MRI紋理分析對非酒精性脂肪肝纖維化分期診斷價值的研究

楊瑩 劉敏 丁建平 龐佩佩 李潔

全球約有25%的成年人患有非酒精性脂肪性肝?。╪onalcoholic fatty liver disease,NAFLD），亞洲地區(qū)則高達27%[1]。NAFLD早期可逆且預后良好，但若未及時加以干預，可進展為肝纖維化、肝硬化甚至肝癌，該疾病的預后與肝纖維化程度密切相關(guān)[2]。肝臟組織學檢查是診斷NAFLD的金標準，但在疾病早期階段即對肝臟組織進行活檢不易被患者接受，且難以對后續(xù)治療效果進行監(jiān)測。因此，建立一種無創(chuàng)、客觀的指標來準確評估肝纖維化程度在NAFLD的早期診斷、干預治療中至關(guān)重要。紋理是圖像中存在的基本特征，是圖像中反復出現(xiàn)的局部模式和排列規(guī)律，紋理分析（texture analysis,TA）是一種新興的成像應用程序，它可以通過分析感興趣區(qū)域（region of interest,ROI）內(nèi)像素強度灰度的分布和（或）關(guān)系來量化器官或病灶中的異質(zhì)性。本研究旨在探討MRI TA對NAFLD患者肝纖維化分期診斷的潛在價值，現(xiàn)報道如下。

1 對象和方法

1.1 對象 選取2015年10月至2019年3月杭州師范大學附屬醫(yī)院收治的行MRI T1WI序列檢查且經(jīng)肝穿刺活檢確診為NAFLD的患者67例，MRI檢查與肝穿刺活檢的間隔時間均不超過7 d，其中1例因MRI圖像有明顯呼吸運動偽影而被排除，最終納入66例，其中男 48 例，女 18 例，年齡 18～68（41.33±12.00）歲。依據(jù)Scheuer法將66例患者分為S0～S4期，其中S0期8例，S1期（輕度肝纖維化組）19例，S2期（中度肝纖維化組）20例，S3期13例，S4期 6例（S3+S4期為重度肝纖維化組），各期肝纖維化病理標本見圖1。不同分期5組患者性別、年齡比較差異均無統(tǒng)計學意義（均P＞0.05），見表1。本研究經(jīng)杭州師范大學附屬醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準，所有患者均知情同意。

表1 S0～S4期NAFLD患者一般資料比較

圖1 S1～S4期非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）肝組織病理檢查所見（a：S1期，肝細胞廣泛脂肪變，輕度竇周纖維化，Masson染色，×20；b：S2期，竇周及匯管區(qū)纖維化，Masson 染色，×20；c：S3期，橋接纖維纖維形成，天狼猩紅染色，×20；d：S4期，肝小葉結(jié)構(gòu)紊亂，假小葉形成，天狼猩紅染色，×10）

1.2 儀器與方法 采用德國Siemens公司產(chǎn)的Magnetom Avanto 1.5 T高場超導MR掃描儀，8通道表面相控陣體部線圈，加呼吸門控。所有患者掃描前禁飲食4～6 h，所有檢查均由同1名專業(yè)MRI技師操作。常規(guī)序列T1WI橫軸位，掃描參數(shù)：重復時間 6.32 ms，回波時間 2.39 ms，視野 420 mm×315 mm，矩陣 154×256，層厚4.0 mm，層間隔0.8 mm。1次屏氣期間采集全肝數(shù)據(jù)，成像時間約18 s。

1.3 圖像分析

1.3.1 圖像選擇 采用移動硬盤將醫(yī)學影像信息系統(tǒng)（picture archiving and communication systems,PACS）工作站上的圖像以DICOM格式導入GE Omin-Kinetics應用平臺中。本研究選用MRI T1WI圖像，在顯示第一肝門層面上，由1名經(jīng)驗豐富的影像診斷醫(yī)師手動勾畫ROI，注意避開肝內(nèi)大血管，且距離肝臟邊緣至少1 cm，選取肝右葉后段面積為3 cm2的ROI，共勾選3次，得出紋理特征取平均值。

1.3.2 TA 采用GE Omin-Kinetics軟件自動分析功能得到灰度共生矩陣（gray-level co-occurrence matrix,GLCM）的15個紋理特征參數(shù)，包括能量、熵值、慣性矩、自相關(guān)以及基于共生矩陣（co-occurrence matrix）的11個 Haralick紋理特征（Haralick Correlation、Haralick Entropy、Angular Second Moment、Contrast、Hara Variance、Sum Average、Sum Variance、Sum Entropy、Difference Variance、Difference Entropy、Inverse Difference Moment）。

1.4 統(tǒng)計學處理 采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件。計量資料以表示，多組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗。計數(shù)資料組間比較采用χ2檢驗。采用Pearson相關(guān)分析肝纖維化程度與不同紋理特征的相關(guān)性。采用ROC曲線分析不同紋理特征參數(shù)鑒別肝纖維化程度的效能。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 S0～S4期NAFLD患者MRI T1WI圖像紋理特征參數(shù)比較 S0～S4期 5組患者在能量、熵值、Haralick Entropy上比較差異均有統(tǒng)計學意義（均P＜0.05），其余13個紋理特征參數(shù)比較差異均無統(tǒng)計學意義（均P ＞0.05），見表 2。

表2 S0～S4期NAFLD患者MRI T1WI圖像紋理特征參數(shù)比較

2.2 不同肝纖維化程度NAFLD患者能量、熵值、Haralick Entropy比較 由于S0期樣本量少，且S0與S1期的能量、熵值、Haralick Entropy比較差異均無統(tǒng)計學意義（均P＞0.05），因此S0期未納入進一步分析。根據(jù)臨床應用將肝纖維化程度分為輕度（S1期）、中度（S2期）、重度（S3+S4期）3組進行單因素方差分析，得出不同肝纖維化程度患者能量、熵值、Haralick Entropy比較差異均有統(tǒng)計學意義（均P＜0.05），且不同程度肝纖維化組間兩兩比較差異均有統(tǒng)計學意義（均P＜0.05）。肝纖維化分期與能量、熵值以及Haralick Entropy均存在顯著相關(guān)性（r=-0.611、0.680、0.404，均 P＜0.05），見表 3。

表3 不同肝纖維化程度NAFLD患者能量、熵值、Haralick Entropy比較

2.3 不同紋理特征參數(shù)鑒別肝纖維化程度的效能與輕度肝纖維化比較，鑒別中度肝纖維化效能最高的紋理特征是熵值；與中度肝纖維化比較，鑒別重度肝纖維化效能最高的紋理特征也是熵值。見圖2和表4。

表4 能量、熵值、Haralick Entropy鑒別不同程度肝纖維化的效能

圖2 能量、熵值、Haralick Entropy鑒別輕中度肝纖維化、中重度肝纖維化效能的ROC曲線（a：輕中度肝纖維化比較；b：中重度肝纖維化比較）

3 討論

在NAFLD中，肝纖維化是直接影響患者預后的獨立因子[2-3]。眾多學者利用無創(chuàng)性影像學技術(shù)對肝纖維化程度的評估進行了大量的研究，近年來，隨著TA軟件的開發(fā)，基于醫(yī)學圖像的影像組學成為一大研究熱點。TA可以應用各種成像技術(shù)如超聲、CT、MRI平掃序列或動態(tài)對比增強序列，來量化肝實質(zhì)的特征[4-7]。與其他技術(shù)相比，TA可以前瞻性和回顧性地應用于常規(guī)掃描獲取的圖像，而無需專用硬件支持。GLCM特征主要通過統(tǒng)計不同方向和步長的像素對出現(xiàn)的概率，從而得到共生矩陣，然后對共生矩陣的分布進行量化，以此來描述病灶部位的復雜性、層級變化以及紋理的粗細程度等信息。本研究按照文獻[8-9]所示的方法使用一個固定表面積的單個圓形ROI提取TA參數(shù)，以確保有較高的重復性。MRI圖像相對于CT圖像序列更多，提供的信息也更豐富，在影像組學的研究中更具有優(yōu)勢[10]。Yu等[11]研究肝纖維化大鼠T1WI及T2WI圖像的紋理特征，發(fā)現(xiàn)基于T1WI的GLGM能很好地識別不同程度的肝纖維化。

本研究收集NAFLD患者的病理資料及肝臟MRI檢查資料，利用GE Omin-Kinetics紋理分析軟件，選取15個基于GLCM的特征：能量、熵值、慣性矩、自相關(guān)以及11個Haralick紋理特征。能量為GLCM元素值的平方和，反映圖像灰度分布均勻程度和紋理粗細度，GLCM元素集中則能量值大，元素分散則能量值?。槐狙芯拷Y(jié)果提示能量隨著肝纖維化程度的進展有降低趨勢，與童隆正等[12]利用CT圖像的研究結(jié)果不同，因此能量特征在肝纖維化程度鑒別上的意義有待進一步研究。熵值可體現(xiàn)圖像空間的復雜性和混亂度，即灰度分布的隨機性，圖像的灰度分布隨機性越高，熵值越高；肝臟發(fā)生纖維化改變時，由于結(jié)締組織增生，肝實質(zhì)不規(guī)律變化，隨機性升高，因而熵值升高；本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)熵值與肝纖維化程度呈正相關(guān)，與童隆正、Cannella等[12-13]的研究結(jié)果一致，Xu等[14]通過建立大鼠模型同樣發(fā)現(xiàn)在肝纖維化組中的熵值明顯高于無纖維化組，熵值在肝纖維化程度診斷方面有較大的潛力。Haralick特征同樣是基于GLCM來提取相應的特征，但其提取了4個方向，且步長為1的GLCM，本研究發(fā)現(xiàn)Haralick Entropy即Haralick熵值同樣有助于肝纖維化的評估，House等[15]通過對7例NAFLD患者在內(nèi)的共49例因各種不同慢性肝臟疾病致肝纖維化的患者肝臟MRI圖像的Haralick特征的研究，發(fā)現(xiàn)Haralick Entropy有助于區(qū)分無、輕度和較重度肝纖維化。

綜上所述，基于MRI T1WI圖像提取的能量、熵值、Haralick Entropy等紋理特征對NAFLD患者輕中重度肝纖維化的鑒別診斷具有一定的價值。但本研究也存在一定的局限性：首先，樣本量有限，未來需要大量的、多中心的研究來支持TA在評估肝纖維化分級中的應用價值；其次，本研究中未發(fā)現(xiàn)S0與S1之間有顯著差異的紋理特征，可能與樣本量?。ㄓ绕涫荢0期的樣本量）有關(guān)；此外，未來可以進一步加入患者相關(guān)的臨床生化指標（如肝酶、血脂等）進行綜合分析。目前針對肝纖維化程度分級的MRI圖像方面的紋理研究處于初步階段，在今后的研究中，筆者將會繼續(xù)收集更多肝纖維化患者的多維度的臨床資料，以深入探索TA在鑒別肝纖維化分期中的效能。