構(gòu)建模型預(yù)測(cè)二維自旋回波-平面回波MR肝臟彈性成像圖像質(zhì)量

翟亞楠,莊 辛,李建林,郭順林*

(1.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院放射科,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省放射影像臨床醫(yī)學(xué)研究中心,甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省智能影像醫(yī)學(xué)工程研究中心,甘肅 蘭州 730000;4.甘肅省智能影像醫(yī)學(xué)行業(yè)技術(shù)中心,甘肅 蘭州 730000;5.精準(zhǔn)影像協(xié)同創(chuàng)新甘肅省國(guó)際科技合作基地,甘肅 蘭州 730000)

肝臟MR彈性成像(MR elastography, MRE)是無(wú)創(chuàng)評(píng)估肝纖維化的影像學(xué)技術(shù)[1],可在一定程度上替代肝臟穿刺活檢,甚至可用于評(píng)估肝癌病理分化程度[2];目前對(duì)其適應(yīng)證和MRE圖像質(zhì)量控制尚有爭(zhēng)議。本研究建立模型預(yù)測(cè)肝臟二維自旋回波-平面回波MRE(two-dimensional spin-echo and planar-echo based MRE, 2D-SE-EPI-MRE)圖像質(zhì)量,并觀察其臨床價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 回顧性收集2022年1月—10月于蘭州大學(xué)第一醫(yī)院因疑診肝臟疾病接受肝臟MR平掃、特異性增強(qiáng)和MRE檢查的116例患者,男81例、女35例,年齡23～77歲、平均(47.6±10.5)歲,均能配合完成檢查;排除心、肝、肺、腎功能嚴(yán)重受損,肝內(nèi)彌漫性病變或孤立性病灶長(zhǎng)徑>3 cm或多個(gè)病灶長(zhǎng)徑之和>3 cm者。本研究獲院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(LDYYLL2022-56)。檢查前患者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 囑患者檢查前空腹4～6 h,予以呼吸和屏氣訓(xùn)練。采用GE Signa Architect 3.0T MR儀及腹部16通道線圈行仰臥位腹部掃描,配備由主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、塑料管及鼓狀被動(dòng)驅(qū)動(dòng)器組成的Resoundant WK810-B MRE設(shè)備。首先采集常規(guī)平掃圖像,包括T1WI(肝臟加速容積采集成像序列,TR 3.0 ms,TE 1.2 ms, FA 12°,層厚5.4 mm)及T2WI(TE 3 750.0 ms,TE 81.5 ms,FA 111°,層厚6.0 mm)。之后經(jīng)肘正中靜脈以1 ml/s流率注射釓塞酸二鈉(Gd-EOB-DTPA,25 μmol/kg體質(zhì)量),跟注20 ml生理鹽水,延遲28、60、180 s后以T1W相同序列行肝臟3期動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描;于特異性增強(qiáng)過(guò)渡期(延遲3～20 min)行MRE,設(shè)置主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器頻率60 Hz,TR 1 000.32 ms,TE 59.50 ms,FOV 30 cm×42 cm,層厚7 mm,層數(shù)4,NEX 1,并行采集因子2,MEG數(shù)1,MEG幅度1 Gauss/cm,屏氣(呼氣末屏氣為佳)時(shí)長(zhǎng)11～16 s,根據(jù)體質(zhì)量或體質(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器振幅(driver amplitude, DA)[3]:對(duì)體質(zhì)量<57 kg或BMI<20 kg/m2者將初始DA設(shè)置為30%,調(diào)整范圍為20%～40%;對(duì)體質(zhì)量57～75 kg或BMI=20～25 kg/m2者設(shè)置初始DA為40%,調(diào)整范圍為30%～50%;體質(zhì)量>75 kg或BMI>25 kg/m2時(shí),初始DA設(shè)置值為60%,調(diào)整范圍為50%～80%。延遲20 min采集肝膽期圖像。

1.3 分析圖像 由1名具有10年以上工作經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師采用盲法以Medixant Radiant DICOM閱覽器(版本2021.2.2)挑選DICOM圖像并進(jìn)行匹配,對(duì)連續(xù)4層幅值圖及95%CI彈性圖加以融合;于融合圖中勾畫無(wú)網(wǎng)格屏蔽的可測(cè)量肝臟面積和肝臟解剖面積(圖1),計(jì)算可測(cè)量肝臟容積百分比(percent measurable liver volume, pMLV),即4幅95%CI彈性圖中可測(cè)量肝臟面積之和除以肝臟解剖面積之和×100%。于軸位增強(qiáng)掃描蒙片、T2WI、肝膽期圖像及MRE融合圖顯示肝臟最大層面圖像中參考T1WI于肝左、右葉各勾畫3個(gè)圓形ROI,避開(kāi)大血管、肝包膜下1 cm區(qū)域和肝內(nèi)病變,測(cè)量其特異性增強(qiáng)前肝臟背景信號(hào)(SIpre-liver)、肝實(shí)質(zhì)T2WI信號(hào)(SIT2-liver)、肝膽期肝臟背景信號(hào)(SIpost-liver)、肝左葉平均彈性(mean stiffness of left liver lobe, MSLL)、肝右葉平均彈性(mean stiffness of right liver lobe, MSRL)及肝臟平均彈性(mean stiffness of whole liver, MSWL),并計(jì)算特異性增強(qiáng)肝膽期相對(duì)強(qiáng)化比值(relative enhancement ratio, RE):RE=(SIpost-liver-SIpre-liver)/SIpre-liver。分別以肝左、右葉各ROI的SIpre-liver、SIT2-liver及MSWL均值為最終結(jié)果,分別取肝左及肝右葉ROI的MSLL及MSRL均值進(jìn)行分析。記錄R2*,以R2*>58.9/s為鐵過(guò)載[4]。

圖1 勾畫可測(cè)量肝臟面積(棕色區(qū)域)和肝臟解剖面積(棕色區(qū)域+黃色網(wǎng)格區(qū)域)示意圖

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。根據(jù)pMLV中位數(shù)劃分優(yōu)良組和不良組,以7∶3比例劃分訓(xùn)練集(n=82)和測(cè)試集(n=34)。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料,行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。采用χ2檢驗(yàn)分析計(jì)數(shù)資料。以特異性增強(qiáng)肝膽期RE、SIT2-liver、DA及患者屏氣狀態(tài)(breath holding status, BHS)或MSLL、特異性增強(qiáng)肝膽期RE、SIT2-liver、DA及BHS為自變量,以pMLV為因變量,采用Orange Data Mining軟件[5](版本3.34,https://orangedatamining.com)基于訓(xùn)練集建立預(yù)測(cè)MRE圖像質(zhì)量的隨機(jī)森林模型及線性回歸模型,選擇MRE適應(yīng)證及優(yōu)化MRE掃描參數(shù);以均方誤差(mean squared error, MSE)、均方根誤差(root mean squared error, RMSE)、平均絕對(duì)誤差(mean absolute error, MAE)及決定系數(shù)(R2)評(píng)估2種模型在測(cè)試集的預(yù)測(cè)效能,繪制柱狀圖,評(píng)估各自變量的重要性。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

116例中,18例脂肪肝(脂質(zhì)定量>5%),25例鐵過(guò)載,22例腹腔積液;根據(jù)MSWL,肝纖維化程度為48例F0、26例F1、16例F2、16例F3、10例F4。74例于呼氣末屏氣、42例于吸氣末屏氣接受MRE檢查。根據(jù)pMLV中位數(shù)(96.60%),優(yōu)良組59例,不良組57例。

2.1 不同成像質(zhì)量MRE各參數(shù)比較 經(jīng)方差齊性檢驗(yàn),MSWL和MSRL方差不齊(F=8.70、16.13,P均<0.01),MSLL、RE、SIT2-liver、DA方差均齊(F=2.62、2.33、1.32、1.05,P=0.11、0.13、0.25、0.30),納入MSLL、RE、SIT2-liver、DA及BHS進(jìn)行分析。

組間MSLL、DA及BHS差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05),而年齡、性別、RE、SIT2-liver差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)良組與不良組一般資料、MSLL、RE、SIT2-liver、DA和BHS比較

2.2 自變量及因變量基線情況 訓(xùn)練集與測(cè)試集之間,自變量和因變量差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05),滿足建模要求。見(jiàn)表2。

表2 訓(xùn)練集與測(cè)試集自變量及因變量基線情況比較

2.3 評(píng)估模型預(yù)測(cè)效能 對(duì)于選擇MRE適應(yīng)證模型及MRE參數(shù)優(yōu)化模型,測(cè)試集中,隨機(jī)森林模型的R2值均高于線性回歸模型,而其MSE、RMSE及MAE均低于線性回歸模型,見(jiàn)圖2及表3。柱狀圖(圖3)顯示,基于訓(xùn)練集選擇MRE適應(yīng)證的隨機(jī)森林模型,自變量重要性由低至高依次為MSLL、BHS、RE、SIT2-liver和DA。

表3 各模型預(yù)測(cè)測(cè)試集pMLV效能

3 討論

隨著人工智能的飛速發(fā)展,利用模型控制圖像質(zhì)量越來(lái)越受重視[4]。肝臟MRE圖像質(zhì)量控制是其臨床推廣之前面臨的重要挑戰(zhàn)[6],而選擇量化肝臟MRE質(zhì)量指標(biāo)是目前亟待解決的問(wèn)題。BALLARD等[7]分析以1.5T MR儀、梯度回波序列采集的肝臟MRE,認(rèn)為pMLV是評(píng)估肝臟MRE質(zhì)量的有效工具。

本研究參考文獻(xiàn)[7]方法,以3.0T MR設(shè)備采集SE-EPI-MRE并構(gòu)建模型預(yù)測(cè)圖像質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)組間MSLL、DA及BHS差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而RE與SIT2-liver差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)[8-11]報(bào)道,RE及SIT2-liver均與肝功能狀態(tài)密切相關(guān),故以MSLL、RE、SIT2-liver、BHS及DA為自變量,以pMLV為因變量,建立肝臟MRE質(zhì)量預(yù)測(cè)隨機(jī)森林及線性回歸模型,發(fā)現(xiàn)隨機(jī)森林模型在測(cè)試集中的R2值均高于線性回歸模型、而其MSE、RMSE及MAE均低于線性回歸模型,提示隨機(jī)森林模型的預(yù)測(cè)效能較佳;自變量重要性分析結(jié)果顯示,MSLL對(duì)肝臟MRE圖像質(zhì)量影響最大,肝臟炎癥或肝纖維化引起的硬度增大均有利于剪切波傳播入肝臟,進(jìn)而提高圖像質(zhì)量[12]。本研究發(fā)現(xiàn)RE和SIT2-liver對(duì)預(yù)測(cè)肝臟MRE圖像質(zhì)量亦具有重要作用:二者均可反映肝細(xì)胞功能[8-11],肝細(xì)胞受損時(shí),肝細(xì)胞炎癥水腫,特異性對(duì)比劑攝取減少,RE降低、SIT2-liver升高,肝臟硬度隨之增大,剪切波通過(guò)肝臟的傳導(dǎo)效率提高,易得到質(zhì)量較好的MRE圖像。另一方面,RE和SIT2-liver亦可反映接受掃描肝臟組織的功能,且較實(shí)驗(yàn)室檢查更精確、客觀;故推薦對(duì)活動(dòng)性肝炎或肝纖維化患者優(yōu)先行肝臟MRE檢查。

本研究自變量重要性分析結(jié)果顯示,BHS對(duì)MRE圖像質(zhì)量的影響僅次于MSLL, BHS不理想可降低圖像質(zhì)量[13]。若于呼氣末屏氣狀態(tài)下掃描失敗時(shí),可嘗試于吸氣末屏氣狀態(tài)下進(jìn)行掃描;但此時(shí)MRE設(shè)備被動(dòng)驅(qū)動(dòng)器與體表壓力可能潛在增加,適當(dāng)降低DV或有助于保證圖像質(zhì)量,有待后續(xù)進(jìn)一步觀察。DA對(duì)肝臟MRE圖像質(zhì)量的影響同樣不可忽視:DA過(guò)小可致圖像質(zhì)量差、肝硬度失真,DA過(guò)大則可致受試者不適甚至肋骨骨折。MRE檢查過(guò)程應(yīng)根據(jù)受試者呼吸狀態(tài)、體型及其所能接受的腹帶松緊度適當(dāng)調(diào)整DV,在呼吸狀態(tài)和松緊度固定的前提下,可根據(jù)體質(zhì)量和BMI進(jìn)行調(diào)測(cè)。

綜上,本研究所獲隨機(jī)森林模型可用于預(yù)測(cè)肝臟2D-SE-EPI-MRE圖像質(zhì)量,為臨床選擇肝臟MRE適應(yīng)證及優(yōu)化掃描方案提供參考。但本研究為單中心回顧性觀察,僅涉及單一型號(hào)設(shè)備,樣本量有限,且未經(jīng)穿刺活檢驗(yàn)證肝功能,有待后續(xù)進(jìn)一步完善。