MSCT 增強掃描期相及VOI 的選擇在基于影像組學方法預測原發性肝細胞癌微血管侵犯中的價值

徐向東 張婉麗，2 梁芳蓉，2 丁文雙 劉虔鋮 賴勝圣

1 廣州市第一人民醫院放射科 （廣州 510180）

2 華南理工大學醫學院 （廣州 510006）

3 廣州市第一人民醫院病理科 （廣州 510180）

4 廣東食品藥品職業學院醫療器械學院 （廣州 510520）

原發性肝細胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是全球癌癥相關死亡的第四大原因，預后及長期生存情況不佳，部分肝切除術后患者5年復發率高達70%［1-2］。既往研究表明，微血管侵犯（microvascular invasion，MVI）是肝癌切除術后高復發率及低生存率的獨立預測因素之一［3-4］。作為識別手術或活檢標本中MVI狀態的金標準，病理檢查受到其有創性、滯后性及取樣偏倚性等問題的制約［5-6］。在這樣的背景下，新興的影像組學方法通過挖掘肉眼無法識別的醫學影像圖像特征，可建立腫瘤相關影像學生物標志物預測模型，為肝癌MVI狀態的無創可視化評估提供新視角［7-9］。

然而，現有CT影像組學相關研究大都僅探討了動態對比增強CT單一期相術前預測MVI的效能，尚無對如何選擇最優期相以獲得最佳影像組學預測效能的相關報道。此外，由于MVI通常發生于腫瘤-正常肝實質交界處，對于病灶感興趣區（region of interest，ROI）的選擇非常重要，既往大多數研究ROI僅選擇HCC腫瘤本身，這可能會丟失瘤周肝實質所隱藏的重要圖像特征。因此，本研究擬探討MSCT四期增強掃描單一/不同期相及不同容積感興趣區（volume of interest，VOI）選擇在基于影像組學方法預測原發性肝細胞癌中MVI的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性收集廣州市第一人民醫院2017年3月—2019年3月期間經手術病理證實為肝細胞癌的187例患者的臨床及影像學資料。納入標準為：臨床及術前MSCT四期增強掃描檢查資料完整。排除標準為：（1）術前接受過手術或藥物等治療（n=71）；（2）HCC復發者（n=7）；（3）MSCT檢查與手術的時間間隔超過2周（n=6）；（4）經穿刺活檢而不是術后標本的組織病理學檢查（n=15）。最終88例患者納入本研究中，其中MVI陽性者47例（男41 例，女6例），年齡24～79歲，平均年齡（54.2±13.4）歲。MVI陰性者41例（男36 例，女5例），年齡26～86歲，平均年齡（58.8±12.3）歲。

收集所有納入病例的基本臨床資料，包括：血清甲胎蛋白（alpha-fetoprotein，α-AFP）水平，肝炎病毒感染病史包括乙型或丙型肝炎血清免疫學檢查結果，是否存在肝硬化和臨床Child-Pugh分級。

1.2 HCC組織病理學檢查

所有HCC手術標本均由我院一名具有14年消化系統病理診斷臨床工作經驗的病理學家檢查完成。根據“7點基線取材”法取材后，對病灶進行MVI檢查，其診斷標準為［10］：在顯微鏡下于內皮細胞襯覆的血管腔內見到癌細胞巢團，以癌旁門靜脈分支為主（含包膜內血管），并對MVI進行病理學分級：（1）M0：未發現MVI病灶；（2）M1（低危組）：≤5個MVI，且發生于近癌旁肝組織（距離腫瘤邊緣＜1 cm）；（3）M2（高危組）：＞5個MVI，或MVI發生于遠癌旁肝組織（距離腫瘤邊緣＞1 cm）。當癌旁肝組織內的衛星病灶與MVI難以鑒別時，一致認為是MVI陽性病灶。

1.3 MSCT圖像采集

1.3.1 CT掃描設備和掃描參數 采用多層螺旋CT（multi-slice spiral CT，MSCT）掃描獲得術前四期增強圖像（Toshiba Aquilion One，Siemens Somatom Definition，GE HiSpeed 16，Philips Brilliance 64）。MSCT掃描參數分別是：球管電壓為120 kVp，管電流為200 mAs，掃描層厚為5 mm。增強掃描采用高壓注射器經肘前靜脈注射非離子碘化造影劑（碘普胺，370 mgI/mL，約2.0 mL/kg，最大劑量為180 mL），依次采集MSCT四期增強圖像，分別是：動脈早期（P1，注射對比劑后18～25 s）；動脈晚期（P2，注射對比劑后35～40 s）；門靜脈期（P3，注射對比劑后50～60 s），和延遲期（P4，注射對比劑后120～250 s）。

1.3.2 感興趣區的勾畫 所有圖像均以DICOM格式存儲并匿名化處理。兩名分別具有5年和16年的放射診斷經驗的放射科醫師在未知MVI病理結果的情況下，通過ITK-SNAP軟件在4期MSCT圖像中沿最大腫瘤的邊緣逐層勾畫，獲得瘤體VOI（volume of tumor，Vt），見圖1。兩位放射科醫師勾畫VOI的一致性檢驗通過Dice相似系數進行測量。對于Dice系數大于0.9的病例，取兩名醫師勾畫VOI的交集；對于Dice系數小于0.9的病例，兩位醫師通過溝通討論以解決病變邊界的差異，直至達成共識。然后使用計算機形態學膨脹算法自動將Vt外擴10 mm，獲得瘤體+瘤周VOI（volume of tumor and Volume of peritumor，Vt+Vp），當接觸到肝臟邊緣、膽管或大的血管（血管內徑≥2 mm）時，則觸碰點處的VOI膨脹程序停止，而其他位置的膨脹程序照常進行。

1.4 影像組學特征提取和模型建立

使用公開獲取的python軟件包Pyradiomics從每個VOI中提取影像組學特征，包括一階特征、直方圖特征和紋理特征共94個。由于Vt自動外擴受限于人為所設定的外擴邊界，故未對Vt+Vp提取形態學特征。隨后，采用15種特征選擇方法和10種分類器建立150個（15×10）預測模型。對四期增強圖像的不同VOI進行特征提取、合并且應用于模型之中，得到不同的組合，并采用十折交叉檢驗驗證模型效能。模型的預測性能通過受試者工作特性（receiver operating characteristic，ROC）曲線下面積（area under the curve，AUC），準確度（accuracy，ACC），靈敏度（sensitivity，SEN）和特異度（specificity，SPE）進行量化評估。通過比較最大AUC值確定用于預測MVI狀態的MSCT的最佳期相和最佳VOI，并通過十折交叉驗證以確定性能最優的前三個預測模型。

1.5 統計學分析

所有統計分析均使用SPSS 25.0軟件和Python 3.6.2進行分析。計量資料符合正態分布的以均數±標準差表示，2組之間比較采用兩獨立樣本t檢驗；計數資料以百分比表示，組間比較采用卡方檢驗、校正卡方檢驗或者Fisher精確概率法檢驗；雙向P＜0.05被認為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 患者臨床基本數據特征

本研究由符合納入標準的47例MVI陽性和41例MVI陰性的患者組成，MVI陽性的發生率為53.4%。年齡在2組之間具有統計學差異，MVI陰性者年齡稍偏大，而在性別，肝硬化，肝炎病毒感染病史，血清AFP水平和Child-Pugh分級指標中，MVI陽性組和MVI陰性組均無統計學差異（P＞0.05），見表1。

表1 MVI陽性組和陰性組患者臨床基本特征±s，n（%）

表1 MVI陽性組和陰性組患者臨床基本特征±s，n（%）

注：HBV：乙型肝炎病毒；HCV丙型肝炎病毒。a表示采用的獨立樣本t檢驗。

?

2.2 影像組學分析結果

將從Vt或Vt+Vp中提取的特征分別應用于150個預測模型中。表2總結了基于Vt和Vt+Vp在MSCT所有期相及其組合中模型的診斷效能對比。結果顯示，在MSCT掃描的四個期相中，兩種VOI門靜脈期的最大AUC值（0.768 和 0.782）及準確度（0.728 和 0.728）均明顯高于其他三個單一期相或其期相的組合，表明基于門靜脈期的特征對于顯示肝細胞癌MVI的狀態具有最優的預測能力。此外，見圖2，基于Vt+Vp的模型在所有期相中的最大AUC值幾乎均高于Vt（除外P3&4、P1&3&4），而相應的準確度、敏感度、特異度也大多比Vt的更高，顯示出更好的預測能力（表2所示）。為此，本研究對比了在門靜脈期中不同VOI的性能最優的前三個模型的預測效能，見表3，模型基于Vt+Vp均具有更高的AUC值，其中隨機森林（Random Forest，RF）分類算法在兩種VOI中均顯示出較好的預測效能，表明Vt+Vp的特征對于顯示肝細胞癌MVI的狀態更全面。

表2 不同VOI在MSCT四期增強圖像及各期相組合中的預測性能對比

表3 門靜脈期中不同VOI的性能最優的前三個模型的預測效能對比

圖2 不同VOI 在15 個MSCT 期相及期相組合中預測性能的最大AUC 值

3 討 論

MVI是指在顯微鏡下于門靜脈、肝靜脈、大的囊狀血管或由內皮細胞襯覆的血管間隙中發現腫瘤細胞，以癌旁門靜脈分支侵犯最為多見，MVI常與HCC的瘤周門靜脈小分支溝通而形成肝癌的轉移途徑［10］。作為HCC的獨立預后因素，MVI為HCC患者治療策略的制定提供了重要的參考價值，若能在術前明確診斷MVI的狀態，不僅可指導外科手術醫生對病灶切緣范圍的評估，保證殘肝的足夠肝功能，且對監測術后復發、評估遠處轉移及輔助治療方案的選擇都具有重要的意義［1，4］。術前穿刺活檢的不確定性、有創性及存在種植轉移的風險，使其廣泛應用受限。而臨床常用的醫學影像技術聯合新興的影像組學方法有望為HCC患者的個體化治療提供更多的指導價值。

MSCT由于其掃描速度快、覆蓋面積大、獲得的圖像豐富，在臨床上已廣泛應用。既往對MVI術前預測的研究多是基于MSCT的單個（或兩個）期相進行的，尤其是動脈晚期和門靜脈期［11-12］，期相不全的研究可能會因為忽略了其他期相隱含的相關征象而低估MVI的預測性能。因此本研究嘗試性探討了MSCT的四期增強掃描圖像以及期相所有組合的影像組學特征對MVI的預測效能，結果表明門靜脈期對預測MVI起最重要的作用。孫等在研究MSCT表現與MVI的關系中發現MVI陽性組和陰性組的動脈期CT值、延遲期 CT值比較無統計學差異，而MVI陽性組的門靜脈期CT值顯著高于無MVI組［13］，證明了門靜脈期的CT表現更能作為MVI的預測指標。Matsui等［14］的研究揭示了MVI陽性的病灶周圍有豐富的腫瘤引流血管，在CT肝動脈造影和肝動脈-門靜脈造影中呈現瘤周放射狀強化，認為瘤周出現了異常的血流灌注。Nishie等［15］報道MVI陽性的HCC病灶比MVI陰性者具有更大的瘤周強化區域，提示MVI陽性病灶更有可能存在微小門靜脈侵犯，這與MVI多發生于門靜脈的小分支中的病理特點相符，證實了MVI的陽性征象容易在門靜脈期被發現。Ma等［16］進一步通過研究HCC患者的動態增強CT的影像組學以術前預測MVI，發現門靜脈期影像組學特征表現出比動脈期和延遲期更好的預測性能，得到最高的AUC值為0.79。這也與本研究得到門靜脈期預測MVI為最優期相的結果相符。因此，MVI的病理特點決定了MSCT上門靜脈期存在更多的相關征象，在臨床工作中，建議放射科診斷醫師更多地關注門靜脈期的影像征象，可能有助于HCC中MVI的陽性發現。

此外，本研究結果顯示，Vt中動脈早期的AUC值最低，而Vt+Vp中，動脈早期聯合延遲期（P1&4）的AUC值最低，因此本研究認為動脈早期對預測MVI的貢獻非常有限。MSCT四期增強掃描可在一次注射對比劑后依次獲得肝臟雙動脈期（動脈早期和動脈晚期）、門靜脈期和平衡期，一定程度上可反映腫瘤的血流動力學變化。既往多數研究表明，MSCT四期增強掃描在肝癌檢出率、肝臟良惡性病灶鑒別、肝癌病理分化程度上有一定的臨床意義，且多數研究表明其中的動脈晚期的各項診斷性能比動脈早期優越。如江新青等［17］利用多層螺旋CT雙動脈期與門靜脈期增強掃描對原發性肝癌病灶檢出的研究中發現，動脈晚期病灶總體檢出的敏感性比動脈早期明顯要高（99.6%vs89.6%），具有顯著的統計學差異。Pozzi等［18］通過MSCT動脈早期、動脈晚期及雙動脈期對111個HCC病灶進行識別中發現，雙動脈期對病灶檢出的性能最好，平均敏感度和陽性預測值為94.1% 和 95.1%，但是雙動脈期的敏感度與動脈晚期相比并沒有顯著的統計學差異。又如汪銀玉等［19］對肝癌在16層螺旋CT動脈增強三期的強化特點及臨床應用價值分析中發現，病灶在動脈早期的CT值與平掃并無統計學差異，而動脈晚期腫瘤整體強化較佳。因此，動脈早期在HCC相關研究的作用非常有限。到目前為止，并沒有相關研究討論并分析了MSCT雙動脈期對HCC MVI的預測效能，而本研究結果表明，門靜脈期的作用最佳，而動脈早期對MVI的預測效能甚微。國內外指南說明，具有典型HCC影像學特征的肝占位性病變，若同時符合HCC臨床診斷標準的患者，可通過CT或磁共振成像（MRI）直接診斷［10，20］。我國2022年版原發性肝癌診療指南中亦指出：用于診斷HCC的CT/MRI的動態增強三期包括僅包括動脈晚期（通常注射對比劑后約35 s）、門靜脈期（通常注射對比劑后60～90 s）和延遲期（通常注射對比劑后約3 min）［10，20］，并沒有強調動脈早期的必要性。因此，筆者建議在HCC的常規增強CT檢查中可以無需進行動脈早期的掃描，以減少患者的輻射劑量。

病理檢查表明MVI發生于癌旁肝組織，因此，影像上的瘤周區域對于MVI狀態的評估相當重要。既往研究報道了常規動態增強CT/MR成像提示MVI陽性的常見表現如病灶包膜不完整、腫瘤邊緣不光滑、動脈期瘤周強化以及MRI中使用肝膽特異性對比劑時肝膽排泄期瘤周低信號等，都是肉眼可識別的于瘤周區域呈現的影像學特征［21-22］。Chou等［23］通過影像與病理結果一一對照，證實了HCC中提示腫瘤邊緣不光滑的影像征象如結節外延伸、多結節融合或浸潤性的腫瘤邊緣都存在MVI陽性病灶。既往文獻報道，影像組學方法可挖掘肉眼無法識別的圖像征象，進一步提高術前無創性預測HCC MVI狀態的性能［9］。如Xu等［24］通過分別提取并比較腫瘤整體（VOIentire）、腫瘤內部50%（VOI 50%）和鄰近腫瘤表面的5 mm的環形區域（VOIpenumbra）的影像組學特征，發現從VOIentire和VOIpenumbra提取的影像組學特征在MVI預測性能中優于VOI 50%，獲得最高的AUC值在訓練/驗證集中分別為0.841和0.829，然而，該研究并沒有進一步分析和比較 VOIentire+ VOIpenumbra這一組合。Feng等［25］的研究則采用了這一組合作為研究對象，其通過在 Gd-EOB-DTPA 增強MRI圖上勾畫瘤體和瘤體+瘤周10 mm區域兩種ROI，從肝膽排泄期中提取影像組學特征以構建預測MVI的影像組學模型，得到瘤體聯合瘤周10 mm的ROI性能最好，其在訓練集和驗證集的AUC值分別為0.85和0.83。本研究結果也表明Vt+Vp預測HCC MVI狀態的AUC值最高，提示此區域具有更多的提示MVI的相關信息，這與既往報道一致。因此，筆者建議放射科醫生在臨床工作中需多留意門靜脈期HCC瘤周影像學異常征象可能有助于發現病灶MVI存在與否。

本研究存在一些不可避免的局限性：首先這是一項回顧性和單中心研究，且樣本量相對較小，這是因為MSCT四期增強掃描被要求納入動脈早期成像，這在很多當地醫療機構中未采用相同的掃描方案，難以符合納入標準，筆者后續會進一步擴充樣本量以更嚴謹地驗證本研究結果。其次，本研究采用的是人工勾畫VOI的方式，除了耗費大量人力和時間外，病灶的準確性和完整性未得到充分的肯定。但是本研究僅僅是Vt需要人工勾畫，而Vt+Vp是在Vt的基礎上通過計算機算法自動重建的，在一定程度上減輕了研究者的工作量，后續也會進一步探討對病灶行半自動或全自動分割策略下與本研究結果的一致性，以期證實本研究結果的可重復性。

綜上所述，本研究結果初步表明了基于Vt+Vp建立的影像組學模型在預測HCC MVI狀態中表現優于Vt，基于MSCT增強掃描的門靜脈期的模型比其他單一期相或多期相組合表現更佳。臨床工作中放射科診斷醫師更多關注門靜脈期中Vt+Vp這一區域的影像學細節或異常征象可有助于對MVI狀態進行評估。