基于常規(guī)磁共振成像的圖像紋理分析對(duì)肝局灶性病變的鑒別診斷價(jià)值

夏 鵬，王國(guó)祥，劉 棟，蔣兆貫

無(wú)錫市中醫(yī)醫(yī)院放射科，江蘇 無(wú)錫 214071

圖像紋理分析是一種計(jì)算機(jī)輔助圖像處理技術(shù)，可以用于描述各種醫(yī)學(xué)影像學(xué)圖像的像素、像素直接的位置分布關(guān)系和圖像各種灰階的空間分布特征，而這些圖像的表面特征信息很多是人類肉眼無(wú)法精準(zhǔn)判別的［1-2］。近年來，基于醫(yī)學(xué)影像學(xué)圖像的紋理分析已用于多種疾病的定性診斷［3-4］、病理學(xué)分級(jí)［5-6］、治療反應(yīng)評(píng)估及預(yù)后評(píng)估［7-8］的臨床實(shí)踐中。

體模研究顯示，基于圖像紋理特征的分類模型，其效率很大程度上依賴于所分析圖像的空間分辨率［9-10］。由于臨床上腹部磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）不容易獲取高分辨率圖像，肝臟局灶性病變所得到的用于紋理分析的絕對(duì)像素較少，運(yùn)用紋理分析方法診斷肝局灶性病變遇到很大挑戰(zhàn)。已有相關(guān)研究［11］顯示增強(qiáng)MRI的紋理分析技術(shù)可以用于術(shù)前預(yù)測(cè)肝細(xì)胞肝癌微血管侵犯情況。因此，本研究擬探討常規(guī)MRI T1WI、T2WI圖像紋理分析對(duì)肝血管瘤和原發(fā)性肝癌的鑒別診斷價(jià)值。

1 資料和方法

1.1 一般資料

收集于無(wú)錫市中醫(yī)醫(yī)院確診為原發(fā)性肝癌或肝血管瘤的患者57例，共128個(gè)病灶，其中男性35例，女性22例，年齡范圍23～78歲，平均（54.9±14.5）歲。原發(fā)性肝癌的診斷標(biāo)準(zhǔn)為手術(shù)或穿刺病理學(xué)診斷標(biāo)準(zhǔn)（共53個(gè)病灶）或符合臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)（共11個(gè)病灶）［12］。所有肝血管瘤病灶（64個(gè)）的MRI診斷符合Ba-Ssalamah等［13］提出的MRI分型及診斷標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 MRI檢查方法

所有患者均行3.0T常規(guī)MRI檢查和動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描（荷蘭Philips公司，Ingenia 3.0T MR system）。其中用于紋理分析的常規(guī)橫斷面T1WI、T2WI具體掃描參數(shù)：① T1WI檢查序列為快速自旋回波序列，重復(fù)時(shí)間（repetition time，TR）/回波時(shí)間（echo time，TE）為 140 ms/1.15 ms，翻轉(zhuǎn)角為55°，層厚5 mm，層距1 mm；② T2WI序列為單次激發(fā)快速自旋回波屏氣掃描序列，TR/TE為1 086 ms/80 ms；層厚 5 mm，層距1 mm。

1.3 紋理分析

應(yīng)用Mazda軟件分析所選擇的圖像（病灶橫斷面中心層面圖像），選擇軟件不規(guī)則型感興趣區(qū)（region of interest，ROI）畫筆手動(dòng)勾畫病灶輪廓，并計(jì)算出該ROI所示范圍內(nèi)圖像的紋理特征參數(shù)。ROI的勾畫具體方法及其區(qū)域內(nèi)紋理特征的計(jì)算過程如下：選取每個(gè)病灶的橫斷面T1WI、T2WI中心層面圖像，盡量避免部分容積效應(yīng)影響，由醫(yī)師手動(dòng)勾畫ROI，要求盡量包含全部病灶（圖1），確定ROI后，病灶內(nèi)的紋理特征參數(shù)由Mazda軟件自動(dòng)處理。由于該軟件所提取的紋理特征參數(shù)較多，所以提供了3種篩選具有臨床意義的紋理特征參數(shù)的方法，即：Fisher系數(shù)（Fisher coefficient，F(xiàn)isher）、交互信息（mutual information，MI）、分類錯(cuò)誤概率聯(lián)合平均相關(guān)系數(shù)（classification error probability combined average correlation coefficients，POE+ACC）。以上3種方法每種篩選10個(gè)紋理特征參數(shù)。此外，聯(lián)合運(yùn)用這3種方法，簡(jiǎn)稱為FPM，篩選出30個(gè)紋理特征。

為了檢驗(yàn)手動(dòng)勾畫ROI的一致性和可重復(fù)性，2名醫(yī)師在未知病變性質(zhì)的情況下獨(dú)立完成所有病灶的ROI勾畫，并于1周后再次勾畫。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

觀察者內(nèi)部和觀察者之間的變異性用類間相關(guān)系數(shù)（inter-class correlation coefficient，ICC）來評(píng)價(jià)。0表示不可信，1表示完全可信，一般認(rèn)為信度系數(shù)＜0.4表示信度較差，＞0.75表示信度良好。

圖1 Mazda軟件勾畫ROI及紋理分析示意圖

用受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線分析方法評(píng)價(jià)Fisher、MI、POE+ACC和FPM提取的紋理特征聯(lián)合診斷的效率。應(yīng)用Mazda軟件包中自帶的B11統(tǒng)計(jì)軟件模塊，根據(jù)所選擇的紋理特征，對(duì)肝臟局部病變進(jìn)行分類。主要包括以下4種分類方法：線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）、非線性判別分析（nonlinear discriminant analysis，NDA）、原始數(shù)據(jù)分析（raw data analysis，RDA）、主要成分分析（principal component analysis，PCA）。T1WI、T2WI圖像對(duì)肝血管瘤和原發(fā)性肝癌的分類結(jié)果以錯(cuò)判率表述，將其定義為誤將肝血管瘤分類成原發(fā)性肝癌、原發(fā)性肝癌分類成肝血管瘤的例數(shù)占總病例數(shù)的百分比。誤判率越小，說明在該成像序列中病變圖像蘊(yùn)含的用于鑒別診斷肝血管瘤和原發(fā)性肝癌的紋理特征信息越多，對(duì)病變的診斷價(jià)值越高。用非參數(shù)檢驗(yàn)方法Mann-Whitney U檢驗(yàn)比較兩種成像序列圖像紋理特征分類肝血管瘤和原發(fā)性肝癌的誤判率差異，統(tǒng)計(jì)軟件為SPSS 22.0，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

T1WI圖像上勾畫病灶ROI觀察者內(nèi)部和觀察者之間的類間相關(guān)系數(shù)分別為0.806（0.720，0.868）和0.750（0.644，0.828）；T2WI圖像上勾畫病灶ROI觀察者內(nèi)和觀察者間的類間相關(guān)系數(shù)分別為0.817（0.723，0.879）和0.814（0.730，0.873）。

T1WI和T2WI圖像肝血管瘤和原發(fā)性肝癌4種不同特征提取方法提取的紋理特征結(jié)果見表1和表2，T1WI序列圖像上Fisher、MI、POE+ACC和FPM法篩選紋理特征對(duì)應(yīng)的曲線下面積（area under curve，AUC）分別為0.921、0.949、0.936和0.982；T2WI序列圖像上4種方法篩選紋理特征對(duì)應(yīng)的AUC均為1（圖2）。用Mazda軟件包中自帶的B11統(tǒng)計(jì)軟件模塊，根據(jù)所選擇的紋理特征，4種不同的分類統(tǒng)計(jì)方對(duì)肝臟局部病變進(jìn)行分類的誤判率見表3和表4。

表1 基于T1WI病灶紋理分析肝血管瘤和原發(fā)性肝癌不同方法篩選的紋理特征

表2 基于T2WI病灶紋理分析肝血管瘤和原發(fā)性肝癌不同方法篩選的紋理特征

表3 基于T1WI病灶紋理特征不同紋理特征提取方法及不同分類統(tǒng)計(jì)方法下的誤判率

表4 基于T2WI病灶紋理特征不同紋理特征提取方法及不同分類統(tǒng)計(jì)方法下的誤判率

圖2 基于常規(guī)MRI T1WI和T2WI圖像的4種紋理特征提取方法鑒別原發(fā)性肝癌和肝血管瘤效能的ROC曲線

基于T1WI圖像病灶的紋理特征分析，誤判率在9.38%～35.16%，以MI紋理特征提取方法下的PCA分類方法對(duì)應(yīng)之誤判率最高，而MI紋理特征提取方法下的NDA分類方法對(duì)應(yīng)之誤判率最低。

基于T2WI圖像病灶的紋理特征分析，誤判率在0.00%～26.56%，以POE+ACC紋理特征提取方法下的PCA分類方法對(duì)應(yīng)之誤判率最高，而POE+ACC和FPM紋理特征提取方法下的NDA分類方法均取得了零誤判的結(jié)果。

基于T2WI圖像病灶的紋理特征分析誤判率小于基于T1WI圖像的分析（P=0.002）。

3 討 論

紋理分析是影像組學(xué)研究技術(shù)的重要組成部分，基于常規(guī)影像學(xué)圖像中像素或體素強(qiáng)度和空間分布的關(guān)系，能夠高通量提取、分析、解譯定量影像特征，客觀量化評(píng)估腫瘤整體異質(zhì)性，具有可重復(fù)性、無(wú)創(chuàng)性。目前已廣泛用于腫瘤良惡性鑒別、病理學(xué)分級(jí)、療效評(píng)估等方面。本研究結(jié)果顯示，利用圖像紋理分析方法，在常規(guī)磁共振圖像上可對(duì)肝血管瘤和原發(fā)性肝癌進(jìn)行有效區(qū)分，其中T2WI圖像病灶紋理分析運(yùn)用POE+ACC、FPM紋理特征提取方法的NDA分類方法均取得了零誤判的結(jié)果。

MRI運(yùn)用于腹部之初，設(shè)想這一技術(shù)具有優(yōu)良的組織對(duì)比度和各種成像參數(shù)的脈沖序列來檢測(cè)病變的特征而無(wú)需注射對(duì)比劑即可對(duì)病灶進(jìn)行定性診斷，然而，在臨床實(shí)踐中我們很快就發(fā)現(xiàn)，對(duì)于肝臟局灶性病變單純運(yùn)用非增強(qiáng)MRI很難有足夠的信心作出診斷［14］。近年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助圖像分析技術(shù)的發(fā)展，在臨床病變?cè)\斷領(lǐng)域，很多研究嘗試通過計(jì)算機(jī)輔助分析醫(yī)學(xué)影像學(xué)圖像紋理特征對(duì)疾病進(jìn)行定量研究，以此幫助臨床醫(yī)師得到更加可靠的診斷結(jié)果。現(xiàn)有的研究［2，6，8］認(rèn)為，在機(jī)體特定器官或組織內(nèi)發(fā)生病理學(xué)改變后，可通過對(duì)特定器官或組織醫(yī)學(xué)成像的圖像紋理特征區(qū)分正常組織和病變組織，甚至可以對(duì)病變組織病理學(xué)類型和病變所處病理學(xué)階段進(jìn)行高效診斷。

大部分情況下，肝血管瘤T2WI圖像上信號(hào)要高于原發(fā)性肝癌，但當(dāng)肝癌組織內(nèi)出現(xiàn)較多壞死或膽管細(xì)胞型及以膽管細(xì)胞型為主的混合型原發(fā)性肝癌，兩者在T2WI圖像上信號(hào)差異不明顯，此時(shí)常規(guī)MRI就很難鑒別。不同的病理學(xué)特征決定了兩種病變?cè)贛RI成像中的特征，也是圖像紋理分析根據(jù)圖像內(nèi)部的像素的空間分布關(guān)系等特征而實(shí)現(xiàn)鑒別診斷的理論基礎(chǔ)。原發(fā)性肝癌從病理組織學(xué)上可分為肝細(xì)胞型、膽管細(xì)胞型和混合型。肝細(xì)胞型分化程度差異大，不同分化程度其癌細(xì)胞分布排列各有特點(diǎn)，如分化高者癌細(xì)胞多排列呈巢狀，而分化低的癌細(xì)胞多呈不規(guī)則排列，細(xì)胞大小及形態(tài)各異。膽管細(xì)胞型肝癌來源于肝內(nèi)膽管上皮，因此，癌細(xì)胞呈管狀排列，癌組織內(nèi)間質(zhì)含量較多。而肝血管瘤是一種較為常見的肝臟良性腫瘤，以海綿狀血管瘤最多見，一般病灶生長(zhǎng)緩慢，瘤體大小不一，有時(shí)也可呈分葉狀表現(xiàn)。瘤體周圍內(nèi)皮細(xì)胞呈簇狀或團(tuán)狀排列，細(xì)胞形態(tài)各異；瘤體中央內(nèi)皮細(xì)胞呈扁平狀，瘤體內(nèi)成纖維細(xì)胞可發(fā)生玻璃樣變性，內(nèi)部可見血栓形成，紅細(xì)胞浸潤(rùn)至間質(zhì)。此外，醫(yī)師肉眼觀察圖像受其經(jīng)驗(yàn)、人體疲勞等主觀因素影響，圖像紋理分析可避免這些主觀因素的影響，為診斷提供更加客觀的圖像信息。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)基于T2WI圖像的病變特征提取效率要高于T1WI圖像，表明紋理分析結(jié)果受原始圖像影響，高分辨率圖像、能反映病變某些病理生理狀態(tài)的功能影像紋理分析在病變的鑒別診斷、治療決策的制定和預(yù)后評(píng)價(jià)中的應(yīng)用意義可能更大，這需要進(jìn)一步研究證實(shí)。

本研究存在的不足：① 肝臟的增強(qiáng)MRI和磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）已普遍用于臨床，并且已有研究［11，15］表明基于增強(qiáng)MRI和DWI圖像的紋理分析在預(yù)測(cè)疾病特征和鑒別診斷中具有重要的臨床意義。本研究只分析了平掃T1WI和T2WI圖像紋理特征在鑒別診斷中的價(jià)值，在后續(xù)的研究中，我們將比較基于平掃序列的紋理分析方法和增強(qiáng)MRI、DWI等序列鑒別診斷效能，以及聯(lián)合應(yīng)用的臨床價(jià)值。② 本研究中圖像紋理分析是基于病灶的橫斷面中心層面圖像，以此代表整個(gè)病灶可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)果的偏倚，在下一步研究中需要運(yùn)用3D圖像勾畫腫瘤整體，以盡量減少此因素帶來的偏倚。

總之，本研究顯示基于臨床常規(guī)磁共振T1WI和T2WI圖像紋理分析可為肝臟局灶性病變?cè)l(fā)性肝癌和肝血管瘤的鑒別診斷提供可靠的信息及客觀依據(jù)，有助于提高肝臟局灶性病變非增強(qiáng)MRI的鑒別診斷效率。