磁共振纹理分析评价直肠癌新辅助放化疗疗效的价值

孙 丽 ，李绍东，吴雪元，龚姝卉，陈文林，张 涛，高晶晶

（1.徐州医科大学附属医院影像科，江苏 徐州 221002；2.徐州市第一人民医院影像科，江苏 徐州 221000；3.徐州市妇幼保健院影像科，江苏 徐州 221009）

结直肠癌是消化道常见的肿瘤之一，其中三分之一是直肠癌[1]，通常由腺瘤性息肉发展而来。对于局部进展期直肠癌，推荐应用新辅助放化疗（Neoadjuvant chemoradiotherapy，nCRT）后6～8 周行全直肠系膜切除（Total mesorectal excision，TME）术，可以降低局部复发和远处转移[1-2]。术前通过影像手段预测、评估nCRT 疗效非常重要，这能够决定下一步治疗方案是接受手术治疗还是“等待观察”[3]，使患者得到个体化的精准治疗。

MRI 在nCRT 中起着非常重要的作用。高分辨率MRI 能清晰显示直肠解剖以及肿瘤大小、形态、与周围结构关系等[4]。目前功能与分子水平的影像学手段及纹理分析（Texture analysis，TA）参数的应用在肿瘤分期评估、良恶性鉴别、疗效评价、生存分析等方面有一定意义[5]。TA 是通过对影像图像进行后处理，用数学方法分析、计算图像像素的强度、空间特征与分布特征，从而量化纹理参数的一种方法，对组织类型和病理特性非常敏感[6]，有作为评价治疗反应的影像学生物标志物的潜能。因此，本研究主要探讨基于MRI 的TA 参数对直肠癌nCRT 疗效的预测价值。

1 资料与方法

1.1 临床资料

回顾性分析2014 年5 月—2018 年7 月徐州医科大学附属医院58 例直肠癌患者的资料，其中男42 例，平均年龄（58.4±13.3）岁；女16 例，平均年龄（50.5±15.9）岁。患者的入选标准：①经活检诊断为直肠腺癌，并在术前行nCRT，于nCRT 结束6～8 周行TME 术的患者；②所有患者均有完整的术后肿瘤消退分级（Tumor regression grading，TRG）；③所有患者nCRT 前、后均行3.0T MRI 检查。排除标准：①既往接受过其它抗肿瘤治疗；②临床及影像资料不齐全；③有MRI 检查禁忌症；④图像质量差，无法提取TA。

1.2 MRI 检查

患者的MRI 检查采用GE 公司Discovery 750W 3.0T MRI 系统（8 通道相控阵体部线圈）。扫描范围包括两侧髂前上棘到耻骨联合。取仰卧位，足先进，平静呼吸。T1WI LAVA：TR 5.0 ms，TE 1.8 ms，层厚4.0 mm，层间距1 mm，FOV 38 cm，矩阵128×128；高分辨Ax T2Propeller：TR 5 000～8 000 ms，TE 60～90 ms，层厚3 mm，层间距1，FOV 38 cm，矩阵256×256。Sag T2FSE：TR 3 000 ms，TE 90 ms，层厚4 mm，层间距1 mm，FOV 38 cm，矩阵256×256。Cor T2FSE：TR 4 000 ms，TE 90 ms，层厚4 mm，层间距1 mm，FOV 38 cm，矩阵256×256。两b 值Ax fs DWI：TR 6 200 ms，TE 66 ms，b=0，1 000 mm2/s，层厚4.0 mm，层间距1 mm，FOV 38 cm，矩阵128×128。

1.3 病理标准

nCRT 结束后6～8 周行TME 术。病理评估由1位经验丰富的病理科医师进行，根据Dworak TRG[7]评分标准对术后病理标本进行评分以判断肿瘤退缩的程度。标准定义如下：TRG 0，肿瘤无退缩；TRG 1，肿瘤轻度退缩，肿瘤组织明显多于血管增生和/或纤维化；TRG 2，肿瘤中度退缩，纤维组织明显多于肿瘤组织，但肿瘤细胞明显可见；TRG 3，肿瘤基本退缩，以大量纤维组织为主，肿瘤细胞罕见；TRG 4，肿瘤完全退缩，仅见纤维组织而无肿瘤细胞，即病理完全缓解状态（pCR）。根据TRG 将患者分为pCR 组（TRG 4）和非pCR 组（TRG 0～3）。

1.4 数据与图像分析处理

采用Research Omni-Kinetics（Version V2.1.0）TA 软件进行后处理。将Ax T2Propeller 序列图像以DICOM 格式导入软件，由两名高年资放射科医师达成一致意见后对肿瘤每一层进行手动勾画感兴趣区（ROI）。ROI 包含肿瘤内部所有的影像学信息，包括坏死、囊变及出血成分，避开肿瘤外血管、肠管内气体。勾画完成后将各层ROI 图像融合，软件自动计算生成多种纹理特征参数，包括多种反应单个像素值的灰度分布情况的一阶测量：标准差（Standard deviation，SD）、偏度、峰度、均匀性、能量和熵值。以术后病理为标准，对这些参数进行统计学分析。

1.5 统计学处理

采用SPSS 22.0 软件进行统计学分析。连续变量资料正态分布的以均数±标准差（）表示，偏态分布的以中位数（最小值、最大值）表示。用Wilcoxon符号秩和检验比较nCRT 前、后TA 参数的差异。用Mann-Whitney U 检验比较pCR 组、非pCR 组间TA 的差异，采用ROC 曲线评价TA 参数预测疗效的诊断效能。对有意义的TA 参数进行Spearman 相关分析，比较与pCR 的相关性。按检验标准α=0.05，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

本研究58 例局部晚期直肠癌患者nCRT 后6～8 周行TME 手术，根据术后病理Dworak TRG 分级得出pCR 组16 例，非pCR 组42 例。患者的一般临床资料见表1。

表1 58 例局部中晚期直肠癌患者的一般临床资料

2.2 nCRT 治疗前与治疗后、pCR 组与非pCR 组的TA参数比较

nCRT 治疗前与治疗后的TA 参数比较中，熵的差异有统计学意义，标准差、偏度、峰度、均匀性和能量的差异无统计学意义（表2）。

pCR 组和非pCR 组纹理TA 参数比较，治疗前标准差、均匀性、能量及熵值差异具有统计学意义，治疗后能量及熵值差异具有统计学意义，其余参数的差异无统计学意义（表3）。以nCRT 治疗前pCR组（图1）和非pCR 组（图2）图为例的TA 图如下。

2.3 TA 参数预测pCR 的诊断效能

对nCRT 治疗前标准差、均匀性、能量、熵以及nCRT 治疗后能量、熵应用ROC 曲线分析（图3，4），计算曲线下面积（AUC），结果见表4。

2.4 TA参数与治疗响应性相关性分析

将以上经检验有统计学意义的各TA 参数与pCR 进行Spearman 相关分析，能量、均匀性与pCR呈正相关，能量越高、均匀性越大，疗效越好；标准差、熵与pCR 呈负相关（表5）。

3 讨论

近30 年来，nCRT 的应用使得直肠癌患者的生活质量有所提高，有16%的患者能够达到pCR，局部复发率可以降低至10%以下[8-9]。nCRT 治疗后有响应的患者相比无响应的患者有更好的无病生存率，因此，尽早对nCRT 疗效做出预测，对以后治疗时机和最佳治疗方案的选择都极为重要。

异质性是恶性肿瘤众所周知的特征，它发生在分子水平，通过影像图像获得的纹理参数可以宏观地反映肿瘤的异质性。TA 是对图像进行后处理，分析、计算图像体素、像素间灰度强度及空间关系来量化肿瘤异质性的方法，能够发现肉眼不能识别的细节信息。常用的TA 方法主要有统计分析、结构分析、模型分析及频谱分析4 种，最常用的是统计分析[10]。统计分析的基本原理是选取不同的统计量，对TA图像的统计特征进行提取。目前针对TA 的研究主要基于CT 图像，基于MRI 的相对较少。本研究以MRI 图像为基础，相比CT 图像有更好的分辨率和软组织对比度，没有辐射，降低了图像噪声的影响，测量更准确，有一定创新性。已有研究表明放射组学的应用有利于综合评价肿瘤的异质性，从而获得对诊断、预后及疗效评价有价值的信息[5]。

表2 nCRT 治疗前与治疗后TA 参数比较（中位数（最小值～最大值））

表3 pCR 组与非pCR 组的TA 纹理比较（中位数（最小值～最大值））

图1 a～1d 男，29 岁，直肠中段腺癌T3N0M0。图1a～1d分别为nCRT 治疗前MRI T2轴位图像、ROI 勾画示意图、术后病理图像和TA 图。MRI显示直肠管壁不均匀增厚，管腔狭窄，浆膜面毛糙，肠管周围未见增大淋巴结。术后病理显示直肠高-中分化腺癌，侵及肌层外纤维组织，局部组织坏死伴大量钙化。Figure 1 a～1d.A 29-years-old male with adenocarcinoma mid-rectal cancer,staging T3N0M0.Figure 1a:Pre-nCRT T2-weighted image,axial MRI image shows the tumour invades through the rectal wall,without enlarged lymph nodes around the intestine wall.Figure 1b:ROI curves were manually drawn along the edges of the tumour on T2-weighted images.Figure 1c:Postoperative pathology image shows high-moderate differentiation of rectal adenocarcinoma invading extramuscular fibrous tissue,besides local tissue necrosis and massive calcification.Figure 1d:TA imaging.

图2 a～2d 男，54 岁，直肠中上段腺癌T3N1M0。图2a～2d 分别为nCRT 治疗前MRI T2 轴位图像、ROI 勾画示意图、术后病理图像和TA 图。MRI显示直肠管壁不均匀增厚，浆膜面毛糙，肠管周围脂肪间隙可见增大淋巴结。术后病理显示直肠中分化腺癌，侵及浆膜下层，伴高级别上皮内瘤变。Figure 2 a～2d.A 54-years-old male with uppermid -rectal adenocarcinoma cancer,staging T3N1M0.Figure 2a:Pre -nCRT T2 -weighted image,axial MRI image shows the tumour invades perirectal fat,with enlarged lymph nodes around.Figure 2b:ROI curves were manually drawn alongthe edges of the tumour on T2-weighted images.Figure 2c:Postoperative pathology image (HE) shows moderate differentiation of rectal adenocarcinoma,invading subserosal layer,with high-grade intraepithelial neoplasia.Figure 2d:TA imaging.

图3 nCRT 治疗前纹理参数评价nCRT 疗效的ROC 曲线。Figure 3.ROC curve for evaluating the efficacy of nCRT by texture parameters before nCRT treatment.

图4 nCRT 治疗后纹理参数评价nCRT 疗效的ROC 曲线。Figure 4.ROC curve for evaluating the efficacy of nCRT by texture parameters after nCRT treatment.

表4 nCRT 治疗前标准差、均匀性、能量、熵以及治疗后能量、熵ROC 曲线分析结果

表5 pCR 与各相关TA 纹理参数间Spearman 相关分析

本研究将传统MRI 图像与TA 参数相结合，以术后病理结果为金标准进行分组比较。TA 参数中标准差反映图像灰度的分散程度，描述灰度直方图曲线相对于均值的相对平滑度；偏度反映图像灰度的起伏分布，描述直方图是否对称；峰度反映图像灰度的反差，描述直方图是聚集在均值附近或接近两端；均匀性反映图像纹理的规则程度及局部均匀性，分布越杂乱无章，均匀性越低；能量反映图像均匀性和纹理粗细程度，局部图像的灰度分布越均匀其值越大；熵测量像素在长度或方向上分布的随机性和均匀性，越随机分布值越大[11]。本研究的结果显示nCRT治疗后能量较治疗前增大，其他参数值减小。pCR组患者nCRT 治疗前的均匀性、能量及治疗后的能量显著高于非pCR 组，而nCRT 治疗前标准差、熵及治疗后熵显著低于非pCR 组。肿瘤的异质性与基因突变、生长因子及微环境等的变化有关。pCR 组患者治疗前病灶瘤细胞致密，血供丰富、乏氧程度轻，较少出现出血、坏死与囊变，治疗后肿瘤细胞消失，仅存反应性纤维组织，MRI 上体现为T2WI 序列中仅有少量低信号纤维组织；而非pCR 组患者治疗前病灶环境复杂度较高，肿瘤细胞分布随意，异质性血管生成导致组织缺氧，造成间质静水压高及酸中毒的肿瘤微环境，较易侵袭，出现出血、坏死等改变，治疗后肿瘤细胞不同程度的残留，表现为较不均匀的纹理特征，MRI 上体现为T2WI 序列中等信号肿瘤组织与低信号纤维、坏死组织的不规则分布[12]。与非pCR 组相比，pCR 组直方图反映的像素总体分布趋势较集中，离散程度较小，峰值较高（图1）；而非pCR 组直方图反映像素总体分布趋势比较分散，离散程度较大，峰值较低（图2）。这一结果与理论一致，即高度侵袭性的肿瘤其异质性高，有一定治疗抗性。Wibmer 等[13]对147 例前列腺癌患者T2WI 图像进行TA 的结果显示癌变组的熵值、不均匀度明显高于非癌变组，这与本研究nCRT 治疗后熵值降低结果对应。Rao 等[14]发现，均匀性和熵是区分化疗后反应良好与反应不良的重要预测因素。还有部分研究认为峰度、偏度可以利用治疗过程中二者的下降程度与治疗反应体现正相关来选择治疗方法[15]，本研究结果显示二者治疗前后差异没有统计学意义，可能是因为本研究没有结合MRI 增强图像进行分析，不能更准确的提供肿瘤的血供、肠壁侵犯深度及清晰显示边缘等情况，会造成一定程度的偏差。De Cecco 等[16]对T2WI图像进行TA发现，pCR组患者治疗前的熵值明显低于非pCR 组，AUC 值为0.907，敏感度和特异度均为100%，而本研究显示治疗前能量是预测pCR 最有效的参数，敏感度、特异度分别为68.8%、90.5%，AUC 为0.807，而熵值的AUC不足0.7，治疗后熵值的敏感度、特异度分别为87.5%、83.3%，AUC 为0.899，这可能与采用的病理分类标准及ROI 勾画方法不同有关。本研究ROI 选取整个病灶总体积，包含的结构相对混杂，另外肿瘤边缘的部分容积效应会导致边界选取的模糊。勾画ROI 时，虽然两名高年资医师达成一致意见，但是很难保证手动操作的结果完全一致，这些因素会对结果产生影响。本研究对有意义的TA 参数进行Spearman 相关分析，得出能量、均匀性与pCR 呈正相关，标准差、熵与pCR 呈负相关，且治疗后TA 参数的相关性强于治疗前。这可能与各参数之间共同的生理或病理机制有关，高能量、高均匀性、低熵都是异质性减低的表现，表现为更均匀的特征，所以解决临床问题时可选择性关注部分参数。但是本研究只选取一阶测量进行分析，没有结合二阶、高阶参数，缺乏像素、体素间位置与空间关系的体现，存在一定局限。因此，今后有必要结合其他TA 特征参数进行研究。

本研究的局限性：①本研究是回顾性研究，且样本量较少，一定程度上造成统计偏倚，需要进行前瞻性、大样本研究；②只利用MR 平扫图像的部分序列，没有结合多序列及增强图像进行对比分析；③仅研究一阶TA 参数，没有进行综合模型分析。

综上所述，直肠癌nCRT 前、后MRI TA 参数一定程度上能够预测其疗效，为临床医生选择最佳治疗方案提供可靠的信息。