多參數MRI紋理分析預測直腸癌患者放射治療后早期股骨頭壞死

龔 潔,鄭 波,趙田鏡,石江勇,武敬君

(1.重慶市第九人民醫院放射科,重慶 400700;2.杭州市腫瘤醫院腫瘤放射治療科,浙江 杭州 310000)

放射治療(放療)已成為治療直腸癌的標準手段之一,但所帶來的股骨頭不良事件備受關注[1-2]。股骨頭壞死(femoral head necrosis,FHN)出現明顯癥狀時多已處于中晚期[3],錯過最佳防治時機;及時發現FHN尤為重要。常規MRI對診斷骨關節系統疾病獨具優勢[4],但用于組織定量分析有所不足。紋理分析可為臨床提供肉眼無法識別的信息[5-6]。本研究觀察多參數MRI(multi-parametric MRI,mpMRI)紋理分析預測直腸癌患者放療后早期FHN的價值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 回顧性分析2018年1月—2022年12月于重慶市第九人民醫院接受盆腔放療的52例直腸癌患者,男32例、女20例,年齡31～79歲、平均(58.9±10.2)歲。納入標準:①經腸鏡活檢或手術病理確診為直腸癌;②首次接受盆腔調強放療,放療劑量45～50 Gy,分28～30次完成;③于放療前2周及放療結束后3個月內接受mpMRI,T1WI、T2WI和彌散加權成像(diffusion weighted imaging,DWI)資料完整,并可獲得DICOM原始文件;④于放療結束后3個月內接受股骨頭X線檢查。排除標準:①臨床資料不完整;②MR圖像質量差;③既往股骨頭相關病史,如骨折、壞死、惡性腫瘤轉移等;④曾接受盆腔放療。本研究獲院倫理委員會批準(YYLL20230078),檢查前患者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Avanto 1.5T MR儀、體部線圈。囑患者仰臥,以恥骨聯合為中心行盆腔掃描,范圍自臍水平至股骨上1/3處;參數:軸位T1WI,TR 671 ms,TE 10 ms,層厚4 mm,層間距1 mm,矩陣320×224,NEX 1;軸位T2WI,TR 5 070 ms,TE 93 ms,層厚3.5 mm,層間距0,矩陣320×224,NEX 2;軸位DWI,TR 5 500 ms,TE 69 ms,層厚4 mm,層間距1 mm,矩陣192×154,NEX 2,b值為0、50、400及800 s/mm2。

1.3 提取紋理參數 將放療前、后的T1WI、T2WI及DWI(b=800 s/mm2)圖像DICOM原始文件導入3D-slicer軟件(https://www.slicer.org),由具有1年和3年影像學診斷經驗的住院醫師和主治醫師各1名分別于圖中逐層勾畫右側股骨頭ROI(圖1),提取其紋理參數,包括最大值、最小值、平均值、中位值、偏差、偏度、峰度、熵、能量、均勻性,以及長行程高灰度強調(long run high gray level emphasis,LRHGLE)、長行程低灰度強調(long run low gray level emphasis,LRLGLE)、短行程高灰度強調(short run high gray level emphasis,SRHGLE)和短行程低高灰度強調(short run low gray level emphasis,SRLGLE)。

圖1 于放療前MR T1WI、T2WI、DWI中勾畫右側股骨頭ROI(綠色區域)示意圖 A.T1WI; B.T2WI; C.DWI

1.4 診斷股骨頭壞死標準 根據國際骨循環研究協會(Association Research Circulation Osseous,ARCO)2019年FHN分期標準[7],X線表現正常而MRI

于FHN周圍見T1WI低信號帶狀損傷為Ⅰ期;X線顯示股骨頭骨硬化或局灶性骨質疏松或囊變,無軟骨下骨折、無股骨頭變形或塌陷,而MRI可見FHN周圍T1WI低信號帶狀或新月形損傷為Ⅱ期;股骨頭出現骨折或塌陷,伴或不伴髖關節炎、關節間隙變窄及髖臼破壞為Ⅲ～Ⅳ期。由上述2名醫師觀察放療后MRI及X線資料,參考FHN ARCO標準判斷FHN分期,意見有分歧時與另1名具有10年工作經驗的影像科醫師討論后決定。

1.5 統計學分析 采用SPSS 22.0統計分析軟件。采用組內相關系數(intra-class correlation coefficient,ICC)分析觀察者間提取紋理參數的一致性,ICC≤0.2為一致性較差,0.2

2 結果

52例中,31例未見FHN,21例出現早期FHN,其中Ⅰ期16例、Ⅱ期5例,未見Ⅲ～Ⅳ期病例。

2.1 一致性分析 觀察者間基于T1WI、T2WI、DWI獲取紋理參數最大值(ICC=0.781、0.720、0.773)、最小值(ICC=0.733、0.710、0.743)評估結果的一致性均較強,基于其余紋理參數評估結果的一致性均很強(ICC均>0.80)。

2.2 紋理參數比較 基于T1WI、T2WI,放療前紋理參數中的能量及均勻性均高于放療后;基于DWI,放療前紋理參數中的能量顯著高于放療后,而LRLGLE及SRHGLE均低于放療后。其余紋理參數放療前后差異均無統計學意義(P均>0.05)。見表1～3。

表1 52例直腸癌患者放療前、后T1WI紋理參數

表2 52例直腸癌患者放療前、后T2WI紋理參數

表3 52例直腸癌患者放療前、后DWI紋理參數

2.3 診斷效能 以單一紋理參數預測直腸癌放療后早期FHN的AUC為0.581～0.712,模型T1WI、模型T2WI及模型DWI的AUC分別為0.660、0.713和0.770;模型T1WI+T2WI+DWI的AUC為0.853,敏感度80.95%,特異度74.91%。見表4及圖2。

表4 單一紋理參數及聯合模型預測直腸癌患者早期FHN的效能

圖2 單一紋理參數及聯合模型預測直腸癌早期FHN的ROC曲線

3 討論

調強放療在直腸癌全程治療中具有重要作用,但放療后可能出現股骨頭不良事件仍是限制其臨床應用的重要因素之一。本研究對首次接受盆腔放療的直腸癌患者進行mpMRI紋理分析,旨在獲取反映放療后早期FHN的影像學標識,為監測及防治放療后FHN提供指導。

本研究針對盆腔放療前、后原始mpMRI中的單側股骨頭逐層分割ROI,保留了股骨頭完整的三維紋理信息,以盡可能避免分割ROI對紋理參數穩定性的影響。紋理參數反映圖像像素值,而最大值及最小值為像素值中的極值,更易受到ROI邊界的影響;股骨頭邊緣存在軟組織及關節腔積液,其MRI信號與股骨頭骨質存在差異,觀察者間分割ROI邊界的微小差異可影響紋理參數最大值和最小值結果[8]。本研究一致性檢驗結果顯示,基于T1WI、T2WI及DWI獲取的紋理參數中,最大值、最小值的一致性均較強,其余紋理參數的一致性均很強。

能量亦稱為角二階矩,反映圖像中區域像素點變化程度,是度量圖像灰度分布均勻性和紋理粗細的指標;能量越小,圖像紋理越細,其異質性越強[9]。均勻性表示一致性,反映圖像灰度級在各方向上的一致程度,均勻性越小,則局部灰度一致性越小,圖像異質性越高[10]。本研究T1WI及T2WI紋理參數中,放療前股骨頭區域的能量及均勻性均高于放療后,提示放療后T1WI和T2WI中股骨頭的異質性增加。這是由于股骨頭經射線照射后周圍血管纖維化,使股骨頭供血減少、骨骼成纖維細胞受損,導致細胞增殖受抑制,MRI上表現為股骨頭異質性增加[11]。

DWI能反映組織中水分子彌散受限程度,可用于觀察細胞密度改變,臨床應用廣泛[12-13]。本研究所獲DWI紋理參數中,放療前股骨頭區域的能量高于、而LRLGLE及SRHGLE低于放療后,原因在于射線照射在一定程度上干擾了周圍血管對股骨頭的供血,使其發生骨質萎縮、細胞增殖減緩甚至受損而致細胞密度低[14]。本研究結果提示,mpMRI紋理分析有利于預測直腸癌患者放療后早期FHN;以上述單一紋理參數進行預測的AUC為0.581～0.712,而聯合預測的AUC達0.853、敏感度為80.95%、特異度為74.91%。

綜上所述,利用mpMRI紋理分析可有效預測直腸癌患者放療后早期FHN,為臨床診治提供依據。但本研究為單中心回顧性分析,樣本量較小、隨訪時間較短,且未涉及高階紋理參數,有待擴大樣本量后進一步觀察。

利益沖突:全體作者聲明無利益沖突。

作者貢獻:龔潔研究實施、數據分析和撰寫文章;鄭波研究實施;趙田鏡統計分析;石江勇研究實施、統計分析;武敬君研究設計、審閱文章。