紋理分析用于心肌淀粉樣變性和肥厚型心肌病鑒別診斷的可行性研究

江舒， 張古沐陽， 王怡寧， 孫昊， 薛華丹， 金征宇

紋理分析用于心肌淀粉樣變性和肥厚型心肌病鑒別診斷的可行性研究

江舒， 張古沐陽， 王怡寧， 孫昊， 薛華丹， 金征宇

目的評價磁共振成像結(jié)合紋理分析技術(shù)對心肌淀粉樣變性與肥厚型心肌病的鑒別診斷價值。方法經(jīng)心內(nèi)膜活檢證實的心肌淀粉樣變性輕鏈型(CA)患者18例及經(jīng)臨床確診的肥厚型心肌病患者18例，均采用3.0T MR標準化掃描獲得電影序列圖像，使用TexRad軟件對所有患者左心室中段兩腔短軸位圖像進行取樣分析，選擇不同的空間縮放因子(SSF，取值為0和2～6)，獲得在不同紋理過濾尺度下代表紋理特征的5個參數(shù)值(包括均值、標準差、峰度、偏度、熵值)，采用Mann-Whitney U檢驗進行組間比較，并使用ROC曲線評估各參數(shù)的診斷效能。結(jié)果心肌淀粉樣變性和肥厚型心肌病的熵值、峰度和偏度間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。診斷心肌淀粉樣變性ROC曲線分析結(jié)果顯示，SSF=3時取熵值≥2.68，診斷淀粉樣變性的曲線下面積最大(0.87)，診斷敏度87.2%，特異度為90.9%、符合率為88.0%。結(jié)論紋理分析可用于心肌淀粉樣變性和肥厚型心肌病的鑒別診斷，相比傳統(tǒng)鑒別方法具有無需使用對比劑且縮短檢查時間的優(yōu)勢。

紋理分析； 磁共振成像； 淀粉樣變性； 肥厚型心肌病

左心室肥厚是不良心血管事件的重要危險因素并與死亡率相關(guān)[1]。心肌淀粉樣變性(cardiac amyloi-dosis，CA)和肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)均可表現(xiàn)為左心室增厚。臨床上CA雖為少見病，但患者心臟受累較常見，是引起患者死亡的主要原因[2]。CA患者的預(yù)后較HCM患者差得多，既往文獻報道CA出現(xiàn)限制性心衰后中位生存期小于6個月[3]。β受體阻滯劑是HCM的一線治療藥物，卻是CA患者的禁忌藥物，因此正確診斷并選擇適當?shù)闹委煵呗詫τ谶@兩類疾病患者的預(yù)后至關(guān)重要。傳統(tǒng)心臟磁共振成像對這兩種疾病的鑒別主要基于釓對比劑延遲增強(late gadolinium enhancement，LGE)表現(xiàn)的差異，特征性的強化形式可提供一定的診斷幫助，但不典型的LGE強化形式以及腎功能不全患者一定程度上限制了LGE技術(shù)的應(yīng)用，因此我們嘗試使用紋理技術(shù)對未增強的磁共振電影序列圖像進行分析。

圖1 患者入組流程圖。

紋理分析技術(shù)是近2年發(fā)展起來的新興技術(shù)，通過專用軟件量化分析肉眼無法分辨的組織灰度的差異，實現(xiàn)對組織不同紋理特征的定量或定性描述[4]。既往多個文獻已證實紋理分析技術(shù)在乳腺、肺、腎臟以及腦部良惡性腫瘤的鑒別診斷中有一定價值[5-11]，因此本研究旨在探討磁共振圖像的紋理分析是否可用于心肌淀粉樣變性和肥厚型心肌病的鑒別診斷。

材料與方法

1.基本臨床資料

本研究已獲得機構(gòu)倫理審查委員會的批準，且所有入組成員簽署了知情同意書。2015年1月-2016年4月就診于北京協(xié)和醫(yī)院、懷疑淀粉樣變性或肥厚型心肌病的患者共219例，按嚴格流程入組，具體流程見圖1。排除標準：腎功能不全(eGFR<30 mL/(min·1.73m2)及有磁共振檢查禁忌證(包括金屬植入、幽閉恐懼癥)的患者。所有CA患者均為心內(nèi)膜活檢光鏡下證實淀粉樣物質(zhì)沉積于心內(nèi)膜下、心肌間質(zhì)、血管壁內(nèi)及管壁周圍，HE染色為粉染無定形物，剛果紅染色呈陽性，偏振光下呈蘋果綠雙折射。最終18例患者納入CA組，均為原發(fā)性CA。其中男10例，女8例，年齡43～76歲，平均55歲。18例符合HCM診斷標準[12]的患者最終納入HCM組，其中男12例，女6例，年齡25～53歲，平均53歲。

2.圖像采集

使用Siemens Magnetom Skyra 3.0T磁共振掃描儀(最大梯度場45 mT/m，最大梯度切換率200 mT/m·ms)對所有入組患者進行標準流程心臟磁共振成像檢查。數(shù)據(jù)采集使用18單元體部矩陣線圈和一個32單元的脊柱陣列線圈，使用MR兼容無線矢量4導(dǎo)聯(lián)向量心電門控板。在多次屏氣下采用心電門控2D穩(wěn)態(tài)自由進動序列采集獲得電影序列圖像，包括2腔、3腔、4腔長軸位及10～12層心室短軸位2腔圖像，掃描范圍自左心室基底部至心尖部。主要掃描參數(shù)：TR 3.3 ms，TE 1.43 ms，翻轉(zhuǎn)角55°～70°，體素大小1.6 mm×1.6 mm×6.0 mm，時間分辨率45.6 ms，帶寬962 Hz/Pixel。

3.圖像處理

將MRI原始圖像至GE工作站，由兩位心血管影像閱片經(jīng)驗分別達5年及10年的高年資放射科醫(yī)師進行雙盲法閱片，意見不一致時經(jīng)商議達成一致意見。選擇不同的紋理過濾尺度，即空間尺度因子(spatial scaling factor，SSF)，利用直方圖來分析興趣區(qū)在不同過濾尺度下的紋理特征，相關(guān)參數(shù)主要有5個：均值(mean)指感興趣區(qū)內(nèi)所有像素灰度的平均值；標準差(standard deviation，SD)為數(shù)據(jù)偏離平均值的程度；偏度(skewness)反映數(shù)據(jù)分布的對稱性；峰值(kurtosis)為數(shù)據(jù)分布的峰值；熵值(entropy)反映組織的不規(guī)則度或復(fù)雜度。

使用TexRad軟件進行數(shù)據(jù)分析。在所有患者左室中段電影序列圖像上選擇5個感興趣區(qū)，分別為全心(ROI-0)、室間隔(ROI-1)及左室前壁(ROI-2)、側(cè)壁(ROI-3)和下壁(ROI-4)。所有患者采用統(tǒng)一測量方法及標準：ROI-0使用“polygona功”能進行勾勒，范圍包括兩腔短軸圖像上的左室心??；其它ROI使用“ellipse”功能分別在對應(yīng)節(jié)段中央位置勾畫直徑2mm的ROI。ROI的勾畫需避開心肌邊緣區(qū)域及血池以避免噪聲及容積效應(yīng)的影響。對所有心肌取樣區(qū)進行分析，分別獲得在不同SSF下的5個紋理特征參數(shù)值。

4.統(tǒng)計分析

使用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析，紋理特征參數(shù)使用中位數(shù)和四分位數(shù)間距來表示。使用非參數(shù)Mann-Whitney U檢驗評價CA組和HCM組的各項紋理參數(shù)的差異。使用受試者工作特征曲線(receiver operation characteristic curve，ROC)對紋理參數(shù)的診斷效能進行分析，根據(jù)最大約登指數(shù)計算出鑒別兩種病變的最佳閾值及相應(yīng)的診斷敏感度、特異度及符合率。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1.基本臨床特征的比較

CA和HCM患者的基本臨床資料見表1。

表1 兩組患者的基本臨床資料

兩組患者年齡、性別的差異無統(tǒng)計學(xué)意義。HCM組的室間隔厚度和左心室舒張末期容積均高于CA組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。HCM組的左心室射血分數(shù)、左心室收縮末期容積和左心室心肌質(zhì)量指數(shù)均高于CA組，左心房容積低于CA組，但差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

表2 不同紋理過濾尺度下兩組患者左心室側(cè)壁的紋理參數(shù)值

表3 不同紋理過濾尺度下兩組患者室間隔的紋理參數(shù)值

圖2 紋理特征參數(shù)鑒別CA與HCM的ROC曲線。

2.兩組中紋理參數(shù)的比較

兩組36例患者共180個取樣區(qū)的紋理參數(shù)在不同過濾條件下的測量結(jié)果見表2～3。在SSF=0和2～6條件下，CA組室間隔和側(cè)壁的熵值高于HCM組，CA組室間隔的峰度高于HCM組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。在SSF=0和2～5時，CA組側(cè)壁的峰度高于HCM組，室間隔的偏度低于HCM組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

在各紋理條件下(SSF=0～6)，兩組間各部位的均值和標準差這兩項紋理參數(shù)的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，兩組間前壁和全心的各項紋理參數(shù)間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

3.ROC曲線分析

當SSF=3時，室間隔熵值的閾值取2.68 時，診斷淀粉樣變性的AUC下面積最大(圖2)， 95% CI為0.87±0.09(P<0.001)，相應(yīng)的診斷敏感度為87.2%、特異度為90.9%、符合率為88.0%。

討 論

心肌淀粉樣變性臨床上較罕見，患者預(yù)后極差，病死率高，影像學(xué)上缺乏對其足夠的認識，易誤診為相對常見的的肥厚型心肌病，而正確診斷和治療對于患者的預(yù)后非常重要。心內(nèi)膜活檢是診斷CA的“金標準”，但其作為一項有創(chuàng)性的檢查方法不容易被患者接受；且淀粉樣物質(zhì)的沉積不均，存在因活檢部位取樣誤差而致假陰性的可能[13]。MR LGE成像在CA和HCM的鑒別診斷中有重要價值，特征性的強化形式可提供診斷信息，但有12%的CA可表現(xiàn)為HCM常見的斑片狀延遲強化，且彌漫性延遲強化可因缺乏與正常心肌組織的對比而存在被漏診的可能。腎功能不全患者和不典型的強化方式一定程度上限制了LGE技術(shù)的應(yīng)用。

紋理分析通過選擇不同的過濾條件(SSF=0代表無過濾，SSF=2代表精細紋理尺度，SSF=3-5代表中等紋理尺度，SSF=6代表粗糙紋理尺度)來綜合分析病灶的特征。精細紋理表現(xiàn)正常解剖結(jié)構(gòu)，中等和粗糙紋理則表現(xiàn)有重要的生物學(xué)意義的結(jié)構(gòu)，可突顯組織的生物學(xué)異質(zhì)性，多種參數(shù)的分析實現(xiàn)對組織的紋理特征進行客觀量化。磁共振紋理分析在心肌病變方面的應(yīng)用很少，既往文獻曾嘗試應(yīng)用超聲圖像紋理特征對CA和HCM進行比較，但并未給出定量診斷界值[14]，且超聲機器設(shè)置、傳感器變化、介入組織和灰度處理圖類型等都可能影響心肌組織定量分析參數(shù)值[15-16]；操作者依賴性、聲窗的局限性以及不能對組織特征進行精細的量化也限制了超聲圖像紋理分析的客觀性和敏感性。與超聲相比，3.0T磁共振的圖像分辨率更高，成像參數(shù)穩(wěn)定。本組研究結(jié)果顯示，在多種過濾條件下，CA與HCM的熵值、偏度和峰度的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，這3項參數(shù)可應(yīng)用于兩者的鑒別診斷。且中等紋理過濾條件下(SSF=3)，室間隔熵值是鑒別兩者效能的最好參數(shù)，敏感度和特異度分別達到87.2%和90.9%。CA患者室間隔和心室側(cè)壁的熵值高于HCM患者，提示在生物學(xué)異質(zhì)性方面，CA患者的室間隔及側(cè)壁部位的心肌組織較HCM患者的不規(guī)則度更高。推測是因為室間隔是HCM最常累及的部位，也是兩種疾病累及的主要部位不同所致。既往的腫瘤影像研究認為病變的異質(zhì)性反映了組織結(jié)構(gòu)的變化，并與潛在的生物學(xué)變化相關(guān)，包括缺氧、細胞浸潤、血管生成、甚至是基因表達[17-21]。雖然兩種疾病均可表現(xiàn)為類似的左室心肌肥厚，但心肌的病理改變并不相同。心肌淀粉樣變性被認為是心肌間質(zhì)性疾病的典型，淀粉樣變性患者的尸檢證實其主要病理改變是淀粉樣蛋白在細胞間隙彌漫浸潤，導(dǎo)致細胞外間隙增大，而心肌纖維化成分僅占1.3%。最近的一項對于淀粉樣變性的分型研究結(jié)果顯示，輕鏈型淀粉樣變性的病理改變不僅有心肌細胞的毒性水腫，還有細胞外間隙的顯著增大[22]。而肥厚型心肌病主要是由于心肌細胞的肥大、心肌纖維化及微循環(huán)障礙導(dǎo)致的心肌肥厚[12]。

本研究有一定的局限性：①研究的樣本量較??；②本研究所研究的心肌淀粉樣變性均為輕鏈型，其它類型的淀粉樣變性是否適用仍需要進一步研究；③僅對左室中段心肌進行分析，雖為常規(guī)研究方法，但有忽略其它部位病灶的可能。

綜上所述，磁共振紋理分析技術(shù)對于CA和HCM具有鑒別診斷價值，可使兩病的影像學(xué)評價更完善，實現(xiàn)了對腎功能不全患者的評估，并在一定程度上縮短了檢查時間。

[1] Levy D,Garrison RJ,Savage DD,et al.Prognostic implications of echocardiographically determined left ventricular mass in the Framingham Heart Study[J].N Engl J Med,1990,322(22):1561-1566.

[2] Obici L,Perfetti V,Palladini G,et al.Clinical aspects of systemic amyloid disease[J].Bioehim Biophys Acta,2005,1753(1):11-22.

[3] Selvanayagam JB,Hawkins PN,Paul B,et al.Evaluation and management of the eardiac amyloidosis[J].J Am Coll Cardiol,2007,50(22):2101-2110.

[4] Tourassi GD.Journey toward computer-aided diagnosis:role of image texture analysis[J].Radiology，1999，213(2):317-320.

[5] Bayanati H,Thornhill RE,Souza CA,et al.Quantitative CT texture and shape analysis:can it differentiate benign and malignant mediastinal lymph nodes in patients with primary lung cancer[J].Eur Radiol,2015,25(2):480-487.

[6] Ravanelli M,Farina D,Morassi M,et al.Texture analysis of advanced non-small cell lung cancer (NSCLC) on contrast-enhanced computed tomography:prediction of the response to the first-line chemotherapy[J].Eur Radiol,2013,23(12):3450-3455.

[7] Juntu J,Sijbers J,De Backer S,et al Machine learning study of several classifiers trained with texture analysis features to differen-tiate benign from malignant soft-tissue tumors in T1-MRI images[J].J Magn Reson Imaging,2010,31(3):680-689.

[8] Gibbs P,Turnbull LW.Textural analysis of contrast-enhanced MR images of the breast[J].Magn Reson Med,2003,50(1):92-98.

[9] Mahmoud-Ghoneim D,Toussaint G,Constans JM,et al.Three dimensional texture analysis in MRI:a preliminary evaluation in gliomas[J].Magn Reson Imaging,2003,21(9):983-987.

[10] Ganeshan B,Abaleke S,Young RC,et al.Texture analysis of non-small cell lung cancer on unenhanced computed tomography:initial evidence for a relationship with tumour glucose metabolism and stage[J].Cancer Imaging,2010,10(1):137-141.

[11] Zhang GMY,Sun H,Shi B,et al.Differentiating pheochromocytoma from lipid-poor adrenocortical adenoma by CT texture analysis:feasibility study[J/OL].Abdom Radiol (NY),2017.DOI:10.1007/s00261-017-1118-3.

[12] Maron BJ,McKenna WJ,Danielson GK,et al.American College of Cardiology/European Society of Cardiology clinical expert consensus document on hypertrophic cardiomyopathy.A report of the American College of Cardiology Foundation Task Force on Clinical Expert Consensus Documents and the European Society of Cardiology Committee for Practice Guidelines[J].J Am Coll Cardiol,2003,42(9):1687-713.

[13] Kwong RY,Falk RH.Cardiovascular magnetic in cardiac amyloidosis[J].Circulation,2005,11(1):122-124.

[14] Chandrasekaran K1,Aylward PE,Fleagle SR.Feasibility of identifying amyloid and hypertrophic cardiomyopathy with the use of computerized quantitative texture analysis of clinical echocardiographic Data[J].J Am Coll Cardiol,1989,13(4):832-840.

[15] Stuhlmuller JE,Skorton DJ,Burns TL,et al.Reproducibility of quantitative backscatter echocardiographic imaging in normal subject[J].Am J Cardiol,1992,69(5):542-546.

[16] Stuhlmuller JE,Fleagle SR,Burns TL,et al.Effects of instrument adjustments on quantitative echocardiographic gray level texture measures[J].J Am Soc Echocardiogr,1991, 4(6):533-540.

[17] Hayano K,Tian F,Kambadakone AR,et al.Texture analysis of non-contrast-enhanced computed tomography for assessing angiogenesis and survival of soft tissue sarcoma[J].J Com- put Assist Tomogr,2015,39(4):607-612.DOI:10.1097/RCT.00000000000 00239

[18] Tian F,Hayano K,Kambadakone AR,et al.Response assessment to neoadjuvant therapy in soft tissue sarcomas:using CT texture analysis in comparison to tumor size,density,and perfusion[J].Abdom Imaging,2015,40(6):1705-1712.

[19] Dang M,Lysack JT,Wu T,et al.MRI texture analysis predicts p53 status in head and neck squamous cell carcinoma[J].AJNR,2015,36(1):166-170.

[20] Ganeshan B,Goh V,Mandeville HC,et al.Non-small cell lung cancer:histopathologic correlates for texture[J].Radiology,2013,266(1):326-336

[21] Gumuyang Zhang,Hao Sun,Bing Shi,et al.Quantitative CT texture analysis for evaluating histologic grade of urothelial carcinoma[J].Abdom Radiol (NY),2017,42(2):561-568

[22] Fontana M1,Banypersad SM1,Treibel TA.Differential myocyte responses in patients with cardiac transthyretin amyloidosis and light-chain amyloidosis:a cardiac MR imaging study[J].Radio-logy,2015,277(2):388-397.

Feasibilitystudyofmyocardialtextureanalysistodifferentiatebetweenhypertrophicandamyloidcardiomyopathies

JIANG Shu,ZHANG Gu-muyang,WANG Yi-ning,et al.

Department of Radiology,Peking Union Medical College Hospital,Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College,Beijing 100730,China

Objective:To investigate whether texture analysis can be used to differentiate hypertrophic cardiomyopathy (HCM) and cardiac amyloidosis (CA) on MR images.MethodsEighteen patients with CA and 18 patients with HCM were included in this study.Patients with CA were all confirmed by myocardial biopsy,and patients with HCM met the diagnostic criteria.All the patients had 3.0T magnetic resonance imaging before diagnosis.Texture analysis using a filtration-histogram technique was performed using research software algorithm (TexRad) on end-diastolic frame of a mid short axis cine image.Five parameters (including mean,standard deviation,entropy,kurtosis and skewness) of texture feature were extracted using different value of spatial scale filter (SSF) between 0 and 6.ResultsThere were significant differences in entropy,skewness and kurtosis between HCM group and CA group.Receiver operation characteristic curve analysis showed that when entropy value of the septum segment of the LV wall >2.68 at medium texture scale (SSF=3),there was the biggest AUC of 0.87 for identification of CA from HCM (P<0.001),the sensitivity was 87.2%,specitivity was 90.9%,and accuracy was 88.0%.ConclusionTA of conventional cine images may complement conventional myocardial MR imaging to differentiate between hypertrophic and amyloid cardiomyopathies.

Texture analysis； Magnetic resonance imaging； Amyloidosis； Hypertrophic cardiomyopathy

100730 北京，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院放射科(江舒，張古沐陽，王怡寧，孫昊，薛華丹，金征宇)；224001 江蘇，江蘇省鹽城市第一人民醫(yī)院磁共振室(江舒)

江舒(1984-)，女，江蘇鹽城人，碩士，主治醫(yī)師，主要從事心血管影像診斷工作。

王怡寧，E-mail：wangyining@pumch.cn

科技部“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目子課題(2016YFC1300402)；2017年度北京市科技新星計劃交叉學(xué)科合作課題(Z171100001117136)；國家自然科學(xué)基金面上項目(81471725)

R542.2；R445.2

A

1000-0313(2017)12-1225-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.12.004

2017-10-28

2017-12-18)