超聲影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的價(jià)值

暴珞寧 王瑛 陳東 劉再毅

1南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院（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（廣州510080）；3廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院超聲科（廣州510120）；4昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院（云南省腫瘤醫(yī)院）超聲科（昆明650118）

乳腺癌是全球女性中最常見的癌癥［1］。有腋窩淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的乳腺癌患者的5年生存率不足72%，而無腋窩淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的乳腺癌患者的5年生存率約為82%［2］。因此，鑒別腋窩淋巴結(jié)的良惡性對乳腺癌患者具有重要意義。前哨淋巴結(jié)（sentinel lymph node metastasis，SLN）是乳腺癌發(fā)生淋巴轉(zhuǎn)移所必經(jīng)的第一批淋巴結(jié)，其是否轉(zhuǎn)移決定了乳腺癌患者的手術(shù)方式［3］。現(xiàn)有的生物學(xué)指標(biāo)的準(zhǔn)確性大多尚未得到驗(yàn)證，前哨淋巴結(jié)活檢術(shù)作為臨床判斷有無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的首選方式［4］，但存在精準(zhǔn)定位困難、手術(shù)創(chuàng)傷大等不足［5］，且不適用于有手術(shù)禁忌證或其他不適宜活檢術(shù)者［6-7］。因此，需要一種新的生物學(xué)指標(biāo)來代替這種有創(chuàng)的檢查［8］。近年，通過提取影像圖像的海量特征構(gòu)建影像組學(xué)標(biāo)簽［9］，對多種腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移預(yù)測具有重要的價(jià)值［9-10］。乳腺超聲檢查是乳腺癌患者治療前后常規(guī)進(jìn)行的檢查［11］，具有便捷、無創(chuàng)、可重復(fù)性等優(yōu)勢。筆者推測基于超聲的影像組學(xué)有望在治療前精準(zhǔn)預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)的狀態(tài)。本研究以為臨床提供新的生物學(xué)指標(biāo)為目的，擬開發(fā)超聲影像組學(xué)標(biāo)簽，評價(jià)和驗(yàn)證該標(biāo)簽預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的效能。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 本研究回顧性收集于2020年1-10月經(jīng)我院診治的乳腺癌患者300 例，通過納入與排除標(biāo)準(zhǔn)，最終納入本研究乳腺癌患者194 例。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）單側(cè)乳腺癌患者且無遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移；（2）行前哨淋巴結(jié)活檢術(shù)并有完整的病理診斷結(jié)果；（3）治療前乳腺癌原發(fā)灶超聲圖像完備且病灶清晰可見；（4）臨床資料完備。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）超聲檢查前有過新輔助治療；（2）超聲圖像病灶顯示不清晰。按照患者乳腺超聲檢查時(shí)間的先后順序，將數(shù)據(jù)集分成訓(xùn)練集（n=106）和驗(yàn)證集（n=88），分別用于模型訓(xùn)練和模型驗(yàn)證。本研究的開展已獲得本單位倫理委員會的授權(quán)（倫理編號：No.GDREC 2018349H）。

1.2 超聲影像采集 本研究所納入的患者均使用GE Voluson E9 和Super Sonic Imagine Aixplorer 超聲診斷儀進(jìn)行圖像采集。檢查時(shí)，探頭頻率選擇為4～15 MHz，圖像采集存儲為DICOM 格式。術(shù)前1～ 2 周對患者乳腺進(jìn)行超聲檢查。檢查時(shí)患者體位：仰臥位，雙手置于頭上方，充分呈現(xiàn)雙側(cè)乳房以及腋窩區(qū)。然后對雙側(cè)乳腺進(jìn)行縱向、橫向以及以乳頭為中心的放射狀掃描，并對乳腺病灶區(qū)域進(jìn)行多角度掃查，掃查范圍包括雙側(cè)乳腺及雙側(cè)腋窩。

1.3 影像組學(xué)

1.3.1 腫瘤病灶分割 以手工的方式用Image J 軟件對腫瘤病灶區(qū)域進(jìn)行分割。分割時(shí)，選取病灶邊沿清晰、易識別的圖像，沿腫瘤的邊界（盡可能完全的包含腫瘤）勾畫。由于手工勾畫存在一定的主觀性，為盡可能降低因主觀差異造成的影響，病灶圖像由兩名工作分別滿5年和10年的超聲乳腺診斷醫(yī)生進(jìn)行分別勾畫，分割完病灶后，如果分割圖像存在較大差異，由兩位醫(yī)生討論后決定。腫瘤病灶區(qū)域的勾畫示意圖見圖1。

圖1 乳腺癌超聲影像感興趣區(qū)域勾畫示意圖（乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移患者，56 歲）Fig.1 Schematic diagram of the region of interest in breast cancer ultrasound imaging（A 56?year?old patient with sentinel lymph node metastases from breast cancer）

1.3.2 特征提取 本研究中的超聲影像組學(xué)特征基于python（version3.7）中開源工具包Pyradiomics（version3.0）所提取，總共提取1 130 個(gè)影像組學(xué)特征。特征主要可描述為四類：一階統(tǒng)計(jì)量特征、腫瘤形態(tài)學(xué)特征、紋理特征、小波特征。

1.3.3 特征篩選 為保證后續(xù)模型的穩(wěn)健性，特征篩選僅在訓(xùn)練集上進(jìn)行。特征篩選主要步驟包括：（1）特征可重復(fù)性篩選：針對兩位超聲影像醫(yī)生勾畫的感興趣區(qū)域分別提取影像組學(xué)特征，采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）對特征進(jìn)行檢測，以ICC=0.85 作為閾值，高于該閾值的特征視為重復(fù)性高的特征；（2）特征方差貢獻(xiàn)率篩選：剔除特征中是常數(shù)或者方差極小的特征；（3）最大相關(guān)最小冗余：最大化特征與前哨淋巴結(jié)狀態(tài)之間的相關(guān)性，同時(shí)最小化特征間的相關(guān)性；（4）逐步回歸。

1.3.4 模型構(gòu)建于評價(jià) 經(jīng)上述特征篩選后，最終剩余的特征采用logistic 回歸構(gòu)建乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移預(yù)測模型，首先在訓(xùn)練集上采用受試者工作特征（ROC）曲線下的面積（AUC）、靈敏性、特異性、準(zhǔn)確度、校準(zhǔn)曲線、決策曲線等評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評估，隨后在驗(yàn)證集上展開對模型效能的獨(dú)立評估。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用R 軟件（Version 4.0.3）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Kolmogoro?Smirnov 方法檢驗(yàn)變量的正態(tài)性。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料表示為均值±標(biāo)準(zhǔn)差?？芍貜?fù)性分析采用“psych”包實(shí)現(xiàn)。以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 人口統(tǒng)計(jì)學(xué)資料 本研究納入的194例患者中，91 例發(fā)生前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，年齡31 ～ 79 歲，平均（50.49 ± 10.89）歲；103 例無前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，年齡30～74歲，平均（49.87±9.31）歲。訓(xùn)練集中，51 例發(fā)生前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，平均年齡為（50.06±10.33）歲；驗(yàn)證集中，40 例發(fā)生前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，平均年齡為（50.30±9.80）歲。

2.2 特征篩選 用Pyradiomics 軟件包對每位經(jīng)篩選出來的乳腺癌患者分別提取1 130 個(gè)影像組學(xué)特征。首先，經(jīng)可重復(fù)性ICC=0.85 篩選后，剩余682 個(gè)特征；然后，根據(jù)方差貢獻(xiàn)率情況進(jìn)一步對剩余的特征篩查并剔除292 個(gè)特征，剩余390 個(gè)特征進(jìn)行下一步篩選；其次，利用最大相關(guān)最小冗余對390 個(gè)特征進(jìn)行打分并按得分從高到低進(jìn)行排序，選取其中排前10%的特征（39 個(gè)）；最后，采用逐步回歸分析，對剩余的39 個(gè)特征進(jìn)行篩選，選出6 個(gè)關(guān)鍵影像組學(xué)特征用于構(gòu)建模型。見表1。

表1 篩選出的6 個(gè)關(guān)鍵影像特征Tab.1 Six selected key image features

2.3 模型構(gòu)建與評價(jià) 經(jīng)特征篩選后的6個(gè)關(guān)鍵影像組學(xué)特征在訓(xùn)練集上的AUC 值為0.795（95%CI：0.708 ～ 0.882），驗(yàn)證集上AUC 值為0.784（95%CI：0.688 ～ 0.881），見圖2A 和表2。校準(zhǔn)曲線與箱線圖顯示超聲影像組學(xué)模型在訓(xùn)練組和驗(yàn)證組中，對乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的預(yù)測概率與真實(shí)值一致性好（P=0.985、0.854），見圖2B、C，決策分析曲線顯示超聲影像組學(xué)標(biāo)簽具有一定的臨床實(shí)用性（圖2D）。

表2 超聲影像組學(xué)標(biāo)簽的預(yù)測效能Tab.2 Predictive efficacy of radiomic signature based on the ultrasound imaging

圖2 超聲影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的效能與價(jià)值Fig.2 Predictive efficacy of radiomic signature based on the ultrasound imaging

3 討論

近年影像組學(xué)在超聲影像領(lǐng)域發(fā)展迅速［12］，主要是關(guān)于甲狀腺、肝臟和乳腺等器官的研究，其中乳腺癌方面的研究最多［11，13-14］。此研究結(jié)果表明影像組學(xué)標(biāo)簽可在術(shù)前精確判斷乳腺癌患者是否存在前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。因此，超聲影像組學(xué)標(biāo)簽具有預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的價(jià)值，可為術(shù)前臨床醫(yī)生制定個(gè)體化的手術(shù)方式提供重要參考依據(jù)。在本研究的訓(xùn)練集和驗(yàn)證集中構(gòu)建的超聲影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的AUC 相似，接近0.80，這和前期用影像組學(xué)預(yù)測結(jié)直腸癌和胃癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的研究結(jié)果相似［13-14］。本研究證實(shí)了在腫瘤淋巴結(jié)是否存在轉(zhuǎn)移的判斷中，影像組學(xué)可作為一種無創(chuàng)性的生物學(xué)指標(biāo)參考，并有望廣泛應(yīng)用于臨床。

乳腺癌超聲圖像特征與乳腺癌前哨淋巴結(jié)有無轉(zhuǎn)移的具有相關(guān)性［15］。馬微妹等［16］學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)腋窩淋巴結(jié)在超聲表現(xiàn)上是否存在皮質(zhì)增厚與乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移具有相關(guān)性。本研究也發(fā)現(xiàn)乳腺癌原發(fā)灶的db4.LH_glcm_Idmn 等6 個(gè)超聲影像組學(xué)特征與乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移具有相關(guān)性。這說明乳腺癌的異質(zhì)性可在超聲圖像特征上被反應(yīng)，由此可見超聲圖像特征可用于治療前預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)的轉(zhuǎn)移。

本研究構(gòu)建的超聲影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的效能不低于目前已有的生物學(xué)指標(biāo)［16-18］。MINAMI 等［17］學(xué)者基于常規(guī)的臨床病理學(xué)指標(biāo)（腫瘤大小、腫瘤至乳頭的距離、糖耐量減低）構(gòu)建的列線圖預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)的AUC 為0.65。馬微妹等［16］學(xué)者基于常規(guī)人口學(xué)信息、MRI 表現(xiàn)（腫瘤大小、腫塊邊緣、淋巴結(jié)長徑、淋巴結(jié)短徑、淋巴結(jié)長徑/短徑、淋巴結(jié)邊緣、淋巴結(jié)門、雙側(cè)腋窩淋巴結(jié)對稱性）和腋窩超聲表現(xiàn)構(gòu)建的預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的列線圖的AUC值為0.78。ZHA 等［18］學(xué)者基于超聲圖像的18 個(gè)影像組學(xué)特征構(gòu)建的影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)的AUC 為0.77。超聲影像組學(xué)標(biāo)簽預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)的AUC 為0.78，均高于或等于上述生物學(xué)指標(biāo)。另外本研究的超聲影像組學(xué)標(biāo)簽具有諸多優(yōu)勢，如無創(chuàng)性、可重復(fù)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其更適用于臨床診療。此外，本研究的超聲影像組學(xué)標(biāo)簽是基于6 個(gè)超聲影像組學(xué)特征，較ZHA 等［18］學(xué)者提出的標(biāo)簽更為簡單，更有可能避免過擬合，也有助于在臨床推廣應(yīng)用。

本研究基于乳腺癌原發(fā)灶的常規(guī)超聲圖像構(gòu)建影像組學(xué)標(biāo)簽，用于預(yù)測前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，無需進(jìn)行前哨淋巴結(jié)定位，也可避免因前哨淋巴結(jié)體積過小而無法準(zhǔn)確識別；同時(shí)，影像組學(xué)的定量分析還可避免傳統(tǒng)二維超聲主觀性強(qiáng)的影響，定量性地提取腫塊的圖像特征［19］，避免因活檢取樣區(qū)域局限而不能代表全部腫瘤組織特點(diǎn)等問題［20］，提供腫瘤的全面觀察視角，還能持續(xù)監(jiān)測腫瘤的發(fā)展及其治療療效。此外，本研究構(gòu)建的影像組學(xué)標(biāo)簽在獨(dú)立驗(yàn)證集的預(yù)測效果穩(wěn)定，說明其魯棒性強(qiáng)，有助于今后的推廣和泛化。本研究的局限性在于這是單中心回顧性研究，在今后開展的多中心前瞻性研究中，此研究結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)可為此提供依據(jù)和幫助，有望促進(jìn)超聲影像組學(xué)標(biāo)簽在其驗(yàn)證和優(yōu)化上進(jìn)一步發(fā)展。

綜上所述，基于超聲的影像組學(xué)標(biāo)簽在預(yù)測乳腺癌前哨淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移方面具有重要的價(jià)值，在臨床醫(yī)生對乳腺癌患者制定治療方案及手術(shù)方式中具有一定的指導(dǎo)意義，有望今后在臨床實(shí)踐中發(fā)揮作用。