和節(jié)段性鈣化與HER2陽性顯著相關(guān)(P值分別為0.011、<0.001和0.030)[16]。本研究發(fā)現(xiàn)HER2陽性和HER2陰性乳腺癌中表現(xiàn)為鈣化、鈣化和腫塊兩種X線表現(xiàn)的患者總和占比分別為38.9%和39.3%，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；結(jié)論與上述研究不同，可能是因?yàn)榇蠖鄶?shù)鈣化由DCIS導(dǎo)致，而本研究中乳腺癌病理類型主要為浸潤性導(dǎo)管癌，僅有44例合并了DCIS，且DCIS成分<20%。本研究對患者年齡、病變大小、病灶位置及X線表現(xiàn)進(jìn)行了比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，主要原因可能為本研究參考了譚紅娜等[17]研究中的方法，僅對有無鈣化作了對比，未對鈣化的特征進(jìn)一步細(xì)分和對比。

Li等[18]的一項(xiàng)研究結(jié)果表明，使用僅基于DCE-T1序列的MRI定量影像組學(xué)特征對于確定HER2狀態(tài)的效能較差，其AUC值為0.65，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能是由于其研究選擇的磁共振序列較單一，并且樣本量較少(n=91)。Zhou等[19]研究發(fā)現(xiàn)多參數(shù)乳腺磁共振(T2抑脂加權(quán)聯(lián)合DCE-T1序列)影像組學(xué)評估乳腺癌患者HER2狀態(tài)優(yōu)于僅使用單參數(shù)，前者在訓(xùn)練集、驗(yàn)證集中的AUC和準(zhǔn)確率分別為0.86和79.5%、0.81和78.3%。部分乳腺腫塊在DCE-T1序列并無明顯強(qiáng)化，且與超聲、MRI等檢查方法相比，乳腺X線攝影對鈣化和結(jié)構(gòu)扭曲顯示清晰，所以乳腺X線攝影對乳腺病變的診斷非常重要。Zhou等[11]的一項(xiàng)研究結(jié)果表明，基于乳腺X線圖像影像組學(xué)定量特征預(yù)測HER2表達(dá)情況，在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集中的AUC分別為0.846和0.787。本研究預(yù)測模型的效能稍高于前者，其原因可能為Zhou等[11]的研究僅從乳腺X線攝影中提取了186個(gè)影像組學(xué)特征，而本研究提取了324個(gè)影像組學(xué)特征，且本研究在進(jìn)行影像特征組學(xué)篩選時(shí)先利用MaZda軟件提供的3種特征選擇方法進(jìn)行篩選，再運(yùn)用邏輯回歸獲得7個(gè)獨(dú)立預(yù)測指標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)建影像組學(xué)標(biāo)簽；而Zhou等的研究中利用了40個(gè)影像組學(xué)特征構(gòu)建模型，其模型較復(fù)雜，且并未利用獨(dú)立的預(yù)測指標(biāo)來構(gòu)建組學(xué)標(biāo)簽。另外，本研究采用了外部驗(yàn)證，相比于Zhou等的研究，更加客觀可靠。

本研究存在以下局限性：①采用手動勾畫ROI，可能存在一些偏差，在將來的研究中可采用更為成熟的軟件進(jìn)行結(jié)節(jié)的自動或半自動分割；②樣本量偏小，研究結(jié)果是初步的，還有待于大樣本的進(jìn)一步研究；③所有選取的病例中只包括最常見的乳腺癌病理類型-非特殊類型浸潤性導(dǎo)管癌。

綜上所述，乳腺X線攝影影像組學(xué)標(biāo)簽可作為一種無創(chuàng)和方便的方法用于術(shù)前預(yù)測乳腺癌患者HER2表達(dá)情況，對于臨床醫(yī)生決策及患者預(yù)后有一定幫助。