基于CT圖像的紋理分析在鑒別高原肺水腫與急性心源性肺水腫中的價值

田序偉， 馬愛琳， 蔣劉江， 迪麗阿熱姆·艾海提， 楊澤宏， 沈君

高原肺水腫 (high altitude pulmonary edema，HAPE) 是指從平原快速進(jìn)入高原(海拔>3000米)后，由于缺氧環(huán)境導(dǎo)致肺動脈壓突然升高、肺血容量增加、毛細(xì)血管內(nèi)液體滲出至肺間質(zhì)及肺泡而引起的特發(fā)性疾病，是一種可危及生命的非心源性肺水腫[1]。急性心源性肺水腫(acute cardiac pulmonary edema，ACPE)是指肺毛細(xì)血管與組織之間的液體平衡交換發(fā)生障礙，導(dǎo)致肺組織間隙液體增多[2]。兩種疾病的機(jī)制和治療方案不同,影像表現(xiàn)近似,依靠肉眼分析很難鑒別。紋理分析是一種新的圖像分析方法，已應(yīng)用于肺部疾病診斷或預(yù)后評估，并取得良好效果[3-5]。目前尚無紋理分析應(yīng)用于高原肺水腫與心源性肺水腫鑒別診斷的研究報道。本研究旨在探討CT紋理分析在鑒別診斷HAPE與ACPE中的臨床應(yīng)用價值。

材料與方法

1.病例資料

搜集2016年12月-2018年12月在喀什地區(qū)第一人民醫(yī)院行CT掃描，并經(jīng)臨床確診的高原肺水腫和心源性肺水腫患者；其中高原肺水腫患者18例，男11例，女7例，年齡(42.0±12.5)歲；心源性肺水腫患者20例，男8例，女12例，年齡(52.0±16.61)歲。病例排除標(biāo)準(zhǔn)：①有肺部占位；②有慢性肺部病變?nèi)缃Y(jié)核空洞形成、肺間質(zhì)纖維化等間質(zhì)病變；③急性感染性肺部炎癥；④有肺部大面積鈣化或異物；⑤圖像質(zhì)量不佳者。

2.檢查方法

CT檢查采用Siemens Emotion 16層CT機(jī)，掃描范圍由肺尖至雙側(cè)腎上腺水平。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，管電流120～280 mA，準(zhǔn)直24×0.6 mm，旋轉(zhuǎn)時間1 s/r，螺距因子1，掃描層厚5 mm，矩陣512×512。

3.圖像分析

由2位具有8年以上工作經(jīng)驗的放射科醫(yī)師獨立閱片，意見不一致時經(jīng)協(xié)商達(dá)成一致意見。采用肺窗觀察圖像(窗寬：1600 HU，窗位：-600 HU)，選擇左、右肺野肺組織分別測量，運(yùn)用Omni-Kinetics軟件進(jìn)行紋理分析，沿肺組織邊緣輪廓手動勾畫ROI，勾畫所有肺組織，不包括大血管、肋骨、縱膈及膈??；采用基于灰度直方圖、灰度共生矩陣法、灰度游程矩陣等提取兩者的紋理特征[6]，獲得全肺組織的紋理特征值，取中值。

4.統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析；計量資料以中值數(shù)表示。計量資料的組間比較采用Mann-Whitney U檢驗。對于有統(tǒng)計學(xué)差異的紋理參數(shù)，利用受試者操作特性(receiver operating characteristic，ROC)曲線來確定各紋理參數(shù)對于鑒別高原肺水腫與心源性肺水腫的診斷效能。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1.紋理參數(shù)差異

對高原肺水腫(圖1)和急性心源性肺水腫(圖2)的CT圖像利用Omni Kinetics (GE healthcare)軟件生成紋理參數(shù)70個，其中一階參數(shù)12個，直方圖參數(shù)11個，形態(tài)學(xué)度量參數(shù)9個，灰度共生矩陣參數(shù)22個，游程長矩陣16個。統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果顯示，21個紋理參數(shù)在高原肺水腫與急性心源性肺水腫中差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，其中高原肺水腫的6個紋理參數(shù)(標(biāo)注#)中值高于心源性肺水腫，而其余15個紋理參數(shù)中值明顯低于心源性肺水腫(表1)。

表1 高原肺水腫與心源性肺水腫的胸部CT圖像紋理參數(shù)差異

注：#代表高原肺水腫的相關(guān)參數(shù)中值高于心源性肺水腫。

2.ROC曲線分析

圖1 高原肺水腫患者。a)雙肺呈“蝶翼”狀肺水腫表現(xiàn)；b)右肺勾畫ROI范圍；c)左肺勾畫ROI范圍。圖2 心源性肺水腫患者。a)雙肺呈大片狀模糊影，其內(nèi)呈“蝶翼”狀肺水腫表現(xiàn)；b)右肺勾畫ROI范圍；c)左肺勾畫ROI范圍。

ROC曲線分析結(jié)果顯示， CT圖像參數(shù)中，以灰度共生矩陣參數(shù)集群突出閾值為118617500鑒別診斷高原肺水腫與心源性肺水腫的曲線下面積(area under curve，AUC)最大，診斷能力最佳(AUC=0.994，圖3)，診斷敏感度及特異度分別為100.0%、94.4%；而參數(shù)逆差距閾值為0.08的診斷能力次之(AUC=0.989)，診斷敏感度及特異度分別為94.40%、100.0%(表2)。

表2 相關(guān)CT圖像紋理參數(shù)的鑒別診斷效能

注：#代表診斷能力最佳的參數(shù)；*代表診斷能力次之的參數(shù)。

討 論

影像組學(xué)是利用數(shù)學(xué)算法提取影像圖像灰階分布、像素、空間特征信息，反映感興趣區(qū)的異質(zhì)性和細(xì)微差異，并對影像數(shù)據(jù)深度挖掘進(jìn)行定量分析，用來揭示疾病的組織結(jié)構(gòu)和生理特性[7-9]。目前，紋理分析已應(yīng)用于多種疾病的診斷、鑒別、療效分析、預(yù)后評估，其價值已得到多項研究證實[10-14]。

HAPE在高海拔區(qū)域的發(fā)病率約為0.01%，是由缺氧性肺血管收縮引起導(dǎo)致肺動脈壓、肺毛細(xì)血管壓、蛋白質(zhì)濃度及富含紅細(xì)胞水腫液量的增高,加速非心源性肺水腫[15]。ACPE是由于左心功能障礙引起肺毛細(xì)血管與組織之間的液體平衡交換發(fā)生障礙，導(dǎo)致肺組織間隙液體增多引起[16]。兩種疾病的臨床表現(xiàn)和發(fā)生機(jī)制不同,治療方案也不一樣[17]，但是兩者均可危及患者生命。兩者CT均表現(xiàn)為間質(zhì)性肺水腫和肺泡性肺水腫的特征，一般表現(xiàn)為磨玻璃影和/或氣腔實變、“蝶翼征”等。HAPE以肺泡性肺水腫多見，起病較急，而ACPE以間質(zhì)性肺水腫常見，急性ACPE多表現(xiàn)為肺泡性肺水腫，并且兩者一般都是同時出現(xiàn)，單純從肉眼進(jìn)行觀察很難鑒別。另外HAPE發(fā)病區(qū)域為高原地區(qū)，醫(yī)療環(huán)境有限，需要一種快速、簡便、標(biāo)準(zhǔn)的診斷手段。

隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的飛躍發(fā)展，影像組學(xué)的出現(xiàn)讓我們從肉眼影像特征判別，到利用精確的數(shù)字化定量參數(shù)進(jìn)行診斷，明顯提高了診斷準(zhǔn)確率，同時還可以減輕醫(yī)生工作負(fù)擔(dān)；影像組學(xué)利用復(fù)雜的模式進(jìn)行特征的量化，基本特征有形態(tài)特征、強(qiáng)度特征和紋理特征[18]。Li等[19]和Huynh等[20]通過對肺癌患者CT影像特征的提取來預(yù)測復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移情況，最終證實影像組學(xué)特征模型對肺癌患者的診斷與復(fù)發(fā)評估具有重要意義。肺CT紋理分析基于定量分析的優(yōu)勢，已被證實在肺部結(jié)節(jié)和占位性病變中具有重要價值。如Ma等[21]從肺結(jié)節(jié)CT圖像中提取紋理特征，用于肺結(jié)節(jié)常規(guī)篩查和肺癌診斷是有效的；另有文獻(xiàn)也證實包括熵和一致性等紋理參數(shù)，可以反映病灶的惡性程度[22]。關(guān)于肺水腫這種彌漫性病變的影像組學(xué)研究較少，尚沒有被明確證實的特征性紋理參數(shù)。

圖3 相關(guān)影像組學(xué)特征參數(shù)鑒別診斷ACPE與HAPE的ROC曲線。a) 均根值、峰度、能量、逆差距、最大尺寸、灰度不均勻等6個影像組學(xué)特征參數(shù)，HAPE高于ACPE; b) 中位強(qiáng)度、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等15個影像組學(xué)特征參數(shù)，ACPE高于HAPE。

本研究結(jié)果表明，通過涵蓋肺組織全境，得到的CT圖像紋理參數(shù)特征中有21個在高原肺水腫與急性心源性肺水腫中差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，其中高原肺水腫的6個紋理參數(shù)高于心源性肺水腫，而其余15個紋理參數(shù)低于心源性肺水腫。因為肺組織具有良好的天然對比度，這也使得大范圍勾畫區(qū)帶來的影響因素相對減少，是相對較為可靠的鑒別診斷參數(shù)。ROC曲線分析結(jié)果顯示， 在CT圖像紋理參數(shù)中，以灰度共生矩陣紋理參數(shù)集群突出的診斷能力最佳(AUC=0.994)，而參數(shù)逆差距診斷能力次之(AUC=0.989)。灰度共生矩陣是像素距離和角度的矩陣函數(shù)，它通過計算圖像中一定距離和一定方向的兩點灰度之間的相關(guān)性，來反映圖像在方向、間隔、變化幅度及快慢上的綜合信息。筆者發(fā)現(xiàn)不同的重建算法和不同的灰度級別下得到的紋理特征經(jīng)過軼和檢驗，最終選出了差異性紋理特征，表明兩者具有較好的區(qū)分度，可以解釋兩者在圖像中的差異性。另外本研究結(jié)果顯示診斷效能最高的兩個紋理參數(shù)的診斷敏感度及特異度都達(dá)到較高水平，分別為100.0%、94.4%(集群突出)和94.40%、100.0%(逆差距)，表明灰度共生矩陣中兩個參數(shù)與HAPE、ACPE兩種疾病CT圖像差異存在相關(guān)性，意味著這些參數(shù)可以用來鑒別兩種疾病。

本研究的局限性：①樣本量較少，因為高原肺水腫與急性心源性肺水腫的發(fā)病地域與因素比較特殊，病例搜集困難。在今后的研究中需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量；②本研究CT圖像3D ROI的勾畫采用二維手動勾畫，存在一定差異性；后期將嘗試運(yùn)用自動或半自動勾畫ROI。

綜上所述，基于CT圖像紋理分析對鑒別高原肺水腫與心源性肺水腫具有重要價值，可為后期進(jìn)行大數(shù)據(jù)影像組學(xué)分析在診斷高原肺水腫和預(yù)測其與基因標(biāo)本關(guān)系的研究中提供重要參考。