多参数MRI纹理分析预测直肠癌患者放射治疗后早期股骨头坏死

龚 洁,郑 波,赵田镜,石江勇,武敬君

(1.重庆市第九人民医院放射科,重庆 400700;2.杭州市肿瘤医院肿瘤放射治疗科,浙江 杭州 310000)

放射治疗(放疗)已成为治疗直肠癌的标准手段之一,但所带来的股骨头不良事件备受关注[1-2]。股骨头坏死(femoral head necrosis,FHN)出现明显症状时多已处于中晚期[3],错过最佳防治时机;及时发现FHN尤为重要。常规MRI对诊断骨关节系统疾病独具优势[4],但用于组织定量分析有所不足。纹理分析可为临床提供肉眼无法识别的信息[5-6]。本研究观察多参数MRI(multi-parametric MRI,mpMRI)纹理分析预测直肠癌患者放疗后早期FHN的价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性分析2018年1月—2022年12月于重庆市第九人民医院接受盆腔放疗的52例直肠癌患者,男32例、女20例,年龄31～79岁、平均(58.9±10.2)岁。纳入标准:①经肠镜活检或手术病理确诊为直肠癌;②首次接受盆腔调强放疗,放疗剂量45～50 Gy,分28～30次完成;③于放疗前2周及放疗结束后3个月内接受mpMRI,T1WI、T2WI和弥散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)资料完整,并可获得DICOM原始文件;④于放疗结束后3个月内接受股骨头X线检查。排除标准:①临床资料不完整;②MR图像质量差;③既往股骨头相关病史,如骨折、坏死、恶性肿瘤转移等;④曾接受盆腔放疗。本研究获院伦理委员会批准(YYLL20230078),检查前患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Avanto 1.5T MR仪、体部线圈。嘱患者仰卧,以耻骨联合为中心行盆腔扫描,范围自脐水平至股骨上1/3处;参数:轴位T1WI,TR 671 ms,TE 10 ms,层厚4 mm,层间距1 mm,矩阵320×224,NEX 1;轴位T2WI,TR 5 070 ms,TE 93 ms,层厚3.5 mm,层间距0,矩阵320×224,NEX 2;轴位DWI,TR 5 500 ms,TE 69 ms,层厚4 mm,层间距1 mm,矩阵192×154,NEX 2,b值为0、50、400及800 s/mm2。

1.3 提取纹理参数 将放疗前、后的T1WI、T2WI及DWI(b=800 s/mm2)图像DICOM原始文件导入3D-slicer软件(https://www.slicer.org),由具有1年和3年影像学诊断经验的住院医师和主治医师各1名分别于图中逐层勾画右侧股骨头ROI(图1),提取其纹理参数,包括最大值、最小值、平均值、中位值、偏差、偏度、峰度、熵、能量、均匀性,以及长行程高灰度强调(long run high gray level emphasis,LRHGLE)、长行程低灰度强调(long run low gray level emphasis,LRLGLE)、短行程高灰度强调(short run high gray level emphasis,SRHGLE)和短行程低高灰度强调(short run low gray level emphasis,SRLGLE)。

图1 于放疗前MR T1WI、T2WI、DWI中勾画右侧股骨头ROI(绿色区域)示意图 A.T1WI; B.T2WI; C.DWI

1.4 诊断股骨头坏死标准 根据国际骨循环研究协会(Association Research Circulation Osseous,ARCO)2019年FHN分期标准[7],X线表现正常而MRI

于FHN周围见T1WI低信号带状损伤为Ⅰ期;X线显示股骨头骨硬化或局灶性骨质疏松或囊变,无软骨下骨折、无股骨头变形或塌陷,而MRI可见FHN周围T1WI低信号带状或新月形损伤为Ⅱ期;股骨头出现骨折或塌陷,伴或不伴髋关节炎、关节间隙变窄及髋臼破坏为Ⅲ～Ⅳ期。由上述2名医师观察放疗后MRI及X线资料,参考FHN ARCO标准判断FHN分期,意见有分歧时与另1名具有10年工作经验的影像科医师讨论后决定。

1.5 统计学分析 采用SPSS 22.0统计分析软件。采用组内相关系数(intra-class correlation coefficient,ICC)分析观察者间提取纹理参数的一致性,ICC≤0.2为一致性较差,0.2

2 结果

52例中,31例未见FHN,21例出现早期FHN,其中Ⅰ期16例、Ⅱ期5例,未见Ⅲ～Ⅳ期病例。

2.1 一致性分析 观察者间基于T1WI、T2WI、DWI获取纹理参数最大值(ICC=0.781、0.720、0.773)、最小值(ICC=0.733、0.710、0.743)评估结果的一致性均较强,基于其余纹理参数评估结果的一致性均很强(ICC均>0.80)。

2.2 纹理参数比较 基于T1WI、T2WI,放疗前纹理参数中的能量及均匀性均高于放疗后;基于DWI,放疗前纹理参数中的能量显著高于放疗后,而LRLGLE及SRHGLE均低于放疗后。其余纹理参数放疗前后差异均无统计学意义(P均>0.05)。见表1～3。

表1 52例直肠癌患者放疗前、后T1WI纹理参数

表2 52例直肠癌患者放疗前、后T2WI纹理参数

表3 52例直肠癌患者放疗前、后DWI纹理参数

2.3 诊断效能 以单一纹理参数预测直肠癌放疗后早期FHN的AUC为0.581～0.712,模型T1WI、模型T2WI及模型DWI的AUC分别为0.660、0.713和0.770;模型T1WI+T2WI+DWI的AUC为0.853,敏感度80.95%,特异度74.91%。见表4及图2。

表4 单一纹理参数及联合模型预测直肠癌患者早期FHN的效能

图2 单一纹理参数及联合模型预测直肠癌早期FHN的ROC曲线

3 讨论

调强放疗在直肠癌全程治疗中具有重要作用,但放疗后可能出现股骨头不良事件仍是限制其临床应用的重要因素之一。本研究对首次接受盆腔放疗的直肠癌患者进行mpMRI纹理分析,旨在获取反映放疗后早期FHN的影像学标识,为监测及防治放疗后FHN提供指导。

本研究针对盆腔放疗前、后原始mpMRI中的单侧股骨头逐层分割ROI,保留了股骨头完整的三维纹理信息,以尽可能避免分割ROI对纹理参数稳定性的影响。纹理参数反映图像像素值,而最大值及最小值为像素值中的极值,更易受到ROI边界的影响;股骨头边缘存在软组织及关节腔积液,其MRI信号与股骨头骨质存在差异,观察者间分割ROI边界的微小差异可影响纹理参数最大值和最小值结果[8]。本研究一致性检验结果显示,基于T1WI、T2WI及DWI获取的纹理参数中,最大值、最小值的一致性均较强,其余纹理参数的一致性均很强。

能量亦称为角二阶矩,反映图像中区域像素点变化程度,是度量图像灰度分布均匀性和纹理粗细的指标;能量越小,图像纹理越细,其异质性越强[9]。均匀性表示一致性,反映图像灰度级在各方向上的一致程度,均匀性越小,则局部灰度一致性越小,图像异质性越高[10]。本研究T1WI及T2WI纹理参数中,放疗前股骨头区域的能量及均匀性均高于放疗后,提示放疗后T1WI和T2WI中股骨头的异质性增加。这是由于股骨头经射线照射后周围血管纤维化,使股骨头供血减少、骨骼成纤维细胞受损,导致细胞增殖受抑制,MRI上表现为股骨头异质性增加[11]。

DWI能反映组织中水分子弥散受限程度,可用于观察细胞密度改变,临床应用广泛[12-13]。本研究所获DWI纹理参数中,放疗前股骨头区域的能量高于、而LRLGLE及SRHGLE低于放疗后,原因在于射线照射在一定程度上干扰了周围血管对股骨头的供血,使其发生骨质萎缩、细胞增殖减缓甚至受损而致细胞密度低[14]。本研究结果提示,mpMRI纹理分析有利于预测直肠癌患者放疗后早期FHN;以上述单一纹理参数进行预测的AUC为0.581～0.712,而联合预测的AUC达0.853、敏感度为80.95%、特异度为74.91%。

综上所述,利用mpMRI纹理分析可有效预测直肠癌患者放疗后早期FHN,为临床诊治提供依据。但本研究为单中心回顾性分析,样本量较小、随访时间较短,且未涉及高阶纹理参数,有待扩大样本量后进一步观察。

利益冲突:全体作者声明无利益冲突。

作者贡献:龚洁研究实施、数据分析和撰写文章;郑波研究实施;赵田镜统计分析;石江勇研究实施、统计分析;武敬君研究设计、审阅文章。