甲状腺癌是最常见的内分泌恶性肿瘤，约占内分泌肿瘤的95%，其中绝大多数病理类型为甲状腺乳头状癌（PTC），多见于20~50岁的女性^[1-2]。超声检查是诊断PTC及其颈部淋巴结转移的首选方式，对手术治疗方案的选择具有重要的临床意义。但是，术前超声识别颈部中央区淋巴结转移的能力有限^[3]，预防性中央区淋巴结清扫术已成为PTC患者常规的手术方式，这有利于降低局部复发率，但同时也增加了手术并发症的发生率^[4-6]。提高颈部中央区淋巴结转移的诊断水平，将有助于减少不必要的淋巴结清扫术，对PTC患者的术后恢复及生活质量的提高大有裨益。

医学影像图像包含无法通过肉眼直接识别的疾病病理生理学信息，影像组学以定量成像技术为基础，高通量地从影像图片中提取大量高维定量影像特征，将传统的影像图像转换为数据信息，并加以分析，通过感兴趣区内像素灰度值的分布情况及变化规律揭示病灶内潜在的病理及生理学异质性^[7]。有报道影像组学用于分析磁共振成像、CT成像等的图像纹理，对肺癌等肿瘤的淋巴结转移有良好的预测价值^[8-10]。目前，关于影像组学用于分析PTC的超声成像特征以预测颈部淋巴结转移的研究鲜有报道，尤其是影像组学对PTC的颈部中央区淋巴结转移的预测价值尚未见报道。本研究尝试通过影像组学方法分析PTC的超声征象以预判颈部中央区淋巴结转移的可能性。

本研究为单中心、前瞻性、观察性研究，已获得南方医科大学南方医院伦理委员会批准。前瞻性收集2018年3月~2019年2月在南方医科大学南方医院接受甲状腺细针穿刺活检患者的临床资料。研究对象的纳入标准为：单发病灶、活检病理结果为PTC、术前均未接受过任何抗癌治疗、术前均由我院两名高年资医师行甲状腺超声检查。排除标准为：多发病灶、活检病理结果为非PTC、术前接受过抗癌治疗、术前未在我院行甲状腺超声检查。最终共189例纳入研究，年龄为19~73岁，其中男性54名，女性135名。

甲状腺超声检查使用东芝Aplio 500彩色多普勒超声诊断仪，7.5~12 MHz线阵高频探头。由2名高年资超声科医师对甲状腺超声检查结果进行评估，评估内容包括：甲状腺结节的位置、大小（含3个经线）、形态、边界、边缘、内部回声、后方回声、钙化类型及血流情况，并根据中央区淋巴结的大小、形态、微钙化、囊性变、高回声及边缘血流等情况判断淋巴结是否转移阳性（2015版ATA指南标准）。然后，由两名高年资超声科医师手工勾勒出甲状腺结节的边缘，应用影像组学方法分析所收集的病灶超声图像，通过计算机高通量提取多种高级特征，包括基于灰度共生矩阵，灰度游程矩阵，灰度级区域矩阵和局部灰度差分矩阵的特征。应用随机森林算法进行特征选择，最终筛选出代表性的高级特征，用R语言将随机森林算法筛选出的组学特征建立预测模型，并用五折交叉验证法对预测模型进行验证。

本次研究中应用四种矩阵方法提取患者甲状腺肿块内部及边缘组织的二维超声图像纹理特征，分别为灰度共生矩阵（GLCM）、灰度行程矩阵（GLRLM）、灰度区域大小矩阵（GLSZM）、领域灰度差分矩阵（NGTDM）。

特征提取参数：（1）小波带通滤波：小波基函数symlet是一系列正交和紧凑支持的小波，对于给定的支撑宽度具有最小不对称和最大数量的消失力矩，有助于局部保存图像的空间特征。应用于带通子带的权重与应用于小波域中的低频和高频子带的权重之比为R；（2）各向同性重采样：各向同性指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性。在计算基于矩阵的特征之前，必须要考虑邻近体素的属性。可以由不同的离散相邻长度得到不同的特征，通过使用二次插值重新采样到设计为所需分辨率的各向同性体素大小。所需分辨率可以用Scale表示；（3）灰度量化：在该步骤中，将肿瘤区域的全部强度范围定量为少量的灰度级。两个提取参数与量化有关：（ⅰ）量化算法，表示为Quan.algo。使用MATLAB的函数和MATLAB实现了Equal-probability和Lloyd-Max算法。（ⅱ）量化体积中的灰度级数。

Bootstrap以自助采样法为基础，在一个特定的数据集中随机抽取样本，抽样后放回再进行下一次抽样。数据集中有一部分样本可能始终不会被抽到，不被选中的概率为$ \left(1-\frac{1}{m}\right)^{n} $，m取极限就可以得到0.368。

将不同的纹理特征进行组合，然后利用受试者工作特征曲线（receiver operating characteristics, ROC）对不同纹理特征组合而成的预测模型进行分析，得到最佳诊断效能的预测模型后利用0.632+bootstrap估算其AUC。随后在训练集及验证集中评估该超声组学模型的预测效能。

患者术前行甲状腺超声检查怀疑颈部中央区淋巴结转移与术后病理结果的对比情况（表 1）。术前甲状腺超声检查诊断颈部中央区淋巴结转移的准确率为37%（70/189），灵敏度为28.6%（37/129），特异度为55%（33/60）。

表 1(Tab.1)

表 1 PTC病人颈部中央区淋巴结的术前超声诊断结果与术后病理结果的对比 Tab.1 Comparison of preoperative ultrasound findings and postoperative pathology of central cervical lymph nodes in patients with PTC Group Positive in ultrasonography Negative in ultrasonography Total Positive in pathology 37 92 129 Negative in pathology 27 33 60 Total 64 125 189

表 1 PTC病人颈部中央区淋巴结的术前超声诊断结果与术后病理结果的对比 Tab.1 Comparison of preoperative ultrasound findings and postoperative pathology of central cervical lymph nodes in patients with PTC

颈部中央区淋巴结转移阳性与阴性患者的PTC超声原始图/手工勾勒病灶图见图 1，2，其中图A、图B分别为PTC的超声横切面图像及对应的手工勾勒图像，图C、图D分别为PTC的超声纵切面图像及对应的手工勾勒图像。应用影像组学方法，根据PTC的超声横切面手工勾勒图分析预测颈部中央区的淋巴结转移，最终筛选出19个高级特征，达到曲线下面积（AUC）为0.661的准确率，灵敏度为53%，特异度为52%；根据PTC的超声纵切面手工勾勒图分析预测，最终筛选出5个高级特征，达到AUC为0.681的准确率，灵敏度为46%，特异度为53%；结合PTC的超声横切面及纵切面的手工勾勒图分析预测，则最终筛选出16个高级特征，达到AUC为0.777的准确率，灵敏度为40%，特异度为51%。不同切面的特征预测结果详见表 2，对应的受试者预测结果曲线见图 3。

图 1(Fig.1)

图 1 颈部中央区淋巴结转移阳性的PTC超声图像 Fig.1 Ultrasound images of PTC with central lymph node metastasis. A, C: Original cross-sectional and longitudinal ultrasound images of PTC; B, D: Manual outline of the cross-sectional and longitudinal ultrasound images of PTC.

图 2(Fig.2)

图 2 颈部中央区淋巴结转移阴性的PTC超声图像 Fig.2 Ultrasound images of PTC without central lymph node metastasis. A, C: Original cross-sectional and longitudinal ultrasound images of PTC; B, D: Manual outline of cross-sectional and longitudinal ultrasound images of PTC.

表 2(Tab.2)

表 2 影像组学分析PTC超声各切面图像特征的预测结果 Tab.2 Prediction results of radiomics for central lymph node metastasis of PTC Group Section Feature extraction AUC Specificity Sensitivity Test set/Training set 1 19 0.6606/0.7492 52%/54% 53%/70% Test set/Training set 2 5 0.6812/0.8022 53%/56% 46%/52% Test set/Training set 1+2 16 0.7769/0.8815 51%/61% 40%/49% Note: Section 1 and section 2 refer to the ultrasonic cross-section and longitudinal-section of PTC, respectively.

表 2 影像组学分析PTC超声各切面图像特征的预测结果 Tab.2 Prediction results of radiomics for central lymph node metastasis of PTC

图 3(Fig.3)

图 3 影像组学分析PTC超声各切面图像特征的预测结果曲线 Fig.3 Predictive curves by radiomics on ultrasonic images on the cross-section (A), longitudinal section (B), and both sections (C) of PTC, whose AUC values are 0.661, 0.681, and 0.777, respectively.

PTC是最常见的甲状腺恶性肿瘤，近年来，大量单侧PTC患者通过超声检查及超声引导下的细针穿刺活检得以早期确诊^[11]。PTC常发生颈部淋巴结转移，颈部中央区是最常见的淋巴结转移区域，是患者预后不良的重要因素。文献报道，PTC颈部中央区淋巴结转移率约20% ~80%^[12]，本研究结果显示中央区的转移率为68.2%，与文献报道相符。作为诊断PTC的首选方法，超声检查对颈部中央区转移性淋巴结的检出率较低，有研究显示，（32.4~84.3）%临床淋巴结阴性的PTC患者进行甲状腺全切除术和双侧中央区淋巴结清扫术后，病理检查发现颈部中央区转移性淋巴结阳性^[13-16]，也就是说PTC术前超声检查淋巴结转移的假阴性率为（32.4~ 84.3）%，本研究结果中此假阴性率为71.3%。我们的研究与相关研究均一致说明，PTC术前超声检查淋巴结转移的假阴性率较高，提升术前对PTC患者颈部转移性淋巴结的预测能力，对外科医生精准选择术式极为重要。

有研究者通过回顾性分析PTC相关的颈部淋巴结的位置、形状、回声、多普勒血流及微钙化等多种超声特征，建立预测颈部淋巴结是否转移阳性的模型，但该用处仅限于超声检出的淋巴结^[17]。另有研究报道，PTC的常规超声特征中极低回声、纵横比 > 1、微钙化等恶性征象提示侵袭性高，病灶的超声造影特征可用于评估PTC是否发生包膜外侵犯，通过上述PTC的常规超声及超声造影特征分析其侵袭性，进而评估其发生颈部淋巴结转移的风险，对PTC的颈部淋巴结转移有间接提示作用^[18-19]。但上述观察对超声医师的检查技能、临床经验及思维分析能力要求较高。

影像组学是一种新兴技术，通过定量提取高通量特征，将医学图像转换为可挖掘数据，可获得病理学、生物标志物、基因组信息和预后等信息^[20]。研究显示，该技术基于FDG-PET成像、磁共振成像和CT成像的图像纹理以评估肺癌、直肠癌和膀胱癌的淋巴结转移时，均显示了良好的预测价值^[8-10]。目前，关于影像组学用于预测PTC是否发生颈部淋巴结转移的研究鲜有报道。国内外仅有数篇研究显示，通过影像组学方法分析PTC的B型超声和弹性超声图像，预测发生颈部淋巴结转移事件的准确性较高（包括颈部Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ区）^[21-23]。然而，之前的研究仅利用了PTC的超声纵切面图像进行特征提取，其横切面及多切面综合分析的准确性如何并未知。此外，在临床实践中，超声检查对颈部中央区以外其他区域的异常淋巴结的检出率和准确性较高，术前外科医生多能据此制定相应手术方案，影像组学在此的优势并未得到充分展示。然而，常规超声检查对中央区淋巴结的检出率非常低，因此外科医生对PTC患者均采取常规预防性中央区淋巴结清扫，这增加了中央区淋巴结转移阴性患者的手术并发症。因此，提高PTC术前中央区淋巴结转移的检出率尤为重要。

本研究立足于临床实践的难题，针对PTC的颈部中央区转移淋巴结的隐匿性问题，基于PTC的超声横切面、纵切面及结合这两个切面的图像，通过影像组学方法分析，预判颈部中央区淋巴结转移的可能性。我们的研究结果显示，影像组学方法分析PTC的超声横切面、纵切面及双切面的图像，预测PTC发生颈部中央区淋巴结转移的准确率分别是0.661、0.681、0.777。我们发现结合双切面图像比单切面及已有研究预测的准确性高，且远高于常规超声检查的诊断率^[21-23]。本前瞻性研究率先基于PTC的双切面图像使用影像组学方法分析预测其颈部中央区淋巴结转移的发生，准确性较高，有助于促进PTC的早期医疗管理并减少过度治疗引起的并发症，提高PTC患者的生活质量。