能谱CT碘水图的纹理分析在评估结直肠癌患者胸苷酸合成酶表达状态中的价值

代欢欢 黄 文 张文娟

近年来，结直肠癌的发病率和死亡率在我国呈上升趋势。5-氟尿嘧啶是结直肠癌的常规治疗药物之一，但不同肠癌患者对5-氟尿嘧啶的应答率及毒副反应存在差异。胸苷酸合成酶（thymidylate synthetase，TS）作为5-氟尿嘧啶的靶点，其表达水平可视为肠癌患者对5-氟尿嘧啶敏感性的指标之一［1］。TS高表达的肠癌患者往往对5-氟尿嘧啶的应答率更高，且该类患者可能毒副反应发生率更高［2］。目前对TS的检测依靠手术或者肠镜所获取的病理组织标本，该方法创伤性大、成本高，且并非适用于所有肠癌患者。CT纹理分析作为一种无创的研究方法，可提取图像的纹理特征，用于定量描述组织的像素空间分布信息，目前在疾病的鉴别诊断及病理分型中均有报道［3-4］。本研究旨在探讨碘（水）图纹理特征用于术前评估结直肠癌TS表达水平的价值。

方 法

1.一般资料

回顾性收集2017年1月—2020年1月于我院行术前能谱CT全腹扫描的结直肠癌患者资料。纳入标准：①均行结直肠癌根治性切除手术；②术后病理确诊为结直肠癌；③术后病理标本可获取，且经免疫组织化学检测获取TS表达水平（肿瘤细胞质棕黄色染色定义为阳性，否则为阴性）。排除标准：①临床及影像学检查资料完整；②CT检查前行抗肿瘤治疗；③图像伪影重或病灶显示欠清。本研究最终纳入130例结直肠癌患者，依据术后病理信息，将所有患者分为TS高表达组（n=89）及TS低表达组（n=41）。其中，TS高表达组男性62例、女性27例，年龄38～82岁，平均（59.35±10.55）岁；腺癌83例（管状腺癌40例，乳头状腺癌39例，黏液腺癌4例），腺鳞癌6例。TS低表达组男性31例、女性10例，年龄37～80岁，平均（58.22±9.13）岁；腺癌39例（管状腺癌20例，乳头状腺癌18例，黏液腺癌1例），腺鳞癌2例。

2.CT扫描及图像后处理

采用Revolution CT扫描机（GEhealthcare）行平扫及动脉期、静脉期增强扫描。嘱患者于CT扫描前3 d接受流质饮食，检查当日禁食4 h、检查前20 min饮水800～1 000 ml，并行肠道准备。患者仰卧位，先行平扫。扫描参数：能谱成像模式，管电压80 kV、140 kV瞬时切换，管电流230～445 mA，层厚及层间距均1.25 mm，探测器宽度80 mm，球管旋转时间0.6 s，螺距0.992∶1，视野50 cm×50 cm。随后行增强扫描：对比剂碘海醇（含碘量300 mg/ml），经肘前静脉以3～3.5 ml/s速率注入，剂量1.2 ml/kg。分别于对比剂注射30、60 s后获得动脉期、静脉期图像。将CT扫描图像传至GE AW 4.6工作站，采用GSIViewer软件获取动脉期及静脉期碘（水）密度图像，层厚及层间距均取5 mm。

3.纹理特征提取

将能谱CT动脉期及静脉期碘（水）密度图像导入ITK-SNAP软件，分别由观察者1及观察者2（分别具有5年和8年腹部影像诊断经验的医师），在对患者信息未知的情况下，于结直肠癌病灶最大轴径所在层面勾画感兴趣区（ROI）。观察者1勾画2次，时间间隔至少3个月。ROI沿结直肠癌病灶轮廓，并避开肠周脂肪及肠内容物（图1）。进一步采用A.K.软件提取动脉期及静脉期纹理特征各387个，具体包括一阶参数、直方图参数、矩阵变换、小波变换、滤波变换参数。

图1 术后病理诊断为升结肠癌病例ROI勾画

4.纹理特征降维及模型建立

采用R软件（版本3.6.0）软件进行统计分析。特征筛选流程包括一致性检验、相关性检验、差异性检验、logistic回归。具体如下：

一致性检验：采用组内相关系数（intra-class correlation coefficient，ICC）检验分析纹理特征的观察者间一致性及观察者内一致性，获得ICC值高于0.85的纹理特征。相关性检验：采用Pearson相关性检验，进一步剔除相关系数低于0.85的纹理特征。差异性检验：采用Shapiro Wilk检验分析纹理特征的正态性，符合正态分布且方差齐的特征采用独立样本t检验比较组间差异，否则采用Mann-WhitneyU检验。logistic回归：采用logistic回归逐步进行纹理特征的筛选，采用赤池信息准则后退法，获取Akaike信息准则（AIC）值对应最小的诊断模型。

采用受试者操作特征（ROC）曲线分析动脉期及静脉期的纹理特征的诊断效能，并计算曲线下面积（AUC）、灵敏度、特异度。P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.纹理特征降维

观察者内一致性检验：由观察者1的2次提取的纹理特征进行ICC检验后，在774例特征（动脉期及静脉期纹理特征各387个）中，共654个纹理特征的ICC值高于0.85。观察者间一致性检验：将观察者1第一次测量和观察者2测量获得的上述654个纹理特征行ICC检验，共584个特征的ICC值高于0.85（约占全部纹理特征的75.45%）。

采用Pearson相关性检验，剩余126个纹理特征的相关性系数大于等于0.85。进一步采用Mann-WhitneyU检验，获得在TS高表达及低表达组间差异显著的纹理特征。动脉期：TS高表达组的平均值、Haralick显著高于TS低表达组，能量值、熵值、逆差距显著低于TS低表达组。静脉期：TS高表达组的能量值、熵值显著低于TS低表达组。

2.纹理特征诊断效能

2.1 单个纹理特征

静脉期的能量值取阈值0.000 3时，预测TS表达水平的效能最优，AUC为0.725，灵敏度为72.37%，特异度为60.98%。

2.2 联合诊断

采用logistic回归，将有组间差异的纹理特征进行联合，logistic回归公式如下：

（1）动脉期联合=-2.941-0.049×动脉期平均值+315.900 0×动脉期能量值+0.170×动脉期熵值+8.275×动脉期逆差距-13.037×动脉期Haralick；

（2）静脉期联合=-5.681+122.450×静脉期能量值+7.346×静脉期熵值；

（3）动静脉期联合=-7.038-0.054×动脉期平均值+247.651×动脉期能量值+0.118×动脉期熵值+9.547×动脉期逆差距-10.210×动脉期Haralick+280.740×静脉期能量值+9.742×静脉期熵值。

动脉期联合模型：AUC为0.841，灵敏度和特异度分别为78.95%和82.93%。静脉期联合模型：AUC为0.773，灵敏度和特异度分别为64.47%和85.37%。动脉期及静脉期联合模型：AUC为0.882，灵敏度和特异度分别为86.84%和82.93%。详见表1、图2。

表1 动脉期、静脉期纹理特征及其联合模型的ROC分析

图2 动脉期、静脉期及其联合评估TS表达水平的ROC曲线

讨 论

1.TS高表达与低表达结直肠癌的碘浓度分布

碘（水）密度图像可以反映组织的血供情况，当组织的血液供应越丰富时，组织所表现出的碘（水）密度值就越高［5］。本研究中，我们收集了结直肠癌患者的碘（水）密度图像，并进一步提取图像的纹理特征，定量反映出ROI中的碘浓度分布特点。我们发现，动脉期碘（水）密度图像中，TS高表达组的平均值显著高于TS低表达组，该结果可通过TS高表达的结直肠癌具有更加丰富的血供来解释。已有研究［6］指出，TS高表达的肿瘤组织中，肿瘤血管密度、血管内皮生长因子α、微血管密度、CD34等均有更高的表达量。即TS高表达组的血供更高，故其在碘（水）密度图中表现为更高的碘浓度，纹理参数中的平均值也越高。

2.TS高表达与低表达结直肠癌的肿瘤异质性

纹理分析能够提取多维度的图像特征，这些特征对图像像素空间分布进行了更加准确客观的阐述［7］。与传统肉眼观察相比，纹理分析深入挖掘了图像信息，为组织异质性的描述提供了更多的影像学标志［8］。本研究中，我们发现动脉期TS高表达组的Haralick显著高于TS低表达组，能量值、熵值、逆差距均显著低于TS低表达组。静脉期TS高表达组的能量值、熵值显著低于TS低表达组。Haralick、能量值、熵值、逆差距均从像素空间分布角度反映图像异质性，提供了图像像素分布的随机性、像素变化程度、像素分布的规则性等信息。该结果提示我们，TS高表达的结直肠癌组织拥有更高的组织异质性。既往研究［9-10］报道，TS高表达的肿瘤组织往往伴随着更高的侵袭性，且该类组织更易表现为低分化程度、高异型性。所以，TS高表达的肿瘤组织在碘（水）密度图中异型性更高，在像素分布的随机性、区域像素分布变化程度等方面均更明显。此外，TS高表达的结直肠癌患者往往预后偏差［10］，这可能与其丰富的血供及高异质性有关，和本研究中所发现的纹理参数中表现出的碘（水）密度图中的影像学差异一致。

3.纹理特征的诊断效能

本研究中纳入了患者的动脉期及静脉期碘（水）密度图，但最后纳入模型中的纹理参数存在差异，我们分析认为，造成动脉期及静脉期差异的原因是这2个期相根据造影剂注射时间进行划分，对肠癌病灶的显示存在差异，动脉期对肿瘤黏膜强化显示清晰，而静脉期对间质纤维成分的显示更具优势［11］。对组间差异显著的纹理特征进行联合诊断后，发现动脉期联合模型的AUC为0.841，静脉期联合模型的AUC为0.773。当将动脉期及静脉期联合后，模型的诊断效能最高，AUC值达到0.882，进一步分析logistic回归中的公式，发现动静脉期联合后，“能量值”的系数最大（动脉期为247.651，静脉期为280.740），表明综合考虑动脉期及静脉期的碘浓度分布及异质性，有助于提升诊断效能，且能量值所提示的“区域像素值变化程度”在联合诊断中发挥的作用最大。

4.局限性

本研究存在一定的局限性：①为回顾性研究，且纳入的样本量较小，未来研究中需要进一步扩充样本量；②所纳入的纹理特征有限，未来需要纳入更充足的纹理特征进行分析；③回顾文献，纹理参数的具体生物学意义并未完全阐明，即纹理参数的数值与组织病理的对应关系并未完全阐明，未来需要进一步纳入组织病理学信息，探讨纹理参数的可解释性。

综上所述，基于能谱CT碘（水）密度图像进行纹理分析，可于术前无创预测结直肠癌TS表达水平，将动脉期及静脉期纹理特征联合后，其诊断效能更优，对辅助结直肠癌的化疗方案选择和优化有一定的价值。