定量超聲紋理分析方法在不同心動(dòng)周期評(píng)估頸動(dòng)脈斑塊易損性的效果研究

王博逸 唐禮江 洪勇強(qiáng) 余紅萍 謝飛 徐潔 李錚

糖尿病是頸動(dòng)脈斑塊形成的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，而頸動(dòng)脈斑塊脫落是引起腦卒中的主要原因。有研究表明腦卒中合并糖尿病患者的各項(xiàng)臨床指標(biāo)較差，更容易發(fā)生并發(fā)癥，損傷神經(jīng)功能[1]。因此發(fā)現(xiàn)糖尿病患者早期易損頸動(dòng)脈斑塊尤為重要。頸動(dòng)脈B超檢測(cè)具有發(fā)現(xiàn)頸動(dòng)脈斑塊和危險(xiǎn)分層的潛在價(jià)值，而定量超聲紋理分析技術(shù)通過分析頸動(dòng)脈斑塊的回聲性質(zhì)[以灰度中值（grayscale median，GSM）表示][2]、粗糙度等危險(xiǎn)指標(biāo)，能夠識(shí)別出易損斑塊。由于心動(dòng)周期中血流動(dòng)力學(xué)有所變化，頸動(dòng)脈管徑會(huì)擴(kuò)大和縮小，進(jìn)而影響對(duì)斑塊的測(cè)量。因此，本研究基于心電圖（ECG）引導(dǎo)的圖像選擇，對(duì)頸動(dòng)脈斑塊進(jìn)行定量超聲紋理分析，觀察斑塊回聲性質(zhì)、粗糙度等危險(xiǎn)指標(biāo)及其變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）是否受血流動(dòng)力學(xué)的影響，以提高臨床上對(duì)糖尿病患者易損性頸動(dòng)脈斑塊的早期檢出率。

1 對(duì)象和方法

1.1 對(duì)象 選取2019年1至6月在本院行頸動(dòng)脈超聲檢查的糖尿病患者397例，均符合美國(guó)糖尿病學(xué)會(huì)（ADA）糖尿病診斷標(biāo)準(zhǔn)。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）行頸動(dòng)脈B超檢查并同時(shí)行心ECG導(dǎo)聯(lián)檢查的患者[3]；（2）經(jīng)頸動(dòng)脈B超檢查診斷為頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成的患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）圖像質(zhì)量較差（有聲影干擾或者晃動(dòng)）的患者；（2）有房顫和心瓣膜病的患者。最終納入符合標(biāo)準(zhǔn)的患者 33 例，其中男 19 例，女 14 例，年齡 57～84（69.0±6.7）歲；共56個(gè)斑塊。本研究經(jīng)本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審查通過，所有入組對(duì)象均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 頸動(dòng)脈超聲檢查和圖像選擇 采用GE LOGIC E9超聲檢查儀，ML14-5線陣高頻探頭。檢查前連接ECG導(dǎo)聯(lián)線，并采用相同的動(dòng)態(tài)范圍、幀率、余輝、總增益和時(shí)間增益補(bǔ)償（TGC）曲線，同時(shí)運(yùn)用彩色多普勒?qǐng)D像以輔助初始斑塊篩選。留取至少3個(gè)心動(dòng)周期（附三導(dǎo)聯(lián)ECG）的超聲圖像，同時(shí)滿足以下3個(gè)條件：（1）斑塊周圍管腔內(nèi)血流無噪聲；（2）斑塊周圍外膜保持明亮、稠厚且處于水平位置；（3）斑塊圖像清晰且保持最大厚度。以便離線分析斑塊危險(xiǎn)指標(biāo)。所有離線分析均由同一位工作5年以上經(jīng)驗(yàn)豐富的超聲醫(yī)生進(jìn)行。

1.2.2 頸動(dòng)脈超聲檢查斑塊原理與紋理分析步驟 分別選取連續(xù)3個(gè)心動(dòng)周期中收縮末期（T波末尾）及舒張末期（R波）共6幅超聲圖像，通過Adobe photoshop CC2018軟件對(duì)超聲圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[2]：在灰階模式下，由主觀選擇內(nèi)腔血液中最暗區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)最暗像素通過曲線功能進(jìn)行圖像歸一化處理，使得處理后GSM值為0～5。對(duì)主觀選擇的外膜最亮區(qū)域執(zhí)行相同的步驟，將其處理后的GSM值為180～190。采用索套工具，手動(dòng)描跡選定斑塊，通過直方圖得出：（1）GSM，記錄頸動(dòng)脈斑塊圖像灰階值的均值；（2）標(biāo)準(zhǔn)差，記錄GSM值在均值附近的分布情況；（3）低于標(biāo)準(zhǔn)GSM的像素百分率，用于判斷高危險(xiǎn)的無回聲區(qū)域在頸動(dòng)脈斑塊中所占的比例（圖1，見插頁）。如果單例患者存在多個(gè)斑塊（動(dòng)脈的近壁和遠(yuǎn)壁或在不同位置，包括頸總動(dòng)脈、頸外動(dòng)脈或頸內(nèi)動(dòng)脈和分叉處），則應(yīng)對(duì)不同斑塊分別進(jìn)行分析。

圖1 頸動(dòng)脈超聲檢查斑塊原理圖與紋理分析步驟[a：彩色多普勒檢查頸動(dòng)脈斑塊；b：頸動(dòng)脈斑塊B超圖，藍(lán)色箭頭為收縮末期，紅色箭頭為舒張末期；c：標(biāo)準(zhǔn)化處理后的B超圖，血流處（黃色圈）調(diào)整至灰度中值（GSM）0～5，血管壁處（藍(lán)色圈）GSM調(diào)整至180～190；d：通過套索工具分割出頸動(dòng)脈斑塊]

1.2.3 頸動(dòng)脈斑塊超聲圖像危險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算 選用頸動(dòng)脈斑塊的回聲性質(zhì)、粗糙度和斑塊類型作為易損性分析的危險(xiǎn)指標(biāo)，并用CV（CV=標(biāo)準(zhǔn)差/均值×100%）對(duì)每個(gè)危險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行量化?；芈曅再|(zhì)通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化處理后圖像的斑塊區(qū)域中所有像素值的中位數(shù)GSM來表達(dá)[4]。粗糙度通過使用pyradiomics v3.0[5]的鄰近灰度色調(diào)差矩陣（NGTDM）計(jì)算，粗糙度值越大，表明灰度之間的差異越小，紋理越粗，斑塊越不穩(wěn)定。Kakkos等[6]通過對(duì)照斑塊的病理結(jié)果分析得出血液GSM 0～24、脂肪組織GSM 25～68、肌肉組織 GSM 69～225、鈣化組織 GSM 226～255；并以0～68作為低灰階值，69～255作為高灰階值。早期研究認(rèn)為，GSM越低，斑塊穩(wěn)定性越差，易損斑塊的GSM范圍為25～68[6-10]。因此本研究定義：低回聲斑塊GSM≤68，高回聲斑塊GSM＞68。在同一斑塊多次測(cè)量中，同時(shí)存在低回聲斑塊及高回聲斑塊時(shí)，則根據(jù)GSM均值進(jìn)行重新分類。此外，本研究計(jì)算圖像未標(biāo)準(zhǔn)化處理的GSM來分析斑塊的回聲變化，以排除標(biāo)準(zhǔn)化程序的影響和血液或外膜的回聲變化的影響[11]。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 21統(tǒng)計(jì)軟件。計(jì)量資料以±s表示，組間比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)及獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 危險(xiǎn)指標(biāo)在心動(dòng)周期中的變化 本研究共篩選出33例患者共56個(gè)頸動(dòng)脈斑塊的危險(xiǎn)指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化GSM 14.1～51.2，未標(biāo)準(zhǔn)化 GSM 16.7～185.4，粗糙度 7.6～37.6。標(biāo)準(zhǔn)化GSM、未標(biāo)準(zhǔn)化GSM和粗糙度的CV平均分別為10.4%、8.2%和11.2%。

對(duì)于部分危險(xiǎn)指標(biāo)的均值或相應(yīng)CV值，受血流動(dòng)力學(xué)影響存在一定周期變化。標(biāo)準(zhǔn)化GSM中發(fā)現(xiàn)收縮期的CV較舒張期高（P＜0.05）。未標(biāo)準(zhǔn)化GSM發(fā)現(xiàn)收縮期均值比舒張期高（P＜0.05）。粗糙度中發(fā)現(xiàn)收縮期均值大于舒張期，而收縮期的CV則小于舒張期（均P＜0.01），見表 1。

表1 危險(xiǎn)指標(biāo)在心動(dòng)周期中的變化

2.2 低回聲斑塊與高回聲斑塊危險(xiǎn)指標(biāo)的比較 研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化及未標(biāo)準(zhǔn)化GSM中，低回聲斑塊的CV均高于高回聲斑塊（均P＜0.01），但在粗糙度中無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，見表2。

表2 低回聲斑塊與高回聲斑塊危險(xiǎn)指標(biāo)的比較

2.3 低回聲斑塊與高回聲斑塊GSM及CV在心動(dòng)周期中的變化 與舒張期相比，低回聲斑塊在收縮期的GSM、CV均較高（均P＜0.05），而高回聲斑塊在收縮期和舒張期均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（均P＞0.05），見表3。

表3 低回聲斑塊和高回聲斑塊GSM及CV在心動(dòng)周期中的變化

2.4 斑塊易損性在心動(dòng)周期中的變化 對(duì)56枚斑塊在3個(gè)連續(xù)的心動(dòng)周期進(jìn)行6次分析中，有16枚斑塊的斑塊易損性在6次測(cè)量中發(fā)生了改變，占全部斑塊的28.6%（16/56），見圖2。

圖2 頸動(dòng)脈斑塊超聲圖像GSM分布圖

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，舒張期和收縮期間未標(biāo)準(zhǔn)化GSM和粗糙度均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。這一發(fā)現(xiàn)可以通過收縮期壓力增加，壓迫斑塊或引起平面外運(yùn)動(dòng)來解釋。盡管僅在未標(biāo)準(zhǔn)化GSM中有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，在標(biāo)準(zhǔn)化GSM中無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，考慮可能是由于斑塊在標(biāo)準(zhǔn)化處理過程中產(chǎn)生的。在GSM中低回聲斑塊比高回聲斑塊具有更高的變異性，這可能是由于描跡高回聲斑塊時(shí)，邊界判定困難造成的。然而低回聲斑塊的粗糙度較低，表明成分更加不均勻。因此，斑塊回聲的變化是真實(shí)的，并不是斑塊的手動(dòng)勾畫導(dǎo)致了變異性的增加。

在本研究中，有28.6%的斑塊其易損性類別進(jìn)行了重新分類，這說明心動(dòng)周期對(duì)斑塊易損性的分類是存在影響的。與由纖維化和鈣化組織組成的高回聲斑塊相比，低回聲斑塊由更多的脂肪成分組成，這使它們更有彈性，并且更容易因心動(dòng)周期中的血壓變化而導(dǎo)致變形。斑塊的這種形變或應(yīng)變可能會(huì)引起聲阻抗的變化，從而導(dǎo)致心臟收縮期時(shí)超聲反射更高。這些結(jié)果表明，與穩(wěn)定斑塊相比，易損斑塊（低GSM）受心動(dòng)周期的影響更大，并且變異性更高。此外，舒張期的變異性較小，提示應(yīng)選擇該階段進(jìn)行測(cè)量。

本研究的局限性主要包括超聲的檢查受操作員的技術(shù)水平影響較大；復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)和偽影（例如斑塊陰影）會(huì)使頸動(dòng)脈檢查的成像復(fù)雜化。本研究中，所有受陰影影響的斑塊均被排除在外，這可能影響選擇并使得結(jié)果存在偏差。在研究的早期階段，并非所有超聲檢查都一致使用ECG附件，由于缺少ECG，導(dǎo)致排除范圍相對(duì)較大。

此外，超聲圖像中頸動(dòng)脈斑塊的定量分析受包括標(biāo)準(zhǔn)化處理在內(nèi)許多步驟的影響而存在偏差。對(duì)未標(biāo)準(zhǔn)化的GSM進(jìn)行分析是最大程度減少影響的方法。幀選擇也是潛在的錯(cuò)誤來源，在這項(xiàng)研究中嘗試通過使用ECG指南來分析其影響。另外圖像還會(huì)受到平面外運(yùn)動(dòng)的影響，平面外運(yùn)動(dòng)可能由超聲醫(yī)師，研究對(duì)象或動(dòng)脈中的自然機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。

本研究中使用二維圖像，該圖像僅能實(shí)現(xiàn)斑塊體積的一個(gè)投影區(qū)域。而使用3D超聲和基于體積的測(cè)量值可以改善頸動(dòng)脈斑塊可視化和危險(xiǎn)指標(biāo)分析[12－13]，因?yàn)榭梢栽u(píng)估整個(gè)完整的斑塊。而本研究中，圖像并不是以DICOM格式進(jìn)行研究的，目前國(guó)外常用的斑塊分析軟件是PLAQ[14]，它可以直接對(duì)DICOM文件進(jìn)行分析處理。另外由于常規(guī)超聲儀器得到的超聲數(shù)據(jù)已經(jīng)在超聲設(shè)備中經(jīng)過轉(zhuǎn)化處理，有一部分信息被處理掉，因而超聲紋理分析最好將來自超聲探頭的射頻無損信號(hào)當(dāng)作采集來源分析，因?yàn)閬碜蕴筋^的射頻信號(hào)包含了超聲探頭采集的所有信息，如果超聲儀器上有軟件能直接將射頻信號(hào)進(jìn)行分析，則更有可能發(fā)現(xiàn)紋理信號(hào)變化，這對(duì)于超聲診斷技術(shù)的發(fā)展頗有前景。

綜上所述，心動(dòng)周期對(duì)頸動(dòng)脈斑塊定量超聲紋理分析評(píng)估具有顯著影響。采用定量超聲紋理分析在舒張末期進(jìn)行頸動(dòng)脈斑塊測(cè)量，對(duì)斑塊易損性的鑒別準(zhǔn)確性更高。