彭云, 王猛, 劉暢, 賈宏茹, 吳晶濤, 羅先富*
(1.中南大學(xué) 湘雅二醫(yī)院 影像科, 湖南 長沙 410011; 2.揚(yáng)州大學(xué) 臨床醫(yī)學(xué)院 江蘇省蘇北人民醫(yī)院 影像科, 江蘇 揚(yáng)州 225001; 3.國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院腫瘤醫(yī)院 深圳醫(yī)院, 廣東 深圳 518116)
椎體隱匿性骨折,又稱微骨折或骨挫傷,是指直接或間接機(jī)械暴力作用下骨小梁壓縮或中斷,引起松質(zhì)骨內(nèi)局限性出血或水腫,但并未發(fā)生骨皮質(zhì)斷裂及移位的骨折[1].近年來,由于骨質(zhì)疏松發(fā)病率的升高,輕微外傷導(dǎo)致的椎體隱匿性骨折日漸增多,但輕微外傷后椎體形態(tài)完整,常規(guī)X線、CT檢查難以對(duì)其進(jìn)行診斷,導(dǎo)致最佳治療時(shí)間延誤,可能引起骨折椎體或鄰近椎體的二次損傷[2-3].因此,對(duì)椎體隱匿性骨折進(jìn)行早期、準(zhǔn)確的診斷非常重要.
磁共振脂肪抑制成像能夠同時(shí)顯示椎體的形態(tài)及骨挫傷,是目前診斷椎體隱匿性骨折的金標(biāo)準(zhǔn)[4],但該技術(shù)掃描時(shí)間長、費(fèi)用較高,難以在急診中常規(guī)應(yīng)用,此外,部分復(fù)雜創(chuàng)傷性患者不適于進(jìn)行磁共振成像檢查.雙能CT虛擬去鈣技術(shù)可檢出骨髓水腫,從而降低椎體骨折的漏診率,但雙能CT機(jī)器昂貴,難以普及運(yùn)用,且需要特殊的后處理技術(shù)[5-6].紋理分析技術(shù)能夠提取圖像中的肉眼無法識(shí)別的紋理特征,客觀地評(píng)估病變組織和正常組織的同、異質(zhì)性[7],在肌骨系統(tǒng)中亦可用于椎體形態(tài)及微結(jié)構(gòu)的評(píng)估[8-9].多層感知模型是機(jī)器學(xué)習(xí)的一種常用算法,可通過對(duì)一組事件結(jié)局已知的訓(xùn)練數(shù)據(jù)(如良性或惡性腫瘤圖像)進(jìn)行學(xué)習(xí),建立模型,并根據(jù)學(xué)習(xí)結(jié)果對(duì)新的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(如分析另外一張新的圖像為良性還是惡性腫瘤的表現(xiàn)).因此本研究以MR為參考標(biāo)準(zhǔn),對(duì)椎體CT圖像進(jìn)行紋理特征提取和篩選,采用深度學(xué)習(xí)多層感知模型進(jìn)行建模和訓(xùn)練,旨在研究基于CT圖像紋理分析的人工智能方法,提高椎體隱匿性骨折檢出率的可行性.
本研究通過醫(yī)院倫理管理委員會(huì)批準(zhǔn).回顧性分析2017年1月至2018年12月期間來蘇北人民醫(yī)院就診的隱匿性胸/腰椎骨折病例,每例入選患者選擇一個(gè)骨折椎體納入實(shí)驗(yàn)組,一個(gè)相鄰正常椎體納入對(duì)照組.按照胸椎(T1-T10)、胸腰椎交界處(T11-L1)、腰椎(L2-L5)將椎體分為3個(gè)部位,同一患者骨折椎體與正常對(duì)照椎體均位于同一部位.納入標(biāo)準(zhǔn):(1)兩名影像診斷醫(yī)師(工作年限分別為10年和20年),根據(jù)Genant半定量法[10],將CT圖像上椎體塌陷高度<20%、MRI檢查有骨髓水腫的椎體診斷為椎體隱匿性骨折,診斷結(jié)果不一致時(shí)經(jīng)討論達(dá)成一致;(2)椎體CT檢查48 h內(nèi),行相應(yīng)MRI檢查;(3)同一部位相鄰椎體中有至少一個(gè)正常椎體;(4)無骨腫瘤、骨囊腫、轉(zhuǎn)移瘤、椎體骨折病史等可能影響椎體形態(tài)的基礎(chǔ)疾病.排除標(biāo)準(zhǔn):(1)椎體明顯壓縮變形,根據(jù)Genant半定量法,CT圖像上椎體塌陷高度≥20%(I級(jí)及以上);(2)CT檢查48 h內(nèi)未行相應(yīng)MRI檢查;(3)患者有惡性腫瘤病史或目標(biāo)椎體有其他可能導(dǎo)致椎體微結(jié)構(gòu)變化的疾病(如骨囊腫、許莫氏結(jié)節(jié)等);(4)骨折椎體同一部位的相鄰椎體中無正常椎體.
所有患者均進(jìn)行多層螺旋CT檢查與MR檢查.CT掃描采用64排螺旋CT(LightSpeed 64 slice、Discovery CT750 HD,GE 公司)采集CT圖像,患者仰臥,掃描范圍根據(jù)臨床需要確定,軸位薄層圖像層厚1.25 mm,層間距1.25 mm,掃描管電壓120 kVp,管電流300~350 mAs,所有CT掃描軸位薄層圖像導(dǎo)入工作站(AW 4.5,GE 公司),進(jìn)行矢狀位圖像重建,重建層厚1.25 mm,層間距1.25 mm.
MR掃描采用1.5 T (SIGNATMArtist, GE公司)與3.0 T(DiscoveryTMMR750,GE公司)兩種掃描設(shè)備.采用脊柱專用線圈,掃描范圍根據(jù)需要確定.掃描序列包括矢狀位T1加權(quán)像、T2自旋回波序列以及短時(shí)反轉(zhuǎn)恢復(fù)(short time inversion recovery,STIR)序列.1.5T MR STIR序列掃描參數(shù)如下:TR 3 300~3 740 ms,TE 42 ms,TI 150 ms;掃描層厚4 mm,層間距0.4 mm.3.0 T MR掃描參數(shù)如下:TR 3 300~4 000 ms,TE 50 ms,TI 170 ms;掃描層厚4 mm,層間距0.4 mm.
采用ITK-Snap軟件(University of Pennsylvania,V3.6.0)勾畫感興趣區(qū)域(region of interest,ROI).①以椎體MR矢狀位脂肪抑制序列STIR圖像為參考標(biāo)準(zhǔn)(圖1a),結(jié)合MR矢狀位其他序列與軸位圖像確認(rèn)椎體骨折部位,在椎體CT矢狀位重建圖像上勾畫正常椎體(圖1b,綠色區(qū)域)與骨折椎體(圖1b,紅色區(qū)域);②參考MR及CT矢狀位圖像,在隱匿性骨折椎體含骨髓水腫的軸位CT層面畫取軸位ROI(圖1c);③根據(jù)骨折椎體骨髓水腫層面,選擇正常椎體相應(yīng)軸位層面進(jìn)行勾畫(圖1d).勾畫ROI時(shí)避開血管、椎間盤、椎體附件等組織,沿骨皮質(zhì)內(nèi)緣2 mm進(jìn)行畫取.
圖1 感興趣區(qū)域(ROI)勾畫示意圖
采用A.K.軟件(artificial intelligent kit,GE 公司)依次對(duì)椎體CT矢狀位圖像紋理特征及軸位圖像紋理特征進(jìn)行提取.為保證所有圖像像素的一致性,將矢狀位及軸位CT圖像與所勾畫ROI圖像依次進(jìn)行體素標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后采用灰度直方圖、灰度共生矩陣、游程長度矩陣以及灰度及帶矩陣4種方法提取椎體的紋理特征.
紋理特征的篩選及機(jī)器學(xué)習(xí)建模統(tǒng)計(jì)分析采用A.K軟件:將實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組椎體分別按7∶3的比例分為訓(xùn)練組與驗(yàn)證組,其中訓(xùn)練組用于紋理特征的篩選及模型的建立,驗(yàn)證組用于判斷模型的診斷效能.對(duì)訓(xùn)練組參數(shù)進(jìn)行單因素方差分析與M-W秩和檢驗(yàn)選取實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組間有顯著性差異的參數(shù),采用Spearman秩相關(guān)分析去除剩余中相關(guān)性強(qiáng)的冗余參數(shù).對(duì)訓(xùn)練組篩選出來的參數(shù)采用多層感知模型機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)、建模,采用驗(yàn)證組對(duì)模型的診斷效能進(jìn)行驗(yàn)證,獲得訓(xùn)練組與驗(yàn)證組的受試者曲線下面積(AUC).為評(píng)估椎體部位對(duì)正?;螂[匿性骨折椎體紋理特征的影響,按胸椎、胸腰交界處及腰椎3個(gè)區(qū)域?qū)⒄<肮钦劢M的椎體分組,采用非參數(shù)Kruskal-Wallis H檢驗(yàn)分別對(duì)正常及骨折組中3組的矢狀位及軸位CT參數(shù)依次進(jìn)行比較.
收集椎體隱匿性骨折共計(jì)115例,其中15例因骨折椎體同一部位無相鄰正常椎體排除,14例因椎體有骨腫瘤病史、椎體骨折病史、骨囊腫及許莫氏結(jié)節(jié)排除,2例因在椎體CT檢查超過48 h后行MR排除.最終共計(jì)84例患者納入研究,其中男性28例(33.3%),女性56例(66.7%),平均年齡(58±13)歲.84例患者中38例(45.2%)有輕微外傷史,46例(54.8%)無明顯外傷史.84例隱匿性骨折椎體中,最初CT診斷為正常的有43例(51.20%),診斷為可疑骨折的有18例(21.43%),診斷為骨折的23例(27.37%).
每例患者各取一隱匿性骨折椎體及鄰近正常椎體納入實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組,共計(jì)84個(gè)骨折椎體與84個(gè)正常椎體,按照胸椎(T1-T10)、胸腰椎交界處(T11-L1)、腰椎(L2-L5)將椎體分為3個(gè)部位,其中胸椎6對(duì)(7.14%),胸腰椎交界處52對(duì)(61.91%),腰椎26對(duì)(30.95%).
CT矢狀位紋理特征提取過程:對(duì)84例患者骨折椎體與鄰近正常椎體正中矢狀位CT圖像的紋理參數(shù)進(jìn)行提取,每個(gè)椎體獲得63個(gè)紋理參數(shù).按7∶3分組后對(duì)椎體進(jìn)行分組后,訓(xùn)練組內(nèi)骨折椎體與正常椎體各58個(gè),驗(yàn)證組各26個(gè).紋理特征篩選過程如下:采用單因素方差分析與M-W秩和檢驗(yàn),排除57個(gè)參數(shù);經(jīng)spearman相關(guān)分析,排除1個(gè)參數(shù).最后獲得正常組與骨折組有差異特征共5個(gè):最低密度值、能量、峰度、低密度增強(qiáng)值、Hara方差.各參數(shù)呈非正態(tài)分布,以中位數(shù)表示,具體見表1.
表1 椎體CT矢狀位圖像紋理參數(shù)篩選結(jié)果Table 1 The selection results of sagittal image texture parameters of vertebral body CT
CT軸位紋理特征提取過程:對(duì)84例患者骨折椎體與鄰近正常椎體CT軸位圖像的紋理參數(shù)進(jìn)行提取,每個(gè)椎體獲得63個(gè)紋理參數(shù).按7∶3分組后對(duì)椎體進(jìn)行分組后,訓(xùn)練組內(nèi)骨折椎體與正常椎體各58個(gè),驗(yàn)證組各26個(gè).訓(xùn)練組紋理特征篩選過程如下:采用單因素方差分析與M-W秩和檢驗(yàn),排除54個(gè)參數(shù);經(jīng)spearman秩相關(guān)分析,排除3個(gè)參數(shù).最后獲得正常組與骨折組有差異特征共6個(gè),分別為均值、能量、均質(zhì)性、偏度、范圍、區(qū)域百分比.各參數(shù)呈非正態(tài)分布,以中位數(shù)表示,具體見表2.
表2 椎體CT軸位圖像紋理參數(shù)篩選結(jié)果Table 2 The selection results of axial image texture parameters of vertebral body CT
基于椎體CT矢狀位圖像紋理特征,對(duì)訓(xùn)練組篩選出的5個(gè)紋理參數(shù)采用多層感知模型進(jìn)行建模,所得AUC為1.00,采用驗(yàn)證組對(duì)其診斷效能進(jìn)行驗(yàn)證,所得AUC為0.84(圖2A).基于椎體CT軸位圖像紋理特征,對(duì)訓(xùn)練組篩選出的6個(gè)紋理參數(shù)采用多層感知模型進(jìn)行建模,所得AUC為1.00,采用驗(yàn)證組對(duì)其診斷效能進(jìn)行驗(yàn)證,所得AUC為0.85(圖2B).
圖2 椎體隱匿性骨折診斷模型的ROC曲線下面積
無論在正常組還是隱匿性骨折組中,胸椎、胸腰椎交界及腰椎3個(gè)部位的軸位及矢狀位CT紋理參數(shù)均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異.
由于成像速度快、可進(jìn)行多平面圖像重建等優(yōu)勢,CT已成為骨折診斷的常用方法.通過外傷史及椎體形態(tài)學(xué)變化(如椎體局部塌陷、骨皮質(zhì)或骨紋理的中斷以及異常密度影),CT能夠?qū)Υ蟛糠肿刁w骨折進(jìn)行確診.但由于隱匿性椎體骨折形態(tài)變化小,而且通常無嚴(yán)重外傷史,僅依靠常規(guī)CT檢查容易漏診.
紋理分析能夠?qū)D像信息轉(zhuǎn)化為定量數(shù)據(jù),通過客觀參數(shù)展現(xiàn)出肉眼所不能觀察到的信息.目前,該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于良、惡性占位的鑒別、腫瘤分級(jí)以及肌骨系統(tǒng)骨質(zhì)分析中[11-12].TABARI[13]對(duì)神經(jīng)性厭食癥患者椎體骨質(zhì)特征進(jìn)行提取,發(fā)現(xiàn)紋理參數(shù)能夠反映椎體骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性;NARDONE[14]發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)紋理特征能夠預(yù)測放射性骨折.本研究認(rèn)為隱匿性骨折發(fā)生后,雖然椎體骨皮質(zhì)未明顯斷裂,但骨松質(zhì)內(nèi)骨小梁等微結(jié)構(gòu)會(huì)有所改變,這些微小結(jié)構(gòu)的變化雖然難以被肉眼發(fā)現(xiàn),但對(duì)椎體紋理特征進(jìn)行提取及分析,可獲得反映骨松質(zhì)形態(tài)變化的特征性參數(shù).
CT 紋理分析主要包含3個(gè)階段的統(tǒng)計(jì)參數(shù),灰度直方圖提取出的參數(shù)屬一階統(tǒng)計(jì)量,主要描述每種灰度值出現(xiàn)的頻數(shù),包括熵、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰度、能量、范圍等[15].灰度共生矩陣與游程長度矩陣參數(shù)均為二階統(tǒng)計(jì)量,前者反映圖像在方向、相鄰間隔、變化幅度及快慢上的綜合信息;后者可表達(dá)各像素與其相鄰像素的空間關(guān)系[16].灰度及帶矩陣屬于高階統(tǒng)計(jì)量,能夠表明區(qū)域內(nèi)強(qiáng)度的變化或同質(zhì)區(qū)域的分布情況.本研究采用上述4種方法提取椎體紋理特征,篩選后發(fā)現(xiàn)隱匿性骨折椎體與正常椎體的最低密度值、能量、峰度、低密度增強(qiáng)值、Hara方差5個(gè)CT矢狀位參數(shù)及均值、能量、均質(zhì)性、偏度、范圍、區(qū)域百分比6個(gè)CT軸位參數(shù)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.矢狀位參數(shù)中,能量、Hara方差均可評(píng)估圖像灰度分布的均勻性,能量屬灰度直方圖參數(shù),衡量CT圖像中灰度值頻數(shù)分布的均勻性,而Hara方差屬于灰度共生矩陣參數(shù),能夠反映圖像中灰度變化幅度、快慢等的均勻性,隱匿性骨折組的能量及Hara方差均高于正常組,提示隱匿性骨折椎體正中矢狀位圖像的均勻性差.峰度值表明相對(duì)于正態(tài)分布,CT圖像灰度頻數(shù)重尾或輕尾分布的度量,當(dāng)該值為負(fù)數(shù)時(shí),提示分布曲線較為陡峭.本研究中,正常組的峰度為正值,隱匿性骨折組的峰度為負(fù)值,提示骨折椎體CT圖像的灰度頻數(shù)分布與正態(tài)分布差異較大,曲線較陡,這可能與椎體骨質(zhì)輕微移位、重疊,導(dǎo)致?lián)碛休^高灰度的體素增多有關(guān).此外,本研究中正常椎體與骨折椎體的最低密度值均為負(fù)值,這可能與隱匿性骨折好發(fā)于有骨質(zhì)疏松的老年人有關(guān),骨質(zhì)疏松致使鈣質(zhì)減少,椎體骨質(zhì)中可出現(xiàn)含脂肪的極低密度區(qū),對(duì)應(yīng)于最低密度值的負(fù)值.骨折組的最低密度值及低密度增強(qiáng)值均高于正常組,提示發(fā)生隱匿性骨折后,椎體發(fā)生骨髓水腫,水分彌漫于椎體之中,使得部分極低密度區(qū)域的密度增高,進(jìn)而導(dǎo)致最低密度值及低密度增強(qiáng)值的升高.軸位參數(shù)中,均值代表圖像灰度的均值,均質(zhì)性表明圖像灰度分布的均勻性,偏度表明灰度左右尾的不對(duì)稱程度,范圍表示灰度的大小范圍,區(qū)域百分比代表圖像中均質(zhì)帶的均勻性[17].本研究發(fā)現(xiàn)骨折組的均值、區(qū)域百分比及均質(zhì)性高于正常組,這提示在正常的椎體中,有較水腫密度更低的區(qū)域,并且呈不均勻分布,這可能與骨質(zhì)疏松的基礎(chǔ)疾病有關(guān).而骨折椎體中,骨髓水腫充填部分極低密度區(qū),提高了極低密度區(qū)的灰度,使灰度分布更均勻.結(jié)果顯示正常組與骨折組的偏度均為正值,且骨折組偏度高于正常組,正常椎體中由于高密度骨質(zhì)較多,骨髓等軟組織相對(duì)較少,因此灰度直方圖呈右偏分布,骨折后,骨髓水腫使得部分極低密度區(qū)域密度增高,骨質(zhì)重疊使得高密度區(qū)域密度更高,右偏程度增加,偏度上升.
機(jī)器學(xué)習(xí)是統(tǒng)計(jì)學(xué)與人工智能的一個(gè)分支,該技術(shù)將數(shù)字化數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)極快的運(yùn)算能力與精細(xì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型相互結(jié)合,通過在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)已知訓(xùn)練組數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)即可建立預(yù)測模型,并應(yīng)用該模型對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,具備高效率、低消耗、較高準(zhǔn)確性等優(yōu)勢[18].自20世紀(jì)50年代以來,科學(xué)家已開發(fā)出許多機(jī)器學(xué)習(xí)算法,如支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、決策樹、多層感知等模型.目前,基于影像學(xué)紋理分析的深度學(xué)習(xí)方法已在心血管疾病、肝臟疾病分析中有所應(yīng)用[19-20].然而在肌骨系統(tǒng)方面,深度學(xué)習(xí)建模的使用較少.多層感知模型屬于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用范圍較廣、處理速度快[21].本研究利用多層感知模型對(duì)訓(xùn)練組紋理參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)、建模后,發(fā)現(xiàn)軸位參數(shù)與矢狀位參數(shù)的診斷效能均較好,明顯高于放射科醫(yī)師基于常規(guī)CT圖像的診斷效率.MUEHLEMATTER等[22]采用多層感知模型結(jié)合紋理分析對(duì)功能不全性椎體骨折進(jìn)行診斷,發(fā)現(xiàn)二者結(jié)合能夠較為準(zhǔn)確的鑒別出正常椎體與骨折椎體,本研究與其結(jié)論大致相符,但所建模型診斷效能較前者稍低(0.85∶0.95),這可能與MUEHLEMATTER研究中提取常規(guī)骨折椎體紋理而本研究注重于隱匿性骨折椎體有關(guān),即本研究中隱匿性骨折椎體形態(tài)破壞較普通椎體輕,在CT圖像上骨折椎體的變化小,因此提取出來的實(shí)驗(yàn)組紋理參數(shù)與正常椎體參數(shù)差異較小.此外,與MUEHLEMATTER比較,本研究不僅對(duì)椎體正中矢狀位參數(shù)進(jìn)行了提取,還對(duì)軸位參數(shù)進(jìn)行了提取分析,發(fā)現(xiàn)軸位紋理參數(shù)所建模型AUC略高于矢狀位(0.85∶0.84),這與診斷工作中矢狀位圖像判斷椎體骨折有優(yōu)勢不同,可能原因是軸位ROI的勾畫選自MRI證實(shí)為有骨髓水腫的層面上,骨質(zhì)破壞相對(duì)顯著.因此,在后續(xù)采用深度學(xué)習(xí)判定椎體隱匿性骨折過程中,應(yīng)注重椎體軸位像的作用.本研究還對(duì)胸椎、胸腰交界處及腰椎3個(gè)部位的正常椎體及骨折椎體參數(shù)分別進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)無論在正常組還是骨折組,三個(gè)部位的軸位及矢狀位紋理參數(shù)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.這與MANNIL[9]的結(jié)果略有不同,該研究發(fā)現(xiàn)不同部位正常椎體的部分參數(shù)有差異,這可能該研究廣泛包含了各個(gè)年齡段的受試者,而本研究中患者主要為老年人,大部分患者均有骨質(zhì)疏松,椎體形態(tài)及受力情況較為一致有關(guān).
本研究存在一定的局限性:(1)本研究僅對(duì)椎體CT軸位及矢狀位平面的二維圖像紋理特征進(jìn)行了提取、分析,未提取冠狀位及三維容積CT紋理進(jìn)行分析;(2)本研究樣本量較小,入組患者大部分為老年人,缺少青少年樣本入組,可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差;(3)本研究已將所有存在已知疾病(如骨腫瘤、骨囊腫等)的椎體排除,但是一些其他未知疾病也可能引起骨小梁微結(jié)構(gòu)的變化,導(dǎo)致紋理特征的改變.
總之,本實(shí)驗(yàn)通過CT紋理分析技術(shù)獲取椎體的骨質(zhì)紋理特征,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立了隱匿性骨折的多層感知診斷模型,初步證實(shí)了該模型的診斷效能和價(jià)值.期望擴(kuò)大樣本進(jìn)一步深入研究,有望建立基于CT圖像的智能輔助診斷系統(tǒng),從而提高椎體隱匿性骨折檢出率,為病人臨床診斷及制定治療方案提供客觀依據(jù).
暨南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與醫(yī)學(xué)版)2020年3期