基于扩散张量成像的纹理分析鉴别肝细胞癌和肝内胆管细胞癌的价值

王嫚，刘爱连*，赵莹，林涛，王楠，宋清伟，郭妍，李昕，吴艇帆

肝细胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)是最常见的原发性肝脏恶性肿瘤。肝内胆管细胞癌(intrahepatic cholangiocarcinoma，ICC)的发生率仅次于HCC，恶性程度高，易转移且术后容易复发，长期生存率低于HCC[1-2]。肝切除术和肝移植是早期HCC患者推荐的治疗方法，中晚期推荐经肝动脉栓塞化疗(transcatheter arterial chemoembolization，TACE)[3-4]。对于ICC 而言，手术切除是唯一可能治愈的方法[5]。早期准确鉴别两者对治疗方式的选择和预后的评估至关重要。组织活检是鉴别HCC 与ICC的“金标准”，但此有创检查存在种植转移、出血、感染等风险[6]。常规磁共振检查在病变鉴别方面虽有较大优势，但在鉴别不典型病变时存在困难。扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是一种在扩散加权成像(diffusion-weighted imaging，DWI)基础上发展而来的无创性检查技术，能在三维空间内定量描述水分子的扩散运动及相关性，更好地反映微观结构特点。既往二维ROI 的传统测量方法无法反映肿瘤整体的异质性，而通过纹理分析进行的三维测量可获得多个定量参数评估肿瘤异质性。本研究旨在探究基于DTI 的纹理分析鉴别HCC 与ICC的价值。

1 材料与方法

1.1 一般资料

回顾性研究于大连医科大学附属第一医院接受上腹部MRI 检查且病理证实为HCC 或ICC 的患者资料。纳入标准：①经病理证实为HCC或ICC；②患者在术前1 个月内进行上腹部MRI 扫描，包括T1WI、T2WI、增强扫描和DTI 序列。排除标准：①MRI 扫描前进行其他抗肿瘤治疗，包括TACE、射频消融术、化疗及放疗；②DTI图像质量欠佳无法分析。最后入组80例患者，其中HCC 组52 例，男46 例，女6 例，年龄43～76(59.48±9.48)岁；ICC组28例，男17例，女11例，年龄41～81 (61.64±8.28)岁。本研究经过大连医科大学附属第一医院医学伦理委员会批准(批准文号：PJ-KS-KY-2019-167)，免除受试者知情同意。

1.2 一般征象分析

记录患者的年龄、性别、HbsAg、AFP、CEA、CA19-9、肿瘤组织学分级、肿瘤大小、数量、病灶边界是否清晰、病灶邻近肝被膜是否皱缩、肝内胆管是否扩张、是否合并肝硬化、是否侵犯门静脉、是否有腹腔淋巴结肿大。

1.3 仪器与扫描参数

所有患者采用1.5 T 磁共振扫描仪(Signa HDXT，GE healthcare)进行上腹部MRI 扫描，8 通道腹部线圈，呼吸补偿。扫描前需禁食、禁水4 h。扫描序列及参数为：①轴位T1WI 序列：采用快速扰相梯度回波序列，包括同相位T1WI和反向位T1WI，TR/TE=7.5 ms/4.5 ms，2.2 ms，FOV=40 cm×36 cm，矩阵=288×170，NEX=1，层厚4 mm，层间距1 mm；②轴位T2WI 序列：采用快速自旋回波序列，TR/TE=6667 ms/93.8 ms，FOV=40 cm× 30 cm，矩阵=256×256，NEX=2，层厚6.5 mm，层间距1.5 mm；③轴位DTI 序列：采用平面回波序列，TR/TE=5050 ms/81.9 ms，FOV=40 cm×40 cm，矩阵=96×96，NEX=2，b=0、600 s/mm2，在6 个正交方向施加扩散梯度；④增强扫描序列：经肘静脉以2.5 mL/s 的速度注射对比剂钆喷酸葡胺(gadolinium-diethylenetriamine pentaacetic acids，Gd-DTPA)，剂量0.1 mmol/kg，分别于对比剂注射后15～20、55～60、180 s 采用3D T1WI 行动脉期、门静脉期及延迟期扫描。

1.4 图像分析及处理

在GE AW4.6 工作站，利用Functool 软件对DTI图像进行重建，生成ADC 和FA 图。将ADC 和FA 信号强度图导入ITK-SNAP 软件，由两位观察者(分别具有2 年和8 年影像诊断经验)分别沿肿瘤边缘勾画肿瘤全容积的ROI(肿瘤多发选取最大病灶分析)(见图1、2)，将所有层面的ROI 拟合成为三维容积感兴 趣区(volume of interest，VOI)。使用AK 软件(artificial intelligent kit，GE Healthcare)提取纹理参数，包括最大值、最小值、平均值、方差、标准差、能量、熵、峰度、偏度、相关性、长游程优势及短游程优势。

图1 男，51岁，肝左叶肝细胞癌。A～F：分别为T1WI、T2WI、增强扫描动脉期、门静脉期、延迟期、DTI图像；G～J：分别在ADC 与FA 信号强度图上勾画全肿瘤ROI，并生成相应的直方图Fig.1 Male,51 years old,HCC in the left lobe of the liver.A—F:T1WI,T2WI,MRIenhanced scan of arterial phase,portal vein phase,delayed phase,DTI;G—J:ROIs were drawn covering the entire tumor on each slice of ADC and FA signal intensity maps,ADC and FA signal intensity histograms of HCC,respectively.

图2 男，56 岁，肝方叶与肝右叶交界处肝内胆管细胞癌。A～F：分别为T1WI、T2WI、增强扫描动脉期、门静脉期、延迟期、DTI图像。G～J：分别在ADC 与FA信号强度图上勾画全肿瘤ROI，并生成相应的直方图Fig.2 Male,56 years old,ICC in the junction of the quadrate lobe and the right lobe of the liver.A—F:T1WI,T2WI,MRIenhanced scan of arterial phase,portal vein phase,delayed phase,DTI;G—J:ROIs were drawn covering the entire tumor on each slice of ADC and FA signal intensity maps,ADC and FA signal intensity histograms of ICC,respectively.

1.5 统计学分析

使用SPSS 21.0 统计学软件进行统计分析。采用χ2检验比较两组间分类变量的差异，P＜0.05 表示差异有统计学意义。使用组内相关系数评估两观察者测量结果的一致性，组内相关系数＞0.75 代表一致性较好。若一致性较好，取两观察者测量数据的平均值进行统计学分析。采用Shapiro-Wilk检验连续变量是否符合正态分布。符合正态分布的数值变量用表示，使用独立样本t检验比较两组间各参数的差异；不符合正态分布的数值变量以中位数(25 百分位数，75 百分位数)表示，使用Mann-WhitneyU检验比较两组间各参数的差异。对有统计学意义的参数绘制ROC 曲线。在ADC 和FA 信号强度图中分别选择效能最佳的两个参数[7]，采用Logistic 回归将这4 个参数进行两两联合、三三联合、全部联合，并绘制ROC曲线评估联合诊断的效能。采用DeLong 检验比较单个参数与联合诊断AUC 值间差异，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 患者一般资料

患者的临床资料见表1。两组患者性别、HbsAg、AFP、CEA、CA19-9、肿瘤组织学分级、病灶边界、肝被膜皱缩、胆管扩张、肝硬化及腹腔淋巴结肿大差异存在统计学意义(P＜0.05)，其余差异无统计学意义(P＞0.05)。

表1 HCC组与ICC组患者临床资料比较Tab.1 Comparison of clinical data between HCC and ICC group

2.2 两观察者一致性检验结果

两观察者测量各纹理参数一致性良好(组内相关系数均＞0.75)。

2.3 HCC与ICC组间ADC与FA信号强度纹理参数结果比较

HCC与ICC组间ADC与FA信号强度纹理参数结果比较见表2。HCC 组ADC 信号强度图的最大值、平均值、方差、标准差及熵小于ICC 组(P＜0.05)；能量、峰度及相关性均大于ICC 组(P＜0.05)。HCC 组FA 信号强度图的最大值、方差、标准差、长游程优势小于ICC组(P＜0.05)；相关性及短游程优势大于ICC 组(P＜0.05)。其余参数差异无统计学意义(P＞0.05)。

表2 HCC与ICC组间ADC及FA信号强度纹理参数结果比较Tab.2 Comparison of ADC and FA texture parameters between HCC and ICC groups

2.4 ADC 与FA 信号强度纹理参数鉴别HCC 与ICC 的ROC分析以及联合诊断结果

ADC 与FA 纹理参数鉴别HCC 与ICC 的ROC 分析结果见表3，ROC 曲线见图3、4。单个纹理参数中，ADC-相 关性鉴 别HCC 与ICC 的效能最高，AUC 为0.857，敏感度为74.5%，特异度为82.1%。联合诊断的ROC 曲线见图5、6。ADC-能量、FA-最大值、FA-短游程优势3个参数联合或ADC-能量、ADC-相关性、FA-最大值、FA-短游程优势4个参数联合时均可获得最佳诊断效能，AUC 值、敏感度、特异度相同，分别为0.877、78.6%、84.6%。DeLong 检验显示，ADC 信号强度图的最大值、平均值、方差、标准差、熵、峰度以及FA信号强度图的最大值、方差、标准差、相关性、长游程优势、短游程优势的鉴别诊断效能显著低于上述3 个参数或4个参数联合时的诊断效能，AUC值间差异有统计学意义(P＜0.05)，而ADC信号强度图的能量和相关性与联合诊断的AUC值间差异无统计学意义(P＞0.05)。

图3 ADC 信号强度图最大值、平均值、方差、标准差、能量、熵、峰度及相关性鉴别HCC 与ICC 的ROC 曲线分析 图4 FA 信号强度图最大值、方差、标准差、相关性、长游程优势及短游程优势鉴别HCC与ICC的ROC曲线分析 图5 ADC-能量、FA-最大值、FA-短游程优势联合时鉴别HCC与ICC的ROC曲线分析 图6 ADC-能量、ADC-相关性、FA-最大值、FA-短游程优势联合时鉴别HCC与ICC的ROC曲线分析Fig.3 ROC curve of maxintensity,mean value,variance,standard deviation,energy,entropy,kurtosis,correlation of ADC signal intensity for differentiating HCC and ICC. Fig.4 ROC curve of maxintensity,variance,standard deviation,correlation,LRE,SRE of FA signal intensity for differentiating HCC and ICC.Fig.5 ROC curve when ADC-energy,FA-maxintensity and FA-SRE were combined for differentiating HCC and ICC. Fig.6 ROC curve when ADC-energy,ADC-correlation,FA-maxintensity and FA-SRE were combined for differentiating HCC and ICC.

表3 HCC与ICC组ADC和FA信号强度纹理参数的ROC分析结果Tab.3 ROC analysis of ADC and FA texture parameters between HCC and ICC groups

3 讨论

HCC 与ICC 是最常见的肝脏原发性恶性肿瘤，由于治疗方法及预后不同，及早对两者进行鉴别诊断对提高患者生存质量、延长生存期限尤为重要。影像学检查在鉴别诊断方面有较大优势。常规MRI 平扫结合动态增强扫描时HCC 的“快进快出”，ICC 的延迟强化伴肝被膜皱缩与胆管扩张是鉴别两者的典型表现。但临床上一些不典型的HCC 与合并肝硬化背景并且无胆管扩张征象的ICC 影像学表现有一定的相似之处。此时常规的MRI 平扫结合增强鉴别两者较为困难[8-9]。

近年来，DWI 已广泛应用在肝脏良恶性肿瘤的鉴别诊断、肝脏肿瘤分级等方面[10-11]。DWI 的ADC 值能够反映水分子的扩散程度，值越小，扩散运动越受限[12]，通过ADC 值可以判断病变的性质。但DWI 仅能在某一水平面内反映水分子的扩散运动，无法评估组织的各向异性。DTI是一种在DWI基础上发展而来的无需对比增强的无创性检查技术，具有多个成像参数，其特有的FA 值能够反映水分子扩散运动的方向性，FA值越大，代表方向性越好[13-14]，从而在三维立体空间反映水分子的扩散运动及相关性，更精细地反映微观结构。近年来，DTI 技术在评估神经系统的病变中已广泛应用。在肝脏，诊断和评价慢性病毒性肝炎纤维化及肝硬化、肝脏局灶性病变的检出和鉴别等方面DTI 也发挥了重要作用[15-16]。陈丽华等[17]探讨了DTI 技术术前鉴别HCC 与ICC 的价值，发现FA值较ADC 值更能有效地鉴别ICC 与HCC，AUC 值为0.760。然而，传统ADC 和FA 值的测量受人为因素的影响较大，ROI 放置位置的不同、只对肿瘤几个层面进行测量，这些因素都可能导致实验结果无法准确反映肿瘤整体的异质性。对肿瘤所有层面进行勾画并通过纹理分析获得多个定量参数能够更准确地反映肿瘤的异质性并且有助于提升鉴别诊断效能。

本研究结果表明，HCC 多好发于男性，常合并有乙肝感染和肝硬化；AFP为HCC肿瘤标志物，通常有升高；因假包膜的存在肿瘤边界多清晰；与杭轶等[18]、Wildner 等[19]的研究结果一致。ICC 组的CEA、CA19-9 阳性率显著高于HCC 组，说明二者对鉴别ICC具有较大的意义，既往研究[20]中将二者联合诊断AFP阴性的ICC，诊断率得到提高。ICC 起源于胆管上皮细胞，癌细胞沿胆管侵犯会引起胆管扩张，靠近边缘的ICC 可导致局部肝叶萎缩影像学上表现为邻近肝被膜的皱缩；因肿瘤组织学分级多为低分化，侵袭性较强，常会导致肿瘤侵犯门静脉以及向淋巴结转移，病灶边界多不清晰；这与Wildner 等[19]、王悦超等[21]的研究结果相符。本研究结果显示，HCC 组ADC 信号强度图的最大值、平均值大于ICC 组，分析原因可能与HCC 和ICC 组织学成分和构成有关。HCC 的肿瘤细胞密度较ICC 更高，细胞间的间隙小，水分子扩散运动受限的程度高，因此ADC值降低；ICC中央由大量疏松纤维组织构成，肿瘤细胞多位于周边可排列成腺管样，促进了水分子的扩散运动，使ADC 值增加[17，22]。方差和标准差代表强度水平分布的不对称程度；能量反映强度水平分布的均匀性，熵是能量值的倒数，能量值越小，熵值越大，图像越不均匀；峰度衡量强度水平的集中与分散程度，值越大，表明图像的灰度更集中于平均值；相关性表示像素在整个图像上与其相邻像素的相关程度，值越大，相关性越大。这些参数均可用于衡量组织的均匀性。本研究中，HCC 组ADC的方差、标准差、熵小于ICC组，能量、峰度以及相关性大于ICC 组，证明了ICC 比HCC 具有更高的异质性。根据本研究的结果推测可能是：与HCC相比，ICC分化程度较低，恶性程度更高，细胞异型性更明显，坏死、出血、囊变及侵犯周围组织可能性更大[20]，因此ICC 的均匀性较差。在FA 信号强度图中，HCC 组最大值、长游程优势小于ICC 组，短游程优势及相关性大于ICC 组。推测ICC 组FA 的最大值较高可能是ICC内的腺管与较多的纤维成分导致水分子的方向性更好[12]，因此FA 值较高。短游程优势与长游程优势反映图像的光滑与粗糙程度，短游程优势越大，图像的纹理光滑，长游程优势越大，图像的纹理越粗糙[23-24]，表明ICC 较HCC 更不均匀，与ADC 参数得出的结果一致。本研究中ADC-相关性鉴别HCC 与ICC 效能最佳(AUC=0.856)。在方勇超等[25]的研究中，常规MRI动态增强扫描鉴别ICC 的准确率为75%，相比之下基于DTI 的纹理分析具有一定的优势。为了避免单一参数造成结果偏倚，故建立Logistic 回归模型，当ADC-能量、FA-最大值、FA-短游程优势3个参数联合或者ADC-能量、ADC-相关性、FA-最大值、FA-短游程优势4个参数联合时得到最佳诊断效能(AUC=0.877)，并且比多个单一纹理参数的鉴别效能有显著提升。

本研究的局限性：样本量较小，结果可能存在偏倚，需扩大样本量进一步验证；沿着肿瘤边缘进行病灶勾画时，难以避免人为因素的干扰；本文采用手动分割肿瘤图像，费时耗力，未来会尝试采用全自动或半自动分割方法简化分割流程；分析的纹理参数有限，未结合T2WI与增强图像共同进行纹理分析，将在未来纳入更多的参数构建影像组学模型。

综上所述，基于DTI的纹理分析可以提供多种定量参数，具有反映肿瘤异质性的潜力，对HCC 与ICC的鉴别诊断有一定价值。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。