黎 嬌 ，吳 磊, ，劉再毅，劉春玲，楊曉君，劉維肖，葉維韜，梁長虹

1.南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510515；

2.廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）放射科，廣東 廣州 510080；

3.華南理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510006

乳腺癌是全球女性最常見的惡性腫瘤，位列世界女性腫瘤發(fā)病率及女性癌癥相關(guān)死亡率的第1位，并且其在世界范圍內(nèi)的發(fā)病率仍呈上升趨勢，到2019年預(yù)估有268 600例新增患者和41 760例死亡患者［1］。隨著精準醫(yī)療的日益普及，腫瘤生物標志物檢測在指導(dǎo)臨床治療中發(fā)揮著越來越重要的作用。美國臨床腫瘤協(xié)會（American Society of Clinical Oncology，ASCO）指南提出乳腺癌生物標志物可用于臨床診斷、預(yù)測預(yù)后，以及監(jiān)測乳腺癌的復(fù)發(fā)或進展［2］。其中Ki-67增殖指數(shù)（Ki-67標記指數(shù)），作為一種細胞增殖標志物［3］，被認為是一項有價值的預(yù)后指標。有研究表明，Ki-67在乳腺癌診斷、指導(dǎo)治療方案選擇、預(yù)后判斷、預(yù)測復(fù)發(fā)風(fēng)險，甚至在判斷新輔助化療效果等方面都有重要的價值［4-7］，Ellis等［4］的研究提出，Ki-67增殖指數(shù)可作為乳腺癌新輔助芳香化酶抑制劑治療期間和治療后化療決策的工具；Viale等［6］的研究指出，Ki-67增殖指數(shù)高與不良預(yù)后相關(guān)，對于Ki-67增殖指數(shù)高的患者，選擇來曲唑進行內(nèi)分泌治療較他莫昔芬更能獲益。另外Dowsett等［8］的研究數(shù)據(jù)表明，在乳腺癌短期內(nèi)分泌治療后測量腫瘤Ki-67增殖指數(shù)，通過將基線水平與治療后水平的變化結(jié)合分析，可以改善對無復(fù)發(fā)生存期的預(yù)測。這使得早期檢測乳腺癌Ki-67增殖指數(shù)對個性化治療至關(guān)重要。目前Ki-67增殖指數(shù)狀況主要通過活組織標本免疫組織化學(xué)檢測獲得，為有創(chuàng)檢查，且因忽略了腫瘤異質(zhì)性，其準確率常受抽樣誤差的影響［9］。相比之下，影像學(xué)檢查一方面能無創(chuàng)地全面分析腫瘤的整體特征，另一方面能進行多次動態(tài)評價。影像組學(xué)采用高通量和自動化計算方法將醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有特征空間的定量化數(shù)據(jù)，并進行精準定量化分析，提取特征用于建立模型，對指導(dǎo)臨床個性化診斷及治療有重大意義［10］。已有學(xué)者利用影像組學(xué)預(yù)測乳腺癌分子標志物的表達，且取得一定成果［11］。

美國國立綜合癌癥網(wǎng)絡(luò)（National Comprehensive Cancer Network，NCCN）指南建議將胸部CT增強掃描用于乳腺癌術(shù)前分期評估，現(xiàn)已被列入乳腺癌患者術(shù)前常規(guī)檢查之一，其主要目的是用于輔助臨床分期。相對于X線、超聲及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）檢查，CT掃描在乳腺癌的診斷、評估方面并不具備優(yōu)勢，但隨著影像組學(xué)的快速發(fā)展，已有研究表明，基于術(shù)前分期CT的影像組學(xué)標簽可較好地鑒別乳腺癌分子分型［12］。因此基于術(shù)前分期CT的影像組學(xué)標簽亦有望無創(chuàng)性地預(yù)測Ki-67增殖指數(shù)，進一步挖掘乳腺癌術(shù)前常規(guī)CT增強掃描在輔助臨床分期之外的附加價值，可為臨床治療決策提供參考。

本研究旨在不額外增加患者輻射劑量和經(jīng)濟負擔(dān)的前提下，基于影像組學(xué)的方法，進一步挖掘乳腺癌術(shù)前分期CT圖像所蘊含的信息，探討基于術(shù)前分期CT影像組學(xué)標簽對乳腺癌患者Ki-67增殖指數(shù)無創(chuàng)預(yù)測的附加價值。

1 資料和方法

1.1 臨床資料

本研究經(jīng)廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）倫理委員會批準，并免除知情同意要求。收集2016年5月—2017年12月于廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）病理學(xué)檢查證實的浸潤性乳腺癌患者245例，均為女性，年齡25～78歲。納入標準：① 經(jīng)手術(shù)和（或）活檢組織病理學(xué)檢查證實的乳腺癌；② 在新輔助化療或術(shù)前1個月內(nèi)進行CT增強掃描檢查；③ 有Ki-67增殖指數(shù)結(jié)果。排除標準：① 病灶顯示不清或表現(xiàn)為非腫塊樣強化而難以勾畫；② 特殊類型乳腺癌。③沒有進行免疫組織化學(xué)檢查或無Ki-67增殖指數(shù)結(jié)果。將患者按檢查時間順序分為訓(xùn)練組（145例，2016年5月—2017年5月）和驗證組（100例，2017年6月—2017年12月）。

1.2 Ki-67增殖指數(shù)判定標準

Ki-67評分記錄為染色陽性的惡性細胞百分比，根據(jù)St.Gallen國際專家共識［13］，Ki-67增殖指數(shù)判定標準如下：Ki-67≥14%，則記為陽性；＜14%，則記為陰性。

1.3 儀器與方法

所有患者術(shù)前均在廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）行胸部CT增強掃描檢查。C T圖像來自不同的C T掃描儀，包括荷蘭Philips公司的Brilliance iCT 256，美國GE公司的LightSpeed Ultra 8、LightSpeed VCT，德國Siemens公司的Somatom Definition Flash。CT圖像掃描參數(shù)如下：管電壓為120 kV；管電流為130 mA；Brilliance iCT 256、LightSpeed Ultra 8和LightSpeed VCT的旋轉(zhuǎn)時間為0.5 s；SOMATOM Definition Flash的旋轉(zhuǎn)時間為0.28 s；視場角（field of view，F(xiàn)OV）為350 mm×350 mm；矩陣為512×512；重建厚度為1.0或1.25 mm。CT掃描方案如下：先行常規(guī)CT掃描，采集平掃CT圖像；后進行CT增強掃描，靜脈注射按1.5 mL/kg計算的碘造影劑（碘普羅胺注射液，商品名優(yōu)維顯），注射速度為3.5 mL/s；分別于18、35 s延遲后采集肺動脈期、主動脈期CT圖像。

1.4 圖像處理

1.4.1 感興趣區(qū)（region of interest，ROI）的勾畫

采用itk-SNAP（http://www.itksnap.org）軟件，由1名有8年乳腺影像診斷經(jīng)驗的高年資放射醫(yī)師（醫(yī)師1）勾畫腫瘤ROI（圖1），選取主動脈期圖像，注意避開腫瘤壞死、鈣化、氣體等部分，勾畫腫瘤全層ROI，構(gòu)建腫瘤瘤體感興趣體積（volume of interest，VOI）。另外在訓(xùn)練組隨機抽取30例患者，由另1名有6年乳腺影像診斷經(jīng)驗的放射科醫(yī)師（醫(yī)師2）重新勾畫ROI，以評估測量者間的一致性。

1.4.2 影像組學(xué)特征提取

圖1 乳腺癌ROI勾畫示意圖

基于美國Mathworks公司的MATLAB2016a軟件進行影像分析，采用最小-最大標準化方法標準化主動脈期CT圖像，將所有像素強度值轉(zhuǎn)換為1～100的整數(shù)強度值，然后提取包括一階統(tǒng)計量特征、形態(tài)學(xué)特征、紋理特征及小波特征在內(nèi)的四大類特征，總計6 601個特征。

1.4.3 影像組學(xué)特征篩選、標簽構(gòu)建

首先，應(yīng)用組間相關(guān)系數(shù)（interclass correlation coefficient，ICC）評估所提取影像組學(xué)特征的觀察者間一致性。認為ICC＞0.75表示一致性良好，可視為重復(fù)性高的特征，選擇ICC＞0.75的特征進行下一步分析；接下來，采用基于C-statistics的方法對所選擇的特征進行預(yù)測效能的評估，進一步篩選出具有預(yù)測價值的特征。其中C-statistics＞0.55的特征被視為有效的預(yù)測變量。然后，利用mRMR算法來選擇非冗余和高顯著的特征集合，mRMR算法使用相互信息準則來過濾特征，同時使用10倍交叉驗證確定構(gòu)建預(yù)測模型的關(guān)鍵特征的數(shù)量，對篩選的影像組學(xué)特征進行評分，由高到低排序，選擇前10%的特征。最后，應(yīng)用Boruta算法，確定最終的關(guān)鍵特征，利用logistic回歸構(gòu)建影像組學(xué)標簽。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行處理。對于患者的臨床病理學(xué)資料，符合正態(tài)分布的計量資料以均數(shù)表示，不符合正態(tài)分布的計量資料以中位數(shù)（上下四分位數(shù)）表示。根據(jù)數(shù)據(jù)類型分別采用獨立樣本t檢驗、χ2檢驗或者Mann-Whitney U檢驗進行分析。

采用R軟件3.5.2版（http://www.r-project.org）中的“caret”、“mRMRe”和“Boruta”軟件包進行分析，篩選基于主動脈期VOI提取的影像組學(xué)特征構(gòu)建模型；使用“pROC”軟件包繪制受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線，評估基于CT的影像組學(xué)標簽預(yù)測Ki-67增殖指數(shù)的效能，計算曲線下面積（area under curve，AUC）、靈敏度、特異度、準確率、陽性預(yù)測值（positive predictive value，PPV）和陰性預(yù)測值（negative predictive value，NPV），并將訓(xùn)練組中鑒別Ki-67增殖指數(shù)的閾值用于驗證組，進一步驗證預(yù)測模型的性能。為了評估模型預(yù)測值分布的偏差，采用“rms”、“rmda”軟件繪制校準曲線；使用決策曲線分析探究患者如何從預(yù)測模型中獲益，并通過量化不同閾值概率下的標準凈收益來評估預(yù)測模型的臨床實用性和穩(wěn)健性。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 臨床病理學(xué)資料

訓(xùn)練組平均年齡為（51.2±10.3）歲，驗證組（50.2±10.2）歲，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t=0.698，P=0.486）。根據(jù)免疫組織化學(xué)結(jié)果，Ki-67≥14%，記為陽性；＜14%，則記為陰性。訓(xùn)練組中Ki-67增殖指數(shù)記為陽性為103例，記為陰性為42例；驗證組中Ki-67增殖指數(shù)陽性為65例，記為陰性為35例；兩亞組間Ki-67增殖指數(shù)差異無統(tǒng)計學(xué)意義（χ2=0.740，P=0.390，表1）。

表1 乳腺癌患者的臨床資料及病理學(xué)檢查結(jié)果分析

2.2 影像組學(xué)特征選擇與標簽構(gòu)建

提取標化后特征共6 601個，選出ICC＞0.75的特征2 374個；經(jīng)過計算C-statistic后選出138個具有預(yù)測價值的特征（0.550＜C-statistic＜0.674）；應(yīng)用mRMR算法及Boruta算法最終篩選出8個影像組學(xué)特征，構(gòu)建logistic回歸模型（圖2）。

圖2 以Borutas算法篩選影像組學(xué)特征

2.3 影像組學(xué)標簽的預(yù)測效能

本研究建立的影像組學(xué)標簽對Ki-67增殖指數(shù)具有較好的預(yù)測效能。ROC曲線結(jié)果顯示，基于術(shù)前分期CT影像組學(xué)標簽在訓(xùn)練組中預(yù)測Ki-67增殖指數(shù)AUC為0.782（95% CI：0.691～0.874），閾值0.63，將該閾值用于驗證組，預(yù)測Ki-67增殖指數(shù)AUC為0.781（95% CI：0.686～0.876）。見表2、圖3。

在訓(xùn)練組和驗證組中，Ki-67增殖指數(shù)預(yù)測概率的影像組學(xué)標簽校準曲線顯示，預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果具有良好的一致性（圖4）。

影像組學(xué)標簽的決策曲線分析見圖5。結(jié)果表明，在訓(xùn)練組和驗證組中，當閾值概率分別大于0.33和0.03時，使用基于術(shù)前分期增強CT的影像組學(xué)標簽預(yù)測Ki-67增殖指數(shù)的凈收益大于將所有患者均分為陽性或陰性。

表2 影像組學(xué)標簽?zāi)Ｐ皖A(yù)測Ki-67增殖指數(shù)的診斷性能分析

圖3 影像組學(xué)標簽?zāi)Ｐ皖A(yù)測Ki-67增殖水平的ROC曲線

圖4 影像組學(xué)標簽校準曲線

圖5 影像組學(xué)標簽的決策曲線

3 討 論

本研究結(jié)果表明基于影像組學(xué)的方法可進一步挖掘術(shù)前分期CT圖像所蘊含的信息，構(gòu)建的影像組學(xué)標簽可在術(shù)前無創(chuàng)預(yù)測乳腺癌Ki-67增殖指數(shù)，同時未額外增加患者的輻射劑量和經(jīng)濟負擔(dān)，具有附加的臨床價值，所構(gòu)建的預(yù)測模型顯示出較好的預(yù)測效能，在訓(xùn)練組和驗證組AUC分別可達0.782、0.781。

乳腺癌作為一種高度異質(zhì)性腫瘤，在腫瘤細胞起源、組織學(xué)形態(tài)、遠處轉(zhuǎn)移潛能、臨床分級分期、療效及預(yù)后等方面都有極大的復(fù)雜性和異質(zhì)性［14］。精準醫(yī)療強調(diào)個體化治療的重要性，不僅依賴于發(fā)現(xiàn)可識別的治療靶點，而且依賴于用可靠的、非侵入性的方法來識別這些靶點隨時間推移而發(fā)生的動態(tài)變化［15］。Ki-67所識別的增殖期細胞核內(nèi)相關(guān)抗原主要參與細胞增殖過程，研究表明其在細胞周期不同階段存在差異，這種差異與腫瘤生長動力學(xué)的異質(zhì)性有關(guān)［7，16］，因此Ki-67增殖指數(shù)可反映乳腺癌患者的腫瘤增殖情況。乳腺癌不同區(qū)域的Ki-67增殖指數(shù)范圍為1%～90%，使得評估整個腫瘤對準確獲得Ki-67增殖指數(shù)尤為重要［17］。目前臨床上對Ki-67增殖指數(shù)的常規(guī)測量方法是侵入性的，即通過對活檢或者手術(shù)后的取材標本行免疫組織化學(xué)檢查，活檢一方面有創(chuàng)，同時也難以全面地反應(yīng)腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性，且Ki-67增殖指數(shù)在乳腺癌患者的病程中是動態(tài)變化的［18］，這使得活檢測量的方法無法便捷、有效地獲取其值。影像學(xué)方法無創(chuàng)、簡便，已成為乳腺癌的重要檢查手段，且近年來，隨著在圖像處理（分類、檢測及分割等）方面取得顯著成功，影像組學(xué)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的一個研究熱點，目前已有研究表明乳腺癌MRI、PET/CT、乳腺X線攝影影像特征與Ki-67增殖指數(shù)有一定相關(guān)性，例如Liang等［19］應(yīng)用影像組學(xué)方法，建立了基于乳腺癌T2WI圖像的放射學(xué)分類器，可在術(shù)前對乳腺癌Ki-67增殖指數(shù)較好地進行分類，其AUC在訓(xùn)練組和驗證組分別為0.762和0.740，本研究所建立的影像組學(xué)標簽亦展示出良好的分類能力，在驗證組中AUC可達0.781；Mori等［20］的研究表明基于平均表觀擴散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）的影像組學(xué)特征對Ki-67增殖指數(shù)具有高度預(yù)測性（AUC為0.810），但是納入樣本量較小（86例）且未進行驗證；在唐明燈等［21］的研究中發(fā)現(xiàn)18F-FDG攝取與腫瘤細胞增殖呈中度正相關(guān)。這些研究成果均表明通過影像學(xué)特征鑒定乳腺癌Ki-67增殖指數(shù)具有巨大的潛在臨床價值。在本研究中，我們分析了直接從術(shù)前分期CT圖像中提取的影像特征，并構(gòu)建了一個影像組學(xué)標簽，驗證組的AUC為0.781，在預(yù)測Ki-67增殖指數(shù)方面表現(xiàn)良好。

在以往的大多數(shù)研究中，Ki-67增殖指數(shù)的預(yù)測是基于MRI圖像。而本研究以乳腺癌術(shù)前分期CT圖像為研究重點，術(shù)前分期CT成像在乳腺癌的管理中起著重要的作用，不僅可評估病變的范圍，還可評估皮膚、胸壁、區(qū)域淋巴結(jié)（腋窩、內(nèi)乳、鎖骨上淋巴結(jié)等）、遠處器官及骨轉(zhuǎn)移情況，為進一步治療提供系統(tǒng)的臨床分期依據(jù)。此外，CT掃描較MRI掃描耗時短，費用也較低，即使是在基層醫(yī)院亦可得到普及。乳腺癌術(shù)前分期CT所蘊含的影像信息有望為早期預(yù)測乳腺癌Ki-67增殖指數(shù)提供有效的補充信息。本研究構(gòu)建的基于增強CT影像組學(xué)分類器在預(yù)測乳腺癌Ki-67增殖指數(shù)方面有較滿意的效能，在訓(xùn)練組和驗證組AUC分別達0.782、0.781。這表明基于增強CT影像組學(xué)的方法術(shù)前預(yù)測浸潤性乳腺癌的Ki-67增殖指數(shù)同樣具有較高的可行性，可提供有效的補充信息，有利于在治療前輔助臨床決策，從而有助于乳腺癌患者的個體化治療。

本研究的創(chuàng)新點在于探索性地挖掘乳腺癌蘊含在術(shù)前分期CT中的影像組學(xué)特征，構(gòu)建預(yù)測模型術(shù)前預(yù)測乳腺癌Ki-67增殖指數(shù)，同時并不會增加患者的輻射劑量及經(jīng)濟負擔(dān)，因此可為常規(guī)檢查帶來額外的臨床價值。當然本研究也有一些不足之處，首先本研究為單中心研究，沒有外部驗證進行支持，多中心研究已經(jīng)納入了下一步的研究計劃；另外，本研究僅基于主動脈期的CT圖像進行分析，主要原因在于主動脈期病灶的顯示最為清晰，有利于ROI的勾畫，從而避開其他組織對結(jié)果的影響，今后希望進一步探討結(jié)合動態(tài)多期圖像是否能提高對Ki-67增殖指數(shù)的預(yù)測效能。

總之，本研究提出基于分期CT的影像組學(xué)標簽在術(shù)前預(yù)測乳腺癌Ki-67增殖指數(shù)方面具有良好的預(yù)測效能。