在YUV色彩空間中自熒光氣管鏡圖像定量方法的臨床應用

鄭筱軒 熊紅凱 李勇 韓寶惠 孫加源

肺癌是全球最常見的惡性腫瘤之一，也是當前我國乃至全球腫瘤死亡的主要原因，肺癌的發(fā)病率和死亡率位居癌癥首位。肺癌的預后與腫瘤分期密切相關(guān)，早期肺癌的5年生存率比晚期肺癌的5年生存率明顯提高[1-3]。因此，如何早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷、早期治療是改善肺癌患者預后的關(guān)鍵。

支氣管鏡檢查和痰細胞學檢查是目前臨床上發(fā)現(xiàn)早期中央型肺癌（central type early lung cancer, CELC）的主要方法，痰細胞學檢查陽性率很低，支氣管鏡檢查也僅在一定程度上增加CELC的發(fā)現(xiàn)率[4]，但多數(shù)的CELC僅顯示輕微的支氣管粘膜的改變，使用普通光源支氣管鏡檢查（white light bronchoscopy, WLB），即使有經(jīng)驗的醫(yī)生也很難發(fā)現(xiàn)侵襲前損害，而自熒光氣管鏡在一定程度上得到了改進，彌補了不足[5]。因此，我們迫切的需要尋找新的檢查手段來早期發(fā)現(xiàn)、早期定位及診斷肺癌，從而改善患者預后，降低肺癌的死亡率。

自熒光氣管鏡檢查是利用細胞自發(fā)性熒光和電腦圖像分析技術(shù)開發(fā)的一種新型支氣管鏡，可使氣管鏡對肺癌及其癌前病變早期定位診斷的靈敏度提高，是對傳統(tǒng)WLB的技術(shù)突破。目前AFB檢查也存在一定的局限性，如特異度不強，在支氣管粘膜炎癥、炎性肉芽腫、瘢痕組織、粘膜損傷等情況下，局部也會表現(xiàn)為紅色熒光，極易與癌前病變、原位癌、浸潤癌相混淆。且目前僅憑色彩改變而定性進行結(jié)果判斷的診斷方法存在較大的局限性，色彩信息的復雜性僅憑肉眼觀察定性診斷不利于實踐操作中的精準判斷。

因此，我們希望通過對色彩的分析，將色彩信息量化，得到更直觀的數(shù)字信息來更準確的指導臨床工作，通過對肺癌發(fā)展過程中不同組織病理階段熒光強度的量化，使其在肺癌的早期診斷、評估局部癌變的程度中發(fā)揮更大的價值。

1 資料與方法

1.1 臨床資料和方法 回顧性地分析了上海市胸科醫(yī)院2012年4月-2014年1月住院及門診患者使用自熒光圖像（autofluorescence image, AFI）系統(tǒng)的熒光支氣管鏡及白光支氣管鏡進行檢查的圖像信息，用量化的方法對AFB在肺癌診斷及鑒別診斷中的應用價值進行初步探索及研究。

1.2 入組病例基本情況 共入組有效病例218例，均進行WLB和AFB檢查。其中男性186例，女性32例，平均年齡59.9歲（22歲-84歲）。所有患者均在上海市胸科醫(yī)院氣管鏡室進行檢查。檢查前所有患者均被告知氣管鏡檢查風險并簽署知情同意書。

1.3 入選標準 新近出現(xiàn)的或原有癥狀性質(zhì)發(fā)生改變，如咳嗽、咳痰、咯血、聲嘶、體重減輕等，臨床懷疑肺癌，痰細胞學檢查發(fā)現(xiàn)異常，影像學檢查提示肺部占位、肺不張或片狀陰影等懷疑中央型肺癌患者。

1.4 排除標準 有氣管鏡檢查病史且已行活檢、刷檢，有氣管鏡檢查禁忌證（活動性大咯血、不穩(wěn)定心絞痛、麻醉藥過敏等），6個月內(nèi)進行過細胞毒藥物化療，3個月內(nèi)服用致光敏藥物。

1.5 氣管鏡操作方法

1.5.1 術(shù)前準備和麻醉 術(shù)前禁食、水4 h以上，和患者及家屬溝通，讓其做好心理準備，以便能更好的配合檢查。局部麻醉：檢查前采用2%利多卡因經(jīng)口滴注，加用7%利多卡因進行喉部深部噴霧3噴-5噴，檢查過程中經(jīng)聲門、氣管、左右總支氣管常規(guī)予以2%利多卡因噴灑。整個操作過程均予以心電監(jiān)護，監(jiān)測血壓、心率、血氧飽和度，并鼻導管吸氧。

1.5.2 氣管鏡檢查方法 經(jīng)口腔置入BF-F260型自熒光氣管鏡（日本，奧林巴斯公司），首先在普通白光狀態(tài)下檢查聲門、氣管、隆突、左右主支氣管及各個葉、段、亞段支氣管，觀察軟骨環(huán)、粘膜、血管、分泌物和新生物等，并清除氣道內(nèi)分泌物，記錄所有可疑的病變情況，包括粘膜充血、水腫、增厚、結(jié)節(jié)、血管聚攏、顆粒狀突起、支氣管間嵴增寬等，并采集圖像。然后切換至熒光狀態(tài)，對氣道重新檢查，對白光狀態(tài)下的可疑部位進行重點檢查，并在距離病灶1 cm-3 cm距離做圖像采集等詳細記錄，全部氣道檢查完畢后，對每一處可疑部位進行活檢、刷檢、沖洗等細胞學及病理檢查。

1.5.3 氣管鏡檢查結(jié)果鏡下評判 普通白光狀態(tài)下可見病變分為三級[6]：WLBI：先天解剖異常、外壓性病變、單純支氣管間嵴增寬、粘膜色澤正常、不伴有充血水腫；WLBII：粘膜充血、水腫、增厚、色澤改變、血管聚集或扭曲；WLBIII：粘膜顆粒樣改變或明顯新生物

將WLBII和WLBIII歸為WLB檢查的異常表現(xiàn)。熒光狀態(tài)下可見病變同樣分為三級：AFBI：粘膜綠色；AFBII：粘膜色澤輕度改變，淡粉色或棕色；AFBIII：粘膜變成典型的紅色或紫紅色。

將AFBII和AFBIII定義為AFB異常表現(xiàn)。WLB及AFB檢查均由兩位經(jīng)驗豐富的醫(yī)師進行檢查，兩位操作醫(yī)師在不知曉病理結(jié)果的情況下分別對圖像進行評級，若評級不相同由主任醫(yī)師加入后討論決定評級。

1.6 熒光圖像的分析及處理 若熒光圖像中病灶覆蓋有分泌物，則予以剔除，若病灶中存在少許出血點，則不作為靶區(qū)選擇，若病灶中出血范圍較大則予以剔除。圖像采集均由同一套系統(tǒng)采集完成并儲存，由同一臺電腦內(nèi)的MATLAB（R2012b版本，MathWorks公司，美國）軟件進行處理，測量病灶中央一處及邊緣兩處16×16像素靶區(qū)，并取三處數(shù)值的平均值為最終數(shù)據(jù)，通過軟件分析得出YUV值。

YUV色彩空間是一種圖像分析的常用方法。其中Y指顏色的明視度，即亮度，其實Y就是圖像的灰度值；而U和V分量通常被并稱為色度，用于表示圖像的色調(diào)和飽和度，色調(diào)信息主要是反映顏色的類別，它決定了顏色的基本特征；而飽和度反映的是某一種顏色的純度，通俗來講就是顏色的深淺程度。YUV顏色空間最大的優(yōu)點就是，亮度信號（Y）和色度信號（U, V）是相互獨立的。

1.7 病理結(jié)果判斷 病理診斷由兩位經(jīng)驗豐富的病理科醫(yī)生擔任，在不知曉操作醫(yī)生分級的情況下對病理作出診斷，若兩位醫(yī)生診斷不同，則由主任醫(yī)師加入討論后做出診斷。討論后得出的結(jié)論作為最終結(jié)論。

將病理診斷分為浸潤性癌（invasive cacinoma）、原位癌（carcinoma in situ, CIS），重度不典型增生（severe dysplasia）、中度不典型增生（moderate dysplasia）、輕度不典型增生（mild dysplasia）、增生（hyperplasia）、鱗狀上皮化生（squamous metaplasia）、炎癥（inflammation）、正常（normal cell）[7]。

將病理診斷為重度不典型增生及原位癌定義為高級別上皮內(nèi)瘤變（high-grade preinvasive, HGD）；增生、鱗狀上皮化生、輕、中度不典型增生定義為低級別上皮內(nèi)瘤變（low-grade preinvasive, LGD）。并將病理診斷為HGD、浸潤性癌定義為陽性診斷；正常粘膜、炎癥、LGD定義為陰性診斷[6]。

1.8 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 11.5軟件進行數(shù)據(jù)處理，計量資料以均數(shù)±標準差（Mean±SD）表示，計數(shù)資料以百分率表示。組間均數(shù)比較采用單因素方差分析及LSD方法檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 病理檢查結(jié)果 所有患者氣管鏡檢查順利，檢查過程中未出現(xiàn)嚴重并發(fā)癥。病例標本中特異性感染如真菌感染，結(jié)核等，予以剔除后，共獲得218例有效病理標本。

218例有效病例中鱗癌72例，腺癌31例，小細胞癌31例，低分化癌及未分型癌16例，急慢性炎癥或炎細胞浸潤32例，重度不典型增生及原位癌14例，LGD 9例，正常支氣管粘膜上皮13例（表1）。

2.2 病理診斷與熒光圖像定量值（YUV系統(tǒng)）之間關(guān)系在218例有效病例中，YUV值在各病理組間的均數(shù)及標準差（表2）。

2.2.1 Y值與各病理組的相關(guān)性 Y值在浸潤性癌、HGD、LGD、炎癥、正常支氣管粘膜組的均值及標準差分別為0.43±0.14、0.45±0.16、0.54±0.18、0.53±0.18、0.51±0.20（圖1）。

Y值在浸潤性癌和LGD組間存在差異（P=0.040），Y值在浸潤性癌和炎癥組也存在差異（P＜0.001）。其他的各組間無統(tǒng)計學意義。

結(jié)果顯示Y值在個別組間差異有統(tǒng)計學意義，但不能明顯區(qū)分良惡性疾病或癌前病變與浸潤癌，可能無明顯實際臨床意義。

2.2.2 U值與各病理組的相關(guān)性 U值在浸潤性癌、HGD、LGD、炎癥、正常支氣管粘膜組的均值及標準差分別為-0.00±0.03、-0.02±0.02、-0.04±0.02、-0.04±0.04、-0.07±0.03。熒光氣管鏡圖像在各組間的U值（圖2）。

U值在浸潤性癌和HGD組間存在統(tǒng)計學差異（P=0.025），且浸潤性癌和LGD組（P=0.001）、炎癥組（P=0.001）及正常支氣管粘膜組（P＜0.001）均存在明顯差異（P＜0.010）。

正常支氣管粘膜組與HGD組（P＜0.001），炎癥組（P=0.002）存在差異。正常支氣管粘膜組與LGD組也差異有統(tǒng)計學意義（P=0.020）。

結(jié)果顯示U值能較好的區(qū)分浸潤性癌與其他組別，并能較好的區(qū)分正常支氣管粘膜與其他組別，但在HGD、LGD、炎癥組間區(qū)別意義不大。

2.2.3 V值與各病理組的相關(guān)性 V值在浸潤性癌、HGD、LGD、炎癥、正常支氣管粘膜組的均值及標準差分別為0.15±0.06、0.12±0.06、0.08±0.03、0.10±0.08、0.05±0.03。熒光氣管鏡圖像在各病理組間的V值（如圖3)。

V值在浸潤性癌和LGD組（P=0.003）、炎癥組（P＜0.001）、正常支氣管粘膜組（P＜0.001）存在差異。V值在正常支氣管粘膜組與HGD組（P=0.001）、炎癥組（P=0.004）間比較也具有差異。

圖1 熒光氣管鏡圖像Y值Fig 1 Y value in AFB. *: compare with invasive carcinoma, P＜0.05； **:compare with invasive carcinoma, P＜0.01. HGD: high-grade preinvasive；LGD: low-grade preinvasive； AFB: autofluorescence bronchoscope.

圖3 熒光氣管鏡圖像V值Fig 3 V value in AFB. **: compare with invasive carcinoma, P＜0.01； △△:compare with HGD, P＜0.01； ##: compare with inflammation, P＜0.01.

結(jié)果顯示V值在部分組間存在差異，在疾病的鑒別診斷中有一定意義。

2.3 U值ROC曲線 U值能較好的鑒別癌前病變及浸潤性癌，根據(jù)研究所得數(shù)據(jù)作關(guān)于鑒別病理診斷為浸潤性癌及HGD的ROC曲線，曲線下面積達0.697（圖4）。U值取-0.01227作為cut off值，則診斷靈敏度達65.3%，特異度達58.1%。因此，可用該指標作為評價標準應用于臨床熒光氣管鏡操作中以鑒別癌前病變與浸潤性癌。

圖2 熒光氣管鏡圖像U值Fig 2 U value in AFB. *: compare with invasive carcinoma, P＜0.05； **:compare with invasive carcinoma, P＜0.01； △△: compare with HGD,P＜0.01； +: compare with LGD, P＜0.05； ＃＃: compare with inflammation,P＜0.01.

圖4 U值ROC曲線（鑒別HGD和浸潤性癌）Fig 4 ROC curve of U value for detection of HGD and invasive cancer

表1 氣管鏡活檢病理診斷Tab 1 Bronchoscopy biopsy diagnosis

表2 YUV值Tab 2 YUV values

3 討論

肺癌已成為導致癌癥病例死亡的最常見惡性腫瘤之一，由于吸煙、空氣污染等多方面因素，其死亡率仍逐年上升，且易發(fā)生腦轉(zhuǎn)移[8]。對肺癌早期診斷、早期治療將有效降低死亡率。肺癌的早期診斷方法主要有細胞病理學、影像學、纖維支氣管鏡等技術(shù)。在早期肺癌中央型和外周型兩大類中，胸部螺旋CT對于外周性病灶的靈敏度較高[9,10]。而常規(guī)白光氣管鏡對早期中央型肺癌診斷有一定幫助，但之后出現(xiàn)的自熒光氣管鏡能更好的發(fā)現(xiàn)早期支氣管肺癌[11-15]。

目前國外多數(shù)研究報道AFB單用或聯(lián)合WLB使用，在檢測癌前病變和癌變組織方面的靈敏度均比單用WLB高[14]。Mssaki Hanibuchi等[15]研究報道了AFB（SAFE-1000系統(tǒng)）在檢測癌前病變和癌變組織中的價值，WLB+AFB聯(lián)合應用的靈敏度為96.8%，明顯高于單純WLB的靈敏度65%。另外，Ikeda等[16]研究報道顯示，在發(fā)現(xiàn)不典型增生病變及原位癌方面，WLB的靈敏度為65%，而AFB（SAFE-3000系統(tǒng)）的靈敏度達90%。稍后出現(xiàn)的AFI系統(tǒng)，在日本、加拿大、美國及歐洲國家等都曾有相關(guān)研究；多中心和隨機對照研究已經(jīng)證實了AFB聯(lián)合WLB發(fā)現(xiàn)中重度不典型增生和原位癌的優(yōu)勢。WLB聯(lián)用AFB后，相對WLB檢查，中度至重度不典型增生和原位癌的診斷靈敏度可提高1.4倍、3.7倍 、4.3倍 、5.8倍、6.3倍不等[17-20]。但某些因素如：氣管鏡檢查過程中對氣道壁的摩擦損傷、氣道粘膜炎癥、口服抗凝藥物、3個月內(nèi)服用致光敏藥物、6個月內(nèi)進行過細胞毒藥物化療等可使熒光支氣管鏡下出現(xiàn)假陽性結(jié)果[9]。此外，由于AFB檢測不僅在癌灶中呈陽性改變，在炎癥等良性病變中也呈陽性表現(xiàn)，因此特異度較差，因此在一定程度上降低了其在氣道病變的臨床應用價值。

本研究探索性的將自熒光氣管鏡圖像運用于色彩空間中進行分析研究，使圖像信息量化，更利于臨床實際操作。在色彩定量分析系統(tǒng)中RGB色彩空間是目前運用最廣的顏色系統(tǒng)之一，即是代表紅、綠、藍三個通道的顏色，這個標準幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色。然而，在處理現(xiàn)實世界的圖像時RGB并非很有效，而且處理RGB色彩空間的圖像也利用了較多的運算空間，轉(zhuǎn)化速度較慢。由于上述和其他一些原因，許多廣播、電視系統(tǒng)、成像標準使用亮度和色差視頻信號，即YUV色彩空間。可以說在計算機圖像處理領(lǐng)域，YUV色彩空間同樣占據(jù)著重要地位[21]。因此，本研究利用自熒光氣管鏡圖像在YVU系統(tǒng)中的不同表現(xiàn)進行統(tǒng)計分析研究。

在本研究中，我們利用自熒光氣管鏡圖像YUV色彩空間定量值進行處理，測量病變區(qū)域的YUV值，由于自熒光氣管鏡圖像的色彩在各病理診斷組間存在差異，統(tǒng)計結(jié)果顯示U值在浸潤性癌和HGD、LGD、正常支氣管粘膜、炎癥組存在差異，U值在正常組別中最低，而在浸潤性癌組別中最高。其量化的指標能更客觀準確的指導臨床鏡檢。利用客觀定量YUV值判斷靶區(qū)病變性質(zhì)，有利于患者疾病的診斷及醫(yī)師臨床氣管鏡的操作，避免了主觀因素的干擾。U值在熒光圖像中能較好的鑒別良惡性疾病。在浸潤性癌與HGD對比中取-0.012,27為cut off值，則靈敏度達65.3%，特異度達58.1%，曲線下面積達0.697。因此，若將該cut off值作為評判良惡疾病的指標，將有效提高自熒光氣管鏡診斷的陽性率，指導臨床操作，避免其他因素影響。

AFB的缺點在于其特異度較低，易受氣道炎癥、充血、出血、支氣管粘膜損傷等因素的影響，假陽性率較高。而本研究通過各種病理類型疾病熒光圖像的色度差異，利用熒光圖像定量方法有效區(qū)分炎癥等良性疾病與惡性疾病，可進一步提高肺癌特別是早期肺癌的診斷率，提高診斷的特異度，提高患者5年生存率。隨著AFB熒光圖像定量方法的推廣及科學技術(shù)的發(fā)展，將對肺癌發(fā)展過程中不同組織病理階段熒光強度進行量化，使AFB在肺癌的早期診斷、明確病變范圍、評估局部癌變程度的過程中發(fā)揮更大的作用。

相信通過對AFB激發(fā)光源、圖像處理的深入研究及對成像系統(tǒng)的進一步改善，AFB將在探查和診斷肺部疾病方面具有更重要的應用價值及臨床意義。