CT紋理分析對鑒別直腸癌患者K-ras基因突變的可行性研究

王國蓉， 王志偉， 薛華丹， 金征宇，吳煥文

·影像組學專題·

CT紋理分析對鑒別直腸癌患者K-ras基因突變的可行性研究

王國蓉， 王志偉， 薛華丹， 金征宇，吳煥文

目的探討CT紋理分析(CTTA)技術對鑒別直腸癌患者K-ras基因突變的可行性研究。方法回顧性分析33例經病理證實的直腸癌患者的CT圖像，其中K-ras突變型18例、野生型15例。使用TexRad軟件對病灶最大層面的平掃及門靜脈期圖像進行分析，獲得基于不同空間縮放因子(SSF=0和2～6)的6個特征性紋理參數值，包括均值(mean)、標準差(standard deviation，SD)、熵值(entropy)、偏度值(skewness)、峰值(kurtosis)及正像素均值(mean of positive pixels,MPP)。比較兩組間各參數值的差異。結果平掃CT圖像：當SSF取2～4時，野生型組中病灶的熵值(分別為4.3、4.2、4.3)高于突變型(分別為4.1、4.0和4.0)，差異均有統計學意義(P<0.05)；當SSF=2、熵取界值4.245時，診斷敏感度及特異度均為73.3%；當SSF=3、熵取界值4.095時，診斷敏感度及特異度分別為80.0%、61.1%；當SSF=4、熵取界值4.205時，診斷敏感度為73.3%、特異度為72.2%。增強CT圖像上各紋理參數值在兩組間的差異均無統計學意義(P>0.05)。結論CT紋理分析能夠對預測直腸癌患者有無K-ras基因突變提供一定的診斷信息。

直腸癌； 紋理分析； 體層攝影術，X線計算機； K-ras基因突變

直腸癌是消化系統常見的惡性腫瘤之一，一般按直腸息肉-腺瘤-癌的方式進展，涉及多種原癌基因及抑癌基因的突變。結直腸癌在全球范圍內的發病率、死亡率分別居第三、第四位，我國結直腸癌發病率和死亡率分別為14.2/10萬和7.4/10萬[1]，且隨著人民生活水平及飲食結構的改變，發病率呈逐年升高的趨勢[2]。盡管對病灶的早期發現和干預可以達到治愈的效果，但對于晚期患者而言，術后復發及遠處轉移仍是直腸癌致死的主要原因之一[3]。因此，尋求更加合理有效的治療方法來延長患者的生存期，顯得尤為重要。近年來，分子靶向藥物如西妥昔單抗(愛必妥)在臨床中的使用日益廣泛，它主要作用于腫瘤細胞表面的生長因子受體(EGFR)，從而阻斷細胞信號傳導通路，達到抗腫瘤的效果[4-5]。已經有研究證實此類藥物與化療藥物聯合使用后，對晚期直腸癌尤其是不伴有K-ras基因突變(K-ras野生型)的患者具有良好的治療效果[6-9]，所以目前K-ras基因檢測對于晚期直腸癌患者具有重要意義。本研究對CT紋理分析(CT texture analysis，CTTA)技術判斷直腸癌患者是否伴有K-ras基因突變的可行性進行觀察，旨在為臨床治療提供參考。

表1 CT平掃圖像不同SSF值時病灶的各項紋理參數值

注：表格內紋理參數值不符合正態分布，故以“中位數(四分位數間距)”表示。

材料與方法

1.研究對象

將2014年12月-2017年4月在北京協和醫院就診的經手術病理證實的33例直腸癌患者納入研究。其中男21例，女11例，平均年齡(57.9±13.2)歲；15例為無K-ras基因突變型，18例為K-ras基因突變型。所有患者在術前行腹盆部CT增強掃描及基因檢測。

2.掃描方法

使用Siemens Somatom Definition雙源CT機進行腹盆部CT平掃和增強掃描，掃描參數：層厚5 mm，層間距5 mm，掃描范圍自膈肌水平至恥骨聯合處。采用高壓注射器經肘前靜脈注入對比劑碘海醇(300 mg I/mL)100 mL，注射速率為5 mL/s，注藥后延遲60 s行門靜脈期掃描。

3.紋理分析

將所有圖像傳至TexRAD工作站，采用TexRAD軟件(TexRAD Ltd,www.texrad.com,part of Feedback Plc,Cambridge,UK)進行紋理分析。由兩位分別具有5年和10年工作經驗的放射科醫師進行閱片分析，二者意見不一時通過協商達成一致意見。由另一位熟悉Texrad軟件操作的放射科醫師進行數據測量。在每例患者的CT平掃及門靜脈期增強掃描圖像中選擇病灶最大層面，沿腸壁異常增厚區放置感興趣區域(region of interest，ROI)，ROI面積盡可能大。通過設定閾值，將ROI內所有像素中CT值低于-50 HU的部分自動濾過。紋理分析利用高斯-拉普拉斯算法進行選擇性圖像濾波處理，然后通過灰度直方圖分析獲得定量的紋理參數值，包括均值(mean)、標準差(standard deviation，SD)、熵值(entropy)、偏度值(skewness)、峰值(kurtosis)及正像素均值(mean of positive pixels，MPP)共6個參數[10-13]。圖像濾波處理通過選擇不同的空間縮放因子(spatial scaling factor，SSF)來實現 ，代表經濾過器突出顯示的圖像特征的大小，以主體的濾過半徑(通常取值為0、2、3、4、5和6 mm)表示[10,13]。SSF=0為無濾過；SSF=2表示經濾過，顯示圖像特征為良好；SSF=3～5表示經濾過，顯示圖像特征為中等；SSF=6表示經濾過，顯示圖像特征為粗糙[10]。測量并記錄不同的SSF值時兩期圖像上病灶的各項紋理參數值。

4.統計分析

使用SPSS 20.0軟件進行統計分析。符合正態分布的計量資料用均值±標準差表示，不符合正態分布的數據采用中位數及四分位數間距表示。采用Mann-Whitney U檢驗比較平掃及門靜脈期圖像上各項紋理參數值在K-ras基因突變(+)組和無突變(-) 組間的差異，P<0.05表示差異有統計學意義。采用受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC)來評估各項紋理參數對判斷直腸癌患者有無K-ras基因突變的效能。

結 果

在CT平掃和增強掃描靜脈期圖像上不同SSF獲得的兩組病灶的6項紋理參數值見表1～2、圖1～4，統計分析結果見表3～4。在CT平掃圖像上，僅熵值在SSF值取2～4時，在兩組間的差異有統計學意義(P值分別為0.005、0.033和0.030)；在不同SSF值圖像上其它紋理參數值在兩組間的差異均無統計學意義(P>0.05)。在CT增強門靜脈期圖像上，在不同的SSF值圖像上各項紋理參數值在兩組間的差異均無統計學意義(P>0.05)。

表2 CT增強圖像上不同SSF值時的各項紋理參數值

注：表格內紋理參數值不符合正態分布，故以“中位數(四分位數間距)”表示。

表3 兩組病變在平掃CT圖像上的紋理參數值的統計分析結果

表4 兩組病變在增強CT圖像上的紋理參數值的統計分析結果

在平掃CT圖像上熵值的ROC曲線分析結果見表5、圖5。當SSF=2，熵的界值取4.245時的ROC曲線下面積(area under curve，AUC)最大 ，相應的診斷敏感度及特異度均為73.3%；當SSF=3，熵的界值取4.095時AUC最大，診斷敏感度及特異度分別為80.0%和61.1%；當SSF=4，熵的界值取4.205時AUC最大，診斷敏感度為73.3%、特異度為72.2%。

表5 熵值在CT平掃不同SSF條件下的ROC曲線分析

討 論

分子靶向治療是針對腫瘤組織靶點的一種特異性治療方法，可以提高治療效果并減少副作用、改善患者預后，是目前腫瘤治療的熱點領域。多項研究表明西妥昔單抗聯合化療能有效延長直腸癌K-ras野生型患者的生存期[15-17]。因此，K-ras基因的檢測對于直腸癌患者顯得尤為重要。

對于腫瘤組織的基因突變，影像學檢查是否能提供有益的幫助呢？目前常用的臨床影像檢查方法，包括CT、MRI以及PET-CT檢查，其獲得的影像數據主要以圖像的形式由診斷醫生進行閱片分析，可利用的信息包括CT掃描的CT值、MRI上的信號強度以及PET-CT的標準攝取值(standard uptake value，SUV)，這些信息是比較有限的。而最近提出的影像組學(Radiomics)是一次對影像圖像數據進行挖掘的革命，被視為介于臨床與基因之間的第二層重要數據，并且已廣泛應用于各類疾病的研究中，尤其是在腫瘤的診斷、治療和預后等方面的研究中，為腫瘤的精準治療提供了新的依據。

圖1 男，75歲，直腸癌K-ras突變型。a) CT平掃圖像，顯示直腸壁不均勻增厚(箭)； b) 平掃圖像ROI內所有紋理參數的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征良好； c) 平掃圖像ROI內所有紋理參數的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征中等； d) 平掃圖像ROI內所有紋理參數的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征粗糙； e) 增強CT圖像，顯示異常增厚的直腸壁明顯強化(箭)； f) 增強掃描ROI內所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征良好； g) 增強掃描ROI內所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征中等； h) 增強掃描ROI內所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征粗糙。 圖2 男，57歲，直腸癌K-ras野生型。a) CT平掃圖像，顯示直腸壁環周增厚，腸腔狹窄(箭)； b) 平掃圖像ROI內所有紋理參數的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征良好； c) 平掃圖像ROI內所有紋理參數的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征中等； d) 平掃圖像ROI內所有紋理參數的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征粗糙； e) 增強CT圖像，顯示環周增厚的直腸壁明顯強化(箭)； f) 增強掃描ROI內所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征良好； g) 增強掃描ROI內所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征中等； h) 增強掃描ROI內所有紋理特征的綜合偽彩圖像，顯示紋理特征粗糙。

圖3 CT平掃不同SSF條件下熵值的ROC曲線。a)SSF=2；b)SSF=3；c)SSF=4。

紋理分析技術作為目前影像領域的新星，最大的亮點在于通過采用特殊的算法，根據不同的濾過半徑，來提取一系列基于像素灰度空間分布、人眼所無法辨識的定量紋理參數，如熵值、偏度值、峰值等，它能夠深度挖掘原始圖像的數據信息，從而能更加全面、細致地反映病灶的特點[18]，為影像組學的實現提供了媒介。已經有較多研究結果表明，紋理分析技術可以對腫瘤組織的特性做出較為準確的判斷[19-21]。

對于直腸癌患者，腹盆部CT增強檢查是臨床上最常用的檢查手段，可用于判斷病灶位置、侵犯范圍、周圍淋巴結轉移及遠處轉移等情況。本實驗擬探討CTTA用于預測直腸癌患者是否伴K-ras基因突變的可行性，研究結果表明，直腸癌患者行平掃CT檢查時，當濾過條件為良好和中等時(SSF=2～4)，K-ras野生型組中病灶的熵值均高于突變組(P<0.05)，而其它紋理參數值(均值，標準差，正像素均值，偏度值，峰值)在兩組患者間的差異均無統計學意義。反觀CT增強圖像(本實驗中指門靜脈期圖像)，任意SSF值條件下各項紋理參數的值在野生型及突變型之間差異均無統計學意義(P>0.05)。這一結果表明，應用紋理分析技術鑒別直腸癌患者有無K-ras基因突變時，對比劑的使用并不能為鑒別診斷提供更多信息，可能是對比劑的使用使得圖像的灰度重新分布，從而產生的結果也不盡相同。由此可見，我們可以僅通過CT平掃圖像提取病灶的紋理特征參數(熵值)來對直腸癌患者是否表達K-ras基因做出初步診斷。

Lovinfosse等[22]在使用PET-CT分析直腸癌K-ras基因突變的研究中發現，K-ras突變型患者的最大標準攝取值(maximum standardized uptake value，SUVmax)高于野生型。Kwada等[23]分析了PET-CT圖像上結直腸癌伴肝轉移患者的K-ras基因突變的情況，結果顯示，當肝臟病灶直徑大于10 mm時，K-ras突變型患者的SUVmax高于野生型。而本研究利用平掃CT圖像結合紋理分析技術即可鑒別直腸癌患者有無K-ras突變，相對PET-CT而言，檢查成本顯著減低、方法簡單易行，更有臨床推廣價值。

本實驗的局限性在：入組病例數相對較少；僅對病灶最大截面的單幀CT圖像上的紋理特點進行分析，未能夠對病變進行三維建模、以獲取更多的容積紋理信息。上述不足之處有望在下一步研究中得到改進和完善。

綜上所述，CT圖像結合紋理分析技術對直腸癌患者有無K-ras基因突變具有一定的鑒別診斷價值。尤其是在CT平掃圖像上當濾過半徑為2～4 mm時，熵值具有較高的鑒別診斷效能。表明CT平掃即可對直腸癌患者有無K-ras基因突變提供判斷依據，較之CT增強檢查，減少了對比劑的攝入，從而也降低了對比劑腎毒性損害的發生率[24]，對患者而言，受益頗多。

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FeasibilityofdetectingK-rasmutationsinrectalcancerbyCTtextureanalysis

WANG Guo-rong,WANG Zhi-wei,XUE Hua-dan,et al.

Department of Radiology,Peking Union Medical College Hospital,Beijing 100730,China

Objective:To investigate the feasibility of using CT texture analysis (CTTA) to differentiate mutated K-ras from wild-type in rectal cancer.MethodsCT unhanced and enhanced images were reviewed retrospectively in 33 cases,18 of which had K-ras mutation,of rectal carcinoma confirmed by operation and pathology.We placed a ROI on selected axial image (the non-enhanced and portal phase image in the same slice of lesion) by using TexRad,and then a series of quantitive paremeters based on different spatial scaling factor (SSF=0 and 2～6) were extracted,including mean,standard deviation (SD),entropy,mean of positive pixels (MPP),skewness and kurtosis.All texture parameters were compared between K-ras mutated group and wild-type group.ResultsFor unenhanced CT,patients who are without K-ras mutation exhibited higher entropy in the condition of different SSF(SSF=2～4; K-ras wild-type group vs mutated group:4.3,4.2,4.3 vs 4.1,4.0,4.0;P<0.05).When SSF was 2,the value of entropy was 4.245,the sensitivity and specificity both was 73.3%;SSF was 3,the value of entropy was 4.095,the sensitivity and specificity was 80.0% and 61.1%，respectively;SSF was 4,the value of entropy was 4.205,the sensitivity and specificity was 73.3% and 72.2%.As for portal phase imagies,there was no significant difference between the two groups.ConclusionCTTA could contribute to differentiating K-ras mutated from wild-type in carcinoma of the rectum,especially in nonenhanced CT image.

Rectal cnacer； Texture analysis； Tomography，X-ray computed； K-ras mutaition

100730 北京，中國醫學科學院北京協和醫學院北京協和醫院放射科(王國蓉，王志偉，薛華丹，金征宇)，病理科(吳煥文)

王國蓉(1992-)，女，山西朔州人，碩士研究生，主要從事腫瘤功能成像研究工作。

王志偉，E-mail：zhiweiwang1981@sina.com

國家自然科學基金(81401496)

R735.3； R814.42

A

1000-0313(2017)12-1215-06

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.12.002

2017-10-30

2017-11-20)