基于增强CT影像组学模型预测胰十二指肠切除术后胰瘘

胡晓坤，葛亚琼，韦 炜

(1.皖南医学院影像医学与核医学系，安徽 芜湖 241000；2.GE医疗，上海 210000；3.中国科学技术大学附属第一医院影像科，安徽 合肥 230000)

胰十二指肠切除术(pancreatoduodenectomy，PD)是用于治疗壶腹周围和胰腺恶性肿瘤或良性占位性病变的手术方式，术后并发症发生率30%～60%，主要包括胰瘘、胆瘘、腹腔脓肿、出血、胃排空延迟及伤口感染和裂开等[1]。胰瘘(postoperative pancreatic fistula，POPF)为PD术后风险最大的并发症之一，发生率为10%～30%，严重时可致患者死亡[2]。目前临床主要通过术前实验室检查及术中出血量、主胰管直径等相关临床指标预测PD术后POPF，但效果欠佳，且部分指标存在主观性。本研究评估基于术前腹部增强CT的影像组学模型预测PD术后POPF的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性分析2015年4月—2020年7月252例因壶腹周围或胰腺占位而于中国科学技术大学附属第一医院接受PD患者，男137例，女115例，年龄13～83岁，平均(59.5±11.6)岁。纳入标准：①接受由同一专家团队施行的标准术式PD及统一标准术后护理和康复治疗，手术基本流程一致，术后留置腹腔引流管；②术前15天内接受腹部平扫及增强CT检查；③临床资料完整。排除标准：①CT检查前接受放射或化学治疗；②术后并发其他与POPF无明显相关疾病并影响预后。术后第3天或其后可测量的腹腔引流液中的淀粉酶水平>正常血清淀粉酶标准(125 IU/L)3倍以上、并伴随相应临床症状时，诊断为POPF[3]。按7∶3比例将所有患者分为训练集(n=177)和测试集(n=75)。

1.2 仪器与方法 采用GE Discovery CT 750多排螺旋CT仪行腹部扫描，范围自膈顶至髂棘水平，管电压120 kVp，管电流240～300 mA，层厚5 mm，重建层厚1.25 mm，层间距5 mm，螺距1.375∶1。先行CT平扫，随后以3.0 ml/s流率经肘静脉团注非离子型对比剂碘海醇(300 mgI/ml)1.5 ml/kg体质量，采集动脉期(30 s)、门静脉期(70 s)和延迟期(180～300 s)图像。

1.3 图像分析与处理

1.3.1 特征提取 由2名具有15年以上腹部影像学诊断经验的副主任医师采用ITK-SNAP软件(www.itksnap.org)分别于增强门静脉期CT图像中勾画胰腺实质三维感兴趣容积(volume of interest, VOI)，使之尽量涵盖正常胰腺组织并避开病灶及十二指肠(图1)，结果不一致时经协商决定。以A.K软件(GE Healthcare, AnalysisKit，Version：3.2.0.R)提取特征，采用组内相关系数(intraclass correlation efficient, ICC)评价2名医师提取纹理特征的一致性，将ICC≥0.8的特征用于进一步分析。

图1 于增强门静脉期CT图像中勾画胰腺VOI(红色区域)示意图 A.PD术后POPF(-)患者；B.PD术后POPF(+)患者

1.3.2 特征筛选 于训练集中应用最大相关最小冗余(maximum correlation and minimum redundancy，mRMR)以减少冗余特征，并进一步采用最小绝对收缩与选择算子(least absolute shrinkage and selection operator，LASSO)回归进行数据降维；采用十折交叉验证选择最优超参数λ，以筛选系数不为0者作为最优影像组学特征，用于建立影像组学标签；计算患者层面影像组学评分(radscore)。以验证集数据对所获模型进行验证。

1.4 统计学分析 采用SPSS 20.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料，采用t检验比较。对计数资料行χ2检验。采用R 3.5.1软件，以Logistic逻辑回归分析构建影像组学模型，预测PD后患者是否发生POPF。采用受试者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲线评价影像组学模型的预测效能，计算相应曲线下面积(area under the curve，AUC)，并以DeLong检验比较影像组学模型预测训练集与验证集数据AUC的差异。以Wilconxon检验分别比较训练集及验证集中POPF(-)与POPF(+)患者radscore的差异。P<0.05为差异有统计学意义。

表2 验证集PD后POPF(-)与POPF(+)患者一般资料比较(例)

2 结果

252例中，152例POPF(-)，100例POPF(+)。训练集177例中，107例POPF(-)，70例POPF(+)；测试集75例中，45例POPF(-)，30例POPF(+)。

2.1 一般资料比较 训练集及验证集中，POPF(-)与POPF(+)患者间年龄、性别、体质量指数(body mass index，BMI)、糖尿病及高血压病史差异均无统计学意义(P均>0.05)，见表1、2。

表1 训练集PD后POPF(-)与POPF(+)患者一般资料比较(例)

2.2 影像组学特征提取及筛选 共提取653个影像组学特征，包括一阶直方图特征、形态学特征、灰度共生矩阵特征(gray level co-occurrence matrix, GLCM)、区域大小矩阵特征(gray level size zone matrix, GLSZM)、灰度游程矩阵特征(gray level run length matrix, GLRLM)及小波变化和拉普拉斯变化(log)特征。经特征降维(图2A)等处理，发现最优调谐参数Logλ=0.012 9时二项式偏差最小，据此选出14个系数不为0的最优影像组学特征(图2B、2C)。

图2 筛选影像组学特征示意图 A.采用LASSO法筛选影像组学特征；B.影像组学特征LASSO系数的剖面图；C.最终选出的14个最优影像组学特征及其权重

2.3 建立影像组学模型及评价其效能 针对训练集最优影像组学特征参数行加权求和，计算radscore；建立影像组学模型，并对训练集及验证集进行分类。

ROC曲线显示，影像组学模型预测训练集PD术后患者是否发生POPF的AUC为0.82[95%CI(0.76，0.88)]，radscore截断值为-0.48时，其诊断准确率、敏感度、特异度、阳性预测值及阴性预测值分别为0.71、0.58、0.91、0.91及0.57；影像组学模型在验证集中的AUC为0.82[95%CI(0.72，0.91)]，诊断的准确率、敏感度、特异度、阳性预测值及阴性预测值分别为0.76、0.66、0.86、0.83及0.71，见图3。DeLong检验显示，影像组学模型预测训练集与验证集数据的AUC差异无统计学意义(Z=0.61，P=0.54)。经Wilconxon检验，影像组学模型对POPF(-)与POPF(+)有较好的区分度，训练集及验证集POPF(-)与POPF(+)患者radscore差异均有统计学意义(P均<0.01)，见图4。

图3 影像组学模型预测PD术后患者POPF的ROC曲线 A.训练集；B.验证集

图4 训练集(A)及验证集(B)POPF(-)与POPF(+)患者radscore比较箱式图

3 讨论

影像组学为影像定量分析技术，能挖掘图像的深层次影像特征并客观量化病灶特征，可用于定性诊断病变、对病情进行分级及预测预后[4-5]。

PD为治疗胰头及其周围肿瘤的常用手段，术后并发症发生率较高[6]。PD术后各种常见并发症中，胰瘘对预后影响较大，且临床难以预防。POPF存在继发并发症风险，包括败血症、腹腔出血、腹腔脓肿、脓毒血症及脓毒性休克等，严重者可致患者死亡[7]。术前准确预测术后POPF对于指导制定治疗方案及降低POPF发生率具有十分重要的临床意义。

文献[8-9]报道，术后胰瘘发生、发展与多项临床危险因素相关，如胰肠吻合方式、胰腺质地、胰管直径及术中出血量等；但上述指标均具有一定主观性和不可控性，且缺乏统一标准，不同医疗机构之间POPF发生率与相关危险因素存在差异[10]。MAEHIRA等[11]的研究结果显示，POPF(+)组平扫和增强动脉期胰腺实质CT值显著高于POPF(-)组、而增强静脉期和延迟期CT值均低于POPF(-)组，并认为上述表现对预测POPF风险有一定意义。BARBIER等[12]发现PD术后患者胰体厚度与主胰管直径的比值与POPF显著相关，可用于术前预测POPF。YU等[13]认为，胰腺厚度、腹壁脂肪厚度、平扫胰腺CT值、平扫胰腺与脾CT值比值以及平扫CT胰腺与腹主动脉CT值比值均与POPF具有相关性。另一方面，上述研究均基于常规平扫CT，其分析存在一定主观局限性。采用影像组学方法可量化医学图像的像素与空间分布关系，相比传统影像学检查更具客观性，并能深层次挖掘图像的影像学特征。

增强门静脉期CT图像中胰腺病灶与胰腺实质及周围组织分界较清，故相关影像组学研究[14]多针对该期图像进行分析。本研究基于术前增强门静脉期CT提取并筛选胰腺实质影像组学特征，建立预测PD术后POPF的影像组学模型，结果显示该模型在训练集和验证集中的AUC均为0.82，即诊断效能好，且对于验证集数据的准确率稍高于训练集，可能与模型正则化过多有关。本研究共筛选出14个最优影像组学特征用以构建影像组学模型，包括GLCM、GLRLM、log及小波变化特征等，其中GLRLM、GLCM及log特征反映胰腺组织的异质性和成分复杂性[15]，提示POPF(-)与POPF(+)患者CT所示胰腺组织灰度分布和体素强度存在差异。但本研究存在局限性：①单中心回顾性研究，缺乏外部验证；②未分析胰瘘程度,有待扩大样本量进行多中心研究，以提高结果的临床适用性。

综上所述，基于术前增强CT的影像组学模型能有效预测PD术后POPF。