[研究背景]在我国,结直肠癌（colorectal cancer, CRC）是常见的消化系统恶性肿瘤,其发病率位于恶性肿瘤第5位；死亡率位居癌症相关死亡的第5位。结直肠癌肝转移（colorectal liver metastases, CRLMs）是结直肠癌最常见的血行转移,亦是病人最主要的死亡原因；其中约15%-25%的结直肠癌病人在原发灶确诊时即合并同时性肝转移（synchronous colorectal liver metastases, sCRLMs）。结直肠癌合并同时性肝转移患者的治疗方式与不合并肝转移患者的治疗方式有显著不同。结直肠癌原发灶以及肝转移灶的手术切除是目前sCRLMs患者唯一可提高治愈率以获得长期生存的关键治疗手段,联合术后的辅助治疗,患者5年生存率最高可达62%。因此,结直肠癌诊断时是否合并同时性肝转移灶是影响其治疗方案的关键因素,合并的肝转移灶的检测可为临床制定合理的个体化治疗方案提供重要的科学依据。目前,诊断结直肠癌肝转移的一种较为广泛采用的方法是癌胚抗原的测定,但其并非结直肠癌特异性抗原,在临床诊断中不能将其作为诊断早期结直肠癌的指标。目前文献报道的可提示结直肠癌合并肝转移的指标包括结直肠癌原发灶的病理分级、组织类型、淋巴结转移、肠壁侵袭、肿瘤标志物水平等多种因素但上述指标多为有创、术后获取指标,对于结直肠癌确诊时合并的肝转移预测仍缺乏方便而全面的术前生物标志。CT （Computed Tomography）作为一种非侵入性成像工具,是结直肠癌患者术前评估的首选影像学辅助检查手段。CT在结直肠癌的肝转移的诊断中有广泛的应用,能够客观且全面的对肝转移灶情况进行了解；其中平扫CT检查可描述病灶为实性或囊性及有无钙化；增强CT扫描可进一步反映病灶的血供特点,对其大小、范围的显示更客观。但无论是平扫CT还是增强CT,对于远处转移（M分期）情况,单纯基于原发灶的传统CT影像评估难以预测；且对于直径10mm以下的病灶难以显示的同时,大小小于10mm的转移瘤很难与小血管瘤和囊肿区分。另外,CT影像的这种依赖于经验性的常规分析方式可用于评估肿瘤的结构特征,但不能描绘肿瘤内功能或分子的细节。近年来计算机硬件及软件技术的发展极大地促进了图像纹理分析在医学领域的应用。纹理分析则是一种用于评估图像像素灰度值局部特征、像素灰度值变化规律及其分布模式的技术,不同方式提取得到的不同纹理特征可反映不同的生理或病理信息。相对于简单的基于整个感兴趣区域的定性参数（如肿瘤形态分叶、边界不清等）,纹理分析可更全面地反映感兴趣区域内的生理异质性,可被应用于多种医学成像图像以辅助疾病诊疗。这些纹理特征是“可测量和可量化的、可作为健康或生理相关情况（如疾病风险评估,疾病诊断,代谢过程）评价指标的生物学参数”,有作为影像生物标志（Imaging Biomarkers）的潜能。其中基于CT图像提取的灰度直方图及灰度共生矩阵（Gray-level Co-occurrence Matrix,GLCM）类别的多种纹理特征与肿瘤分期,代谢,缺氧,及血管生成相关,在病变的检出、定性、疗效评估方面显示出巨大的潜能。纹理分析在结直肠癌中的应用亦有少量文献报道。研究发现,门脉期肝脏实质CT图像纹理分析较之CT灌注图像可更好地预测结直肠癌患者的生存,这提示不同预后的结直肠癌患者肝组织微观环境不同。反之,基于结直肠癌原发灶的纹理分析建立影像生物标志,是否可检测患者诊断时合并的同时性结直肠癌肝脏转移是值得探讨的议题。研究目的1.建立基于原发病灶纹理特征的可检测结直肠癌同时性肝转移的影像生物标志。2.建立基于影像生物标志的可检测结直肠癌同时性肝转移的临床-影像模型。材料与方法1.病例收集本研究通过了广东省人民医院（广东省医学科学院）伦理委员会的批准（批准号：GDREC2012020H）。回顾性收集广东省人民医院（广东省医学科学院）2007年1月至2012年4月之间经手术切除或活检病理确诊为结直肠癌病例,从其中筛选结直肠癌确诊时合并肝转移患者；并以样本量（1：1）配比筛选结直肠癌确诊时无伴肝转移患者。结直肠癌确诊时合并同时性肝转移患者的纳入与排除标准纳入标准：（a）患者经病理确诊为结直肠癌,确诊时并有病理或临床确诊合并肝转移；（b）患者确诊前后两周内有包含结直肠癌病灶的完备增强CT图像。排除标准：（a）患者确诊为结直肠癌前合并其他原发癌的肝转移；（b）患者确诊前后两周内的CT检查前经过放疗、化疗或放化疗；（c）患者合并炎症性疾病,包括感染、缺血性心脏病、胶原性疾病、肠穿孔或梗阻；（d）患者合并家族性腺瘤性息肉病或遗传性非息肉性结肠癌；（e）CT图像缺乏或质量差而无法评估者。结直肠癌确诊时无合并肝转移患者的纳入与排除标准纳入标准：（a）患者经病理确诊为结直肠癌,且确诊时肝内无转移灶；（b）患者确诊前后两周内有包含结直肠癌病灶的完备增强CT图像。排除标准：（a）患者确诊前后两周内的CT检查前经过放疗、化疗或放化疗；（b）患者合并炎症性疾病,包括感染、缺血性心脏病、胶原性疾病、肠穿孔或梗阻；（c）家族性腺瘤性息肉病或遗传性非息肉性结肠癌；（d）CT图像缺乏或质量差而无法评估者。临床资料收集对病例人口学资料（年龄、性别）、原发癌灶部位（升结肠、横结肠、降结肠、乙状结肠、直肠）及癌胚抗原（CEA）水平的基线数据进行了回顾性记录。CEA水平正常与异常的阈值为5ng/ml（正常5ng/ml升高<5ng/ml）。2.CT扫描方案患者行GE LightSpeed Ultra8排螺旋CT （GE Healthcare, Hino,Japan）或LightSpeed VCT 64排螺旋CT （GE Medical systems, Milwaukee, Wis）腹部CT扫描。首先行平扫CT扫描,采集平扫CT图像。增强CT扫描：静脉注射90—100毫升碘造影剂（Ultravist 370, Bayer Schering Pharma, Berlin, Germany）,注射速度为3.0或3.5ml/s（Ulrich CT Plus 150, Ulrich Medical, Ulm, Germany）;分别于22和60s延迟后采集动脉期和门脉期增强CT图像。1.图像后处理及纹理特征提取感兴趣区域（Region of interest,ROI）的放置扫描完成后数据传输到GE工作站,平扫及增强图像均以2.5mm层厚行横断面重建。从图像存档和通信系统（PACS）检索图像并导出至（Viewforum；iMAC；Cupertino,Calif）。ROI的放置是由两名放射科医生（分别具有3年和5年的临床腹部CT诊断经验）使用基于Matlab 2010a（Mathworks,Natick,USA）编写的软件完成。第一名医生放置ROI并进行纹理特征提取一次,1周后再进行第二次ROI放置及纹理特征提取,用于测量者自身一致性的评估；另一名测量者仅进行ROI放置及特征提取一次,与第一位测量者的第一次测量评估测量者间的一致性。首先于门脉期图像肿瘤最大横截面层面勾画肿瘤轮廓确定ROI。平扫CT图像及动脉期CT图像选取与门脉期图像所选层面一致的层面；勾画肿瘤轮廓时参考门脉期ROI调整所放置的ROI。纹理特征的提取使用拉普拉斯高斯空间滤波器（▽2G）对图像进行滤波,滤波器参数值包括1、1.5、2、2.5；以此获取不同空间尺度对应的图像特征。自每张CT图像R0I内提取灰度直方图及灰度共生矩阵（GLCM）两个类别的共150个图像纹理特征；最终可获取对于每个病例提取基于平扫、动脉期及门脉期CT图像的共450个纹理特征。4.统计分析人口统计学比较检验合并肝转移组及与合并肝转移组患者年龄是否符合正态分布及是否具有方差齐性后,两组间的年龄差异以独立样本t检验或Mann-Whitney U检验。以卡方检验检验合并肝转移组及与合并肝转移组之间患者的性别、原发部位、CEA水平的差异。测量者自身及之间的一致性评估采用组内和组间相关系数（intra- and interclass correlationcoefficients, ICCs）测量者自身和测量者间的一致性评价。用第一位测量者的两次测量数据计算测量者自身的ICC：用第一个测量者的第一次测量结果和第二个测量者的测量结果计算测量者间的ICC。ICC大于0.75认为其一致性好。依次对于基于平扫CT、动脉期CT、门脉期CT图像提取的纹理特征采用上述方法行测量者自身及测量者之间的一致性评价。特征选择和影像生物标志的建立采用Lasso-logistic回归模型分别挑选基于平扫CT图像、动脉期CT图像及门脉期CT图像提取的纹理特征。通过LASSO选取的特征与对应加权系数乘积的线性组合依次形成每个患者基于平扫CT图像、动脉期图像及门脉期CT图像的三个影像生物标志以及基于各期CT图像的联合影像生物标志。并据此计算每个患者基于各影像生物标志的四种风险评分。影像生物标志的预测效用的评价对肝转移组及与非肝转移组患者的年龄进行正态性检验及方差齐性检验后,以两独立样本t检验或Mann-Whitney U检验比较肝转移组及非肝转移组患者间基于影像生物标志风险评分的差异。应用受试者诊断特征曲线（Receiver Operator Characteristic curve ROC）评估建立的各影像生物标志的预测效能。ROC曲线下面积越大证明其诊断的效能越高。计算相应的ROC曲线下面积（AUC）,敏感性、特异性、阳性预测值（PPV）和阴性预测值（NPV）,均包括95%置信区间的计算。以上分析的界值（Cut-off points）以最大约登指数（Youden index）（敏感度+特异度-1）确定。影像生物标志预测效用的验证分层分析：依次采用两独立样本t检验或Mann-Whitney U检验分析在各临床危险因素亚组内[年龄亚组（≤65岁；>65岁）；性别亚组（男；女）；部位亚组（升结肠至降结肠；乙状结肠至直肠）；CEA水平[（正常<5ng/ml;升高≥5ng/ml）]的各影像生物标志物与肝转移状态是否存在联系。独立因素验证：以多元Logistic逐步回归分析方法分析各影像生物标志物是否为独立于其他临床因素（年龄、性别、部位、CEA）的预测结直肠癌确诊时合并肝转移的预测因子。检验统计量为似然比统计量,使用Akaike信息准则（AIC）作为停止规则。统计软件使用R软件（版本：3.0.1; http://www.Rproject.org）进行统计分析。加载相应的程序包或函数完成相应的统计检验。检验水准P<0.05时,认为有统计学意义。结果1.病例一般资料最终,共有80例病例符合本研究纳入与排除标准形成肝转移组病例。平均年龄为62.74±13.22岁,年龄范围为24-85岁。其中,男性患者共55例,平均年龄：62.98±14.46岁,年龄范围,24-85岁；女性患者25例,平均年龄：62.20±10.24岁,年龄范围,47-83岁。本研究依据1：1比例最终纳入80例病例符合本研究纳入与排除标准形成无肝转移组病例。上述80例病例平均年龄为58.28±13.82岁,年龄范围为28-80岁。其中,男性患者共54例,平均年龄：63.54±10.81岁,年龄范围,32-80岁；女性患者26例,平均年龄：58.77±12.97岁,年龄范围,28-80岁。如表2所示,肝转移组与无肝转移组间患者年龄无统计学差异（62.74±13.22vs.61.99±11.69；p值=0.704）；两组间性别构成比无统计学差异（p值=0.865）；两组间原发部位构成比存在统计学差异（p值=0.001）,且原发部位在直肠的患者肝转移阳性率较高（转移阳性率为90%）。两组间CEA水平构成比有统计学差异（p值=0.001）,且CEA升高的患者合并肝转移的阳性率高于CEA正常水平的患者（64.6%vs.25.4%）。2.图像纹理特征提取的测量者自身及测量者间的一致性由第一位测量者第一次提取的特征与第二次提取的特征分析所得测量者自身一致性的ICC范围为0.821至0.977。最低的ICC为基于平扫CT图像上的纹理特征提取,为0.821；最高的ICC为基于门脉期CT图像上的纹理特征提取,为是0.977。第一位测量者与第二位测量者所得的测量者间的ICC均较好,范围约0.795至0.933。最低的ICC仍为基于平扫CT图像上的纹理特征提取,为0.795；最高的ICC亦为基于门脉期CT图像上的纹理特征提取,为是0.933。测量者自身和测量者间的一致性评估中,基于门脉期CT图像上的纹理特征提取的ICC均较基于2平扫CT图像及动脉期CT图像上的纹理特征提取高。3.建立的影像生物标志通过LASS0选取的特征与对应加权系数乘积的线性组合依次形成每个患者的影像生物标志。基于平扫CT图像纹理特征的影像生物标志如下：Hazard Score=-3.635+0.007×his 50 mean 0+0.189×contrast₀₀ .1.7450×skewness 1.0+0.03550×his 50 mean 1.0 +2.555×homogeneiy₉0₁.0+0.743×correlation₁35_.5 +1.215×correlation₁35₂.5基于动脉期CT图像纹理特征的影像生物标志如下：Hazard Score=-22.938+6.053×entropy₀₀+0.023×his₅0_mean₀ +0.1400×his₁0_mean₀-1.1560×skewness₁.0₀.211×homogeneiy₄5₁.0+4.902×homogeneiy₁35₁.0 .0.003×his₁0_SD₁.0.1.635×correlation₄5₂.0 +3.711×homogeneiy₁35₂.0+2.682×correlation₉0₂.5 +0.888×correlation₁35₂.5+0.0140×his₅0_mean₂.5 +0.001×his₂5_mean₂.5基于门脉期CT图像纹理特征的影像生物标志如下：Hazard Score=3.351-0.0531×kurtosis₀+0.0360×contrast₀₀ +0.001×contrast₄5₀+116.885×energy₀₀ +0.0210×his_mean₀+2.35400×skewness₁.0-0.971 × kurtosiS₁.0+0.115×contrast₄5₁.0 +7.303 ×homogeneiy₉0₁.0+0.001×his_mean₂.5 +0.0141×his_mean₁.0+0.6×homogeneiy₁35₁.0-11.257×homogeneiy₀₁.5+0.002×his_mean₁.5 +0.05 65×hiS₁0_mean₁.5+0.0134×his₁0_mean₂.0+0.001×his_mean₂.0-4.530×homogeneiy₄5₂.0-0.252×contrast₁35₂.5-8.929×homogeneiy₀₂.5 +0.920×homogeneiy₉0₂.5-0.0700×kurtosis₁.5 +0.009×his₂5_mean₂.54.基于平扫、动脉期、门脉期CT图像纹理特征建立的联合影像生物标志如下：Hazard Score=-63.125+0.072×u_contrast₀₀+0.821×u_entropy₄5₀-0.041× u_his₁0_SD₀-0.3870×u_homogeneiy₄5₀-4.0440×u_skewness₁.0+109.0760×u_energy₉0₁.0 +0.088×u_homogeneiy₉0₁.0+0.875×u_entroPy₄5₁.0 +0.036×u_his₅0_mean₁.0+0.527×u_correlation₁35₂.5-0.011×u_his₂5_mean₂.5-415610×a_homogeneiy₄5₀ +8.2430×a_entropy₀₀+1.5940×a_correlation₁35₂.5 +0.26600×a_his₁0_mean₀-3.20100×a_skewness₁.0 +30.9200×a_energy₉0₁.0+0.0080×a_his₅0_mean₁.0 +0.0340 ×a_his₂5_mean₁.0-0.0660×a_his₁0_SD₁.0-1.036×a_correlation₄5₁.5-1.044×a correlation₄5₂.0 +11.277×a_homogeneiy₁35₂.0+0.014×a_his₅0_mean₀ +0.00300 ×a_his₂5_mean₂.5+1.4890×p_skewness₀-0.19800 ×p_kurtosis₀+220.6700 x p_energy₀₀-0.4230×p_kurtosis₁.0+5.7640×p_homogeneiy₉0₁.0-13.257×p_homogeneiy₀₁.5+6.235×p_entropy₄5₁.5 +0.0280 × p_his₁0_mean₁.5-0.0590×p_kurtosis₂.0-3.567×p_homogeneiy₄5₂.0+0.005×p_his₁0_mean₂.0-0.1370×p_ontrast₉0₂.5-1.0370×p_homogeneiy₀₂.5 +0.006×p_his₂5_mean₂.5影像生物标志的效用评价无论是基于平扫CT图像、动脉期CT图像、门脉期CT图像提取并选择的纹理特征建立的影像生物学标志还是联合影像生物标志,合并肝转移组及无肝转移组患者的风险评分均有统计学差异；且合并肝转移组患者的风险评分较无肝转移组患者的风险评分高。依次以基于平扫CT图像、动脉期CT图像及门脉期CT图像提取的纹理特征所建立的影像生物标志患者风险评分为自变量,并以是否合并肝转移为因变量进行的受试者工作特征（ROC）分析显示：基于门脉期CT图像纹理特征的影像生物标志预测结直肠癌确诊时合并肝转移的曲线下面积为0.814,大于基于平扫CT图像及基于动脉期CT图像纹理特征的影像生物标志的预测效能（AUC分别为0.754,0.799）。基于门脉期CT图像纹理特征的影像生物标志最优临界值对应的预测敏感度为76.3%,特异度为77.5%,较基于平扫CT图像建立的影像生物标志的敏感度高,较动脉期CT图像的影像生物标志的预测特异度高。而联合平扫期、动脉期及门脉期CT纹理特征建立的联合影像生物标志得到的AUC值可进一步提高（AUC=0.912）,敏感度及特异度均较高（敏感度=75.0%；特异度=92.5%）5.影像生物标志的效用验证分层分析结果显示,在各临床危险因素亚组内[年龄亚组（≤65岁；>65岁）；性别亚组（男；女）；部位亚组（升结肠至降结肠；乙状结肠；直肠）；CEA水平（正常≤5ng/ml；升高>5ng/m1）],无论是基于平扫CT图像、动脉期CT图像、门脉期图像建立的影像生物标志还是联合影像生物标志物,均与结直肠癌肝转移状态均存在联系（表6；p<0.05）。多元Logistic回归分析显示（表7-10）,无论是基于平扫CT图像、动脉期CT图像、门脉期CT图像建立的影像生物标志还是联合影像生物标志,均是独立于临床危险因素的检测结直肠癌同时性肝转移的危险因素。另外,CEA水平亦是独立影响因素。基于逐步Logistic回归分析建立的同时性肝转移检测模型中影像生物标志及CEA水平均是独立显著的危险因素。其中,包含联合影像生物标志及CEA水平的模型得到的检测AUC最高（AUC=0.926）,且高于联合影像生物标志的单独检测效能（AUC=0.912）；另外,包含门脉期影像生物标志及CEA水平得到的检测AUC（AUC=0.845）较包含平扫期影像生物标志或动脉期影像生物标志及CEA水平的模型AUC高。包含联合影像生物标志及CEA水平的模型检测结直肠癌同时性肝转移的敏感度及特异度均较高（敏感度为91.3%,特异度为81.3%）。结论基于结直肠癌原发病灶区域的CT图像纹理特征建立的影像生物标志可用于检测结直肠癌患者诊断时是否合并同时性肝转移；并且可作为独立的检测因子。其中,基于门脉期CT图像纹理特征建立的影像生物标志的效能较基于平扫CT图像及动脉期CT图像建立的影像生物标志的预测效能高；且联合平扫CT、动脉期CT、门脉期CT图像纹理特征建立的联合影像生物标志效能较基于门脉期CT影像生物标志高。建立包含影像生物标志及CEA水平的模型对结直肠癌同时性肝转移的检测效能可进一步提高。