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头颈癌致死率在世界范围内位居恶性肿瘤第七位,局部复发和远处转移是造成头颈癌患者治疗失败和死亡的主要原因之一。当前,PET/CT是头颈部恶性肿瘤诊断、分期及预后的重要影像学工具。依据患者治疗前的PET/CT图像实现对患者治疗后局部复发和远处转移风险的准确预测,对帮助医生针对患者制定个性化的治疗方案、提高患者生存率具有重要的临床意义。近年来,基于PET/CT的影像组学用于头颈癌患者预后预测已有初步研究。然而,现有影像组学研究大都集中于肿瘤内部区域,通过高通量的定量特征来刻画肿瘤内部异质性,构建预测模型。事实上,在临床研究中,癌周微环境对肿瘤发生、进展都有一定影响。鉴于此,本文假设PET/CT图像的癌周区域能为头颈癌患者的瘤内区域提供预后补充信息,研究了癌周特征在头颈癌患者局部复发和远处转移预后预测方面的作用。本文回顾性研究了从TCIA(the cancer imaging archive,TCIA)获取的、来自四个医学中心的297例头颈癌患者治疗前的PET/CT图像,针对上述两个临床问题,分别从PET和CT两个模态的肿瘤区域(记为Intra)和三组癌周区域(记为Peri-5、Peri-10和Peri-15)提取6294个三维影像组学特征,通过鲁棒性特征筛选、增益方程特征排序和结合模型的序列前向选择后选出使训练集预测效果最优的特征组合,构建8个不平衡调整的集成逻辑回归模型,训练好的模型直接用于独立测试集。并基于得分水平的融合策略进行模型组合,分析多模态、多区域间影像组学特征的互补价值。基于AUC、敏感性、特异性、一致性指数和Kaplan-Merier曲线分析比较瘤内模型、癌周模型及组合模型间的性能差异。实验结果表明,在头颈癌局部复发的预后预测问题上,多模态组合的癌周模型PETCT-Peri-5实现了最优预后预测性能,显著优于PET或CT模态的瘤内模型(PETCT-Peri-5 vs.PET-Intra/CT-Intra:AUC:0.76 vs.0.45/0.60,p<0.0001/p=0.02,Delong 检验;C-index:0.73 vs.0.45/0.60,p=0.001/p=0.02,Noether 检验),并且实现了最优的高低风险分层(p=0.00015,log-rank检验);在头颈癌远处转移的预后预测问题上,癌周影像组学模型的预测性能有限,多模态多区域组合模型PETCT-Intra&Peri-5和多模态瘤内组学模型PETCT-Intra分别实现了最优的预测和预后性能(PETCT-Intra&Peri-5 vs.PETCT-Intra:AUC:0.90 vs 0.88,p=0.62,Delong 检验;C-index:0.88 vs 0.90,p = 0.17,Noether 检验)。另外,对于 PET 和CT两个模态,对于局部复发和远处转移两个临床预测问题,在三组癌周区域中,5mm环状范围的癌周区域的影像组学特征表现出最优预测性能。本文证明了同时量化PET/CT图像的瘤内和癌周区域对预测头颈癌患者局部复发和远处转移的积极作用,尽管在远处转移的预后问题上,癌周特征对瘤内特征的补充价值并不明显。