分形維數(shù)在CT腰椎松質(zhì)骨圖像中應(yīng)用的研究

馮銀波, 方向明, 陳宏偉, 張麗娟

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，江蘇 無錫 214023)

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·臨床研究·

分形維數(shù)在CT腰椎松質(zhì)骨圖像中應(yīng)用的研究

馮銀波, 方向明, 陳宏偉, 張麗娟

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，江蘇 無錫 214023)

目的 探討分形維數(shù)(fractal dimension， FD)在腰椎CT中對松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)量化的應(yīng)用價值。方法 回顧性分析2012年12月至2015年9月，因腰痛來本院就診并行腰椎CT檢查的中青年男性患者115例，分為兩組： A組，28～31歲，61例；B組，38～41歲，54例。入組者均無腰椎退行性變，使用imagej分析腰4椎體松質(zhì)骨區(qū)域圖像，量化灰度紋理特征。檢驗FD值在兩組間的差異并行ROC曲線分析。結(jié)果 A組腰椎松質(zhì)骨的FD值為1.463±0.056，B組腰椎松質(zhì)骨的FD值為1.418±0.038，兩組間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.001)。經(jīng)ROC曲線分析，判斷FD最佳臨近點為1.423，此時診斷的靈敏度為75.4%，特異度為55.6%。結(jié)論 采用分形維數(shù)分析腰椎松質(zhì)骨CT圖像，提取灰度紋理信息，可量化一定輕微退變程度的骨微結(jié)構(gòu)。

骨質(zhì)疏松癥； CT； 分形維數(shù)

骨質(zhì)疏松癥是一種以骨量低下，骨微結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致骨脆性增加，易發(fā)生骨折為特征的全身性骨病[1]。雙能X線吸收法(DXA)是學(xué)術(shù)界公認(rèn)的骨密度檢查方法，但其不能有效評估骨微結(jié)構(gòu)的變化[1-2]。腰椎及腰椎間盤CT掃描是患者因腰痛就診比較普遍的檢查。臨床CT診斷中，只觀察腰椎骨贅、小關(guān)節(jié)退變及椎間盤突出等情況，對松質(zhì)骨區(qū)域的灰度信息沒有充分利用。有研究表明[3-6]，對放射學(xué)圖像中松質(zhì)骨區(qū)域的灰度紋理信息獲得的分形維數(shù)值(fractal dimension, FD)，與松質(zhì)骨的微結(jié)構(gòu)或骨密度存在一定相關(guān)性。本研究采用一定方法提取腰椎松質(zhì)骨CT圖像中灰度紋理信息，初步探討FD在松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)評估中的應(yīng)用價值,以期在臨床診斷中作為一種評估腰椎退變的客觀定量指標(biāo)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2012年12月至2015年9月，因腰痛來本院就診并行腰椎及腰椎間盤CT檢查的中青年男性患者115例，年齡為28～31周歲(A組，61例)和38～41周歲(B組，54例)。經(jīng)放射科二位主治醫(yī)師閱片： A組和B組的腰椎均無退行性改變。本研究分組參照“原發(fā)性骨質(zhì)疏松生理年齡預(yù)診法”。

1.2 方法

CT檢查使用無錫市人民醫(yī)院西門子雙源CT(somatom definition, CT)，管電壓120kV，管電流 297mA，層厚 2mm，螺距0.8，F(xiàn)OV 16.2cm×16.2cm，重建算法為“Spine 2.0 B30s-2”，圖像矩陣512pixels×512pixels?；颊唧w位參照“無錫人民醫(yī)院腰椎CT檢查規(guī)范”。入組者均無甲旁亢、腎上腺疾病、腫瘤、骨折等重大疾病。

1.3 圖像分析流程

選取距腰4椎體上緣2～3個層面，約4～6mm的層面，以規(guī)避穿行于椎體中的微血管及腰椎間盤影響。圖像顯示為骨窗(窗寬 2500Hu，窗位800Hu)，經(jīng)Dicom格式直接轉(zhuǎn)換為BMP格式(8bit，灰階0-255)保存，見圖1。

圖像分析使用imagej軟件，流程： (1) 導(dǎo)入圖像；(2) ROI取65 pixels×65 pixels隨機位于松質(zhì)骨區(qū)域，邊緣避開骨皮質(zhì)，如有骨島等骨質(zhì)異常區(qū)域，以臨近層面優(yōu)先；(3) ROI以外區(qū)域剪除；(4) 二值化(binary)，算法為Ij-Isodata；(5) 骨化(skeletonize)；(6) 分形盒計數(shù)(fractal box count, 64×64像素)。其中后4步編譯為宏命令(Macro fd)，見圖2、3。

為減少實驗測量誤差，本實驗由兩名主治醫(yī)師測量，并間隔兩周重復(fù)測量3次。每位入組者FD值最終結(jié)果為上述6次測量值的平均值。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

圖1 測量層面選取為距離腰4椎體上緣2～3個層面Fig.1 The ROI was selected at axial image of L4 vertebral body, 2-3 slices under its endplate

圖2 FD測量imagej宏命令(Macro fd)Fig.2 Macro with imagej program used in trabecular bone architecture FD analysis

2 結(jié) 果

2.1 兩組間腰椎松質(zhì)骨的FD值及比較結(jié)果

本實驗FD值經(jīng)方差齊性(Levene)檢驗，F(xiàn)值為3.806，P>0.05，為正態(tài)分布。A組腰椎松質(zhì)骨的FD值為(1.463±0.056)，95%CI區(qū)間為1.449～1.478。B組腰椎松質(zhì)骨的FD值為(1.418±0.038)，95%CI區(qū)間為1.409～1.429。兩組間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=4.915，P<0.01)，見表1。

表1 中青年男性椎體松質(zhì)骨FD值比較

2.2 FD值的ROC曲線分析

利用SPSS軟件中ROC曲線法選取最佳靈敏度及特異度時的臨界值，當(dāng)FD界值為1.423時，曲線下面積最大，見圖7。診斷的靈敏度為75.4%，特異度為55.6%，陽性預(yù)測值為66.2%，陰性預(yù)測值為68.2%。

圖7 FD值的ROC曲線分析Fig.7 Receiver operating characteristic (ROC)ROC曲線顯示當(dāng)Fd為1.423時，對鑒別兩個年齡段患者有很好的準(zhǔn)確率(曲線下面積為0.754)curve for FD, When critical value of FD is 1.423，sensitivity is 75.4%

3 討 論

有研究表明[3-6]從放射學(xué)圖像中提取的松質(zhì)骨紋理(bone texture)分形維數(shù)(FD)值與骨微結(jié)構(gòu)及骨密度存在一定相關(guān)性。對兩個年齡段的中青年男性腰4椎體的同一層面CT圖像，采用二值化、骨化及分形盒計數(shù)三個步驟處理后發(fā)現(xiàn)： 腰椎松質(zhì)骨的FD能區(qū)分一定年齡間隔的男性人群。圖像紋理分析是建立在不同組織病理基礎(chǔ)上的。椎體松質(zhì)骨是由骨小梁和骨髓按不同比例構(gòu)成的具有一定構(gòu)象的多孔結(jié)構(gòu)，并具有方向性和重建性等特征[7-8]。隨著增齡和退變，腰椎骨小梁的重建遵循Wolf定律，骨小梁的多孔結(jié)構(gòu)中的水平方向骨小梁不斷丟失，垂直方向骨小梁逐漸粗大[9]。同時，骨小梁和骨髓對X線的吸收率差別很大[10]。CT圖像中腰椎區(qū)域的灰度紋理，代表了不同比例的骨小梁和骨髓對X線的吸收情況。當(dāng)松質(zhì)骨的微結(jié)構(gòu)變化(骨小梁的變薄、數(shù)目減少及間隔增寬)時，其對射線的吸收率會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起了局部圖像的灰度紋理改變。

目前，松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的影像學(xué)研究中常使用高分辨率顯微CT和MR。骨小梁厚度為50～200μm，骨小梁間隙為200～1000μm[1]。實驗室用高分辨率顯微CT和MR的空間分辨率能達(dá)到15μm，能清晰地顯示骨小梁，可使用骨表面積(BS)、皮質(zhì)骨厚度(Ct.Th)和寬度(Ct.Wi)等來定量描述骨微結(jié)構(gòu)情況。由于檢查費用高、射線劑量大、需配置專用的線圈和軟件、應(yīng)用于活體及中樞骨骼檢查困難等問題，這些技術(shù)不能在臨床實踐中常規(guī)應(yīng)用。多排螺旋CT的空間分辨率為12lp/cm左右(本研究用CT為12lp/cm)，再加上部分容積效應(yīng)等原因，不能分辨骨小梁的真實結(jié)構(gòu)，只能顯示松質(zhì)骨的灰度紋理信息。

紋理是圖像分割和分類的常用概念。每一種物體都存在獨有的紋理。有研究表明，在現(xiàn)有CT空間及密度分辨率下，CT圖像紋理分析可以評估腫瘤內(nèi)部的病理性質(zhì)[11-12]。本研究所用的分形維數(shù)是灰度圖像紋理分析技術(shù)中的一種，即從像素出發(fā)在灰度圖像中提取目標(biāo)特征，定量獲得紋理參數(shù)。松質(zhì)骨抗壓性越好，其微結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，相對應(yīng)的FD值也越大。Baum等[4]使用HR-pQCT和256排螺旋CT研究人體胸7至腰3椎體表明，這兩種CT獲得的骨小梁FD值差異不明顯，且FD值與椎體的BMD及抗壓性參數(shù)均有明顯的相關(guān)性。Laurence等[5]研究下頜骨的CBCT掃描圖像，發(fā)現(xiàn)松質(zhì)骨FD值隨著年齡的增加而減小，且在同一年齡段，男性FD值大于女性。Obert等[13]發(fā)現(xiàn)女性顱骨CT圖像的FD值與死亡年齡有一定的負(fù)相關(guān)性，可能為法醫(yī)判定尸體死亡年齡有一定的指導(dǎo)意義。Ollivier等[14]研究高分辨率DR中股骨頭圖像發(fā)現(xiàn)，松質(zhì)骨紋理特征值(Hmean值)的減小反映了骨小梁局部穿孔、不連及消失。雖然松質(zhì)骨紋理分析不是直接評估3D結(jié)構(gòu)的技術(shù)，但其可以定量描述由增齡和骨質(zhì)疏松引起的骨結(jié)構(gòu)特征的改變[14]。

本研究存在一些不足： (1) 由于40歲以下患者不建議行DXA檢查，入組患者沒有骨密度數(shù)據(jù)，僅通過年齡差異及退變程度區(qū)分骨結(jié)構(gòu)變化情況；(2) 由于CT圖像重建FOV大小對FD測量影響不明確，所以入組者CT圖像重建FOV均限定為16.2cm×16.2cm。這方面的影響有待進(jìn)一步研究。

采用灰度二值化和分形盒計數(shù)分析腰椎松質(zhì)骨CT圖像，提取灰度紋理信息，可以量化一定輕微退變程度的骨微結(jié)構(gòu)。分形維數(shù)作為一項準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、易操作的數(shù)字圖像處理技術(shù)，在體外無創(chuàng)檢測不同部位松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的臨床應(yīng)用有待進(jìn)一步探索。

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Study on the application of fractal dimension in CT lumbar vertebral cancellous bone images

FENGYin-bo,FANGXiang-ming,CHENHong-wei,ZHANGLi-juan

(Dept. of Radiology， Wuxi People Hospital， Nanjing Medical University， Wuxi 214023， China)

Objective To assess the application of fractal dimension (FD) calculated from CT images in evaluation of cancellous bone texture of lumbar vertebrae. Methods One hundred and fifteen males aged 28-41 years with history of back pain were examined with computed tomography. The FD value of 4th lumbar vertebra (L4) was calculated from CT images with box-counting method to determine its characteristic spongy network. Results The FD value in youth group (38-31 years) and middle-age group (38-41 years) was 1.463±0.056 and 1.418±0.038, respectively(P=0.001). Taking the cut-off value of 1.423 in receiver operator characteristic curve (ROC) the sensitivity and specificity of FD in diagnosis of osteoporosis was 75.4% and 55.6%, respectively. Conclusion The results suggest that the application of fractal analysis of CT images can provide valuable information on the trabecular pattern of vertebrae.

Osteoporosis; CT; Fractal dimension

10.16118/j.1008-0392.2016.03.022

2015-10-10

國家自然科學(xué)基金面上項目(81271629)

馮銀波(1982—)，男，主治醫(yī)師，碩士.E-mail： jsjr_fyb@163.com

方向明.E-mail: drfxm@163.com

R 816

A

1008-0392(2016)03-0107-05