T2WI、DWI及ADC图多序列影像组学模型评估直肠癌淋巴结转移

肖 奕，蒋昭琰，何舒欣，胡斯娴，文大光，张 雨，李真林，夏春潮

(四川大学华西医院放射科，四川 成都 610041)

直肠癌淋巴结转移是其局部复发和远处转移的重要因素[1-3]。MRI能显示直肠癌位置、累及肠管长度、浸润深度和有无累及淋巴结等，是评估直肠癌淋巴结转移的重要影像学方法之一[4]。影像组学已广泛用于直肠癌术前分期、预测新辅助放射化学治疗效果和远处转移[5-7]。MR T2WI主要提供组织结构方面的信息，而弥散加权成像(diffusion weighted image, DWI)和表观弥散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)能在分子水平反映组织功能；结合多序列图像可提供更多信息。本研究观察T2WI、DWI及ADC图多序列影像组学模型术前评估直肠癌淋巴结转移的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性收集2016年1月—2018年8月74例于四川大学华西医院就诊的单发直肠腺癌患者，男52例、女22例，年龄26～94岁，平均(63.0±12.9)岁。纳入标准：①经术后病理证实为直肠腺癌；②术前1个月内接受直肠MR检查；③术前临床及影像学资料完整。排除标准：①MRI伪影明显，质量不佳；②术前接受化学、放射治疗或靶向治疗；③既往其他恶性肿瘤或盆腔疾病史。参考第七届美国癌症联合委员会TNM分期标准，根据术后病理结果，将N0期患者归为无淋巴结转移组(n=44)、N1～N2期归为淋巴结转移组(n=30)；按7∶3比例将患者分为训练集(n=52，21例淋巴结转移、31例无淋巴结转移)和测试集(n=22，9例淋巴结转移、13例无淋巴结转移)。记录直肠癌位置、肿瘤分化程度、T分期和N分期等病理结果；根据直肠癌最下缘与肛缘距离<5 cm、5～10 cm、>10 cm将其分为低、中和高位。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Magnetom Skyra 3.0T MR仪，配备18通道相控阵线圈及其对应脊柱线圈。以病变肠管为扫描中心行个体化扫描，斜轴位T2WI参数：TR 6 890 ms，TE 100 ms，层厚3 mm，层间距0.9 mm，层数48，FOV 260 mm×236 mm，矩阵384×313，广义自校准部分并行采集(generalized autocalibrating partial parallel acquisition, GRAPPA)加速因子2；脂肪抑制轴位DWI参数：TR 5 500 ms，TE 61 ms，层厚4.5 mm，层间距0.45 mm，层数25，FOV 216 mm×216 mm，矩阵128×128，GRAPPA加速因子2，b值分别为0、600、1 000 s/mm2。

1.3 图像分析 由分别具有8年(医师1)及10年(医师2)腹部影像学诊断经验的2名副主任医师以盲法阅片，评价淋巴结转移，意见分歧时协商达成一致。将下列各项视为淋巴结转移[3]：①淋巴结短径>9 mm；②淋巴结短径5～9 mm，并满足边缘不光滑、内部信号不均匀及呈圆形3项中的任意2项；③淋巴结短径<5 mm，淋巴结边缘不光滑、内部信号不均匀及呈圆形。

1.4 图像分割 由医师2采用ITK-SANP 3.6(www.itksnap.org)软件于T2WI、DWI(b=1 000 s/mm2)及软件自动生成的ADC图上沿肿瘤边缘逐层手动勾画ROI，避开周围血管、囊腔、坏死等并尽可能准确覆盖肿瘤原发灶，融合后得到感兴趣体积(volume of interest, VOI)，见图1。随机抽取30例，由医师1、2间隔3个月以相同方法获得病灶VOI，评估观察者内和观察者间一致性[8]。

1.5 构建影像组学模型 采用FeAture Explorer软件(Version 0.4.0) 提取、分析影像组学特征：①于全部T2WI、DWI和ADC图中分别提取5类影像组学特征共88个，包括18个一阶统计学特征、14个形态学特征(shape-based feature)、24个灰度共生矩阵(gray-level co-occurrence matrix, GLCM)特征、16个灰度游程矩阵(gray-level run length matrix, GLRLM)特征及16个灰度连通区域矩阵特征[9]，基于三者联合共提取264个影像组学特征；②数据预处理，以合成少数类过采样法平衡样本，并以Z分数法对影像组学特征数据进行归一化处理；③特征降维，应用Pearson相关系数(Pearson correlation coefficient, PCC)分析影像组学特征的相关性，如2个特征的PCC>0.99，则随机删除其一；④构建模型，采用方差分析对影像组学特征进行排序，分别筛选基于T2WI、DWI、ADC图及三者联合的最优影像组学特征，分别以支持向量机建立术前评估直肠癌淋巴结转移的T2WI模型、DWI模型、ADC模型和多序列模型，采用5折交叉验证法验证分类器的性能，于训练集进行训练，于测试集评估其效能。

1.6 统计学分析 采用SPSS 26.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料，组间以t检验进行比较。以χ2检验比较计数资料。基于FeAture Explorer软件评估影像组学模型的效能；以术后病理为金标准，绘制受试者工作特征(receiver operating character, ROC)曲线，计算曲线下面积(area under the curve, AUC)和基于常规MRI评估直肠癌淋巴结转移的准确率、敏感度和特异度。以组内相关系数(intra-class correlation coefficient, ICC)评估观察者内和观察者间勾画病灶VOI的一致性，ICC>0.8为一致性良好。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料 淋巴结转移组与无淋巴结转移组间患者性别、年龄及病灶位置、分化程度差异均无统计学意义(P均>0.05)，而T分期差异有统计学意义(P<0.05)，见表1。训练集与测试集患者性别、年龄，病灶位置、T分期及N分期差异均无统计学意义(P均>0.05)，见表2。

表1 淋巴结转移组与无淋巴结转移组间患者及病灶一般资料比较

表2 训练集与测试集患者及病灶一般资料比较

2.2 常规MRI 常规MRI评估直肠癌淋巴结转移的准确率为58.11%(43/74)，敏感度和特异度分别为76.67%(23/30)和45.45%(20/44)，阳性预测值(positive predictive value, PPV)和阴性预测值(negative predictive value, NPV)分别为48.94%(23/47)和74.07%(20/27)。

2.3 构建影像组学模型 观察者内和观察者间基于T2WI、DWI及ADC图勾画病灶VOI的一致性均良好，ICC分别为0.90[95%CI(0.80，0.95)]及0.89[95%CI(0.79，0.95)]、0.95[95%CI(0.89，0.97)]及0.91[95%CI(0.80，0.96)]、0.93[95%CI(0.85，0.97)]及0.92[95%CI(0.84，0.96)]。

最终分别基于T2WI、DWI、ADC图及三者联合筛选出3、4、6、6个最优影像组学特征(表3)用于构建模型。ROC曲线显示，训练集中，多序列模型评估直肠癌淋巴结转移的AUC为0.83，T2WI、DWI及ADC模型的AUC分别为0.69、0.78、0.80；测试集中，多序列模型的AUC为0.82，T2WI、DWI及ADC模型的AUC分别为0.78、0.68、0.77。见表4及图2。

表3 基于T2WI、DWI、ADC图及三者联合最终筛选出的影像组学特征及其系数

表4 各影像组学模型评估直肠癌淋巴结转移的效能

3 讨论

直肠癌是否发生淋巴结转移是决定治疗方案和影响预后的重要因素。目前多通过影像学以形态学标准评估直肠癌淋巴结状态，但基于直肠MRI所示淋巴结径线和形态学特征评估有无淋巴结转移的敏感度和特异度分别仅为77%和71%[10],可能与MRI定性评估淋巴结转移存在主观性有关。本研究结果显示，常规MRI评估直肠癌淋巴结转移的准确率仅为58.11%，与文献[11]报道相近，表明其诊断效能有限。

随着T分期增高，直肠癌发生淋巴结转移概率增加[12]。本研究淋巴结转移组高T分期患者占比高于无淋巴结转移组。直肠癌淋巴结转移是肿瘤细胞通过引流淋巴管到达淋巴结内，并以此为生发中心生长的结果，其生物学行为与原发肿瘤相同，但转移灶之间存在异质性，此为基于直肠肿瘤原发灶研究淋巴结转移的理论基础[13]。

影像组学分析对评估肿瘤异质性具有一定价值。本研究基于T2WI、DWI及ADC图所示直肠癌原发灶提取、筛选影像组学特征并构建模型，以定量评估直肠癌淋巴结转移，结果显示，基于T2WI影像组学模型在测试集中的AUC为0.78，与既往研究[14]一致，提示其对淋巴结转移具有较好的诊断效能；而基于DWI的影像组学模型在测试集数据中的AUC为0.68，即诊断效能不理想，意味着DWI评估肿瘤N分期不如T2WI敏感；基于ADC图的影像组学模型在测试集数据中的AUC为0.77，这可能是因为通过多b值DWI计算得到的ADC图可反映肿瘤的表观弥散特征，故准确性较高[15]；结合上述多序列图像影像组学特征的联合模型在测试集中的AUC为0.82，其准确率、敏感度及特异度分别为86.36%、88.89%及84.62%，诊断效能高于常规MRI。

本研究的局限性：①为单中心回顾性研究，且样本量较小，难以避免选择偏倚；②手动勾画病灶ROI，存在主观性；③通过勾画直肠癌原发灶VOI提取特征，未勾画淋巴结本身，结果可能存在差异；④未分析病灶高阶小波特征、患者临床特征及基因特征等。

综上所述，基于术前MR T2WI、DWI及ADC图的多序列影像组学模型可有效评估直肠癌淋巴结转移。