治療前IVIM-DWI參數(shù)圖紋理特征對直腸癌新輔助放化療病理反應(yīng)的預(yù)測價值

劉思野，文露，侯靜，聶少麟，周菊梅，曹芳，盧強，覃玉卉，于小平*

作者單位：

1. 中南大學湘雅醫(yī)學院附屬腫瘤醫(yī)院 湖南省腫瘤醫(yī)院放射診斷科，長沙410006

2. 中南大學湘雅醫(yī)學院附屬腫瘤醫(yī)院 湖南省腫瘤醫(yī)院結(jié)直腸外科，長沙410006

3. 中南大學湘雅醫(yī)學院附屬腫瘤醫(yī)院湖南省腫瘤醫(yī)院放療科，長沙 410006

4. 中南大學湘雅醫(yī)學院附屬腫瘤醫(yī)院湖南省腫瘤醫(yī)院病理科，長沙 410006

新輔助放化療聯(lián)合全系膜切除術(shù)是局部進展期直腸癌的標準療法[1-2]。病理檢查是評估其新輔助放化療療效的金標準。早期判別直腸癌新輔助放化療后的病理反應(yīng)，有助于制訂個性化治療方案。新興的影像學方法，例如體素內(nèi)不相干運動擴散加權(quán)成像(intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging，IVIM-DWI)的平均參數(shù)值分析，可用于預(yù)測直腸癌新輔助放化療的病理反應(yīng)狀態(tài)[3-5]。而新興的醫(yī)學圖像分析方法-紋理分析，可量化腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性[6-8]。研究發(fā)現(xiàn)，基于磁共振T2WI[9-10]和表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)像[11]的紋理特征有助于預(yù)測直腸癌療效。國外曾有研究發(fā)現(xiàn)，基于IVIM-DWI參數(shù)圖的一級紋理特征能夠預(yù)測直腸癌新輔助放化療后是否達到原發(fā)灶病理完全反應(yīng)(pathological complete response，pCR)，但尚未見IVIM-DWI參數(shù)圖二級紋理特征預(yù)測直腸癌療效的研究報道。因此，筆者旨在探討基于IVIM-DWI參數(shù)圖的紋理特征在評估直腸癌原發(fā)灶放化療反應(yīng)方面的潛能，重點是比較一級與二級紋理特征的預(yù)測效能之間是否存在差異。

1 材料與方法

1.1 一般資料

搜集38例臨床及影像資料齊全的局部進展期(cT3-4N0-2M0)直腸癌病例。患者年齡22～73歲，平均51歲，男性27例，女性11例。所有研究對象均在放化療前經(jīng)結(jié)腸鏡下病理活檢證實為直腸非黏液型腺癌。此研究由我院醫(yī)學倫理委員會批準。

1.2 設(shè)備及掃描方法

所有患者于新輔助放化療1～3 d前，依次行盆腔常規(guī)平掃及IVIM-DWI掃描。采用GE MR360 1.5 T超導(dǎo)型MRI儀及相控體線圈，患者取仰臥位。IVIM-DWI采用單次激發(fā)自旋回波擴散加權(quán)平面回波成像(ssSE-DW-EPI)序列行直腸橫斷面，取12個b值(0、10、20、30、50、80、100、150、200、400、600及800 s/mm2)，TR 4694 ms，TE 102 ms，層厚5 mm，層間距1 mm，視野(FOV)380 mm，NEX為4。

1.3 圖像采集及紋理分析

MRI原始資料先傳至AW 4.6工作站，采用MADC軟件進行后處理，由軟件自動生成IVIMDWI參數(shù)圖，包括ADC (表觀擴散系數(shù))、D (真實擴散系數(shù))、D*(偽擴散系數(shù))及f (灌注分數(shù))。由1名放診科醫(yī)師結(jié)合T2WI，在直腸癌原發(fā)灶軸位ADC圖上沿病灶外緣手動勾畫感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，這一ROI被自動復(fù)制到其他D、D*及f圖上。完成病灶所有層面的ROI勾畫后，軟件自動生成感興趣體積(volume of interest，VOI)，并提供相應(yīng)的IVIM-DWI參數(shù)值。再將這些參數(shù)圖以BMP格式保存，導(dǎo)入紋理分析軟件MaZda (http://www.eletel.p.lodz.pl/programy/mazda/index.php?action=mazda)進行。MaZda自動從每個VOI中提取9個一級紋理特征(Mean、Variance、Skewness、Kurtosis、Perc1%、Perc10%、Perc50%、Perc90%及Perc99%)值及11個共生矩陣特征(AngScMom、Contrast、Correlat、DifEntrp、Difvarnc、Entropy、InvDfMom、SumAverg、SumEntrp、SumOfSqs及SumVarnc)值。腫瘤體積由每一層ROI的面積乘以層厚并累加而得。

1.4 病理反應(yīng)評估

患者在完成MRI后行新輔助放化療，放療總劑量為50 Gy，分25次完成，同期口服卡培他濱1650 mg/(m2?d)。放化療結(jié)束后8周行全系膜切除術(shù)。由1名經(jīng)驗豐富的病理科醫(yī)師采用Dworak腫瘤消退等級(tumor regression grade，TRG)標準來評估腫瘤原發(fā)灶的病理反應(yīng)狀態(tài)[12]：TRG 4，完全反應(yīng)(無殘留的存活腫瘤細胞)；TRG 3，較少的腫瘤細胞散在分布于纖維組織之中；TRG 2，腫瘤細胞殘余較多，但仍少于纖維組織； TRG 1，腫瘤細胞殘余多于纖維組織；TRG 0，無反應(yīng)。本研究中，將原發(fā)灶病理反應(yīng)為TRG 4的患者歸為pCR組，其余患者歸為非pCR組。

1.5 統(tǒng)計學分析

應(yīng)用SPSS 22.0及Medcalc 15.0行統(tǒng)計分析。計量資料用表示，計數(shù)資料以頻數(shù)表示。采用卡方檢驗比較pCR組與非pCR組在性別構(gòu)成、病理分化程度及治療前臨床分期上的差異。采用Mann-Whitney U檢驗比較pCR組與非pCR組在治療前腫瘤體積、IVIM-DWI參數(shù)值及紋理特征值上的差異(單變量分析)。采用多變量Logistic回歸分析(前進法，LR；進入概率：0.05；剔除概率：0.1)尋找pCR的獨立預(yù)測因子，共構(gòu)建3個模型，即模型1(基于一級紋理特征)、模型2(基于二級紋理特征)及模型3(基于一級及二級紋理特征)。采用受試者工作特性(ROC)曲線評價單個紋理特征及多變量回歸模型對pCR的預(yù)測能力。P＜0.05視為有統(tǒng)計學差異。

2 結(jié)果

pCR組(8例)與非pCR組(30例)在患者年齡、性別構(gòu)成、治療前腫瘤體積(表1)以及ADC、D、D*、f參數(shù)值(表2)上沒有顯著性差異。

在基于IVIM-DWI四種參數(shù)圖的80個紋理特征中，17個在pCR組與非pCR組之間存在顯著性差異。與非pCR組相比，pCR組的AngScMomD、AngScMomD*、AngScMomf、DifVarncADC、DifVarncD、ContrastADC及ContrastD*值更低，而Perc10%ADC、Perc10%D、Perc99%D*、CorrelatD*、Correlatf、DifEntrpADC、InvDfMomADC、SumAvergD、SumVarncD*及SumOfSqsD*值更高(表3)。圖1、2分別為1例pCR及1例非pCR患者的MRI。

在pCR的預(yù)測方面，單個紋理特征的ROC曲線下面積(area under curve，AUC)值在0.662～0.829之間，敏感度為33.33%～100.00%，特異度為37.50%～100.00%(表3)。就多變量分析而言，模型1中Perc10%ADC(P=0.032)和Perc10%D(P=0.028)為pCR的獨立預(yù)測因子，該模型的AUC值為0.754 (95%置信區(qū)間：0.588～0.879)，敏感度為50%，特異度為100%；模型2中pCR的獨立預(yù)測因子為DifVarncD(P=0.003)和SumVarncD*(P=0.002)，該模型的AUC值為0.929 (95%置信區(qū)間：0.797～0.987)，敏感度為83.33%，特異度為100.00%；模型3的獨立預(yù)測因子構(gòu)成、AUC值、敏感度及特異度均與模型2完全一致。

表1 pCR和非pCR組的治療前臨床及病理特征比較Tab. 1 Differences in pre-treatment clinical and pathological characteristics between the pCR and non-pCR groups

表2 pCR和非pCR組的治療前IVIM-DWI參數(shù)值比較Tab. 2 Differences in parameters of IVIM-DWI between the pCR and non-pCR groups

圖1 病理完全反應(yīng)(pCR)組直腸癌患者。A：放化療前的T2WI；B：放化療后的T2WI，與放化療前的T2WI相比，示病灶有縮小；C：感興趣體積(VOI)；D：治療后的病理圖像(HE ×40)，示瘤區(qū)無殘留的存活腫瘤細胞(完全反應(yīng)，TRG 4)；E～H：四張體素內(nèi)不相干運動擴散加權(quán)成像(IVIM-DWI)參數(shù)圖，分別為ADC、D、D*和f 圖2 直腸癌患者(非pCR組)。A：放化療前的T2WI；B：放化療后的T2WI，與放化療前的T2WI相比，示病灶有縮小；C：VOI；D：治療后的病理圖像(HE ×40)，示瘤區(qū)殘留較多的存活腫瘤細胞(非完全反應(yīng)，TRG 2)；E～H：四張IVIMDWI參數(shù)圖，分別為ADC、D、D*和fFig. 1 A Patient with LARC from the pCR group. A: Pre-therapy T2WI. B: Post-therapy T2WI, showing a relatively good response to nCRT. C: VOI. D:Pathological image (HE ×40) after nCRT, implying the absence of residual cancer (TRG 4). E—H: Four IVIM-DWI parametric maps named ADC, D,D* and f respectively. LARC: locally advanced rectal cancer. pCR: pathological complete response. nCRT: neoadjuvant chemoradiotherapy. VOI: volume of interest. TRG: tumour regression grade. nCRT: neoadjuvant chemoradiotherapy. IVIM-DWI: intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging.Fig. 2 A Patient with LARC from the non-pCR group. A: Pre-therapy T2WI. B: Post-therapy T2WI, showing a relatively good response to nCRT. C: VOI. D:Pathological image (HE ×40) after nCRT, impling more residual tumor cells, but still less than fibrosis (TRG 2). E—H: Four IVIM-DWI parametric maps named ADC, D, D* and f respectively.

表3 直腸癌pCR 組與非pCR組紋理特征的單變量分析結(jié)果Tab. 3 Differences in texture features between the pCR and non-pCR groups

3 討論

紋理分析可通過計算圖像中像素或體素的灰度變化來量化腫瘤異質(zhì)性[13]。紋理分析方法眾多，最常用的是基于統(tǒng)計學的分析方法，它可提供一級、二級及三級紋理特征。其中，一級紋理特征可通過直方圖分析來評估給定區(qū)域內(nèi)像素或體素的灰度頻率分布情況，而二級紋理特征是評估圖像中像素或體素的位置與空間關(guān)系[14]。灰度共生矩陣是目前最常用的二級紋理特征提取方法[15]，且已被證實對多種腫瘤的治療反應(yīng)有預(yù)測價值[5，16-18]。

3.1 一級紋理特征的預(yù)測能力

本研究結(jié)果顯示，36個一級紋理特征中，有3個在直腸癌原發(fā)灶pCR與非pCR兩組之間存在顯著性差異，分別是Perc10%ADC、Perc10%D及Perc99%D*。就ADC及D而言，低序百分位數(shù)(如Perc10%)主要受細胞致密程度的影響，其值越低代表細胞越密集[19-20]。非pCR組的Perc10%ADC及Perc10%D值明顯低于pCR組，提示治療反應(yīng)較差的直腸癌其治療前瘤灶內(nèi)部細胞更密集，可能反映腫瘤細胞增殖更旺盛。D*值反映腫瘤的微循環(huán)灌注狀態(tài)，與腫瘤內(nèi)的微循環(huán)血流速度成正比[3]。本研究中原發(fā)灶pCR組的Perc99%D*值明顯高于非pCR組，說明治療反應(yīng)好的直腸癌其內(nèi)部血供較豐富，因而乏氧程度更輕，從而對放化療的反應(yīng)更好。不過，Nougaret等[5]卻發(fā)現(xiàn)直腸癌治療前IVIM-DWI四個參數(shù)(ADC、D、D*及f)圖的百分位數(shù)均無法預(yù)測其放化療后的pCR狀態(tài)。本研究中IVIM-DWI所有參數(shù)圖的Kurtosis無法預(yù)測直腸癌原發(fā)灶pCR，而De Cecco等[9]卻發(fā)現(xiàn)基線T2WI像的Kurtosis有助于預(yù)測直腸癌pCR狀態(tài)。另有研究發(fā)現(xiàn)，在接受新輔助放化療的直腸癌中，反應(yīng)組(影像上T降期或病理上N降期)與無反應(yīng)組之間在基線ADC圖的一級紋理特征值上沒有顯著性差異[11]。以上不同的研究結(jié)果可能是因為各研究之間在樣本構(gòu)成、MRI掃描方法、紋理特征的源影像與提取方法、療效評價標準等方面存在差異所致。

3.2 二級紋理特征的預(yù)測能力

在二級紋理特征中，Contrast、DifVarnc和InvDfMom是反映腫瘤異質(zhì)性的指標[21]，即Contrast或DifVarnc值越高、異質(zhì)性越強，而InvDfMom則相反[15，17，21-22]。Correlat和SumAverg與組織異質(zhì)性無直接關(guān)系[21]。本研究中，Contrast、Correlat、DifVarnc、InvDfMom及SumAverg值在原發(fā)灶pCR與非pCR兩組之間存在顯著性差異。與非pCR組相比，pCR組的Contrast和DifVarnc值均更低，而InvDfMom值則更高，這提示治療前IVIM-DWI參數(shù)圖上異質(zhì)性越高的直腸癌對放化療的反應(yīng)越差。在以往關(guān)于直腸癌、乳腺癌及宮頸癌等惡性腫瘤紋理分析的研究中，也有類似現(xiàn)象[11，15，21，23-24]。比如，新輔助放化療后影像上T降期或病理上N降期的直腸癌[11]，其基線ADC圖的InvDfMom值明顯高于非降者，而治療后病理反應(yīng)為TRG 3～4級的直腸癌，其基線CT增強像的Entropy值明顯低于TRG 0～2級的直腸癌[24](InvDfMom值越高或Entropy值越低都代表腫瘤越均質(zhì))。對化療反應(yīng)好(腫瘤長徑縮小超過50%)的乳腺癌，其治療前增強T1WI的Contrast值低于無反應(yīng)(腫瘤長徑縮小不足50%)者[15]。對于宮頸癌，如果其動態(tài)對比增強MRI參數(shù)(增強幅度和對比劑廓清率)圖的Contrast值越高，則治療后復(fù)發(fā)的可能性越大[23]。

3.3 一級紋理特征與二級紋理特征的比較

本研究中，基于二級紋理特征構(gòu)建的多變量模型對直腸癌原發(fā)灶pCR狀態(tài)的預(yù)測效能高于基于一級紋理特征構(gòu)建的模型(AUC值：0.929和0.754，P=0.056)。此外，本研究中以一級與二級特征混合建模用于預(yù)測直腸癌原發(fā)灶pCR時，所有的獨立預(yù)測因子均為二級紋理特征而不是一級紋理特征。曾有研究發(fā)現(xiàn)，盡管直腸癌原發(fā)灶治療后ADC及D參數(shù)圖的一級紋理特征有助于預(yù)測pCR，但是其預(yù)測效能與IVIM-DWI參數(shù)平均值分析無異[5]。以上提示，在預(yù)測直腸癌原發(fā)灶對新輔助放化療病理反應(yīng)方面，二級紋理特征可能要優(yōu)于一級紋理特征。這可能是因為二級紋理特征能夠反映像素及體素之間的空間與位置關(guān)系，而一級紋理特征卻不能，因此在充分反映腫瘤的異質(zhì)性方面一級紋理不及二級紋理特征。

本研究存在以下不足之處。(1)納入的樣本量較小，可能導(dǎo)致一定的統(tǒng)計學偏倚；(2)未探討治療后的原發(fā)灶I(lǐng)VIM-DWI紋理特征與病理反應(yīng)之間的關(guān)系。因此，今后采用更大樣本量以及不同時間點的IVIM-DWI參數(shù)圖紋理特征來探討紋理特征與直腸癌原發(fā)灶治療反應(yīng)之間的關(guān)系，可能更有價值。

總之，本研究發(fā)現(xiàn)，基于IVIM-DWI參數(shù)圖的紋理特征，特別是二級紋理特征，在預(yù)測局部進展期直腸癌原發(fā)灶新輔助放化療的病理反應(yīng)方面可能具有潛在價值。