DKI直方图预测局部进展期直肠癌患者预后的临床价值

孙轶群，刘宗霖，付彩霞，信 超，沈长清，童 彤

1. 复旦大学附属肿瘤医院放射诊断科，复旦大学上海医学院肿瘤学系，上海 200032

2. 西门子（深圳）磁共振有限公司，广东 深圳518000

中国直肠癌的发病及死亡模式趋向欧美发达国家，呈增长趋势［1］。研究［2］表明，70%～80%患者就诊时被诊断为局部进展期直肠癌（locally advanced rectal cancer，LARC），5年生存率仅为20%。新辅助放化疗（neoadjuvant chemoradiation therapy，NCRT）可有效降低直肠癌局部复发率，增加外科手术及保肛机会，但是很难进一步提高总体生存率［3-4］。

许多研究［5-7］证实肿瘤标志物水平、病理学分期等与患者预后相关。寻求可信度高、重复性好及简单易测的预后因子仍然是目前临床迫切需求。若干研究［8-9］证实非小细胞肺癌和头颈部鳞状细胞癌的总生存率与计算机体层成像（computed tomography，CT）直方图中高熵值和低均匀度密切相关，提示CT直方图特征可能成为一种新的预后因素。高分辨率磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）作为直肠癌术前局部分期的标准成像模式，在评估肿瘤浸润深度、直肠系膜筋膜（mesorectal fascia，MRF）等方面发挥着重要作用，不仅有助于筛选出适合行NCRT的患者，而且能协助外科医生制订合理的手术方案［10-12］。弥散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）是磁共振功能成像技术之一，能对组织微观结构的复杂性提供更准确的信息［13-14］。直方图分析是对每个像素图分布特点进行数据分析与运算以量化灰度分布函数的统计［15-18］，在医学影像学分析中较为常用。目前关于DKI直方图分析在直肠癌预后预测方面的研究有限。因此本研究旨在探讨DKI直方图特征预测LARC患者预后的价值。

1 资料和方法

1.1 临床资料

回顾并收集2015年1月—2017年12月复旦大学附属肿瘤医院符合以下标准的患者。纳入标准：① 活检证实为原发性直肠腺癌；② 患者治疗前临床诊断为局部进展期（LARC为T3～4期和/或N+）；③ 患者均在NCRT前于放射诊断科行直肠MRI检查（包括DKI序列）；④ 在复旦大学附属肿瘤医院行完整的NCRT后，再接受直肠癌根治性手术。排除标准：① 既往接受过直肠手术、盆腔放疗；② NCRT开始前接受抗肿瘤治疗；③ 未完成NCRT；④ DKI图像伪影明显；⑤ 治疗前DKI图像肿瘤信号不明显。最终61例患者满足上述标准纳入本研究。

1.2 NCRT方案

所有患者采用术前长程放疗。CT模拟定位及束流调强放疗，直线加速器6 MV常规照射，照射范围为直肠肿瘤及盆腔淋巴引流区。放射总剂量为45～55 Gy，1.8～2.0 Gy/次，5次/周，放疗期间联合化疗。化疗方案：奥沙利铂50 mg/m2于每周第1天静脉滴注，每周的第1～5天口服卡培他滨625 mg/m2，每天2次。放疗结束后2周再行1个周期化疗。具体方案为第1天奥沙利铂130 mg/m2，第1～14天口服卡培他滨1 000 mg/m2，每天2次。NCRT结束后5～12周内于复旦大学附属肿瘤医院大肠外科行全直肠系膜切除术。

1.3 MRI检查方法

患者均在NCRT前1周内行直肠MRI扫描。患者无需肠道准备，不使用肠道对比剂。采用德国Siemens公司的MAGNETOM Skyra 3.0 T MRI扫描仪进行扫描，使用相控阵表面线圈完成图像采集。患者取仰卧位，脚先进，直肠MRI扫描序列主要包括矢状位不抑脂T2加权成像（T2-weighted imaging，T2WI）、横断位不抑脂薄层小视野T2WI、横断位不抑脂T1加权成像（T1-weighted imaging，T1WI），必要时加冠状位不抑脂T2WI、DKI序列和增强序列。DKI序列采用自旋回波-平面回波成像序列（spin echoecho planar imaging，SE-EPI）。扫描参数：重复时间（repetition time，TR）4 800 ms；回波时间（echo time，TE）79 ms；扫描视野200 mm×180 mm；层厚5.5 mm；体素2.0 mm×2.0 mm×5.5 mm；层数20；b值分别为0、700、1 400、2 100 mm2/s，弥散敏感梯度场同时取X、Y和Z共3个方向，带宽1 894 Hz。直肠扫描中的轴位均指直肠肿瘤的轴位。

1.4 肿瘤分割及特征提取

DKI图像后处理及分析由1名影像科医生在不知病理学检查结果的情况下进行。图像后处理步骤如下所示：第一步，将多b值DKI原始图像导入德国Siemens公司的Body Diffusion Toolbox科研软件，分别生成弥散峰度系数（diffusion kurtosis coefficient，K）及校正后的弥散系数（corrected diffusion coefficient，D）参数图。其中K为描述水分子运动偏离正态分布的程度，D是在非正态分布情况下校正过的表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）。第二步，将上一步所生成的各个参数图导入德国Siemens公司的Multiple Parameter Analysis Tool科研软件进行全肿瘤直方图分析。首先，通过参考横断位T2WI图像及增强图像，在D图上手动描画肿瘤区域内种子和肿瘤区域外种子，然后使用该软件根据这些种子进行半自动分割，得到肿瘤感兴趣容积（volume of interest，VOI）。随后使用该软件同时对多个参数图进行全VOI分析，生成K及D直方图及相应参数。

1.5 直方图特征

特征提取后可获得K图的11个直方图特征（Kmean、Ksd、KMedian、K95%、K5%、KKurtosis、KSkewness、 KDiffEntropy、 KDiffVarianc、 KContrast、KEntropy）、D图的11个直方图特征（Dmean、Dsd、DMedian、D95%、D5%、Dkurtosis、DSkewness、DDiffEntropy、DDiffVarianc、DContrast、DEntropy）及1个体积特征，因此每例患者共计23个特征。

1.6 预后因素评估

评估患者NCRT前mrT分期、mrN分期、mr肠壁外血管侵犯（extramural vascular invasion，EMVI）、mrMRF情况、肿瘤长度及距肛距离。记录患者N C RT前癌胚抗原（carcinoembryonic antigen，CEA）及糖类抗原（carbohydrate antigen，CA）19-9水平。记录术后病理学特征：神经侵犯（perineural invasion，PNI）、淋巴血管侵犯（lymphovascular invasion，LVI）、癌结节及肿瘤退缩分级（tumor regression grade，TRG）。

1.7 复查及随访

复查规则：患者术后2年内每3个月行胸部X线片或胸部CT检查及实验室检查。实验室检查必须包括全血细胞计数、肝功能、血CEA及CA19-9水平，之后每6个月复查1次。每3个月行1次腹部MRI或CT扫描和盆腔MRI扫描。术后1年进行肠镜检查，之后每隔2年进行1次。

2020年11月对患者进行集中随访，术后至死亡时间为总生存期（overall survival，OS），记录的时间以月为单位，详细记录患者死亡原因。

1.8 统计学处理

直方图特征筛选及影像学标签的建立：利用受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线，分别计算各个参数ROC曲线的曲线下面积（area under curve，AUC），以及其各切点诊断的特异度、灵敏度，结合各切点的灵敏度和特异度，选择约登指数最大的切点所对应数值为最佳诊断界值（cut-off value）。

采用Kaplan-Meier法进行生存分析并用Log-rank检验。采用Cox比例风险回归模型进行多因素分析，计算风险比（hazard ratio，HR）及95%置信区间（confidence interval，CI）。以上均使用R语言3.6.1软件包及SPSS19.0软件进行统计学分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 患者一般资料

61例患者中，女性9例，年龄31～65岁；男性52例，年龄32～89岁。该组患者具体特征详见表1。

表1 61例患者基线临床、影像学特征及术后病理学特征

2.2 随访结果

61例直肠癌患者中位随访时间44个月，最长随访时间76个月，最短随访时间18个月。在末次随访时，16例患者死亡，多数患者死于多发转移，转移部位多为肝肺转移及腹膜转移。

2.3 直方图特征筛选及其预测患者预后的效能

使用ROC曲线的AUC筛选直方图特征。基于ROC曲线分析结果，NCRT前DSkewness预测OS状态的AUC为0.678（95% CI 0.526～0.830，P=0.044），DSkewness诊断OS状态的最佳诊断界值为0.588，灵敏度及特异度分别为58.8%、81.2%（图1）。本次研究中将NCRT前DSkewness＜0.588视为DSkewness低组，DSkewness≥0.588视为DSkewness高组，DSkewness低组与DSkewness高组的DSkewness值差异有统计学意义（P=0.000）。

图1 NCRT前DSkewness诊断OS状态的ROC曲线

2.4 DSkewness不同分组间患者情况

DSkewness高组及DSkewness低组间OS差异有统计学意义（P=0.028，图2）。DSkewness低组OS的中位数为56个月，DSkewness高组OS的中位数为37个月。

图2 DSkewness低组和DSkewness高组LARC患者生存比较

2.5 影响LARC患者NCRT后OS单因素分析

经单因素分析：NCRT前mrEMVI、mrMRF、肿瘤标志物CA19-9水平及DSkewness、术后PNI与OS相关，详见表2。

表2 影响LARC患者NCRT后OS单因素分析

续表

2.6 影响LARC患者NCRT后OS多因素分析

筛选出经单因素分析后P＜0.05的因素，即NCRT前mrEMVI、mrMRF、CA19-9水平、影像学特征标志值DSkewness及术后PNI，将以上因素再纳入多因素分析。多因素分析结果显示，NCRT前mrEMVI、CA19-9水平及影像学特征标志值DSkewness是影响LARC患者NCRT后OS的独立危险因素，详见表3。

表3 影响LARC患者NCRT后OS多因素分析

3 讨 论

目前临床上主要根据直肠癌的临床病理学分期、病理学完全缓解（pathological complete response，pCR）、TRG、PNI、LVI、CEA及CA19-9等预测患者的预后。寻求可信度高、重复性好、简单易测的预后因子仍然是目前临床的迫切需求。研究［19-20］证实MRI功能参数ADC值及血管灌注参数均为预测直肠癌患者预后的可靠指标。DKI是磁共振功能成像技术之一，可以对组织微观结构的复杂性提供更准确的信息。过去许多研究［21-23］中，一般计算整个感兴趣区域的平均参数，很少利用基于体素的计算方法。另外由于肿瘤内环境复杂，即使相同类型肿瘤或同一肿瘤内部也存在巨大差异，平均值未必能代表肿瘤的确切状态。随着高分辨率MRI和信号处理方法的进步，肿瘤直方图分析MRI越来越多地被使用，该方法可描述肿瘤磁共振功能参数等的分布情况［24］。

本研究在D及K的直方图中仅筛选出NCRT前DSkewness值与OS相关。NCRT前DSkewness＜0.588组较DSkewness≥0.588组患者的OS更差。除此之外NCRT前mrMRF、mrEMVI、CA19-9水平及PNI与OS相关。进一步多因素分析NCRT前mrEMVI、CA19-9水平及DSkewness是患者预后独立危险因素。还有研究［25］证实mrEMVI的诊断与病理EMVI之间无显著差异。循环肿瘤细胞（circulating tumor cell，CTC）来源于原发肿瘤，癌症患者血液中检测到CTC，是患者预后因素之一［26-27］。肿瘤周围血管是CTC转移的主要途径之一，CTC和mrEMVI之间存在相关性，而LARC患者多数死于转移，这可能是mrEMVI阳性患者OS差的原因之一。CAl9-9用于胰腺癌、胃癌和结直肠癌的诊断，CAl9-9无肿瘤和器官特异性。NCRT前CAl9-9升高的患者预后差，多因素分析发现NCRT前CAl9-9升高是直肠癌预后独立的危险因素，与文献［28-29］报道一致。

值得注意的是，基于本次研究结果，NCRT前根据DSkewness可将患者分为高风险组和低风险组，且两组的OS差异明显。同时NCRT前DSkewness是一个独立的预测因素，可对LARC患者进行无创性风险分层，筛选出可能从NCRT获益的患者，与常规治疗前MRI互补，提取出隐匿的影像学特征达到预测生存的目的。肿瘤异质性与患者预后显著相关，因此肿瘤异质性被认为是潜在预后因素。D值代表非高斯分布的水分子弥散信息，Skewness是描述数据分布非对称程度的特征［30］。肿瘤异质性越大，DSkewness越大，这可能是造成预后差组DSkewness更大的原因。本研究结果提示影像组学是预测直肠癌患者疗效的无创性影像生物学标志物。

本研究存在局限性：首先，样本量较小，并且属于回顾性的单中心研究，今后需多中心大样本量前瞻性研究验证本次结果。第二，患者随访时间不够长，中位随访期仅44个月。第三，排除了NCRT前DKI图像上肿瘤信号不明显的患者，可能造成选择性偏倚。第四，术后依据患者情况行不同方案的全身化疗，临床信息不全面，因此未将此影响因素纳入研究分析。