基于影像特征对透明细胞肾细胞癌病理分级的预测研究

康钦钦 田冰 边云 李晶 刘芳 郝强 陆建平

透明细胞肾细胞癌（clear cell renal cell carcinoma，CCRCC）是最常见的肾细胞组织学类型［1］。虽然目前临床治疗技术在不断发展，但肾细胞癌的整体预后却仍然较差。肿瘤的Fuhrman 分级是患者预后最可靠且独立的预后因素［2］。经皮肾活检是目前术前唯一确定此分级的方法，但其诊断的符合率并不高［3］。对影像医生而言，寻找一种能够与病理分级相关的影像特征可弥补肾活检的缺陷从而无创评估患者预后［4,5］。本研究将从增强CT 图像中提取多种形态学征象、RENAL 评分以及增强测量值等特征集，利用多变量Logistic 回归模型构建CCRCC 不同病理分级的预测模型，探索适合术前预测分级的特征集组合，为个性化治疗方式提供有力证据。

资料与方法

1.研究对象

本研究回顾性分析2015 年3 月～2017 年6 月全部经手术病理证实的543 例行根治性手术切除或部分肾切除术的CCRCC 患者。初步研究患者的纳入标准：（1）患者采用320 排动态容积CT 进行肾动静脉血管造影检查，均获得皮髓交界早期、皮髓交界期及肾实质期图像；（2）图像质量佳且无明显伪影；（3）术后均采用Fuhrman 分级系统进行分级，分级结果明确。初始研究的排除标准：（1）术前发现肺、骨或淋巴结转移患者；（2）组织病理学分级不明确（跨级别例如Ⅱ～Ⅲ级、Ⅰ～Ⅱ或Ⅲ～Ⅳ级）；（3）图像质量不佳；（4）未行320 排动态容积CT 进行肾动静脉血管造影检查。最终纳入180 例CCRCC 患者进入研究，采用Zisman 等的推荐分为低级别组［Ⅰ级（39 例）和Ⅱ级（61 例）共100 例］、高级别组［Ⅲ级（58 例）和Ⅳ级（22 例）共80 例］。低级别组：男73 例，女27 例，平均57.3 岁。高级别组：男61 例，女19 例，平均56.8 岁。180 例患者中仅27 例伴有临床症状（腰部不适、腰痛、血尿等），其余均为偶然发现，无明显临床症状。血液指标均无明显异常。患者按照扫描时间顺序分为训练集（2015年3 月～2016 年11 月）和验证集（2016 年11 月～2017 年6 月）。低级别组：训练集70 例，验证集30例；高级别组：训练集64 例，验证集16例。

2.图像采集方法

180 例CCRCC 患者均行320 排动态容积CT（Aquilion ONE，Toshiba Medical Systems，Otawara，Japan）扫描和双筒高压注射器。

检查前应空腹4 h 以上，体位采用仰卧位，扫描范围应包括双侧整个肾脏及肾上腺。扫描期相包括4 期：（1）平扫；（2）皮髓交界早期：采用高压双筒注射器经肘前静脉注射非离子型碘对比剂370 mg/ml，1.5 ml/kg，流率3.5 ml/s，采用实时跟踪扫描技术及智能跟踪软件，在主动脉CT 值到达220 HU 之后4 s 启动皮髓早期扫描；（3）皮髓交界期：皮髓交界早期15 s 后；（4）实质期：皮髓期30 s后扫描。另外经Vital 后处理工作站重组冠状位及矢状位图像。

320 排动态容积CT 扫描参数：管电压120 kV、管电流300 mAs、层厚0.5 mm、螺距0.87、层面准直100 mm×0.5 mm。

3.图像处理

由两名具有5～10 年CT 图像阅片经验的放射科医生在不知病理分级的情况下对每个肿瘤的术前CT 横断位、冠状位及矢状位图像进行评估，评估内容包括肿瘤的解剖及形态学特征：大小（测量肿瘤最大横截面的最长径）、左右、位置（以肾门上方和下方两个水平切面为界，肿瘤的中心点位于两个切面之间为中极，上方切面以上为上极，下方为下极）、形态（圆形、类圆形、不规则形）、有无囊变（平扫呈液性密度，增强后呈无强化）、假包膜有无（增强后肿瘤周围是否有无环形低密度区）、啤酒征（突出肾脏皮质边缘的瘤体部分和肾脏接触面超过3 mm 为阳性）、夹角征（瘤体和肾脏实质接触的夹角小于90°为阳性）、异质性（CT 平扫及增强后密度是否均匀）、钙化、RENAL 评分及定量特征（平扫及各期增强CT 值）。

通过肾脏肿瘤4 期图像的CT 值计算各期肿瘤的CT 值变化，用病变PAC（percentage attenuation change）表示，公式为（各期增强CT 值－平扫CT 值）/平扫CT 值。

ROI 勾画：ROI 尽量位于肿瘤实性部分的中心位置，肿瘤强化不均匀时应选择CT 值最高的部位。尽量避免囊变、坏死及出血区，避免ROI 位于病灶边缘所带来的容积效应。此外，正常肾皮质ROI 位置应尽量放置于正常皮质强化CT 值最高区域。ROI 面积为0.25～0.5 cm2。ROI 的勾画需两名放射科医生达成一致。

RENAL 评分标准。R 评分：肿瘤在任一层面的最大直径（1分：直径≤4 cm；2 分：直径4～7 cm；3 分：直径≥7 cm）；E 评分：肿瘤的生长特性（1 分：外生性部分≥50%；2 分：外生性部分＜50%；3 分：完全内生性生长）；N 评分：肿瘤最深处与肾窦之间的距离（1 分：距离≥7 cm；2 分：距离4～7 cm；3 分：距离≤4 cm）；A 评分：肿瘤位于冠状面的前/后，属于定性变量（a：前方；p：后方；x：不明确）；L 评分：肿瘤与极线（肾门上方及下方所对应的切面）的关系（1 分：肿瘤位于极线的两端；2 分：肿瘤跨过极线但不超过直径的50%；3 分：肿瘤超过50%的部分跨越极线或肿瘤完全位于极线之间）。

4.统计学处理

对所有连续变量进行正态分布检验和方差齐性检验。对测试集和训练集分别分析各参数在两组之间的差异。正态分布参数用均数±标准差表示，其在高级别及低级别组CCRCC 之间的差异采用独立t 检验。对于不符合正态分布的参数值用中位数和范围表示，采用Wilcoxon 秩和检验比较两组之间的差异。分类资料在两组间的差异采用卡方检验。对训练集和测试集分别采用单因素Logistic 回归分析，选择具有统计学意义的指标纳入多变量Logistic 回归分析。最后用多变量Logistic 回归分析中有意义的参数建立预测模型，采用ROC 曲线下分析预测模型的诊断能力。运用R 软件（3.6.1 版本）对实验数据进行统计学处理和分析，P＜0.05 认为有统计学差异。

结果

1.高、低级别CCRCC 的各参数差异（图1～4）

图1 透明细胞肾细胞癌FuhrmanⅠ级。男，67 岁，体检发现右肾肿物3 周，肿瘤约20.8 mm，病灶最深处距离集合系统的距离10.3 mm。a)～d)依次为CT 平扫、皮髓早期、皮髓期、实质期图像，肿瘤实质的CT 值分别为34.6 HU、155.3 HU、204.9 HU、129 HU，皮髓期PAC 为4.9。RENAL 评分：1（R）、1（E）、1（N）p（A）、1（L），总分4 分+p

图2 透明细胞肾细胞癌Fuhrman Ⅱ级。男，56 岁，体检发现右肾肿物1 个月余，肿瘤约32 mm，病灶最深处距离集合系统的距离22.8 mm。a)～f)依次为CT 平扫、皮髓早期、皮髓期、实质期增强图像、3D 图像、皮髓期增强冠状位图像。肿瘤实质的CT 值分别为34 HU、162.3 HU、206 HU、123 HU，皮髓期PAC 为5.05。RENAL 评分：1（R）、1（E）、1（N）、a（A）、1（L），总分4 分+a

图3 透明细胞肾细胞癌Fuhrman Ⅲ级。女，45 岁，左肾癌术后4 年复查发现右肾肿物，无明显临床症状，肿瘤约37.4 mm，病灶最深处距离集合系统的距离0 mm。a)～d)依次为CT 平扫、皮髓早期、皮髓期、实质期增强图像、3D 图像、皮髓期增强冠状位图像。肿瘤实质的CT 值分别为31 HU、155 HU、196 HU、124 HU，皮髓期PAC 为5.3。RENAL 评分：1（R）、2（E）、3（N）、x（A）、3（L），总分为9 分+x图4 透明细胞肾细胞癌Fuhrman Ⅳ级。女，56 岁，体检发现右肾肿物，肿瘤约73.5 mm，病灶最深处距离集合系统的距离0 mm。a)～d)依次为CT 平扫、皮髓早期、皮髓期、实质期增强图像、3D 图像、皮髓期增强冠状位图像。肿瘤实质的CT值分别为35 HU、150 HU、230 HU、155 HU，皮髓期PAC 为5.6。RENAL 评分：3（R）、2（E）、3（N）、p（A）、3（L），总分为11 分+p

训练集内两组具有统计学差异的参数为肿瘤大小、病变皮髓期PAC、RENAL 评分。低级别CCRCC 的肿瘤约29 mm（7.6～101.5 mm）、高级别CCRCC 的约（39.47±14.71）mm，P ＜0.05。高级别CCRCC 的皮髓期PAC 为5.24±0.37、低级别CCRCC 的皮髓期PAC 为4.83±0.26（P ＜0.05）。高级别组RENAL 评分中的R、E、N、L 总分均值为8.28±1.17；低级别透明细胞癌的评分总分为5.67±1.22（图1～4）。年龄、性别、左右、位置、形态、啤酒征、夹角征、囊变、假包膜、皮髓早期及实质期PAC 值在二者之间无明显统计学差异。

验证集内两组之间具有统计学意义的参数为位置、皮髓期PAC、E 评分、N 评分、L 评分及RENAL 总分。高级别透明细胞肾细胞癌的皮髓期PAC 为5.26±0.36、低级别CCRCC 的皮髓期PAC为4.82±0.22（P＜0.05）.高级别组RENAL评分中的R、E、N、L 总分均值为8.5±0.97；低级别透明细胞癌的评分总分为5.7±1.15。

180 例研究患者中仅有3 例肿瘤内出现钙化，全部肿瘤均存在一定的异质性。

2.单因素Logistic 回归分析结果（表1）

训练集内对于两组不同病理级别CCRCC 具有明显相关性的特征为皮髓期PAC、肿瘤大小、E 评分、L 评分及总分，OR 值及95%可信区间分别为：86.04（17.09～433.12）、1.03（1.01～1.05）、11.33（2.87～44.80）、13.81（4.74～40.23）、9.93（4.20～23.49）。验证集内具有明显相关性的参数为皮髓期PAC、E 评分及总分。OR 值及95%可信区间分别为：300.82（10.57～8563.12）、40（2.88～554.74）、31.71（3.07～327.16）。

3.多因素Logistic 回归分析结果

多变量Logistic 回归结果显示皮髓期PAC 及RENAL 总分为区别高、低级别透明细胞肾细胞癌的重要因素，OR值及95%可信区间分别为：7.09（2.41～20.85）、11.71（4.19～32.73）。

预测模型的回归方程式为：-17.36+1.96* 皮髓期PAC +2.46* 总分。

4.预测模型的诊断效能

ROC 曲线下分析预测模型的诊断能力（表2、图5）。此模型能很好的预测透明细胞肾细胞癌的不同病理分级，其曲线下面积、敏感度及特异度分别为0.97、96%、91%和0.99、100%、96%。

讨论

本研究开发并验证了一个基于CT 影像特征及解剖学RENAL 评分的模型，该模型的评价指标主要包括肿瘤的皮髓期PAC 和RENAL 评分总分，可用于无创、个体化预测CCRCC 的病理分级。肿瘤的皮髓期PAC 和RENAL 评分总分在训练集（AUC，0.972）和验证集（AUC，0.995）均表现出良好的鉴别能力。

表1 单因素Logistic 回归分析

肿瘤大小：研究显示高级别CCRCC 的肿瘤大小较低级别组略大。据Kunkle 等［6］研究，肾细胞癌的肿瘤大小与转移密切相关，肿瘤直径每增加1 cm，转移的可能性增加22%。肿瘤大小虽然不是肾细胞癌病理分级的独立预测因子，然而它与病理分级密切相关，肿瘤越大，其侵袭性越强，恶性潜能越高［7］。对于局限于肾脏的CCRCC，肿瘤大小跟预后也存在相关性，肿瘤越大，预后越差，当肿瘤大于7 cm 时，病灶多会累及肾窦、肾周脂肪或伴血管癌栓形成。

表2 预测模型的ROC 曲线下分析结果

图5 回归预测模型的ROC 曲线下分析结果

肿瘤囊变、坏死征象：CCRCC 为一种富血供肿瘤，新生毛细血管网极度丰富，故易出现出血、囊变及坏死征象［8］。有研究表明只有凝固性坏死对预后有统计学意义，影像学所示的囊变坏死征象对于预后的预测意义不大，主要是因为肉眼可见的囊变坏死可能由多种原因导致（比如肿瘤内血管癌栓的形成）［9］。大部分研究已证明肿瘤的囊变坏死对于CCRCC 预后有预测意义，但其与肿瘤的TNM 分期与病理分级无关［10-12］。本研究表明肿瘤的囊变在低级别CCRCC 与高级别组无明显统计学差异，即使肿瘤体积较小时，囊变坏死征象亦常见，这可能时由于本研究只是将囊变分为有或无两个等级且并未将其与其他征象联合评分所导致，另外与本研究的高级别CCRCC 患者的数量少可能相关。也有一些研究表明肿瘤的囊变、坏死特征对于分级的预测无特定意义［13］。

肿瘤内钙化：据Li 等［14］的研究发现钙化可能与CCRCC 的不良预后相关，25.2%患者肿瘤内出现钙化。CCRCC 内钙化与BAP1 突变相关，而BAP1 基因是肿瘤侵袭性的驱动基因［15］，故推测钙化与CCRCC 病理分级有关。本研究并未发现钙化对于CCRCC 的病理分级存在价值，可能与研究患者中仅有3 例肿瘤内出现钙化有关。

肿瘤假包膜征：肾细胞癌通常无明显的病理组织学包膜特征，随着肿瘤的生长及对周围正常肾实质的推压和缺血坏死，可在肿瘤周围形成假包膜［16］。假包膜是人体限制肿瘤组织进一步生长及扩散的反应。假包膜多见于肿瘤体积较小或低病理分级肿瘤，且与患者的预后相关，完整的假包膜多见于早期病变，包膜不完整时提示肿瘤发生扩散及转移的几率增加［17］。Xi 等［18］研究结果也表明假包膜与患者预后明显相关。假包膜征在磁共振T1WI 和T2WI 图像上均表现为肿瘤组织与正常肾实质之间的低信号。Yamashita 等［17］的研究表明T2WI 较CT 增强图像对于假包膜的显示更佳。本研究将肿瘤的假包膜特征纳入分析，结果显示增强CT 图像对于肿瘤假包膜征象显示欠佳，一小部分患者可观察到假包膜征象，大部分肿瘤的影像图像均不能清晰显示假包膜。

肿瘤CT 增强特征：肿瘤的血管生成和肿瘤的侵袭性密切相关。笔者研究了320 排动态容积CT的增强定量测量值，预测模型显示皮髓期肿瘤实质的增强CT 变化值（PAC）与CCRCC 的病理分级高度有关，此结果与之前的研究结果相似［19］。高级别肿瘤的侵袭性较低级别增加，血管生成的能力增加，故增强后肿瘤实质的强化程度较低级别肾细胞癌略高。Coy 等［20］研究结果与本研究相矛盾，其结果显示高级别CCRCC 的强化程度较低级别组略低，其原因是此研究采用整体肿瘤3D ROI测量，而高级别肿瘤的囊变坏死区域普遍多于低级别肿瘤。

WHO/ISUP 分级系统：众所周知，Fuhrman 分级系统是国内外公认且应用最广泛的肾细胞癌分级系统［2］。但此分级经常由于评估者的主观因素导致观察者内部和观察者之间的评估不一致，难以完全按照等级所描述的特征标准分为4 级，故本研究中许多病理分级不明确的肿瘤被剔除［21］。2012 年世界卫生组织推荐使用一种新的分级系统，即WHO/ISUP 系统［22］。此分级系统亦将CCRCC 分为4 级，Ⅰ～Ⅲ级的评估基于细胞核的明显程度，Ⅳ级的评估为肿瘤组织内出现巨细胞、高度极端“多形性”细胞或组织内存在横纹肌样或肉瘤样分化。新的WHO/ISUP 分级系统与传统Fuhrman 分级系统类似，但在临床应用中此分级操作性及可重复性比较高。另外新的WHO/ISUP分级系统仅适用于CCRCC 和PRCC，在其他组织病理学类型中的预后作用还未得到验证。

TNM 分期：肿瘤的TNM 分期是CCRCC 最重要的预后因素，TNM 分期评估主要是基于肿瘤大小、是否累及肾周脂肪组织、肾窦或肾周筋膜、下腔静脉或肾静脉是否累及、有无淋巴结或远处转移。肿瘤侵犯肾窦已被证明是比肾周脂肪受累更具有侵袭性的肿瘤生物学行为［23］。本研究仅对不同病理分级CCRCC 患者进行研究，未来仍需纳入大样本量的不同TNM 分期患者，评估影像特征与分期及分级的相关性，进一步评估CCRCC 的预后因素。

RENAL 解剖学评分：RENAL 评分是基于肾脏肿瘤的影像解剖学特征对拟行肾脏切除手术的患者进行综合评估，为临床应用最广泛的术前手术难度评估系统［24］。RENAL 解剖学评分对于不同级别CCRCC 的鉴别诊断研究比较少见。本研究显示此解剖学评分能很好地预测肿瘤的病理分级。结果显示低级别CCRCC 的RENAL 评分较高级别组较高，高级别组肿瘤的RENAL 评分特征为肿瘤直径略大（R 评分）、肿瘤多呈部分外生性生长或完全内生性生长（E 评分）、肿瘤最深处距离肾窦的距离多小于4 mm（N 评分）、肿瘤的大部分跨越极线生长或完全位于肾门水平或极线内（L 评分）。而肿瘤位于冠状面的方位（A 评分）对于高、低级别透明细胞肾细胞癌无明显统计学差异。

本研究存在一定的局限性：（1）首先患者的数量较少，高级别CCRCC 的训练集数量仅16 例，且本研究缺少外部验证，可能会导致模型的预测效能偏高。（2）CT 增强测量值与ROI 的勾画位置相关，存在很大的主观性，因此应该开发一种标准化的ROI 测量方法。（3）由于同一患者很少会同时进行CT、MR 扫描，故此研究并未将MR 参数特征纳入进来，未来还需要进一步研究MR 的影像特征对于分级的预测。（4）本研究患者的组织病理分级均使用Fuhrman 分级系统，在后续的研究中将引入WHO/ISUP 评分系统进一步评估影像学特征在不同病理分级中鉴别诊断价值。

总之，作为一种无创性的分析方法，肿瘤的RENAL 评分和皮髓期病灶的强化变化值所建立的多变量回归预测模型有助于预测透明细胞肾细胞癌的病理分级，可为预后预测提供的参考。