不同設(shè)備不同掃描參數(shù)對(duì)影像組學(xué)特征可再現(xiàn)性影響分析

張白霖，戴振暉，朱琳，楊耕，朱遠(yuǎn)湖，招什武，蔡春雅，李飛，王學(xué)濤

前言

臨床放射圖像的計(jì)算機(jī)輔助分析提供了針對(duì)個(gè)性化醫(yī)療的大規(guī)模數(shù)據(jù)分析方法［1-2］，比如通過(guò)分析整個(gè)腫瘤的圖像而不是選擇性獲取樣本活檢來(lái)推斷腫瘤表型。在表型變異性會(huì)影響臨床結(jié)果的前提下［3］，醫(yī)學(xué)成像提供了一種有效且無(wú)創(chuàng)的方法來(lái)確定預(yù)后。這種方法具有巨大的潛力，可以被用來(lái)支持個(gè)性化臨床決策［4］。對(duì)基于圖像的標(biāo)記（即放射影像組學(xué)）的研究表明，醫(yī)學(xué)斷層影像中蘊(yùn)藏著相比于人眼可見(jiàn)更多的預(yù)后信息［4-8］。為了推廣應(yīng)用于臨床，首先需要在模體中測(cè)試特征可再現(xiàn)性，然后再在不同環(huán)境和多個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)中基于患者來(lái)驗(yàn)證模型［5-13］。

研究表明特征重現(xiàn)性可能受圖像采集參數(shù)差異的影響，如切片厚度和重建算法［14-17］。由于臨床圖像采集參數(shù)是不同醫(yī)院之間圖像差異的主要來(lái)源之一，類似診斷影像的質(zhì)量保證（Quality Assurance,QA）可以使用模體來(lái)測(cè)試和比較影像組學(xué)特征。假設(shè)簡(jiǎn)單模體中已經(jīng)不穩(wěn)定的特征，不可能在更嚴(yán)格的條件下變得穩(wěn)定。

本研究中，筆者選取3臺(tái)不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備CT 對(duì)簡(jiǎn)單模體進(jìn)行掃描成像。分析了部分掃描參數(shù)對(duì)影像組學(xué)特征的影響。之所以選擇CT，因?yàn)檫@個(gè)圖像模態(tài)更加普及，具有完善的校準(zhǔn)、質(zhì)量保證和日常維護(hù)，并且是用于放射治療的主要成像模態(tài)。

1 材料與方法

1.1 模體A

COPDGene Phantom II（Phantom Laboratory，Greenwich,NY,USA）是一種被定量圖像生物標(biāo)志物聯(lián)盟技術(shù)委員會(huì)推薦用于臨床試驗(yàn)的胸部CT 模體。如圖1a 所示，外部由聚氨酯環(huán)模擬組織衰減，而內(nèi)部橢圓體（橫截面橢圓長(zhǎng)軸和短軸分別為25 和15 cm）模擬肺衰減。內(nèi)部橢圓體有許多圓柱形空腔，用于填充泡沫、丙烯酸和水［18-19］。

1.2 模體B

3Dmultimodality Abdominal Phantom （CIRS,Norfolk,Virginia,USA）是一種用于各種模態(tài)影像（CT、MR、US）引導(dǎo)肝組織活檢訓(xùn)練的模體。如圖1b所示，體模中包含了肝、門(mén)靜脈、腎臟、肺底、腹主動(dòng)脈、腔靜脈、腰椎和6 個(gè)最低的肋骨。勾畫(huà)了一大一小兩個(gè)肝病變區(qū)域。

圖1 使用的模體Fig.1 phantoms used in the study

1.3 影像獲取

3 臺(tái)不同的CT 設(shè)備，按照胸腹部放療計(jì)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行CT 掃描，產(chǎn)生各設(shè)備的基線參考影像，基線掃描參數(shù)如表1所示。改變掃描參數(shù)：（1）設(shè)置重建層厚（1、3、5 mm）；（2）使用不同重建核函數(shù)；（3）設(shè)置不同曝光時(shí)間（50、100、300 mAs），獲得多組不同參數(shù)條件下的掃描圖像。

1.4 特征提取

基于Pyradiomics 庫(kù)使用Python 語(yǔ)言編寫(xiě)程序，讀取CT 影像及感興趣區(qū)域（ROI）提取影像組學(xué)特征共851 個(gè)，包括基于影像灰度18 個(gè)、基于形態(tài)14個(gè)、基于紋理75 個(gè)以及經(jīng)小波變化濾波后提取的特征744 個(gè)。紋理特征具體分為灰度共生矩陣（Gray Level Co-occurrence Matrix,GLCM）24 個(gè)、灰度相關(guān)矩陣（Gray-Level Dependence Matrix,GLDM）14 個(gè)、灰度行程矩陣（Grey-Level Runlength Matrix,GLRLM）16 個(gè)、灰度區(qū)域大小矩陣（Gray-Level Size Zone Matrix,GLSZM）16 個(gè)、局部灰度差分矩陣（Neighbourhood Grey-tone Difference,NGTDM）5 個(gè)。

表1 3臺(tái)設(shè)備的基線掃描參數(shù)Tab.1 Baseline scan parameters of 3 machines

1.5 分析

使用變異系數(shù)（Coefficient of Variation,CV）評(píng)估特征受掃描參數(shù)改變的影響，CV 定義為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比，以CV 判斷特征可再現(xiàn)性，認(rèn)為CV 小于10%的特征具有可再現(xiàn)性。

2 結(jié)果

2.1 不同重建層厚對(duì)特征可再現(xiàn)性影響

對(duì)于同一設(shè)備，其他掃描條件固定，設(shè)置不同重建層厚（1、3、5 mm），各掃描2個(gè)模體。以CV小于10%篩選特征。圖2顯示3臺(tái)設(shè)備的特征篩選情況，在3臺(tái)設(shè)備中均不滿足條件的特征占81.6%（694/851），在至少一臺(tái)設(shè)備中滿足條件的特征占18.4%（157/851），在3臺(tái)設(shè)備中均滿足條件的特征占8.8%（75/851）?？梢?jiàn)，重建層厚對(duì)特征可再現(xiàn)性的影響明顯。

圖2 不同層厚對(duì)特征可再現(xiàn)性影響Fig.2 Influence of different thickness on feature reproducibility

圖3顯示兩個(gè)模體的特征篩選情況，模體A 中滿足條件的特征占25.6（218/851），模體B 中滿足條件的特征占10.6%（90/851）。說(shuō)明重建層厚不同，對(duì)模體A的特征可再現(xiàn)性影響小于模體B。

圖3 不同模體比較Fig.3 Comparison of different phantoms

2.2 不同重建核函數(shù)對(duì)特征可再現(xiàn)性影響

對(duì)于同一設(shè)備，其他掃描條件固定，使用不同重建核函數(shù)掃描重建2個(gè)模體。設(shè)備A使用的重建核函數(shù)有B31f、B41f、B60f、B75f、B80f；設(shè)備B使用的重建核函數(shù)有B、A、C、D；設(shè)備C使用的重建核函數(shù)有I30f、I40f、I44f、I49f、I50f、I70f。以CV小于10%篩選特征。圖4顯示3臺(tái)設(shè)備的特征篩選情況，在3臺(tái)設(shè)備中均不滿足條件的特征占46.4%（395/851），在至少一臺(tái)設(shè)備中滿足條件的特征占總數(shù)的53.6%（456/851），在3臺(tái)設(shè)備中均滿足條件的特征占12.1%（96/851），31.7%（270/851）的特征只在單一設(shè)備中達(dá)到可再現(xiàn)性要求。

圖4 不同重建核函數(shù)對(duì)特征可再現(xiàn)性影響Fig.4 Influence of different reconstruction kernel on feature reproducibility

2.3 不同曝光時(shí)間對(duì)特征可再現(xiàn)性影響

使用設(shè)備A 和設(shè)備B，設(shè)置不同曝光時(shí)間（50、100、300 mAs），其他掃描條件固定，分別掃描兩種模體，以CV 小于10%篩選特征。圖5顯示兩個(gè)模體的特征篩選情況。在2 臺(tái)設(shè)備中均滿足條件的特征占32.8%（280/851）。54%（460/851）的特征只在單一設(shè)備中達(dá)到可再現(xiàn)性要求。

圖5 不同曝光時(shí)間對(duì)特征可再現(xiàn)性影響Fig.5 Influence of different current-exposure time on feature reproducibility

3 討論

因?yàn)椴杉瘏?shù)和重建技術(shù)的差異，單中心或者多中心研究中提取的影像組學(xué)特征，其泛化是存在疑問(wèn)的。本研究分析了部分掃描參數(shù)對(duì)影像組學(xué)特征的影響，結(jié)果顯示，圖像層厚、重建核函數(shù)、曝光時(shí)間對(duì)影像組學(xué)特征的影響都是不可忽略的，圖像層厚不同影響了81.6%的特征，有近五成特征受到重建核函數(shù)和曝光時(shí)間的影響。并且不同設(shè)備受影響的特征不完全相同，說(shuō)明設(shè)備間的差異也是不可忽略的。Berenguer 等［18］利用一臺(tái)CT 設(shè)備對(duì)一個(gè)盆腔體模進(jìn)行不同重建核函數(shù)的掃描成像，提取特征并對(duì)比分析特征重現(xiàn)性，有43.1%（76/177）的特征認(rèn)為具有重現(xiàn)性，與本研究結(jié)果相近。

本研究使用的模體廠家明確說(shuō)明非設(shè)計(jì)用于影像組學(xué)特征研究，目前不存在一個(gè)用于影像組學(xué)研究的經(jīng)典模體。本研究中已證實(shí)重現(xiàn)性不佳的影像組學(xué)特征，不可能在多中心多設(shè)備人體研究中有理想的重現(xiàn)性。需要注意的是，因?yàn)轶w模內(nèi)的幾何結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單且密度均勻，人體器官和腫瘤組織中紋理特征以及形態(tài)特征的復(fù)雜性，并未在這2個(gè)模體中很好地體現(xiàn)。本研究所用模體B結(jié)構(gòu)比模體A復(fù)雜，模體B中提取的影像組學(xué)特征受影響的程度更大，所以，剩余特征的重現(xiàn)性需要經(jīng)過(guò)更多包含逼真腫瘤信息的模體的驗(yàn)證。Mackin 等［19］設(shè)計(jì)出包含10 個(gè)暗盒的模體，其中包含3D 打印不同填充度的ABS 塑料、不同種類的木頭、切碎的橡膠顆粒、固體樹(shù)脂及類骨材料，多設(shè)備掃描，研究紋理特征的可再現(xiàn)性。

目前在影像組學(xué)特征標(biāo)準(zhǔn)化方面已有一些工作，包括專業(yè)術(shù)語(yǔ)的命名以及特征值計(jì)算。而本工作顯示出CT 掃描參數(shù)差異對(duì)大部分特征重現(xiàn)性不可忽略的影響，影像組學(xué)特征數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化還有一段路要走。在此之前，應(yīng)用影像組學(xué)建立模型研究臨床問(wèn)題時(shí)，為了避免該因素對(duì)預(yù)測(cè)模型的不利影響，可行的方式有：（1）在限定的適用范圍（某臺(tái)設(shè)備的某種掃描參數(shù)）內(nèi)建立預(yù)測(cè)模型；（2）想辦法建立不同掃描參數(shù)間特征的關(guān)系，借助修正因子減弱掃描參數(shù)對(duì)特征的影響。有小組運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)建立不同掃描參數(shù)之間特征的轉(zhuǎn)換關(guān)系。