徐向东 张婉丽，2 梁芳蓉，2 丁文双 刘虔铖 赖胜圣

1 广州市第一人民医院放射科 （广州 510180）

2 华南理工大学医学院 （广州 510006）

3 广州市第一人民医院病理科 （广州 510180）

4 广东食品药品职业学院医疗器械学院 （广州 510520）

原发性肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是全球癌症相关死亡的第四大原因，预后及长期生存情况不佳，部分肝切除术后患者5年复发率高达70%［1-2］。既往研究表明，微血管侵犯（microvascular invasion，MVI）是肝癌切除术后高复发率及低生存率的独立预测因素之一［3-4］。作为识别手术或活检标本中MVI状态的金标准，病理检查受到其有创性、滞后性及取样偏倚性等问题的制约［5-6］。在这样的背景下，新兴的影像组学方法通过挖掘肉眼无法识别的医学影像图像特征，可建立肿瘤相关影像学生物标志物预测模型，为肝癌MVI状态的无创可视化评估提供新视角［7-9］。

然而，现有CT影像组学相关研究大都仅探讨了动态对比增强CT单一期相术前预测MVI的效能，尚无对如何选择最优期相以获得最佳影像组学预测效能的相关报道。此外，由于MVI通常发生于肿瘤-正常肝实质交界处，对于病灶感兴趣区（region of interest，ROI）的选择非常重要，既往大多数研究ROI仅选择HCC肿瘤本身，这可能会丢失瘤周肝实质所隐藏的重要图像特征。因此，本研究拟探讨MSCT四期增强扫描单一/不同期相及不同容积感兴趣区（volume of interest，VOI）选择在基于影像组学方法预测原发性肝细胞癌中MVI的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性收集广州市第一人民医院2017年3月—2019年3月期间经手术病理证实为肝细胞癌的187例患者的临床及影像学资料。纳入标准为：临床及术前MSCT四期增强扫描检查资料完整。排除标准为：（1）术前接受过手术或药物等治疗（n=71）；（2）HCC复发者（n=7）；（3）MSCT检查与手术的时间间隔超过2周（n=6）；（4）经穿刺活检而不是术后标本的组织病理学检查（n=15）。最终88例患者纳入本研究中，其中MVI阳性者47例（男41 例，女6例），年龄24～79岁，平均年龄（54.2±13.4）岁。MVI阴性者41例（男36 例，女5例），年龄26～86岁，平均年龄（58.8±12.3）岁。

收集所有纳入病例的基本临床资料，包括：血清甲胎蛋白（alpha-fetoprotein，α-AFP）水平，肝炎病毒感染病史包括乙型或丙型肝炎血清免疫学检查结果，是否存在肝硬化和临床Child-Pugh分级。

1.2 HCC组织病理学检查

所有HCC手术标本均由我院一名具有14年消化系统病理诊断临床工作经验的病理学家检查完成。根据“7点基线取材”法取材后，对病灶进行MVI检查，其诊断标准为［10］：在显微镜下于内皮细胞衬覆的血管腔内见到癌细胞巢团，以癌旁门静脉分支为主（含包膜内血管），并对MVI进行病理学分级：（1）M0：未发现MVI病灶；（2）M1（低危组）：≤5个MVI，且发生于近癌旁肝组织（距离肿瘤边缘＜1 cm）；（3）M2（高危组）：＞5个MVI，或MVI发生于远癌旁肝组织（距离肿瘤边缘＞1 cm）。当癌旁肝组织内的卫星病灶与MVI难以鉴别时，一致认为是MVI阳性病灶。

1.3 MSCT图像采集

1.3.1 CT扫描设备和扫描参数 采用多层螺旋CT（multi-slice spiral CT，MSCT）扫描获得术前四期增强图像（Toshiba Aquilion One，Siemens Somatom Definition，GE HiSpeed 16，Philips Brilliance 64）。MSCT扫描参数分别是：球管电压为120 kVp，管电流为200 mAs，扫描层厚为5 mm。增强扫描采用高压注射器经肘前静脉注射非离子碘化造影剂（碘普胺，370 mgI/mL，约2.0 mL/kg，最大剂量为180 mL），依次采集MSCT四期增强图像，分别是：动脉早期（P1，注射对比剂后18～25 s）；动脉晚期（P2，注射对比剂后35～40 s）；门静脉期（P3，注射对比剂后50～60 s），和延迟期（P4，注射对比剂后120～250 s）。

1.3.2 感兴趣区的勾画 所有图像均以DICOM格式存储并匿名化处理。两名分别具有5年和16年的放射诊断经验的放射科医师在未知MVI病理结果的情况下，通过ITK-SNAP软件在4期MSCT图像中沿最大肿瘤的边缘逐层勾画，获得瘤体VOI（volume of tumor，Vt），见图1。两位放射科医师勾画VOI的一致性检验通过Dice相似系数进行测量。对于Dice系数大于0.9的病例，取两名医师勾画VOI的交集；对于Dice系数小于0.9的病例，两位医师通过沟通讨论以解决病变边界的差异，直至达成共识。然后使用计算机形态学膨胀算法自动将Vt外扩10 mm，获得瘤体+瘤周VOI（volume of tumor and Volume of peritumor，Vt+Vp），当接触到肝脏边缘、胆管或大的血管（血管内径≥2 mm）时，则触碰点处的VOI膨胀程序停止，而其他位置的膨胀程序照常进行。

1.4 影像组学特征提取和模型建立

使用公开获取的python软件包Pyradiomics从每个VOI中提取影像组学特征，包括一阶特征、直方图特征和纹理特征共94个。由于Vt自动外扩受限于人为所设定的外扩边界，故未对Vt+Vp提取形态学特征。随后，采用15种特征选择方法和10种分类器建立150个（15×10）预测模型。对四期增强图像的不同VOI进行特征提取、合并且应用于模型之中，得到不同的组合，并采用十折交叉检验验证模型效能。模型的预测性能通过受试者工作特性（receiver operating characteristic，ROC）曲线下面积（area under the curve，AUC），准确度（accuracy，ACC），灵敏度（sensitivity，SEN）和特异度（specificity，SPE）进行量化评估。通过比较最大AUC值确定用于预测MVI状态的MSCT的最佳期相和最佳VOI，并通过十折交叉验证以确定性能最优的前三个预测模型。

1.5 统计学分析

所有统计分析均使用SPSS 25.0软件和Python 3.6.2进行分析。计量资料符合正态分布的以均数±标准差表示，2组之间比较采用两独立样本t检验；计数资料以百分比表示，组间比较采用卡方检验、校正卡方检验或者Fisher精确概率法检验；双向P＜0.05被认为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 患者临床基本数据特征

本研究由符合纳入标准的47例MVI阳性和41例MVI阴性的患者组成，MVI阳性的发生率为53.4%。年龄在2组之间具有统计学差异，MVI阴性者年龄稍偏大，而在性别，肝硬化，肝炎病毒感染病史，血清AFP水平和Child-Pugh分级指标中，MVI阳性组和MVI阴性组均无统计学差异（P＞0.05），见表1。

表1 MVI阳性组和阴性组患者临床基本特征±s，n（%）

表1 MVI阳性组和阴性组患者临床基本特征±s，n（%）

注：HBV：乙型肝炎病毒；HCV丙型肝炎病毒。a表示采用的独立样本t检验。

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2.2 影像组学分析结果

将从Vt或Vt+Vp中提取的特征分别应用于150个预测模型中。表2总结了基于Vt和Vt+Vp在MSCT所有期相及其组合中模型的诊断效能对比。结果显示，在MSCT扫描的四个期相中，两种VOI门静脉期的最大AUC值（0.768 和 0.782）及准确度（0.728 和 0.728）均明显高于其他三个单一期相或其期相的组合，表明基于门静脉期的特征对于显示肝细胞癌MVI的状态具有最优的预测能力。此外，见图2，基于Vt+Vp的模型在所有期相中的最大AUC值几乎均高于Vt（除外P3&4、P1&3&4），而相应的准确度、敏感度、特异度也大多比Vt的更高，显示出更好的预测能力（表2所示）。为此，本研究对比了在门静脉期中不同VOI的性能最优的前三个模型的预测效能，见表3，模型基于Vt+Vp均具有更高的AUC值，其中随机森林（Random Forest，RF）分类算法在两种VOI中均显示出较好的预测效能，表明Vt+Vp的特征对于显示肝细胞癌MVI的状态更全面。

表2 不同VOI在MSCT四期增强图像及各期相组合中的预测性能对比

表3 门静脉期中不同VOI的性能最优的前三个模型的预测效能对比

图2 不同VOI 在15 个MSCT 期相及期相组合中预测性能的最大AUC 值

3 讨 论

MVI是指在显微镜下于门静脉、肝静脉、大的囊状血管或由内皮细胞衬覆的血管间隙中发现肿瘤细胞，以癌旁门静脉分支侵犯最为多见，MVI常与HCC的瘤周门静脉小分支沟通而形成肝癌的转移途径［10］。作为HCC的独立预后因素，MVI为HCC患者治疗策略的制定提供了重要的参考价值，若能在术前明确诊断MVI的状态，不仅可指导外科手术医生对病灶切缘范围的评估，保证残肝的足够肝功能，且对监测术后复发、评估远处转移及辅助治疗方案的选择都具有重要的意义［1，4］。术前穿刺活检的不确定性、有创性及存在种植转移的风险，使其广泛应用受限。而临床常用的医学影像技术联合新兴的影像组学方法有望为HCC患者的个体化治疗提供更多的指导价值。

MSCT由于其扫描速度快、覆盖面积大、获得的图像丰富，在临床上已广泛应用。既往对MVI术前预测的研究多是基于MSCT的单个（或两个）期相进行的，尤其是动脉晚期和门静脉期［11-12］，期相不全的研究可能会因为忽略了其他期相隐含的相关征象而低估MVI的预测性能。因此本研究尝试性探讨了MSCT的四期增强扫描图像以及期相所有组合的影像组学特征对MVI的预测效能，结果表明门静脉期对预测MVI起最重要的作用。孙等在研究MSCT表现与MVI的关系中发现MVI阳性组和阴性组的动脉期CT值、延迟期 CT值比较无统计学差异，而MVI阳性组的门静脉期CT值显著高于无MVI组［13］，证明了门静脉期的CT表现更能作为MVI的预测指标。Matsui等［14］的研究揭示了MVI阳性的病灶周围有丰富的肿瘤引流血管，在CT肝动脉造影和肝动脉-门静脉造影中呈现瘤周放射状强化，认为瘤周出现了异常的血流灌注。Nishie等［15］报道MVI阳性的HCC病灶比MVI阴性者具有更大的瘤周强化区域，提示MVI阳性病灶更有可能存在微小门静脉侵犯，这与MVI多发生于门静脉的小分支中的病理特点相符，证实了MVI的阳性征象容易在门静脉期被发现。Ma等［16］进一步通过研究HCC患者的动态增强CT的影像组学以术前预测MVI，发现门静脉期影像组学特征表现出比动脉期和延迟期更好的预测性能，得到最高的AUC值为0.79。这也与本研究得到门静脉期预测MVI为最优期相的结果相符。因此，MVI的病理特点决定了MSCT上门静脉期存在更多的相关征象，在临床工作中，建议放射科诊断医师更多地关注门静脉期的影像征象，可能有助于HCC中MVI的阳性发现。

此外，本研究结果显示，Vt中动脉早期的AUC值最低，而Vt+Vp中，动脉早期联合延迟期（P1&4）的AUC值最低，因此本研究认为动脉早期对预测MVI的贡献非常有限。MSCT四期增强扫描可在一次注射对比剂后依次获得肝脏双动脉期（动脉早期和动脉晚期）、门静脉期和平衡期，一定程度上可反映肿瘤的血流动力学变化。既往多数研究表明，MSCT四期增强扫描在肝癌检出率、肝脏良恶性病灶鉴别、肝癌病理分化程度上有一定的临床意义，且多数研究表明其中的动脉晚期的各项诊断性能比动脉早期优越。如江新青等［17］利用多层螺旋CT双动脉期与门静脉期增强扫描对原发性肝癌病灶检出的研究中发现，动脉晚期病灶总体检出的敏感性比动脉早期明显要高（99.6%vs89.6%），具有显著的统计学差异。Pozzi等［18］通过MSCT动脉早期、动脉晚期及双动脉期对111个HCC病灶进行识别中发现，双动脉期对病灶检出的性能最好，平均敏感度和阳性预测值为94.1% 和 95.1%，但是双动脉期的敏感度与动脉晚期相比并没有显著的统计学差异。又如汪银玉等［19］对肝癌在16层螺旋CT动脉增强三期的强化特点及临床应用价值分析中发现，病灶在动脉早期的CT值与平扫并无统计学差异，而动脉晚期肿瘤整体强化较佳。因此，动脉早期在HCC相关研究的作用非常有限。到目前为止，并没有相关研究讨论并分析了MSCT双动脉期对HCC MVI的预测效能，而本研究结果表明，门静脉期的作用最佳，而动脉早期对MVI的预测效能甚微。国内外指南说明，具有典型HCC影像学特征的肝占位性病变，若同时符合HCC临床诊断标准的患者，可通过CT或磁共振成像（MRI）直接诊断［10，20］。我国2022年版原发性肝癌诊疗指南中亦指出：用于诊断HCC的CT/MRI的动态增强三期包括仅包括动脉晚期（通常注射对比剂后约35 s）、门静脉期（通常注射对比剂后60～90 s）和延迟期（通常注射对比剂后约3 min）［10，20］，并没有强调动脉早期的必要性。因此，笔者建议在HCC的常规增强CT检查中可以无需进行动脉早期的扫描，以减少患者的辐射剂量。

病理检查表明MVI发生于癌旁肝组织，因此，影像上的瘤周区域对于MVI状态的评估相当重要。既往研究报道了常规动态增强CT/MR成像提示MVI阳性的常见表现如病灶包膜不完整、肿瘤边缘不光滑、动脉期瘤周强化以及MRI中使用肝胆特异性对比剂时肝胆排泄期瘤周低信号等，都是肉眼可识别的于瘤周区域呈现的影像学特征［21-22］。Chou等［23］通过影像与病理结果一一对照，证实了HCC中提示肿瘤边缘不光滑的影像征象如结节外延伸、多结节融合或浸润性的肿瘤边缘都存在MVI阳性病灶。既往文献报道，影像组学方法可挖掘肉眼无法识别的图像征象，进一步提高术前无创性预测HCC MVI状态的性能［9］。如Xu等［24］通过分别提取并比较肿瘤整体（VOIentire）、肿瘤内部50%（VOI 50%）和邻近肿瘤表面的5 mm的环形区域（VOIpenumbra）的影像组学特征，发现从VOIentire和VOIpenumbra提取的影像组学特征在MVI预测性能中优于VOI 50%，获得最高的AUC值在训练/验证集中分别为0.841和0.829，然而，该研究并没有进一步分析和比较 VOIentire+ VOIpenumbra这一组合。Feng等［25］的研究则采用了这一组合作为研究对象，其通过在 Gd-EOB-DTPA 增强MRI图上勾画瘤体和瘤体+瘤周10 mm区域两种ROI，从肝胆排泄期中提取影像组学特征以构建预测MVI的影像组学模型，得到瘤体联合瘤周10 mm的ROI性能最好，其在训练集和验证集的AUC值分别为0.85和0.83。本研究结果也表明Vt+Vp预测HCC MVI状态的AUC值最高，提示此区域具有更多的提示MVI的相关信息，这与既往报道一致。因此，笔者建议放射科医生在临床工作中需多留意门静脉期HCC瘤周影像学异常征象可能有助于发现病灶MVI存在与否。

本研究存在一些不可避免的局限性：首先这是一项回顾性和单中心研究，且样本量相对较小，这是因为MSCT四期增强扫描被要求纳入动脉早期成像，这在很多当地医疗机构中未采用相同的扫描方案，难以符合纳入标准，笔者后续会进一步扩充样本量以更严谨地验证本研究结果。其次，本研究采用的是人工勾画VOI的方式，除了耗费大量人力和时间外，病灶的准确性和完整性未得到充分的肯定。但是本研究仅仅是Vt需要人工勾画，而Vt+Vp是在Vt的基础上通过计算机算法自动重建的，在一定程度上减轻了研究者的工作量，后续也会进一步探讨对病灶行半自动或全自动分割策略下与本研究结果的一致性，以期证实本研究结果的可重复性。

综上所述，本研究结果初步表明了基于Vt+Vp建立的影像组学模型在预测HCC MVI状态中表现优于Vt，基于MSCT增强扫描的门静脉期的模型比其他单一期相或多期相组合表现更佳。临床工作中放射科诊断医师更多关注门静脉期中Vt+Vp这一区域的影像学细节或异常征象可有助于对MVI状态进行评估。