CT紋理分析預(yù)測(cè)下肢肌肉缺血的可行性研究

張大明， 孫昊， 薛華丹， 陳瑾， 王沄， 金征宇

CT紋理分析預(yù)測(cè)下肢肌肉缺血的可行性研究

張大明， 孫昊， 薛華丹， 陳瑾， 王沄， 金征宇

目的探討使用CT紋理分析評(píng)估下肢動(dòng)脈閉塞性疾病所致下肢肌肉缺血的可行性。方法30例單側(cè)下肢動(dòng)脈閉塞性疾病患者中，15例伴側(cè)支循環(huán)形成，15例不伴側(cè)支循環(huán)形成。所有患者行雙下肢動(dòng)脈CTA檢查，使用TexRad商業(yè)研究軟件進(jìn)行圖像分析和后處理，空間縮放因子(SSF)分別取0～6，測(cè)量閉塞動(dòng)脈起始層面、中間層面及結(jié)束層面以及對(duì)側(cè)下肢相應(yīng)層面上肌肉的6個(gè)紋理參數(shù)，包括灰度強(qiáng)度平均值、正像素平均值(MPP)、熵、標(biāo)準(zhǔn)差(SD)、偏度和峰度，對(duì)兩組間各參數(shù)值的差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果在SSF取0和2～6條件下閉塞側(cè)下肢肌肉的SD分別為17.0、117.1、193.3、290.2、363.2、439.0，均高于未閉塞側(cè)對(duì)應(yīng)值(16.4、101.0、179.0、242.4、298.3和350.7)，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；閉塞側(cè)下肢肌肉的熵分別為4.1、5.5、5.8、6.1、6.4和6.7，分別高于未閉塞側(cè)對(duì)應(yīng)值(4.0，5.4，5.7，6.0，6.3和6.6)，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。在SFF為0時(shí)，閉塞側(cè)下肢肌肉的偏度和峰度均低于未閉塞側(cè)(偏度分別為2.2和3.2；峰度分別為24.3和26.7)。SSF=5時(shí)SD值的閾值取333.4時(shí)的ROC曲線下面積(AUC)最大(0.75，95% CI 0.70～0.85)，診斷敏感度為69.0%、特異度為68.1%。而在SFF分別取0～6 時(shí)，側(cè)支循環(huán)組與無(wú)側(cè)支循環(huán)組的6個(gè)紋理參數(shù)間的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。結(jié)論CT紋理分析可以作為一個(gè)輔助診斷手段對(duì)下肢動(dòng)脈閉塞性疾病下肢肌肉的血供情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

下肢動(dòng)脈； 外周動(dòng)脈閉塞性疾??； 側(cè)支循環(huán)； 體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)； 紋理分析

外周動(dòng)脈閉塞性疾病(peripheral arterial occlusive disease，PAOD)是一種慢性進(jìn)展性疾病，在代謝綜合征患者中發(fā)病率較高[1-2]。目前對(duì)這類疾病的常用檢查手段包括傳統(tǒng)血管造影、CTA和MRA，這些技術(shù)均可以精準(zhǔn)顯示大動(dòng)脈的形態(tài)及病變，但是對(duì)于肢體供血情況無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)[3]。CT 紋理分析(CT texture analysis，CTTA)是一種新的圖像后處理技術(shù)，可作為量化病灶異質(zhì)性的工具，越來(lái)越多的研究顯示其在腫瘤的鑒別診斷中可發(fā)揮重要作用[4]。而在缺血性疾病的研究方面，除Kassner等[5]發(fā)現(xiàn)紋理分析可以在傳統(tǒng)磁共振增強(qiáng)T1WI上區(qū)分中樞神經(jīng)系統(tǒng)急性缺血性病變，尚未見其它相關(guān)研究。本研究應(yīng)用CT紋理分析技術(shù)對(duì)下肢動(dòng)脈閉塞性疾病患者的下肢動(dòng)脈CTA圖像進(jìn)行分析，旨在探討這項(xiàng)技術(shù)能否用于判斷下肢肌肉的供血情況，進(jìn)一步提高影像診斷水平。

材料與方法

1.基本臨床資料

將2016年1月-2017年10月在本院行雙下肢動(dòng)脈CTA的30例患者納入研究，其中女9例，男21例；年齡29～90歲，平均(62.33±16.53)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①單側(cè)下肢動(dòng)脈閉塞(股淺動(dòng)脈、腘動(dòng)脈)；②進(jìn)行雙下肢CTA檢查時(shí)未進(jìn)行介入或手術(shù)治療；③患者體質(zhì)量指數(shù)為18～28 kg/m2。排除標(biāo)準(zhǔn)：閉塞動(dòng)脈范圍內(nèi)圖像存在偽影。30例中單側(cè)下肢動(dòng)脈閉塞伴側(cè)支循環(huán)形成15例，單側(cè)下肢動(dòng)脈閉塞不伴有側(cè)支循環(huán)形成15例。

2.CTA檢查方法

患者取仰臥位，使用雙筒高壓注射器經(jīng)患者右側(cè)肘正中靜脈注射對(duì)比劑碘普羅胺(370 mg I/mL)，流率4.0 mL/s，總量90 mL。掃描范圍自膈下水平至足尖，采用對(duì)比劑追蹤技術(shù)，感興趣區(qū)域(region of inte-rest，ROI)放置在降主動(dòng)脈，閾值為150 HU，延遲6 s開始掃描。使用飛利浦Philips IQon 128層能譜CT機(jī)，掃描參數(shù)：120 kV，125 mAs，64 i×0.625 mm，0.27 s/r，螺距0.6。使用第四代混合迭代重建算法(fourth-generation hybrid iterative reconstruction algorithm，iDose4)進(jìn)行圖像重建(等級(jí)為3)，重建層厚5.0 mm。隨后采用最大密度投影(MIP)和容積再現(xiàn)(VR)技術(shù)進(jìn)行圖像重組。

3.圖像分析

所有圖像由分別具有6年和4年大血管疾病診斷經(jīng)驗(yàn)的兩位放射科醫(yī)師采用雙盲法進(jìn)行分析。每例患者在橫軸面圖像中選擇閉塞段動(dòng)脈起始層、中間層及結(jié)束層三個(gè)層面并將圖像數(shù)據(jù)傳輸至紋理分析工作站。由1位具有6年經(jīng)驗(yàn)的放射醫(yī)師使用TexRAD軟件(www.texrad.com,part of Feedback Plc,Cambridge,UK)進(jìn)行圖像的數(shù)據(jù)分析。在動(dòng)脈閉塞側(cè)和對(duì)側(cè)的下肢肌肉內(nèi)勾畫ROI，注意ROI的邊緣距離下肢肌肉組織的邊緣應(yīng)有1～2 mm的間距，并要避開骨骼結(jié)構(gòu)(圖1a)。該過(guò)程中結(jié)合使用閾值技術(shù)來(lái)刪除ROI內(nèi)任何CT值低于20 HU或高于500 HU的像素。對(duì)于紋理分析，使用高斯空間帶通濾波器的拉普拉斯算子的選擇性圖像濾波過(guò)程，使用直方圖分析進(jìn)行紋理參數(shù)的定量測(cè)量。空間縮放因子(spatial scaling factor，SSF)表示由濾鏡突出顯示的圖像特征的大小，范圍在0、2、3、4、5和6 mm的物體半徑之間。濾波器可以分別提取對(duì)應(yīng)于不過(guò)濾(SSF=0)、精細(xì)(SSF=2)、中度(SSF=3～5)和粗糙(SSF=6)紋理刻度的圖像特征(圖1b～d)。通過(guò)直方圖分析得出的量化紋理參數(shù)包括平均灰度強(qiáng)度(平均值，ROI內(nèi)像素灰度的平均值)、標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)、熵(像素灰度強(qiáng)度分布的不規(guī)則度)、平均正像素值(mean positive pixels，MPP)、偏度(直方圖的不對(duì)稱性)和峰度(直方圖的銳利度)[6]。在每個(gè)層面均記錄每個(gè)SSF條件下的每項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量值。

使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。使用卡方檢驗(yàn)比較下肢動(dòng)脈閉塞伴有側(cè)支循環(huán)(C組)和不伴有側(cè)支循環(huán)組(D組)中患者的性別、年齡及病變位置是否存在差異。使用曼-惠特尼檢驗(yàn)比較下肢動(dòng)脈閉塞組(A組)與非下肢動(dòng)脈閉塞組(B組)，以及伴側(cè)支循環(huán)組(C組)與不伴側(cè)支循環(huán)組(D組)中每個(gè)SSF條件下的紋理參數(shù)值之間的差異，P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用操作者工作特征曲線(receiver operation characteristic curve，ROC)分析對(duì)各項(xiàng)紋理參數(shù)的診斷效能進(jìn)行分析，計(jì)算曲線下面積(area under curve，AUC)、診斷界值及相應(yīng)的敏感度和特異度。

結(jié) 果

下肢動(dòng)脈閉塞伴有側(cè)支循環(huán)(C組)和不伴有側(cè)支循環(huán)組(D組)中患者的一般情況見表1。30例患者的閉塞動(dòng)脈共計(jì)30段，位于右側(cè)股淺動(dòng)脈18段、左側(cè)股淺動(dòng)脈10段、右側(cè)腘動(dòng)脈1段，左側(cè)腘動(dòng)脈1段。

表1 患者的一般情況

圖1 右側(cè)下肢POAD患者。a) 下肢動(dòng)脈CTA軸位圖像上，選擇右側(cè)閉塞股淺動(dòng)脈起始層面，在雙側(cè)下肢肌肉內(nèi)勾畫ROI； b) SSF=2條件下的紋理分析圖像。顯示肌肉內(nèi)的紋理結(jié)構(gòu)較精細(xì)； c) SSF=4條件下的紋理分析圖像，顯示了肌肉內(nèi)的紋理結(jié)構(gòu)中等大小； d) SSF=6條件下的紋理分析圖像，顯示了肌肉內(nèi)的紋理結(jié)構(gòu)較粗糙。

表2 下肢動(dòng)脈閉塞組與非閉塞組下肢肌肉紋理參數(shù)分析結(jié)果

注：表格內(nèi)數(shù)據(jù)為每個(gè)參數(shù)的中位數(shù)，括號(hào)中的數(shù)據(jù)為數(shù)值范圍。

表3 下肢動(dòng)脈閉塞伴側(cè)支循環(huán)組與下不伴側(cè)支循環(huán)組下肢肌肉紋理參數(shù)值

注：表格內(nèi)數(shù)據(jù)為每個(gè)參數(shù)的中位數(shù)，括號(hào)中的數(shù)據(jù)為數(shù)值范圍。

下肢動(dòng)脈閉塞組與非下肢動(dòng)脈閉塞組的下肢肌肉紋理參數(shù)值見表2。其中在 SSF=0和2～6時(shí)，均值和MPP在兩組之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 SSF=0和2～6時(shí)，SD和熵值在兩組之間的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，表現(xiàn)為閉塞組中下肢肌肉的SD值和熵值更高。在不過(guò)濾(SSF=0)條件下，偏度和峰度在兩組之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，表現(xiàn)為閉塞組中下肢肌肉的偏度和峰度值更小；在SSF=2～6時(shí)，偏度與峰度在兩組之間的差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

對(duì)于鑒別下肢動(dòng)脈閉塞與非閉塞，以中度過(guò)濾(SSF=5)條件下的SD值的曲線下面積最大，為0.75(95% CI：0.70～0.85)，SD界值為333.4，相應(yīng)的診斷敏感度為69.0%、特異度為68.1%。在不過(guò)濾至中度過(guò)濾(SSF=0和SSF=2～4)條件下，偏度和峰度在兩組之間的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，表現(xiàn)為閉塞組中下肢肌肉的偏度和峰度值更小。對(duì)于鑒別下肢動(dòng)脈閉塞與非閉塞，以中度過(guò)濾(SSF=5)條件下的SD值的曲線下面積最大，為0.75(95% CI：0.70～0.85)，SD界值為333.4，相應(yīng)的診斷敏感度為69.0%、特異度為68.1%。

下肢動(dòng)脈閉塞伴側(cè)支循環(huán)組和不伴有側(cè)支循環(huán)組中6個(gè)紋理參數(shù)的測(cè)量結(jié)果見表3。在不同SSF條件下下肢肌肉的6個(gè)紋理參數(shù)值在兩組之間的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

討 論

本研究結(jié)果顯示，下肢動(dòng)脈閉塞側(cè)的下肢肌肉的SD、熵及偏度均高于非下肢動(dòng)脈閉塞側(cè)，而偏度則低于非下肢動(dòng)脈閉塞側(cè)；并且，中度過(guò)濾條件下(SSF=5)的SD值預(yù)測(cè)下肢肌肉缺血的診斷效能最高。提示CT紋理分析在預(yù)測(cè)下肢肌肉缺血中可能起到一定作用，尤其是在下肢動(dòng)脈閉塞與非下肢動(dòng)脈閉塞的鑒別中。但是，對(duì)于下肢動(dòng)脈閉塞側(cè)的下肢肌肉，CT紋理分析在是否形成側(cè)支循環(huán)上無(wú)明顯預(yù)測(cè)價(jià)值。

關(guān)于下肢動(dòng)脈閉塞性疾病所引起的軟組織供血異常的相關(guān)研究較少，目前廣泛接受的方法有足部的經(jīng)皮血氧張力測(cè)量[7]，但是這種方法無(wú)法提供解剖學(xué)信息，因此在臨床應(yīng)用中受到限制。此外，Lezzi等[3]探索了應(yīng)用CT灌注成像的方法評(píng)價(jià)足部血流灌注情況，但目前的技術(shù)尚無(wú)法對(duì)下肢肌肉進(jìn)行大范圍掃描。關(guān)于在缺血性疾病中應(yīng)用紋理分析的研究較少，Kassner等[5]曾基于磁共振T1WI增強(qiáng)圖像使用紋理分析技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)急性缺血性腦卒中，結(jié)果顯示局部變化、灰階線性相關(guān)性這2個(gè)紋理參數(shù)優(yōu)于單純基于圖像判斷急性缺血性腦卒中。由此可以看出，紋理參數(shù)能夠反映缺血性疾病與正常組織的不同。

病變的異質(zhì)程度與病變的組織結(jié)構(gòu)的變異度、組織缺氧和血管生成均具有相關(guān)性[8-10]。CT紋理分析中SD代表數(shù)據(jù)的離散程度，在不過(guò)濾時(shí)(SSF=0)，閉塞側(cè)下肢肌肉的SD值高于非閉塞側(cè)，并且隨過(guò)濾程度的提高SD值也明顯增大。在過(guò)濾的過(guò)程中，不論是暗目標(biāo)還是亮目標(biāo)均會(huì)得到強(qiáng)化，從而使SD值增加。已有研究證實(shí)，SD值與非小細(xì)胞肺癌組織缺氧程度呈正相關(guān)[9]，這與缺氧組織內(nèi)形成壞死也就是暗區(qū)域有關(guān)，這一理論同樣在膠質(zhì)瘤分級(jí)與SD值成正相關(guān)的研究結(jié)果中得到證實(shí)[11]。盡管尚未有缺血性疾病的CT紋理分析的相關(guān)研究，但是根據(jù)上述研究可以推斷，由于下肢供血?jiǎng)用}的閉塞，供血范圍內(nèi)的下肢肌肉內(nèi)血流減少，從而使得其內(nèi)的暗區(qū)域增多，這一機(jī)制可以解釋下肢動(dòng)脈閉塞側(cè)下肢肌肉SD值高于非下肢動(dòng)脈閉塞側(cè)，而且隨著過(guò)濾程度的增加其SD值逐漸增高。同時(shí)，SD值在鑒別下肢肌肉缺血中的曲線下面積最大。

熵代表了病變內(nèi)像素強(qiáng)度分布的不均勻性，一般在異質(zhì)性高的腫瘤中熵值較大，如惡性腫瘤或容易發(fā)生壞死的良性腫瘤[6-12]，在本研究中，下肢動(dòng)脈閉塞組中(A組)下肢肌肉的熵值大于非閉塞組(B組)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，這可能與閉塞側(cè)下肢動(dòng)脈側(cè)支循環(huán)的建立導(dǎo)致下肢肌肉結(jié)構(gòu)異質(zhì)性增高有關(guān)。下肢動(dòng)脈閉塞組在未過(guò)濾(SSF=0)時(shí)偏度和峰度均低于非閉塞組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，考慮為下肢動(dòng)脈閉塞患者肌肉整體血供較低所致。

在對(duì)下肢動(dòng)脈閉塞進(jìn)行分層分析時(shí)，將其分成了伴有側(cè)支循環(huán)組(C組)與不伴有側(cè)支循環(huán)組(D組)，對(duì)兩組間6個(gè)CT紋理參數(shù)進(jìn)行曼-惠特尼檢驗(yàn)，結(jié)果顯示差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。筆者認(rèn)為，這種情況可能與側(cè)支循環(huán)形成的機(jī)制有關(guān)。下肢動(dòng)脈閉塞時(shí)，側(cè)支循環(huán)由閉塞動(dòng)脈的近心端發(fā)出，跨過(guò)閉塞段下肢動(dòng)脈，而與其遠(yuǎn)端的血管腔相連通[13]。而本研究中只測(cè)量了閉塞動(dòng)脈的起始層面、中間層面及結(jié)束層面，未測(cè)量側(cè)支循環(huán)與閉塞動(dòng)脈遠(yuǎn)端相溝通的層面，可能對(duì)側(cè)支循環(huán)的供血情況評(píng)價(jià)不夠完善。

本研究存在以下不足：首先，研究納入病例數(shù)較少，應(yīng)擴(kuò)大病例樣本以減少選擇偏倚；其次，本研究選擇閉塞動(dòng)脈起始層、中間層及結(jié)束層面的橫軸面增強(qiáng)CT圖像進(jìn)行測(cè)量，未評(píng)價(jià)側(cè)支循環(huán)動(dòng)脈遠(yuǎn)端層面上下肢肌肉的紋理參數(shù)，應(yīng)在未來(lái)研究中進(jìn)行完善。

總之， CT紋理分析可以作為一個(gè)輔助診斷手段對(duì)下肢動(dòng)脈閉塞性疾病患者的下肢肌肉的血供情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)目前在該領(lǐng)域影像學(xué)技術(shù)的空白。

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FeasibilityofusingCTtextureanalysistoevaluatelowerlimbmuscleischemia

ZHANG Da-ming,SUN Hao,XUE Hua-dan,et al.

Department of Radiology,Peking Union Hospital,Peking Union Medical college,Chinese Academy of Medical Science,Beijing 100730,China

Objective:To evaluate the feasibility of using CT texture analysis to evaluate lower limb muscle ischemia in lower extremity arterial occlusive disease.MethodsThirty patients with unilateral lower extremity arterial occlusive disease were included.Fifteen of the 30 patients were unilateral lower extremity arterial occlusion with collateral circulation (CC group).The other 15 cases had unilateral lower extremity arterial occlusion without collateral circulation (non-CC group).Six texture parameters [(mean,mean positive pixel (MPP),entropy,standard diviation (SD),skewness,and kurtosis] of lower limb muscle in both sides under the condition of SSF 0～6 were measured at the initial level,the intermediate level and the end plane of the occlusive artery were measured using TexRad commercial study software.ResultsIn the SSF 0～6 condition,the SDs (17.0,117.1,193.3,290.2,363.2 and 439.0) of the lower limb muscles of the lower extremity arterial occlusion were higher than those (16.4,101.0,179.0,242.4,298.3 and 350.7) in the lower limb muscles of the lower extremity arteries without occlusion;and the entropys in the lower extremity arterial occlusion were higher than those in the the lower extremity arteries without occlusion;the difference was statistically significant (P<0.05).The skewness and kurtosis of lower limb muscle in occlusion side were lower than that in contralateral side (skewness:2.2 vs 3.2;kurtosis:24.3 vs 26.7).Under the condition of moderate filtration (SSF=5),when the boundary value of SD was 333.4,the AUC of ROC was 0.75 (95%CI:0.70～0.85),and the sensitivity was 69.0%,the specificity was 68.1%.There were no statistically significant differences in the six texture parameters of the lower extremity arterial occlusion with collateral circulation and without collateral circulation formation under SFF 0～6 filtration.ConclusionCT texture analysis can be used as an auxiliary diagnostic method to evaluate the blood supply of lower limb muscles in lower extremity arterial occlusive disease.

Lower extremity artery； Peripheral arterial occlusive disease； Collateral circulation； Tomography，X-ray computed； Texture analysis

100730 北京，中國(guó)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

張大明(1984-)，女，河北遷安人，博士，主治醫(yī)師，主要從事血管影像學(xué)診斷和研究工作。

金征宇，E-mail：jin_zhengyu@163.com

衛(wèi)生公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201402019)

R587.29； R814.42

A

1000-0313(2017)12-1234-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.12.006

2017-10-20

2017-11-20)