灰阶超声影像组学鉴别诊断皮下组织血管瘤与卡波西型血管内皮瘤

牛雅宁，于一行，龚毓宾，董 健，赵 婧，胡文笳，董长宪，刘秋雨，吴 刚*

(1.河南大学人民医院 河南省人民医院超声科，2.血管瘤科，3.医学影像科，4.病理科，河南 郑州 450003)

皮下组织血管瘤(hemangioma, HE)是临床常见脉管源性肿瘤，好发于婴幼儿，预后多较好；其常见类型包括婴幼儿血管瘤(infantile hemangioma, IH)和先天性血管瘤(congenital hemangioma, CH)。卡波西型血管内皮瘤(Kaposiform hemangioendothelioma, KHE)为发生于皮下软组织或脏器局部的侵袭性肿瘤，好发于儿童、尤其婴幼儿，预后不佳，死亡率高达12%～30%[1-4]。HE与KHE影像学表现存在重叠，但预后差异较大，因此鉴别诊断极为重要。本研究观察基于灰阶超声影像组学特征构建的模型用于鉴别皮下组织HE与KHE的价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性分析2014年10月—2022年2月河南省人民医院143例皮下组织HE患儿(HE组)，男45例，女98例，年龄15天～5岁，中位年龄4个月；共158处病灶，129例1处、13例2处及1例3处病灶，位于头颈部67处、躯干65处、四肢26处。收集同期70例KHE患儿(KHE组)，男31例，女39例，年龄9天～3岁，中位年龄3个月；共94处病灶，包括51例1处、15例2处、3例3处及1例4处病灶，位于头颈部34处、躯干28处、四肢32处。纳入标准：①根据国际血管瘤和脉管畸形研究学会(International Society for the Study of Vascular Anomalies, ISSVA)血管瘤和脉管畸形诊治指南2018版[3-4]确诊；②接受超声检查且留存图像清晰；③可从灰阶超声图像中获取目标病灶最大直径切面；④临床资料完整。排除标准：①病灶径线过大，超过探头最长径(5.6 cm)；②病灶位置过于表浅，根据外观即可确诊；③曾接受相关手术或硬化治疗。本研究获得医院伦理委员会批准。

1.2 仪器与方法 由1名具有10年超声工作经验的主治医师采用Siemens S3000、ACUSON Sequoia超声诊断仪、频率6～18 MHz 18L6线阵探头进行检查。根据病灶位置选择体位，充分暴露受检部位，将探头轻置于病灶处皮肤，肿块隆起时厚涂耦合剂；将病灶置于视野中央，调至合适增益，采用高频灰阶成像多切面观察病灶位置、范围、边界及内部回声等，并以CDFI记录其内血流信号；最后将显示病灶最大径切面的灰阶声像图存于超声仪器硬盘，导出格式为DICOM 3.0。

1.3 提取特征及建立模型 由另1名具有10年超声工作经验的主治医师和1名具有20年超声工作经验的副主任医师采用MRIcroGL沿声像图所示病灶边缘勾画ROI(图1)，并以Python 3.7.1中的Pyradiomics工具包提取ROI的影像组学特征。采用Python 3.7.1对特征数据进行归一化和标准化，以最小绝对收缩和选择算法(least absolute shrinkage and selection operator, LASSO)降维筛选最优特征，建立支持向量机(support vector machine, SVM)模型；按7∶3比例将252处病灶随机分为训练集(n=176)和验证集(n=76)。

图1 获取声像图中皮下组织HE和KHE的ROI A.灰阶声像图显示皮下组织HE； B.分割 HE病灶ROI； C.灰阶声像图示KHE； D.分割KHE病灶ROI

1.4 统计学分析 采用SPSS 23.0统计分析软件。以±s表示服从正态分布的计量资料，组间行独立样本t检验；以中位数(上下四分位数)表示非正态分布的计量资料，组间行Mann-WhitneyU检验。以χ2检验比较计数资料。绘制受试者工作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲线，采用DeLong检验比较曲线下面积(area under the curve, AUC)，评价SVM模型诊断效能。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 临床资料 HE组与KHE组患儿性别及年龄差异均无统计学意义(P均>0.05)，而病灶部位与血小板计数差异均有统计学意义(P均<0.05)。HE组头颈部及躯干病灶数目均多于四肢(P均<0.05)；KHE组各部位病灶数目差异均无统计学意义(P均>0.05)。见表1。

表1 皮下组织HE和KHE患儿临床资料比较

2.2 提取及筛选影像组学特征 共提取2组951个影像组学特征，剔除185个后剩余766个，经降维最终选取22个系数非零的稳定特征，包括9个GLSZM、6个GLCM、4个firstorder、2个NGTDM及1个GLRLM。见图2。

图2 筛选影像组学特征 A.以基于成本函数的十折交叉验证选择LASSO模型中的调优参数λ； B.基于LASSO构建模型的变量选择22个系数非零的稳定影像组学特征； C、D.22个影像组学特征的权重图(C)和热图(D)

2.3 建立模型

2.3.1 影像组学模型 基于22个影像组学特征建立的影像组学模型鉴别训练集皮下组织HE与KHE的AUC、准确率、敏感度、特异度、阳性预测值及阴性预测值分别为0.91[95%CI(0.89，0.93)]、91.41%、83.20%、93.92%、95.79%及89.00%；用于验证集分别为0.85[95%CI(0.83，0.87)]、90.78%、79.32%、97.90%、96.71%及88.68%。见图3A、3B。

2.3.2 联合模型 基于2个临床特征(病灶部位、血小板计数)和22个影像组学特征建立的联合模型鉴别训练集皮下组织HE与KHE的AUC、准确率、敏感度、特异度、阳性预测值及阴性预测值分别为0.94[95%CI(0.92，0.96)]、94.33%、90.77%、96.38%、94.23%及94.90%；用于验证集分别为0.90[95%CI(0.88，0.92)]、92.14%、85.69%、95.76%、93.33%及92.30%。见图3C、3D。

图3 影像组学模型和联合模型鉴别诊断皮下组织HE与KHE的ROC曲线 A.影像组学模型用于训练集； B.影像组学模型用于验证集； C.联合模型用于训练集； D.联合模型用于验证集

联合模型鉴别诊断皮下组织HE与KHE的AUC均大于影像组学模型(P均<0.05)，见表2。

表2 影像组学模型与联合模型鉴别诊断皮下组织HE与KHE的效能

3 讨论

HE为良性血管肿瘤；皮肤表面HE多因患儿出生后发现皮肤鲜红色或紫红斑块而就诊，临床易于诊断；但皮下组织HE并无特异性皮损表现，多需结合影像学检查。研究[5-7]显示，HE超声表现因病灶累及皮肤深度不同而有所差异：仅累及皮肤层的HE呈低回声，累及皮下脂肪层或更深层组织者多呈不均匀高回声，同时累及皮肤全层或真皮深层及皮下组织者多呈不均匀混合回声。

KHE是局部侵袭性肿瘤，约占血管肿瘤的2%，外观呈紫红色结节或斑块[3]；部分KHE增长速度较快，可见患者血小板严重减少、继发性纤维蛋白原和凝血因子消耗等表现，即卡-梅现象(Kasabach-Merritt phenomenon, KMP)。KHE内部可见成团的梭形内皮细胞及高度纡曲扩张的微血管，以及大量发育不良的狭窄管腔，其中充满红细胞，类似卡波西肉瘤，且边缘伴随恶性肿瘤常见的间质反应[4,8]；这种复杂的病理表现导致其超声表现多样。文献报道[9-11]KHE超声多表现为高低混杂的不均匀混合回声，边界不清，以低回声为主，部分内可见管腔样无回声。皮下组织HE与KHE患儿好发年龄及超声特征相似，医师仅根据病史和查体难以鉴别；但HE后期可自行消退，以药物治疗为主，而KHE具有局部侵袭性、预后差，需及时干预以控制疾病进展。

影像组学将视觉影像信息转化为深层次特征以进行量化研究，从而为临床诊断提供重要依据[12]。脉管源性疾病的术前诊断多基于临床和常规超声，且依赖于医师经验；而影像组学较为客观，不受操作者主观影响。既往关于浅表软组织肿瘤的影像组学研究[13-15]多基于CT和MRI：如DING等[13]建立MRI SVM模型，并发现其用于鉴别诊断KHE与纤维脂肪血管异常的效能较佳，在训练集和验证集中的AUC分别为0.807[95%CI(0.602，1.000)]和0.846[95%CI(0.659，1.000)]；还有研究[14-15]表明放射影像组学模型用于鉴别良恶性软组织肿瘤、评估疗效及预测生存期具有一定价值。相较于CT、MRI，超声具有经济、便捷、安全无辐射等优点，但其影像组学用于诊断软组织肿瘤相关研究相对少见。

本研究提取皮下组织HE和KHE的灰阶超声影像组学特征，并通过降维筛选去除冗余特征，以防止数据过拟合、提高模型稳定性，最终筛选出22个最优特征；其中，绝大多数属于纹理特征，表明纹理特征具有良好的分类作用。训练集及验证集中，基于22个影像组学特征建立的影像组学模型鉴别诊断皮下组织HE与KHE的AUC分别为0.91[95%CI(0.89，0.93)]及0.85[95%CI(0.83，0.87)]，表明超声影像组学特征鉴别诊断效能较佳；而基于2个组间差异具有统计学意义的临床特征和22个影像组学特征建立的联合模型鉴别诊断的AUC分别为0.94[95%CI(0.92，0.96)]及0.90[95%CI(0.88，0.92)]，其效能优于影像组学模型，表明超声影像组学特征进一步联合临床特征可提高其诊断价值。此外，本研究2个组间差异具有统计学意义的临床特征为病灶部位和血小板计数；其中，皮下组织HE多位于头颈部及躯干，KHE病灶分布差异则无统计学意义；而HE患儿凝血功能多正常，但部分KHE患儿可合并KMP[3]，故血小板计数存在差异。然而，有学者[11]认为HE多发于头颈部、KHE多发于四肢；可能与样本量差异有关。

本研究主要局限性：①小样本、单中心研究；②仅针对病灶单一切面进行影像组学研究，无法客观反映病灶整体结构特征；③仅针对灰阶图像进行分析，具有片面性，未来可纳入血流信号、弹性成像、造影或其他相关检查，进行多模态研究，构建更稳健的模型，观察其诊断效能。

综上所述，灰阶超声影像组学鉴别诊断皮下组织HE与KHE的效能较佳，进一步联合临床特征可提高其诊断效能。