摘" " 要" " 目的" " 基于Logistic回歸與隨機(jī)森林算法構(gòu)建甲狀腺乳頭狀癌(PTC)頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移(LNM)的預(yù)測模型,比較二者的診斷效能。方法" " 選取我院收治的PTC患者156例,依據(jù)是否發(fā)生頸部LNM分為非轉(zhuǎn)移組65例和轉(zhuǎn)移組91例,比較兩組超聲、基因檢測及臨床檢查結(jié)果的差異。采用多因素Logistic回歸分析篩選PTC頸部LNM的獨(dú)立影響因素,基于Logistic回歸和隨機(jī)森林算法分別構(gòu)建PTC頸部LNM的預(yù)測模型;繪制受試者工作特征(ROC)曲線分析模型的診斷效能。結(jié)果" " 轉(zhuǎn)移組與非轉(zhuǎn)移組年齡、結(jié)節(jié)最大徑、甲狀腺球蛋白抗體(TgAb)水平,以及甲狀腺外浸潤(ETE)、BRAFV600E基因突變、微鈣化占比比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均Plt;0.05)。多因素Logistic回歸分析顯示,微鈣化、結(jié)節(jié)最大徑、ETE、年齡、TgAb水平、BRAFV600E基因突變均為PTC頸部LNM的獨(dú)立影響因素(均Plt;0.05)。ROC曲線分析顯示,Logistic回歸模型預(yù)測PTC頸部LNM的曲線下面積(AUC)為0.763;隨機(jī)森林模型顯示,樹的數(shù)目為272時(shí)錯(cuò)誤率最低,模型預(yù)測PTC頸部LNM的相對重要預(yù)測因子排序依次為TgAb水平、BRAFV600E基因突變、微鈣化、年齡、ETE、結(jié)節(jié)最大徑,其預(yù)測PTC頸部LNM的AUC為0.856,高于Logistic回歸模型(Z=2.812,P=0.005)。結(jié)論" " 基于隨機(jī)森林算法構(gòu)建的PTC頸部LNM預(yù)測模型的診斷效能高于基于Logistic回歸構(gòu)建的預(yù)測模型,臨床醫(yī)師可根據(jù)PTC患者頸部LNM的隨機(jī)森林重要性排序制定合適的干預(yù)措施。
關(guān)鍵詞" " 超聲檢查;甲狀腺乳頭狀癌;頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移;Logistic回歸模型;隨機(jī)森林模型
[中圖法分類號(hào)]R445.1;R736.1" " " [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A
Predictive models of cervical lymph node metastasis in papillary thyroid carcinoma based on Logistic regression and random
forest algorithm:a comparative study
JI Bo,SHEN Donghua,ZHAO Dongxue,HUANG Xiaoxu,ZHOU Li’na,WANG Gong
Department of Ultrasound Diagnosis,PLA Rocket Force Characteristic Medical Center,Beijing 100088,China
ABSTRACT" " Objective" " To construct a predictive models of cervical lymph node metastasis(LNM) in papillary thyroid carcinoma(PTC) based on Logistic regression and random forest algorithm,and to compare their diagnostic efficacy.Methods" " A total of 156 PCT patients diagnosed and treated in our hospital were selected and divided into non-metastatic group(n=65) and metastatic group(n=91) according to the presence of cervical LNM.The differences in ultrasound features,genetic tests and clinical data were compared between the two groups.Multivariate Logistic regression was used to screen the independent influencing factors of cervical LNM in PTC.Predictive models of cervical LNM in PTC were constructed based on Logistic regression and random forest algorithms,respectively.And their diagnostic efficacy was analyzed by receiver operating characteristic(ROC) curve.Results" " There were statistically significant differences in age,maximum diameter of nodule,thyroglobulin antibody(TgAb) level,and proportion of extra thyroidal extension(ETE),BRAFV600E gene mutation,microcalcification between the two groups(all Plt;0.05).The multivariate Logistic regression analysis showed that" microcalcification,maximum nodule diameter of nodule,ETE,age,TgAb level,BRAFV600E gene mutation were independent influencing factors for cervical LNM in PTC(all Plt;0.05).ROC curve analysis showed that the area under the curve(AUC) of the Logistic regression model in predicting cervical LNM in PTC was 0.763.The random forest model showed the lowest error rate when the number of trees was 272.And the rank order of the relatively important predictors for cervical LNM in PTC were as follows: TgAb level,BRAFV600E gene mutation,microcalcification,age,ETE,and maximum diameter of nodule.And the AUC of the random forest model in predicting cervical LNM in PTC was 0.856,which was higher than that of the Logistic regression model(Z=2.812,P=0.005).Conclusion" " The diagnostic efficacy of the predictive model of cervical LNM in PTC based on random forest algorithm is higher than that based on Logistic regression.Clinicians can develop rational interventions for PTC patients according to the randomized forest importance ranking of the occurrence of cervical LNM.
KEY WORDS" " Ultrasonography;Papillary thyroid carcinoma;Cervical Lymph Node Metastasis;Logistic regression model;Random forest model
甲狀腺乳頭狀癌(papillary thyroid carcinoma,PTC)是一種臨床較為常見的惡性腫瘤,盡管其病程進(jìn)展緩慢、侵襲性小、惡性程度相對較低,但PTC在病程早期就可能發(fā)生頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移(lymph node metastasis,LNM)[1],會(huì)對手術(shù)效果產(chǎn)生不良影響,同時(shí)也會(huì)影響患者的生存質(zhì)量和預(yù)后。術(shù)前若能明確LNM情況,可有效避免術(shù)后因LNM而導(dǎo)致的二次手術(shù)。然而,由于淋巴結(jié)的隱蔽性和超聲圖像的復(fù)雜性,某些轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)可能無法在術(shù)前被超聲檢出[2]。2020年中華醫(yī)學(xué)會(huì)提出了C-TIRADS分類[3],這一分類標(biāo)準(zhǔn)使得超聲診斷結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。劉承開等[4]研究顯示,C-TIRADS分類為PTC頸部LNM的獨(dú)立危險(xiǎn)因素,結(jié)節(jié)的C-TIRADS分類越高,惡性風(fēng)險(xiǎn)越大,同時(shí)LNM的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加。研究[5]發(fā)現(xiàn),BRAFV600E基因突變可能會(huì)影響細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路,使得癌細(xì)胞具有更強(qiáng)的侵襲性和轉(zhuǎn)移能力?;诖?,本研究通過分析PTC患者的臨床特征、超聲表現(xiàn)及分子生物學(xué)標(biāo)記物,基于Logistic回歸與隨機(jī)森林算法分別構(gòu)建PTC頸部LNM的預(yù)測模型,并對二者診斷效能進(jìn)行比較,探討其臨床應(yīng)用價(jià)值。
資料與方法
一、研究對象
選取2022年11月至2023年11月我院收治的PTC患者156例,其中男83例,女73例,年齡30~60歲,平均(49.25±5.79)歲;單發(fā)69例,多發(fā)87例(多發(fā)患者選擇術(shù)前超聲測量最大的1枚結(jié)節(jié)納入本研究),最終納入156枚結(jié)節(jié)。依據(jù)是否發(fā)生頸部LNM分為非轉(zhuǎn)移組65例和轉(zhuǎn)移組91例。納入標(biāo)準(zhǔn):①首次行甲狀腺手術(shù),且經(jīng)病理確診為PTC;②術(shù)前行BRAFV600E基因檢測和超聲檢查;③相關(guān)檢查資料完整。排除標(biāo)準(zhǔn):①病理結(jié)果無法判斷被膜是否受到侵犯;②超聲圖像不清晰或資料不完整;③術(shù)前超聲檢查結(jié)果與術(shù)后病理結(jié)果不符。本研究經(jīng)我院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào):KY2024042),所有患者均簽署知情同意書。
二、儀器與方法
1.超聲檢查:使用Philips EPIQ 7和GE Logiq E9彩色多普勒超聲診斷儀,L12-5和ML6-75探頭,頻率均為4~15 MHz?;颊呷∑脚P位,充分暴露檢查區(qū)域,適當(dāng)調(diào)節(jié)增益以優(yōu)化圖像亮度,調(diào)整時(shí)間增益曲線,確保從淺表到深層組織的回聲強(qiáng)度一致,減少因深度增加導(dǎo)致的信號(hào)衰減,保持焦點(diǎn)初始位置在甲狀腺組織中心,隨著掃查深度的變化調(diào)整焦點(diǎn)位置使圖像顯示最佳。同時(shí)選擇適宜的掃描深度,使甲狀腺及其周圍組織清晰顯示。先橫向掃查甲狀腺,從甲狀腺上極開始,直至下極區(qū)域,隨后再進(jìn)行縱向掃查。嚴(yán)格參照C-TIRADS分類標(biāo)準(zhǔn)[3],觀察結(jié)節(jié)是否存在以下陽性指標(biāo):甲狀腺外浸潤(extra thyroidal extension,ETE)、垂直位、極低回聲、微鈣化、實(shí)性;同時(shí)記錄結(jié)節(jié)最大徑、結(jié)節(jié)數(shù)量、是否為雙側(cè)病變。
2.BRAFV600E基因檢測:術(shù)前確定目標(biāo)結(jié)節(jié),然后通過穿刺手術(shù)獲取組織樣本。采用擴(kuò)增阻滯突變系統(tǒng)熒光PCR法行病理檢查(試劑盒由廈門艾德生物醫(yī)藥科技股份有限公司提供)。以BRAFV600E基因的第15外顯子為檢測點(diǎn),觀察p.V600E點(diǎn)是否突變。
3.臨床資料收集:查閱病歷收集患者性別、年齡(依據(jù)美國甲狀腺癌分期系統(tǒng)[6]將年齡的臨界值設(shè)定為45歲)、體質(zhì)量指數(shù)(BMI)、有無橋本甲狀腺炎及甲狀腺球蛋白抗體(TgAb)、甲狀腺過氧化物酶抗體(TPOAb)水平。
三、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理
應(yīng)用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)軟件和R語言(4.3.3版本)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料以x±s表示,采用t檢驗(yàn);計(jì)數(shù)資料以頻數(shù)或率表示,采用χ2檢驗(yàn)。采用多因素Logistic回歸分析篩選PTC頸部LNM的獨(dú)立影響因素;R語言構(gòu)建預(yù)測PTC頸部LNM的隨機(jī)森林模型;繪制受試者工作特征(ROC)曲線分析Logistic回歸模型與隨機(jī)森林模型的診斷效能,曲線下面積(AUC)比較采用Z檢驗(yàn)。Plt;0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
結(jié)" 果
一、兩組臨床資料和BRAFV600E基因檢測結(jié)果比較
轉(zhuǎn)移組與非轉(zhuǎn)移組年齡、TgAb水平、BRAFV600E基因突變占比比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均Plt;0.05);其余臨床資料比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。見表1。
二、兩組超聲檢查結(jié)果比較
轉(zhuǎn)移組與非轉(zhuǎn)移組結(jié)節(jié)最大徑及微鈣化、ETE占比比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均Plt;0.05);其余超聲檢查結(jié)果比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。見圖1,2和表2。
三、Logistic回歸分析
以PTC發(fā)生頸部LNM為因變量,微鈣化、結(jié)節(jié)最大徑、ETE、年齡、TgAb水平、BRAFV600E基因突變?yōu)樽宰兞窟M(jìn)行Logistic回歸分析,結(jié)果顯示微鈣化、結(jié)節(jié)最大徑、ETE、年齡、TgAb水平、BRAFV600E基因突變均為PTC頸部LNM的獨(dú)立影響因素(均Plt;0.05)。見表3。
四、隨機(jī)森林模型構(gòu)建
以PTC發(fā)生頸部LNM為因變量,微鈣化、結(jié)節(jié)最大徑、ETE、年齡、TgAb水平、BRAFV600E基因突變?yōu)樽宰兞?,采用R語言使用install.packages(“randomForest”)軟件包構(gòu)建隨機(jī)森林模型。結(jié)果顯示當(dāng)樹的數(shù)目為272時(shí)錯(cuò)誤率最低(圖3)。該模型預(yù)測PTC頸部LNM的相對重要預(yù)測因子排序依次為TgAb水平、BRAFV600E基因突變、微鈣化、年齡、ETE、結(jié)節(jié)最大徑(圖4)。
五、ROC曲線分析
Logistic回歸模型與隨機(jī)森林模型預(yù)測PTC頸部LNM的AUC分別為0.763、0.856,二者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=2.812,P=0.005)。見表4和圖5。
討" 論
PTC在甲狀腺惡性腫瘤中的發(fā)病率高達(dá)90%以上[7]。頸部LNM是PTC的一個(gè)重要特征,其對疾病的分期、治療方案的制定及患者預(yù)后評(píng)估均有顯著影響。PTC頸部LNM的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的過程,腫瘤細(xì)胞通過分泌基質(zhì)金屬蛋白酶等酶類降解細(xì)胞外基質(zhì),突破原發(fā)腫瘤組織的包膜,獲得侵襲性;隨后進(jìn)入淋巴管系統(tǒng),隨淋巴液流至頸部淋巴結(jié),腫瘤細(xì)胞在淋巴結(jié)內(nèi)與淋巴結(jié)微環(huán)境相互作用,逃避免疫監(jiān)視,最終定植并增殖形成轉(zhuǎn)移灶。文獻(xiàn)[8-9]報(bào)道,PTC頸部LNM的發(fā)生率為40%~70%。本研究共納入PTC患者156例,其中發(fā)生頸部LNM者65例,占比為41.67%(65/156),與上述文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致。盡管超聲是甲狀腺的首選影像學(xué)檢查方法,但在識(shí)別小體積或隱匿性LNM方面仍存在局限性。BRAFV600E基因突變等分子生物學(xué)標(biāo)記物為研究PTC的侵襲性和轉(zhuǎn)移潛能提供了新的方向,但其與頸部LNM之間的關(guān)系仍需進(jìn)一步明確?;诖?,本研究通過分析PTC患者的臨床特征、超聲表現(xiàn)及分子生物學(xué)標(biāo)記物,基于Logistic回歸與隨機(jī)森林算法分別構(gòu)建PTC頸部LNM的預(yù)測模型,并比較二者的診斷效能,以期為臨床提供更加精準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具,指導(dǎo)個(gè)體化治療方案的制定。
本研究結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)移組微鈣化占比高于非轉(zhuǎn)移組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.002)。與張岱等[10]研究結(jié)論一致。微鈣化是PTC的典型超聲特征之一,其形成可能與腫瘤細(xì)胞分泌的特殊物質(zhì)在局部沉積有關(guān),也可能與腫瘤組織的缺氧、壞死等病理過程有關(guān),這些過程會(huì)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移和侵襲。微鈣化的存在往往提示腫瘤細(xì)胞具有較高的增殖活性和侵襲能力,導(dǎo)致了頸部LNM的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加。本研究多因素Logistic回歸分析顯示,微鈣化為PTC頸部LNM的獨(dú)立影響因素(OR=2.709,P=0.012),與范莉芳等[11]研究結(jié)論相似,提示微鈣化與PTC頸部LNM密切相關(guān)。此外,結(jié)節(jié)最大徑與PTC的惡性行為和轉(zhuǎn)移潛能密切相關(guān),較大的結(jié)節(jié)往往意味著腫瘤生長時(shí)間更長、細(xì)胞增殖活性更高,更易發(fā)生LNM[12];當(dāng)結(jié)節(jié)最大徑≥10 mm時(shí),其內(nèi)部的腫瘤細(xì)胞可能已經(jīng)積累足夠的遺傳和表觀遺傳變化,以驅(qū)動(dòng)更具侵略性的行為,包括頸部LNM。本研究轉(zhuǎn)移組與非轉(zhuǎn)移組結(jié)節(jié)最大徑比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.002),且多因素Logistic回歸分析顯示結(jié)節(jié)最大徑為PTC頸部LNM的獨(dú)立影響因素(OR=2.473,P=0.026)。張杰等[13]研究顯示,較大的結(jié)節(jié)是預(yù)測甲狀腺微小乳頭狀癌頸部LNM的重要因素之一,本研究結(jié)論與其相似。本研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移組ETE占比高于非轉(zhuǎn)移組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.002),原因可能為ETE反映了PTC的高侵襲性,當(dāng)腫瘤細(xì)胞突破甲狀腺包膜侵入至周圍組織時(shí),表明癌細(xì)胞具有強(qiáng)大的增殖和遷移能力,更易形成轉(zhuǎn)移灶。多因素Logistic回歸分析也顯示,ETE為PTC頸部LNM的獨(dú)立影響因素(OR=2.565,P=0.019)。與苗欣等[14]報(bào)道ETE是預(yù)測PTC患者頸部LNM和不良預(yù)后的重要因素這一結(jié)論相似。
研究[15-16]顯示,BRAFV600E基因突變與PTC的侵襲性密切相關(guān),本研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)移組BRAFV600E基因突變占比較非轉(zhuǎn)移組更高(P=0.001),這可能與BRAFV600E基因突變導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞生物學(xué)行為改變有關(guān)。BRAFV600E基因突變是PTC中最常見的遺傳學(xué)事件之一,其可激活MAPK信號(hào)通路,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲[17]。多因素Logistic回歸分析也顯示,BRAFV600E基因突變?yōu)镻TC頸部LNM的獨(dú)立影響因素(OR=2.952,P=0.007)。與上述文獻(xiàn)結(jié)論相似。本研究轉(zhuǎn)移組與非轉(zhuǎn)移組年齡比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.002),表明年輕患者(年齡lt;45歲)的頸部LNM發(fā)生率高于老年患者,這可能與年輕患者體內(nèi)更高的激素水平、生活習(xí)慣及環(huán)境暴露等因素有關(guān)。多因素Logistic回歸分析顯示,年齡也為PTC頸部LNM的獨(dú)立影響因素(OR=3.052,P=0.005),提示腫瘤細(xì)胞在年輕患者體內(nèi)可能會(huì)得到更有利的生長和轉(zhuǎn)移條件;另外,年輕女性雌激素水平通常較高,而雌激素已被證實(shí)與某些類型癌癥的生長和轉(zhuǎn)移有關(guān)[18];且年輕患者可能更容易受到環(huán)境壓力、不良生活習(xí)慣等因素的影響,這些因素可能通過影響免疫系統(tǒng)或促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長等方式,間接增加LNM的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[19]。本研究轉(zhuǎn)移組TgAb水平高于非轉(zhuǎn)移組(P=0.002),且TgAb為PTC頸部LNM的獨(dú)立影響因素(OR=1.084,P=0.005),這可能與機(jī)體對腫瘤細(xì)胞的免疫反應(yīng)有關(guān),TgAb水平升高反映了機(jī)體對腫瘤抗原的識(shí)別和應(yīng)答,但這種免疫反應(yīng)尚不足以完全清除腫瘤細(xì)胞,反而在一定程度上促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移[12],提示臨床可通過監(jiān)測PTC患者TgAb水平,早期發(fā)現(xiàn)頸部LNM[20]。
隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,基于數(shù)據(jù)的預(yù)測模型成為了一種有潛力的方法,隨機(jī)森林算法以其強(qiáng)大的分類和回歸能力,在處理復(fù)雜數(shù)據(jù)時(shí)表現(xiàn)出色,能夠捕捉多個(gè)變量之間的非線性關(guān)系[21]。而Logistic回歸模型是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)上的非線性回歸模型,常用于二分類問題,并非廣義上的線性模型,多用于估計(jì)某種事物發(fā)生的可能性。本研究隨機(jī)森林模型分析結(jié)果顯示,當(dāng)樹的數(shù)目為272時(shí)錯(cuò)誤率最低,該模型預(yù)測PTC頸部LNM的相對重要預(yù)測因子排序依次為TgAb水平、BRAFV600E基因突變、微鈣化、年齡、ETE、結(jié)節(jié)最大徑,提示臨床醫(yī)師可根據(jù)隨機(jī)森林模型預(yù)測結(jié)果,重點(diǎn)關(guān)注頸部LNM的高?;颊摺1狙芯縍OC曲線分析顯示,隨機(jī)森林模型預(yù)測PTC頸部LNM的AUC(0.856)高于Logistic回歸模型(0.763),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=2.812,P=0.005),表明隨機(jī)森林模型在預(yù)測PTC頸部LNM方面具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性,可以反映不同影響因素對PTC頸部LNM風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)度,有助于臨床更好地理解疾病的生物學(xué)機(jī)制,為制定個(gè)性化治療方案提供了參考。
綜上所述,基于隨機(jī)森林算法構(gòu)建的PTC頸部LNM預(yù)測模型的診斷效能高于基于Logistic回歸構(gòu)建的預(yù)測模型,臨床醫(yī)師可根據(jù)PTC患者頸部LNM的隨機(jī)森林重要性排序制定合適的干預(yù)措施。但本研究為單中心、回顧性研究,納入樣本量較小,且構(gòu)建模型時(shí)未納入所有相關(guān)變量,可能會(huì)影響模型的準(zhǔn)確性,同時(shí),研究結(jié)果可能受到地域和人群差異的影響,今后可行大樣本、多中心研究進(jìn)一步驗(yàn)證。
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(收稿日期:2024-04-01)