3.0 T MRI T2 mapping紋理特征在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎軟骨損傷分級中的價(jià)值

劉曉藝，蒲如劍，梁潔，鞠文萍，王現(xiàn)亮*

作者單位：1.濰坊市人民醫(yī)院放射科，濰坊 261041；2.濰坊醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，濰坊 261053

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(keen osteoarthritis，KOA)是引起下肢功能障礙的重要原因之一[1]。隨著社會的發(fā)展，原發(fā)性KOA 的發(fā)病率不斷提升[2]。膝關(guān)節(jié)軟骨為透明軟骨，缺乏血管、神經(jīng)等組織的營養(yǎng)支持，只能通過關(guān)節(jié)滑膜分泌的滑液獲取營養(yǎng)，因此軟骨損傷后的修復(fù)能力十分有限，如果早期診治不及時(shí)，很容易發(fā)展至骨性關(guān)節(jié)炎階段，最終引起關(guān)節(jié)功能障礙甚至導(dǎo)致肢體殘疾，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量[3-4]。由此可見，膝關(guān)節(jié)軟骨損傷嚴(yán)重程度的早期分級診斷是決定患者治療及預(yù)后的重要環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)階段骨關(guān)節(jié)外科相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)及重點(diǎn)問題。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是目前評價(jià)關(guān)節(jié)軟骨損傷最敏感的無創(chuàng)檢查，T2 mapping 序列通過組織的橫向磁化衰減來反映組織的結(jié)構(gòu)特性，對軟骨內(nèi)的水分子、膠原纖維及組織各向異性的改變尤為敏感，可以在關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)學(xué)發(fā)生改變前檢測到異常信號變化[5]，是當(dāng)前用于診斷膝關(guān)節(jié)軟骨損傷分級及檢測軟骨術(shù)后修復(fù)情況的最佳影像學(xué)檢查。醫(yī)學(xué)影像紋理分析(texture analysis，TA)是通過一定圖像后處理技術(shù)，分析在醫(yī)學(xué)影像圖像中像素或體素灰度的分布及關(guān)系，提取肉眼無法觀察到的定量或定性的紋理特征，可以早期無創(chuàng)地明確病灶的性質(zhì)以及疾病的療效評價(jià)、預(yù)后判斷等[6]。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本實(shí)驗(yàn)研究對象分為KOA組及健康志愿者組。

KOA 組：選取2018 年9 月到2020 年2 月因膝關(guān)節(jié)不適等癥狀來我院就診，經(jīng)關(guān)節(jié)外科醫(yī)生診斷為KOA并入院治療(關(guān)節(jié)鏡手術(shù))的受檢者(排除體質(zhì)量指數(shù)大于28 kg/m2，有膝關(guān)節(jié)手術(shù)史、存在膝關(guān)節(jié)感染和腫瘤病史等) 54例，女性30例，男性24例，共72個膝關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)鏡下軟骨損傷的標(biāo)準(zhǔn)采用Outerbridge[7]分級(圖1～4)。

圖1 男，28歲，右膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨Ⅰ級損傷。T2 mapping偽彩圖中大部分區(qū)域呈現(xiàn)黃紅色色階，局部區(qū)域表現(xiàn)為斑片狀綠色色階(左圖，白箭)；關(guān)節(jié)鏡下可見軟骨局部軟化，無裂紋狀潰瘍改變(右圖，黑箭) 圖2 女，30歲，左膝關(guān)節(jié)股骨外側(cè)髁軟骨Ⅱ級損傷。T2 mapping偽彩圖中表現(xiàn)為紅黃色色階部分缺失，缺失深度＜50% (左圖，白箭)；關(guān)節(jié)鏡下可見關(guān)節(jié)軟骨中出現(xiàn)輕至中度纖維化、淺潰瘍，為“鯊魚腮”狀(右圖，黑箭) 圖3 女，57歲，左膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨Ⅲ級損傷。T2 mapping偽彩圖中表現(xiàn)為紅黃色色階缺失深度＞50%，但未累及全層軟骨(左圖，白箭)；關(guān)節(jié)鏡下可見軟骨重度纖維化，部分剝脫(右圖，黑箭) 圖4 女，52 歲，左膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨Ⅳ級損傷。T2 mapping 偽彩圖中可見軟骨紅黃色色階全層缺失，代之為藍(lán)綠色，軟骨下骨裸露(左圖，白箭)。關(guān)節(jié)鏡下示軟骨全層缺失、軟骨下骨暴露(右圖，黑箭)Fig. 1 Male, 28 years old, grade Ⅰinjury of medial femoral condyle cartilage in right knee joint. Most of the T2 mapping pseudocolor images showed yellowish red color scale, and the local area showed patchy green color scale (left, white arrow). No crack ulcer changes (right, black arrow). Fig. 2 Female, 30, grade Ⅱinjury of lateral femoral condyle of left knee joint. T2 mapping partial absence of red-yellow color scale in pseudo-color image, deletion depth＜50% (left, white arrow). Under the arthroscopy, mild to moderate fibrosis and shallow ulcers could be seen in the articular cartilage, which were "shark gills". (right, black arrow).Fig. 3 Female, 57 years old, grade Ⅲinjury of medial femoral condyle cartilage of left knee joint. T2 mapping pseudocolor image showed red and yellow color scale deletion depth ＞50%, but not whole layer cartilage (left, white arrow); severe fibrosis of cartilage was observed under arthroscopy. Partial stripping (right, black arrow).Fig.4 Female,52 years old,left knee medial femoral condyle cartilage grade Ⅳinjury.T2 mapping pseudo-color image can be seen cartilage red and yellow color scale loss,replaced by blue-green,subchondral bone exposed(left，white arrow).Arthroscopy shows total cartilage loss,subchondral bone exposure(right,black arrow).

健康志愿者組：選取年齡介于18～55 周歲，未有膝關(guān)節(jié)不適、非從事體育相關(guān)職業(yè)、未進(jìn)行膝關(guān)節(jié)手術(shù)的健康愿者11例，女性6例，男性5例，共22個膝關(guān)節(jié)。本研究經(jīng)過濰坊市人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號：2021倫審批第007號)，免除受試者知情同意。

1.2 掃描方法與技術(shù)參數(shù)

受檢者取仰臥位，膝關(guān)節(jié)自然伸直，身體長軸與檢查床長軸平行，足先進(jìn)。選擇合適的膝關(guān)節(jié)線圈，線圈中心線大致位于受檢者髕骨下緣并完全包裹整個受檢膝關(guān)節(jié)。應(yīng)用GE 3.0 T Discovery 750 w Silent MR 儀行膝關(guān)節(jié)8 通道相控常規(guī)掃描序列及8回波SE T2 mapping序列(表1)。

表1 常規(guī)序列及T2 mapping序列的掃描參數(shù)Tab.1 Scanning parameters of conventional and T2 mapping sequences

1.3 圖像分析

應(yīng)用GE-ADW 4.6工作站，F(xiàn)unctool 2 T2 MAP功能選項(xiàng)將矢狀位T2 mapping 原始圖像生成T2 偽彩圖。由2 名影像科骨肌組副主任醫(yī)師運(yùn)用Functool 2 T2 MAP 功能選項(xiàng)自帶的勾畫組件，在T2 偽彩圖中的股骨關(guān)節(jié)面下、脛骨平臺及髕骨表面3處關(guān)節(jié)軟骨畫取損傷范圍ROI 并標(biāo)記國際軟骨修復(fù)學(xué)會(International Cartilage Repair Societ，ICRS)[8]MRI分級(圖1～4)，因Ⅳ級骨性關(guān)節(jié)炎中軟骨全層缺失，軟骨下骨裸露，無法測得軟骨的紋理特征參數(shù)，本次研究對Ⅳ級損傷不做分析。選取MRI ICRS損傷分級與關(guān)節(jié)鏡分級一致的201個關(guān)節(jié)面圖像。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coeffcient，ICC)評價(jià)2 名醫(yī)師測量不同損傷分級的一 致 性，ICC 值＞0.80 為 一 致 性 較 好。 采 用Omnikinetice 軟件在T2 偽彩圖標(biāo)記過的ROI 上進(jìn)行紋理參數(shù)提取、分析，并將提取的紋理參數(shù)導(dǎo)入Excel 表格。按照7∶3 的比例，隨機(jī)選取143 個關(guān)節(jié)面圖像作為集訓(xùn)集，剩余58 個關(guān)節(jié)面圖像作為驗(yàn)證集(表2)。提取的紋理特征包括：First-Order and Distribution Statistics (一階分布統(tǒng)計(jì)特征)、Shape and Morphology Metrics (形態(tài)學(xué) 特征)、Histogram (直方圖特征)、GLCM (灰度共生矩陣特征)、GLRLM (灰度游程矩陣特征)，共77 個特征參數(shù)。用影像組學(xué)數(shù)據(jù)處理的軟件包R 軟件(Version：3.5.1)，對集訓(xùn)集中每一級損傷的ROI 所提取的特征參數(shù)之間進(jìn)行Spearman 相關(guān)性分析，剔除相關(guān)性大于0.9的特征。然后，為進(jìn)一步選擇最優(yōu)特征，使用caret 包中sbf (select by filter)對剩下的特征參數(shù)實(shí)施過濾，特征參數(shù)選擇函數(shù)為隨機(jī)森林函數(shù)。模型建立使用caret包train 函數(shù)中的ctree 函數(shù)，給出特征在鑒別正常軟骨及不同軟骨損傷分級中的權(quán)重。使用pROC 包來繪制受試者特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC)曲 線。采 用ROC 下 面 積(area under the curve，AUC)，敏感度(sensitivity)，特異度(specificity)，準(zhǔn)確度(accuracy)來評價(jià)模型預(yù)測正常軟骨及不同軟骨損傷分級的性能。

表2 正常關(guān)節(jié)及不同損傷分級關(guān)節(jié)面?zhèn)€數(shù)(個)Tab.2 Number of articular surfaces of normal joints and different injury grades (n)

2 結(jié)果

2.1 2名醫(yī)師的測量結(jié)果

2名醫(yī)師測量不同損傷分級的ICC值均＞0.80。

2.2 特征篩選及模型建立

在77個紋理特征參數(shù)中，保留7個較有預(yù)測價(jià)值的特征，分別是MinLocation、MaxSize、ClusterShade、HighGreyLevelRunEmphasis、Maximum3DDiameter、GreyLevelNonuniformity 以及Sphericity，給出特征在鑒別正常軟骨及不同軟骨損傷分級中的權(quán)重(圖5)?？梢钥闯觯阼b別正常軟骨及不同程度損傷軟骨中，MinLocation權(quán)重最大，預(yù)測價(jià)值最高。

圖5 經(jīng)隨機(jī)森林函數(shù)過濾后的軟骨損傷特征在四組中的重要性排序。X0=正常軟骨；X1=Ⅰ級損傷軟骨；X2=Ⅱ級損傷軟骨；X3=Ⅲ級損傷軟骨。Y軸代表相應(yīng)特征，X軸代表特征的相對權(quán)重Fig. 5 Importance of cartilage injury characteristics filtered by random forest function in four groups. X0=Normal cartilage. X1=Grade I damaged cartilage. X2=Grade Ⅱdamaged cartilage.X3=Grade Ⅲdamaged cartilage. The Y-axis represents the corresponding characteristics. The X-axis represents the relative weight of the features.

2.3 模型評估

使用AUC 評估影像組學(xué)模型在鑒別正常軟骨及不同損傷軟骨的性能(表3；圖6)，集訓(xùn)集中正常軟骨的AUC 值為0.91，Ⅰ級損傷的AUC 值為0.82，Ⅱ級損傷的AUC 值為0.84，Ⅲ級損傷的AUC 值為0.88；驗(yàn)證集中正常軟骨的AUC 值為0.87，Ⅰ級損傷的AUC 值為0.74，Ⅱ級損傷的AUC 值為0.84，Ⅲ級損傷的AUC 值為0.96。AUC 最高的是驗(yàn)證集中Ⅲ級損傷軟骨，為0.96；其次是訓(xùn)練集中正常軟骨，為0.91。無論在訓(xùn)練集還是驗(yàn)證集中都表現(xiàn)出了良好的預(yù)測價(jià)值。敏感度最高的是訓(xùn)練集中Ⅰ級損傷軟骨，為0.83；特異度最高的是訓(xùn)練集中Ⅲ級損傷軟骨，為0.98。

表3 紋理分析特征影像組學(xué)模型在鑒別正常軟骨及不同損傷軟骨的診斷效能Tab.3 Diagnostic efficacy of texture analysis imaging models in differentiating normal cartilage from different damaged cartilage

圖6 訓(xùn)練集及驗(yàn)證集受試者工作特性曲線。0=正常膝關(guān)節(jié)軟骨，1=I級損傷軟骨，2=Ⅱ級損傷軟骨，3=Ⅲ級損傷軟骨Fig. 6 Working characteristic curves of subjects in training set and validation set. 0=Normal knee cartilage，1=Grade I damaged cartilage，2=Grade Ⅱdamaged cartilage，3=Grade Ⅲdamaged cartilage.

3 討論

3.1 膝關(guān)節(jié)軟骨組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分子功能

膝關(guān)節(jié)軟骨組織主要由軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)[9]組成，軟骨細(xì)胞是軟骨組織中僅有的細(xì)胞成分，均勻嵌入ECM內(nèi)并能產(chǎn)生ECM，僅約占關(guān)節(jié)軟骨濕重的3/4[10-11]。而ECM 是關(guān)節(jié)軟骨的主要成分，約占關(guān)節(jié)軟骨濕重的3/4，主要包括水分子、膠原纖維、蛋白多糖聚合體等，其主要作用是把軟骨細(xì)胞結(jié)合在一起，借以支撐、維持軟骨組織的生理結(jié)構(gòu)和功能體現(xiàn)。ECM 中膠原纖維構(gòu)成膝關(guān)節(jié)軟骨的網(wǎng)狀支架，起到承重的作用，當(dāng)它發(fā)生糖化反應(yīng)后有很強(qiáng)的吸水性，可以鎖住關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的水分[12-13]。膠原纖維構(gòu)成的網(wǎng)狀支架內(nèi)鑲嵌著蛋白多糖，又稱為黏多糖，也是親水分子[14]。

3.2 T2 mapping 紋理特征在鑒別KOA 軟骨損傷分級中的價(jià)值

紋理是宏觀結(jié)構(gòu)下微觀組織所體現(xiàn)的緩慢性、周期性變化的一種屬性[15]。紋理特征主要運(yùn)用像素、相鄰空間區(qū)域的灰度分布，明顯區(qū)分于顏色等圖像構(gòu)成特征來表現(xiàn)膝關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同質(zhì)性，并通過對圖像中像素灰度值的局部分布特征及變化規(guī)律進(jìn)行分析。建立在T2 mapping序列基礎(chǔ)上的膝關(guān)節(jié)軟骨不同損傷情況的紋理分析結(jié)果，可以闡明關(guān)節(jié)軟骨損傷改變后的情況。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)Spearman相關(guān)性分析和隨機(jī)森林函數(shù)對特征參數(shù)進(jìn)行過濾篩選后，通過ctree建立模型，來自First-Order and Distribution Statistics (一階分布統(tǒng)計(jì)特征)中的MinLocation 在鑒別正常軟骨和Ⅰ～Ⅲ級損傷軟骨中權(quán)重最大，預(yù)測價(jià)值最高。表明分子量越小，像素定位越準(zhǔn)確。正常關(guān)節(jié)軟骨水分子分布均勻，發(fā)生損傷時(shí)，關(guān)節(jié)軟骨腫脹，水的通透性增高，膠原纖維內(nèi)的蛋白多糖側(cè)鏈基團(tuán)更多地暴露，引起水的吸收增多[16-18]。因此在正常軟骨及損傷軟骨中，水分子變化明顯，代表水分子的特征參數(shù)敏感準(zhǔn)確，在軟骨損傷方面有最高的鑒別能力，可以更早地定量體現(xiàn)損傷的不同[19-20]。此外，來自Shape and Morphology Metrics (形態(tài)學(xué)特征)中的MaxSize、 Maximun3DDiameter在鑒別正常軟骨及不同程度損傷軟骨中權(quán)重也較大，也具有較好的預(yù)測價(jià)值[21-22]。MaxSize代表病灶最大尺寸。這兩個特征都與損傷范圍有關(guān)，損傷范圍越大，包含的基本紋理單元越多，預(yù)測性及準(zhǔn)確度越高。基于T2 mapping 序列所獲紋理參數(shù)特征對膝關(guān)節(jié)軟骨的生理狀態(tài)和病理改變有較好的說明性。

AUC 值通常在0.5-Order and Distribution Statistics (一階分布統(tǒng)計(jì)特征)中的MinLocation在鑒別正常軟骨和Ⅰ-1.0之間，當(dāng)AUC＝0.5時(shí)，說明診斷方法完全不起作用，無診斷價(jià)值。當(dāng)AUC＞0.5 的情況下，AUC 越接近于1，表明診斷效能越好；AUC 在0.5-Order and Distribution Statistics(一階分布統(tǒng)計(jì)特征)中的MinLocation 在鑒別正常軟骨和Ⅰ-0.7 時(shí)有較低準(zhǔn)確度，AUC 在0.7-Order and Distribution Statistics (一階分布統(tǒng)計(jì)特征)中的MinLocation 在鑒別正常軟骨和Ⅰ-0.9 時(shí)有一定準(zhǔn)確度，AUC 在0.9 以上時(shí)有較高準(zhǔn)確度[10]。本次實(shí)驗(yàn)中集訓(xùn)集中正常軟骨的AUC值為0.91，Ⅰ級損傷的AUC 值為0.82，Ⅱ級損傷的AUC 值為0.84，Ⅲ級損傷的AUC 值為0.88，驗(yàn)證集中正常軟骨的AUC 值為0.87，Ⅰ級損傷的AUC 值為0.74，Ⅱ級損傷的AUC 值為0.84，Ⅲ級損傷的AUC 值為0.96；無論在訓(xùn)練集還是驗(yàn)證集中都表現(xiàn)出了良好的預(yù)測價(jià)值。Ⅲ級損傷的AUC 值最高，為0.96；其次為正常軟骨，為0.91，有較高的準(zhǔn)確度，這個結(jié)果可以很好地闡明在正常關(guān)節(jié)軟骨與Ⅲ級損傷關(guān)節(jié)軟骨方面建立的模型準(zhǔn)確度高，臨床應(yīng)用可信度大。

此外，在正常軟骨和Ⅰ～Ⅲ級骨損傷分級中，Sensitivity 在訓(xùn)練集中分別為：0.75、0.83、0.44、0.33，在驗(yàn)證集中分別為0.77、0.71、0.47、0.30。Specificity 在訓(xùn)練集中分別為0.88、0.68、0.90、0.98，驗(yàn)證集中為0.91、0.66、0.84、1.00?？煽闯觫蚣墦p傷和Ⅲ級損傷中敏感度較低，可能的原因是：正常膝關(guān)節(jié)軟骨中ECM成分分布規(guī)律一致，膠原纖維排列規(guī)整，蛋白多糖含量適中，水分子在細(xì)胞外基質(zhì)中均勻分布；而KOA患者隨著關(guān)節(jié)軟骨損傷分級的增加，細(xì)胞外基質(zhì)ECM成分混雜，膠原纖維排列紊亂，蛋白多糖濃度減低，水的吸收增多，紋理信息不清晰導(dǎo)致對KOA患者鑒別的敏感性降低。

本研究存在的不足：(1)樣本例數(shù)相對較少，可能會引起結(jié)果偏倚；(2)在紋理分析中ROI 的選取時(shí)，ROI 的選取范圍越大，所含圖像信息也越多，紋理特征參數(shù)的提取相對也越準(zhǔn)確，但實(shí)際軟骨損傷范圍并不一致，不能統(tǒng)一范圍大小，因而相對主觀，故需要提升ROI選取的標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化、智能化。

總而言之，通過T2 mapping 提取的紋理參數(shù)可以在不同軟骨損傷程度中做出鑒別。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。