不同b值對(duì)腦部DWI圖像紋理特征參數(shù)的影響

趙赫，孫藝潔，王波濤，劉夢(mèng)琦,1b，于生元，陳志曄,3

1. 中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心 a. 神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)學(xué)部；b. 放射科，北京 100853；2. 中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院 放射科，海南 三亞 572013；3. 南方醫(yī)科大學(xué) 第二臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510515

引言

磁共振圖像的紋理特征是通過(guò)描述圖像中像素灰度分布及像素間相互關(guān)系而得到圖像內(nèi)在特征的定量參數(shù)[1]，其可以呈現(xiàn)肉眼無(wú)法識(shí)別的圖像異質(zhì)性，是影像組學(xué)的重要組成部分，有助于疾病的診斷、預(yù)后預(yù)測(cè)和療效評(píng)估等[2]。近年來(lái)，紋理分析已廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的機(jī)制研究中，包括腦腫瘤[3]、腦血管病[4-5]、退行性疾病[6-7]、原發(fā)性[8]及繼發(fā)性[9]頭痛等。但目前這些疾病的紋理分析更多停留在基礎(chǔ)研究階段，且臨床影像組學(xué)診斷缺乏定量及定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此探索不同種類圖像的紋理特征參數(shù)并確定紋理參數(shù)標(biāo)志物已成為臨床研究的重點(diǎn)，其中探索不同序列及參數(shù)對(duì)組織紋理特征的影響尤為重要。

擴(kuò)散敏感因子（b value，b 值）是擴(kuò)散加權(quán)成像（Diffusion-Weighted Imaging，DWI）的重要參數(shù)，可反映擴(kuò)散的強(qiáng)度和時(shí)序。DWI 與基于DWI 計(jì)算出的表觀彌散系數(shù)（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）值在超早期急性腦梗死診斷和梗死分期預(yù)估中發(fā)揮著重要作用。基于DWI 序列的紋理分析研究已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床，包括腫瘤的鑒別診斷[10]及預(yù)后分析[11]等。不同b 值的DWI 圖像腦組織的信號(hào)強(qiáng)度、信噪比等均明顯不同[12]，可能一定程度上影響組織的紋理特征參數(shù)，進(jìn)而影響最終研究結(jié)果。此外，DWI 圖像及其對(duì)應(yīng)生成的ADC 圖像對(duì)于急性腦梗死患者的早期診斷至關(guān)重要。基于此，本研究選取98 名健康成年受試者及12 例急性腦梗死患者作為研究對(duì)象，分別行腦部DWI 圖像掃描，比較不同b 值下腦部正常結(jié)構(gòu)的ADC 值和紋理特征變化，旨在評(píng)估不同b 值對(duì)DWI 圖像紋理特征參數(shù)的影響，以期為DWI 紋理特征參數(shù)的應(yīng)用提供方法學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 一般資料

招募健康志愿者98 名。納入標(biāo)準(zhǔn)：所有受試者均既往身體健康。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 存在顱腦外傷、腦部器質(zhì)性病變及精神類疾病史；② 近期服用過(guò)精神類藥物或激素；③ 因各種原因不能進(jìn)行磁共振掃描者。

招募急性腦梗死患者12 例。納入標(biāo)準(zhǔn)：存在腦部梗死灶。排除標(biāo)準(zhǔn)：與健康志愿者相同。本研究經(jīng)中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院倫理委員會(huì)審查通過(guò)（S2015-085-01），并獲得所有受試者或其法定監(jiān)護(hù)人的知情同意簽名。

1.2 數(shù)據(jù)采集

健康志愿者及急性腦梗死患者的MRI 檢查均由同一操作人員進(jìn)行，采用美國(guó)GE公司的Signa HDxt 1.5T MR掃描儀，8 通道顱腦線圈。掃描序列包括兩個(gè)b 值的DWI 圖像，橫軸位2D 采集，TR 5500 ms，TE 94 ms，翻轉(zhuǎn)角12°，視野24 cm×24 cm，層厚5 mm。所有研究對(duì)象均在X、Y 及Z 軸方向分別施加b 值=1000 s/mm2和3000 s/mm2的擴(kuò)散敏感梯度。

1.3 圖像分析

將MR 掃描儀生成的原始Dicom 圖像導(dǎo)入圖像后處理工作站（ADW4.5，GE 公司）生成ADC 圖，并進(jìn)行感興趣區(qū)（Regions of Interest，ROI）的ADC 值測(cè)量。由一名具有10 年磁共振閱片經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師獨(dú)立閱片并對(duì)不同b 值下的DWI 圖像進(jìn)行紋理參數(shù)測(cè)量，為減少主觀偏差，共測(cè)量2 次取平均值。具體方法：手工勾畫ROI，確定尾狀核頭所在的層面為測(cè)量橫軸面，對(duì)圖像的額葉皮質(zhì)、白質(zhì)及尾狀核頭進(jìn)行灰度共生矩陣（Gray-Level Cooccurrence Matrix，GLCM）紋理特征參數(shù)（ImagJ v1.47）計(jì)算（像素距離為1，夾角為0°），提取出的紋理特征參數(shù)包括角二階矩、對(duì)比度、自相關(guān)、逆差距及熵（圖1）。

圖1 在皮質(zhì)、白質(zhì)及尾狀核頭勾畫ROI測(cè)量紋理參數(shù)特征

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，兩組的紋理參數(shù)數(shù)據(jù)使用Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布的采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析，不符合正態(tài)分布的采用Wilcoxon 檢驗(yàn)分析。正態(tài)分布的計(jì)量資料以（±s）表示，非正態(tài)分布的計(jì)量資料以M（P25，P75）表示。P＜0.05 代表差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 健康志愿者和腦梗死患者的一般人口學(xué)資料

本研究納入的98 名健康志愿者中，男性47 例、女性51 例，平均年齡（52.69±14.19）歲；12 名腦梗死患者中，男性7 例、女性5 例，平均年齡（64.75±11.33）歲。

2.2 正常志愿者不同皮質(zhì)紋理特征參數(shù)比較

正常志愿者皮質(zhì)、白質(zhì)及尾狀核頭在b 值=1000 s/mm2及3000 s/mm2的ADC 值及5 個(gè)紋理特征參數(shù)比較如表1 所示，可見(jiàn)三個(gè)ROI 在不同b 值下的ADC 值、角二階矩、對(duì)比度、自相關(guān)、逆差距及熵差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

表1 正常志愿者皮質(zhì)、白質(zhì)及尾狀核頭不同b值下的ADC值及5個(gè)紋理特征參數(shù)比較

2.3 急性腦梗死灶紋理特征參數(shù)比較

急性腦梗死灶中b 值=1000 s/mm2及3000 s/mm2的ADC 值及5 個(gè)紋理特征參數(shù)比較如表2 所示，其中ADC值和對(duì)比度的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），角二階矩、自相關(guān)及逆差距的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表2 急性腦梗死患者梗死灶不同b值的ADC值及5個(gè)紋理特征參數(shù)比較

3 討論與總結(jié)

紋理分析是一種量化圖像模式變化的新興方法，應(yīng)用于腦部結(jié)構(gòu)時(shí)可以評(píng)價(jià)腦組織的細(xì)微差異[13-14]，且紋理特征可以反映不同組織、結(jié)構(gòu)及病理等方面的影響，紋理特征參數(shù)的提取對(duì)預(yù)測(cè)腫瘤分化程度[15]、病理分型[16]及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移[11]價(jià)值較大，對(duì)于個(gè)體化影像診斷意義重大。本研究主要探索不同b 值（b 值=1000 s/mm2及3000 s/mm2）DWI 圖像的ADC 值和紋理特征參數(shù)的變化。主要采用GLCM[17-18]提取紋理特征參數(shù)值，因?yàn)橥暾鸊LCM 的參數(shù)范圍會(huì)造成巨大的計(jì)算量[19]，故本研究選擇了提取常用的紋理特征參數(shù)角二階矩、對(duì)比度、自相關(guān)、逆差距及熵來(lái)描述圖像特征。

角二階矩反映的是圖像灰度分布均勻及紋理粗細(xì)程度，較高的值代表更為均一和規(guī)則變化的紋理模式[20]；而逆差距反映的是圖像紋理的局部變化，其值越大代表紋理的清晰程度和規(guī)則程度越高。本研究中，皮質(zhì)、白質(zhì)及尾狀核頭的角二階矩及逆差矩在b 值=1000 s/mm2的DWI 圖像上均高于b=3000 s/mm2的圖像，可能由于b 值=3000 s/mm2的DWI 圖像信噪比和對(duì)比噪聲比相對(duì)較低[15]。隨著b 值的升高，水分子布朗運(yùn)動(dòng)的敏感性增加，故造成了圖像紋理清晰度及規(guī)則度降低，因此在DWI 的臨床應(yīng)用中，并不是b 值越高越好，需要整體考慮再根據(jù)具體情況選擇合適的b 值。雖然DWI 圖像廣泛用于顱腦腫瘤的評(píng)估，但顱腦惡性腫瘤異質(zhì)性較大，常伴有囊變、液化、出血等，因此進(jìn)一步紋理分析對(duì)于鑒別診斷意義重大。在臨床實(shí)踐中，應(yīng)用既往DWI 紋理研究成果時(shí)，需要考慮到不同b 值對(duì)角二階矩及逆差矩的影響，尤其是在將角二階矩及逆差距特征參數(shù)作為影像組學(xué)分析變量時(shí)，同時(shí)未來(lái)研究可進(jìn)一步探索定量參數(shù)標(biāo)志物以精確輔助腫瘤診斷。

對(duì)比度反映了圖像的清晰度及紋理溝紋的深淺程度，較大的對(duì)比度表明較深的紋理溝紋；自相關(guān)反映了圖像中局部灰度相關(guān)性，此值的大小反映了局部灰度的相關(guān)性，值越大表明相關(guān)性也越大。皮質(zhì)及白質(zhì)在b 值=1000 s/mm2的DWI 圖像上的對(duì)比度均低于b 值=3000 s/mm2，自相關(guān)均高于b 值=3000 s/mm2；而尾狀核頭在b 值=1000 s/mm2的DWI 圖像上的對(duì)比度高于b 值=3000 s/mm2的圖像，自相關(guān)低于b 值=3000 s/mm2的圖像。皮質(zhì)與尾狀核頭均為灰質(zhì)，但紋狀體在種系發(fā)育上較皮質(zhì)更古老，對(duì)比度和自相關(guān)變化的不同可能反映了組織學(xué)上的異質(zhì)性[20]。紋理分析能夠區(qū)分常規(guī)序列中信號(hào)類似的組織，尤其多模態(tài)的紋理分析可以為疾病的診療提供更多的信息[21]，在灰質(zhì)移位等先天性畸形的識(shí)別上可能擁有良好的應(yīng)用前景。

熵代表圖像紋理的復(fù)雜程度，熵越大表明圖像紋理信息量越大。本研究中，皮質(zhì)、白質(zhì)及尾狀核頭的熵在b 值=1000 s/mm2的DWI 圖像上均低于b 值=3000 s/mm2的圖像。即使b 值=3000 s/mm2圖像的信噪比和空間分辨率相對(duì)較低，紋理信息量仍較大，這可能與b 值增加進(jìn)而水分子布朗運(yùn)動(dòng)敏感性增加有關(guān)。另外隨著b 值的增加，DWI 可能更接近真實(shí)的病理生理學(xué)狀態(tài)。但是在臨床工作中通常采用視覺(jué)評(píng)定來(lái)進(jìn)行評(píng)判，而紋理特征參數(shù)熵可以敏感地發(fā)現(xiàn)這種變化，并可進(jìn)行定量分析。

本研究中急性腦梗死病灶的不同b 值DWI 圖像的對(duì)比度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且b 值=3000 s/mm2時(shí)對(duì)比度大于b值=1000 s/mm2，說(shuō)明b 值=3000 s/mm2時(shí)紋理對(duì)比更強(qiáng)烈且效果更明顯，在常規(guī)的DWI 影像上表現(xiàn)為高對(duì)比度，可突出顯示病變，尤其是微小梗死灶。對(duì)比度的差異也可能由于腦組織缺血缺氧使水分子擴(kuò)散減低，而高b 值對(duì)水分子的擴(kuò)散更敏感，故紋理對(duì)比度更大。既往研究證實(shí)了b 值=3000 s/mm2的DWI 圖像在腦部急性微梗死病變?cè)\斷中發(fā)揮重要作用，b 值=3000 s/mm2的圖像微梗死灶邊界更清晰[22]，與本研究中紋理對(duì)比度增高一致。目前在臨床，b 值=1000 s/mm2的DWI 圖像更常用，本研究結(jié)果表明，有條件的急性腦梗死患者可加做b 值=3000 s/mm2的DWI圖像，對(duì)比度變化可能有助于評(píng)估梗死時(shí)間較長(zhǎng)的患者再灌注治療的意義或側(cè)支循環(huán)形成的程度。

本研究的局限性：① 腦梗死患者的樣本量相對(duì)較少，未來(lái)研究中應(yīng)當(dāng)繼續(xù)增加樣本量；② 僅對(duì)高b 值進(jìn)行了探究，未對(duì)b 值≤200 s/mm2的DWI 圖像進(jìn)行探索，無(wú)法確切說(shuō)明不同b 值對(duì)紋理特征影響的具體規(guī)律。

本研究發(fā)現(xiàn)圖像的不同b 值對(duì)于腦部正常結(jié)構(gòu)紋理特征存在影響，不同b 值下皮質(zhì)、白質(zhì)及尾狀核頭的ADC值、角二階矩、對(duì)比度、自相關(guān)、逆差距及熵差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。而對(duì)于急性腦梗死灶，僅ADC 值和對(duì)比度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，另外4 個(gè)紋理特征參數(shù)未見(jiàn)明顯差異。DWI 圖像對(duì)于腦部腫瘤及非腫瘤性疾病的診斷具有重要意義，DWI 相關(guān)的影像組學(xué)研究需要系統(tǒng)化的研究程序及方法學(xué)。在研究正常或看似正常腦結(jié)構(gòu)的DWI 圖像紋理特征參數(shù)時(shí)需要考慮到b 值的影響，而對(duì)于病變組織，部分紋理特征參數(shù)也要考慮b 值的影響，臨床應(yīng)用既往研究的結(jié)論時(shí)也應(yīng)考慮到不同b 值的影響。