第一部分 基于核磁共振弥散加权成像的影像组学评估骨肉瘤预后的研究研究背景骨肉瘤通常发生在长骨干骺端,最常见在膝关节周围。中轴骨骼和颅面骨受累主要见于成人。临床可检测到肺转移的患者约占骨肉瘤总确诊人数的20%-25%。尽管在过去20年骨肉瘤的检测和治疗方面取得了重大进展,但转移性疾病患者的5年生存率约为20%。骨肉瘤通常需要多学科治疗,包括手术、化疗和放疗。尽管可手术骨肉瘤患者的生存率通过化疗得到了提高,然而,不同患者的肿瘤行为可以有很大的差异,选择适当的治疗方法在任何个别病人,尤其是在儿童和青少年,仍然是一个关键的挑战。管理疾病的一个重要组成部分是评估治疗效果,以及对改善复发风险的多学科治疗手段的反馈。因此,识别转移和预后表型的新生代标志物对骨肉瘤诊断及治疗至关重要。虽然磁共振成像(MRI)被认为是肌肉骨骼肿瘤局部分期的最佳技术,它在骨肿瘤的早期诊断中应用相对较少,其评估预后的能力可能被低估。目前,非转移性骨肉瘤的预后在很大程度上取决于组织学反应和切除的完整性,磁共振成像在评估治疗反应方面起着辅助作用,通常是基于对液体敏感和造影后成像序列的成像外观,重点是大体肿瘤体积的缩小。弥散加权成像(DWI)MRI可以捕捉细胞水平的变化,这是由于不同组织区域水质子运动的差异。因此,DWI-MRI可以在定量的基础上提供关于肿瘤细胞数量的信息,作为治疗反应的替代指标。近年来,影像组学作为一种新兴的个性化精准医疗技术,应用先进的计算方法将感兴趣区域的图像数据首先转化为高维特征数据,下一步完成特征数据的定量高通量分析,探索肿瘤表型。影像组学是利用无创成像技术对整个肿瘤进行更全面的研究,可用于肿瘤的诊断、评估预后。因此,在本研究中,我们开发并验证了基于多参数DWI-MRI的影像组学作为一种新的方法,为骨肉瘤患者提供个性化的、预处理的总体生存评估。此外,我们还试图揭示影像学特征与临床特征之间的关系。研究方法本研究对2012年1月至2017年12月的本院123例连续入组的骨肉瘤患者进行回顾性分析。将研究对象分为两组:(Ⅰ)包含用于训练模型的数据的实验组(n=93);(Ⅱ)包含用于验证模型的数据的验证组(n=30);所有患者在开始治疗前都接受了 DWI-MRI检查。我们选择了总生存期(OS)作为终点。从病历中获取基线临床资料,包括年龄、性别、Enneking分期、肿瘤大小、KPS评分、肿瘤位置、治疗前ALP、LDH情况、局部复发情况、是否远处转移、化疗频率、化疗方案、病理性骨折情况等。所有肿瘤靶区均由两名经验丰富的肿瘤放疗科主治使用MIM软件在原发性骨肉瘤的每个切面上进行勾画。通过图像信息处理软件对原发骨肉瘤靶区的影像组学特征进行高通量提取分析。经参数选择处理后,共103个独立参数纳入后续研究。使用LASSO回归模型,用于选择实验组中最有用的预后特征参数。然后将选定的成像特征通过各自系数加权其所选特征参数的线性组合计算出一个影像组学评分(Rad-score)。影像组学特征与OS的潜在关联首先在实验组中进行评估,然后通过Kaplan-Meier生存分析在验证组中进行验证。采用Kaplan-Meier法计算单因素生存分析,对选择出的临床危险因素,再采用多因素Cox 比例回归模型分析预后因素与生存率的相关性。在实验组中使用一致性指数(C-index)同时给出了影像组学评分和临床危险因素评估。研究结果影像组学模型构建中证实,Rad-score较低的患者通常总生存期较好,实验组的影像组学特征与总生存期相关(p=0.0452;HR=5.35,95%置信区间(CI):3.22.8.87),验证组证实了这一发现(p<0.001;HR=5.09;95%CI:3.12,7.91)。在临床模型中,肿瘤大小、治疗前ALP状况和远处转移被证实是骨肉瘤总生存时间依赖的预后因素。在C+R(临床风险因素+影像组学特征)联合模型中使用Cox回归分析,确定影像组学特征为独立危险因素(影像组学特征:HR:5.11,95%CI:2.85,9.18,P<0.001)。将影像组学特征与临床危险因素(C+R模型的C-index:0.811;95%CI:0.74,0.89)。与另外两种模型:临床(C)模型(C-index:0.774;95%CI:0.70,0.85)或影像组学(R)模型(C-index:0.71;95%CI:0.65,0.77)比较,C+R模型均具有较好的识别能力(P<0.01)。研究结论本研究提出一种结合影像组学特征和临床危险因素的联合模型(C+R),可方便地用于骨肉瘤预后的个体化预测。影像组学结合MRI成像关注整个肿瘤的图像表型信息,对肿瘤进行诊断和预后评估具有指导意义。还可为后续治疗提供参考并为肿瘤个体化治疗提供依据。第二部分 DWI-MR I影像组学对新辅助化疗的骨肉瘤患者疗效评价及预后分析的研究研究背景骨肉瘤是我国最常见的原发性骨恶性肿瘤,多发生于青少年,恶性程度较高。仅行手术患者的5年生存率仅为20-30%。临床研究发现肿瘤对化疗的反应与患者的预后密切相关,及时监测肿瘤对化疗的反应,对于合理选择治疗方案和评价预后具有重要意义。近年来骨肉瘤患者生存预后仍未获得明显提升。因此探究一种新的诊疗模式十分必要。磁共振成像(MRI)被认为是肌肉骨骼肿瘤局部分期的最佳技术,评估常规磁共振成像治疗反应的主要挑战之一是,肿瘤体积在化疗后可能不会因肿瘤坏死而显著减少,从而导致肿瘤体积稳定或矛盾地增加。弥散加权成像(MRI-DWI)可以捕捉细胞水平的变化,这是由于不同组织区域水质子运动的差异。因此,MRI-DWI可以在定量的基础上提供关于肿瘤细胞数量的信息,作为治疗反应的替代指标。影像组学应用先进的计算方法将感兴趣区域的图像数据转化为高维特征数据,接下来对特征数据进行定量的高通量分析,探索肿瘤表型。然而,没有证据表明DWI-MRI影像组学特征可以用来预测和评估骨肉瘤患者的肿瘤化疗反应。目的探讨应用DWI-MRI影像组学特征预测评价新辅助化疗反应的可行性。在本研究中,我们前瞻性地研究了一组骨肉瘤患者,旨在应用影像组学特征探究MRI-DWI在预测和评估骨肉瘤患者新辅助化疗疗效的可行性。研究方法本研究纳入自2015年3月至2018年7月期间,经穿刺活检或活检诊断为骨肉瘤并准备新辅助化疗的33例患者,其中男性27例,女性6例,年龄8至38岁(平均年龄:15.9±5.8岁),所有患者化疗后1个月内均行肿瘤切除术(平均时间间隔:15.5±4.6天)。入组患者均定期完成我院制定的APMI化疗方案(多柔比星60 mg/m2,顺铂100 mg/m2,高剂量甲氨蝶呤8-12 g/mm2,异环磷酰胺2 g/m2);分别于化疗开始前一周及化疗结束后一周内两次行DWI-MRI检查;化疗后可获得完整的肿瘤切除标本;术后随访至少一年。所有肿瘤靶区均由两名经验丰富的肿瘤放疗科医生实施,每项计划均由一名经验超过20年的资深放疗科医生进行验证。感兴趣的区域(ROI)覆盖了大体肿瘤靶区(GTV),并在MIM软件中描绘出原发性骨肉瘤的每个切面。应用基于MALTLAB 2014b研发的开源软件IBEX(Imaging Biomarker Explorer)对ROI区域进行高通量参数提取,对提取的参数数据利用高维数据回归的最小绝对收缩选择算子(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator,LASSO)的Cox回归模型分析处理,然后将选定的成像特征组合成一个影像组学特征集合,每个患者的影像组学评分(Rad-score)是通过各自系数加权的所选特征的线性组合计算出来的。对所有患者化疗后均行肿瘤切除,并行肿瘤坏死率评估,肿瘤反应分为反应组和不良反应组。并采用肿瘤核磁共振弥散加权图像(DWI-MRI)影像组学特征评分(Rad-score)作为预测化疗前后肿瘤反应的指标,分析肿瘤坏死率与反应评分的相关性,通过绘制受试者工作特性(ROC)曲线,确定灵敏度和特异度之和最高的ROC分界值,分别评价诊断效果。此外,根据临床随访结果,分别分析肿瘤坏死率、Rad-score对患者预后的影响。研究结果根据从磁共振图像中共提取103个特征参数。在这些特征中,我们从DWI图像中选择了 7个特征,这些特征被用于纳入影像组学评分(Rad-score)预测模型。化疗前反应组肿瘤DWI-MRI影像组学评分(Rad-score)明显低于反应不良组(表2)。结果发现,Rad-score与肿瘤坏死率呈负相关(r=-0.777,P<0.001)。基于肿瘤坏死率的ROC曲线分析表明,以Rad-score≤-2.794为预测阈值时,化疗反应良好,曲线下面积(AUC)最大值为0.850(P<0.05)。预测灵敏度为85.7%,特异性为80.0%。反应组化疗后的DWI-MRI影像组学评分也明显低于反应不良组。Pearson相关分析显示,Rad-score与肿瘤坏死率呈负相关(r=-0.736,P<0.001)。基于肿瘤坏死率的ROC曲线分析表明,以Rad-score≤-4.15为良好化疗反应的预测阈值时,曲线下最大面积(AUC)为0.850(P=0.014)。预测灵敏度为100%,特异性为80.0%。Kaplan-Meier生存曲线分析显示,肿瘤坏死率≥90%的患者无进展生存率明显高于肿瘤坏死率<90%的患者;同时,Rad-score在化疗前小于或等于-2.794,化疗后小于或等于-4.15的患者预后也较好。研究结论DWI-MRI影像组学特征在化疗前、化疗后成像均可用于评价骨肉瘤患者对新辅助化疗的反应。该方法在预测患者化疗疗效及预后方面具有无创、经济的优点。应用DWI-MRI影像组学特征评价骨肉瘤患者新辅助化疗反应是可行的,可作为肿瘤坏死率的替代检查工具。