三維重建CT影像組學(xué)診斷椎體急性輕度壓縮性骨折

楊 鑫,黃京城,胡景卉,侯承師,王文劍,羅先富,徐 軍*

(1.蘇北人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科,江蘇 揚(yáng)州 225001;2.大連醫(yī)科大學(xué)研究生院,遼寧 大連 116044)

椎體輕度壓縮性骨折指高度塌陷<25%的椎體骨折[1],X線(xiàn)片中常無(wú)明顯塌陷表現(xiàn)而易漏、誤診;及早發(fā)現(xiàn)及診斷具有重要臨床意義[2]。椎體壓縮性骨折急性期(15天內(nèi))可出現(xiàn)骨髓水腫,與骨折后組織形態(tài)學(xué)改變?nèi)绻切×洪g隙增寬、水腫液體填充及出血等顯著相關(guān)[3-4],MR T2WI及短時(shí)反轉(zhuǎn)恢復(fù)(short-tau inversion recovery, STIR)序列呈高信號(hào),是診斷椎體早期壓縮性骨折的重要征象[5];但MR檢查時(shí)間長(zhǎng)并存在禁忌證。利用雙能CT虛擬去鈣技術(shù)可診斷急性骨折所致骨髓水腫[6],但需特定的雙能量CT設(shè)備,且圖像后處理過(guò)程繁瑣。影像組學(xué)能提取圖像中肉眼無(wú)法識(shí)別的高通量特征[7],可用于分割脊柱解剖結(jié)構(gòu)、鑒別診斷骨腫瘤、骨質(zhì)疏松等疾病[8]。本研究觀(guān)察三維重建CT影像組學(xué)診斷椎體急性輕度壓縮性骨折的價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 回顧性分析2018年1月—2022年10月362例于蘇北人民醫(yī)院急診就診的T1～L5椎體急性輕度壓縮性骨折患者,男135例、女227例,年齡18～92歲、平均(61.3±14.1)歲;其中胸椎骨折127例(90例單發(fā)、37例多發(fā)椎體骨折)、腰椎骨折235例(184例單發(fā)、51例多發(fā)椎體骨折),就診后7天內(nèi)X線(xiàn)或CT均未見(jiàn)明顯骨折移位且椎體高度塌陷<25%,MRI均見(jiàn)骨髓水腫。排除標(biāo)準(zhǔn):①CT與MR檢查時(shí)間間隔>7天;②骨折椎體相鄰無(wú)正常椎體;③罹患原發(fā)骨疾病如骨腫瘤、骨感染性疾病;④既往椎體骨折史;⑤臨床資料不全。檢查前患者均簽署知情同意書(shū)。

1.2 儀器與方法 采用GE Light Speed 64排螺旋CT機(jī)行胸椎或腰椎掃描,管電壓120 kV,管電流300～350 mA,層厚5 mm,層間距5 mm,FOV 16 cm×16 cm;以層厚1.25 mm重建薄層軸位圖像并導(dǎo)入上海聯(lián)影智能科技有限公司“U-AI”科研平臺(tái),行軸位、矢狀位及冠狀位三維重建。采用GE SignaTMArtist 1.5T MR儀、脊柱線(xiàn)圈行胸椎或腰椎掃描,采集常規(guī)矢狀位T1WI、T2WI及STIR圖。

1.3 人工判讀CT圖像 參考MRI于三維重建CT圖中以“1”標(biāo)記骨折椎體(存在多發(fā)椎體骨折時(shí)選取其中最不明顯者),以“0”標(biāo)記相鄰任一正常椎體,共納入724個(gè)胸或腰椎椎體。由分別具有10年、12年工作經(jīng)驗(yàn)的影像科副主任醫(yī)師各1名(醫(yī)師1、2)以盲法閱讀CT圖像,判斷有無(wú)胸或腰椎椎體輕度壓縮性骨折,意見(jiàn)有分歧時(shí)經(jīng)討論達(dá)成一致。

1.4 分割CT圖像 由1名具有2年影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師(醫(yī)師3)分別于正中軸位、正中矢狀位及正中冠狀位CT圖中沿骨皮質(zhì)內(nèi)緣2 mm避開(kāi)血管、椎間盤(pán)及椎體附件手動(dòng)勾畫(huà)椎體ROI,以U-AI平臺(tái)內(nèi)置椎體體積分割功能自動(dòng)提取椎體感興趣容積(volume of interest, VOI),見(jiàn)圖1;再由1名具有15年工作經(jīng)驗(yàn)的影像科副主任醫(yī)師(醫(yī)師4)審核。間隔1個(gè)月后由醫(yī)師3重復(fù)上述過(guò)程;同時(shí)由1名具有5年骨骼肌肉影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師(醫(yī)師5)隨機(jī)選取60例,獨(dú)立勾畫(huà)椎體ROI并提取VOI。

圖1 患者男,54歲,L2椎體輕度壓縮性骨折 A、B.腰椎矢狀位MR T1WI(A)及T2WI(B)示L2椎體骨折(紅箭); C、D.矢狀位(C)及冠狀位(D)重建CT圖中L2(紅箭)未見(jiàn)明顯骨折; E～H.于軸位(E、F)、矢狀位(G)、冠狀位(H)重建CT圖中勾畫(huà)骨折椎體(紅色)和正常椎體(綠色)ROI; I.骨折椎體(紅色)與正常椎體(綠色)VOI示意圖 (綠箭示正常椎體)

1.5 提取及篩選CT影像組學(xué)特征 以60例最近1年內(nèi)就診患者的120個(gè)椎體為驗(yàn)證集,按7∶3比例將其余302例604個(gè)椎體分為訓(xùn)練集(211例,422個(gè)椎體)及測(cè)試集(91例,182個(gè)椎體)。以U-AI平臺(tái)分別提取所有椎體的軸位、矢狀位及冠狀位ROI和VOI影像組學(xué)特征,各含104個(gè)原始圖像特征(18個(gè)一階特征、14個(gè)形態(tài)特征和72個(gè)紋理特征)和2 160個(gè)濾波器圖像特征(采用25種濾波器),共2 264個(gè)特征。對(duì)基于訓(xùn)練集所獲特征行最大最小歸一化標(biāo)準(zhǔn)化處理,以最小絕對(duì)收縮和選擇算子(least absolute shrinkage and selection operator, LASSO)回歸分析降維,得到最優(yōu)影像組學(xué)特征。

1.6 構(gòu)建模型 對(duì)最優(yōu)影像組學(xué)特征行l(wèi)ogistic回歸后,以隨機(jī)森林及支持向量機(jī)分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi)(1和0),基于軸位、矢狀位、冠狀位ROI及VOI構(gòu)建影像組學(xué)模型,以測(cè)試集進(jìn)行驗(yàn)證后遴選較佳者,于驗(yàn)證集進(jìn)行驗(yàn)證。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 26.0及MadCalc 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以χ2檢驗(yàn)比較計(jì)數(shù)資料。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intra-class correlation coefficient, ICC)分析觀(guān)察者內(nèi)及觀(guān)察者間提取最優(yōu)特征的一致性,以ICC>0.75為一致性良好。繪制受試者工作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲線(xiàn),計(jì)算曲線(xiàn)下面積(area under the curve, AUC),評(píng)估模型診斷椎體輕度壓縮性骨折的效能,以DeLong檢驗(yàn)比較AUC差異。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 人工判讀結(jié)果 人工正確識(shí)別279個(gè)骨折椎體及292個(gè)正常椎體,診斷準(zhǔn)確率為78.87%(571/724)。

2.2 影像組學(xué)特征 經(jīng)LASSO回歸分析,分別于軸位、矢狀位、冠狀位ROI及VOI特征中選出7、6、3及8個(gè)最優(yōu)影像組學(xué)特征,其LASSO相關(guān)系數(shù)分別為-0.61～0.79、-0.59～0.32、-0.74～-0.23及-0.85～0.32。觀(guān)察者內(nèi)(ICC=0.81～0.92)及觀(guān)察者間(ICC=0.76～0.83)提取最優(yōu)特征的一致性均良好。

2.3 影像組學(xué)模型及其效能 基于軸位、矢狀位、冠狀位ROI及VOI構(gòu)建模型在測(cè)試集的AUC均>0.80,以logistic回歸分類(lèi)器構(gòu)建模型的AUC高于其他2個(gè)分類(lèi)器模型,但差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=0.17～1.77,P均>0.05),見(jiàn)表1及圖2。校準(zhǔn)曲線(xiàn)(圖3)顯示,以logistic回歸構(gòu)建模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的一致性更佳。兩兩比較,基于軸位與冠狀位ROI構(gòu)建模型在驗(yàn)證集的AUC差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=1.50,P=0.14)且均小于矢狀位模型(Z=4.26、3.59,P均<0.01);基于VOI模型的AUC高于軸位及冠狀位模型(Z=3.97、2.95,P均<0.01)而與矢狀位模型差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=0.23,P>0.05)。

表1 以不同分類(lèi)器基于ROI或VOI構(gòu)建模型診斷椎體輕度壓縮性骨折的效能

圖2 以不同分類(lèi)器基于三維重建CT圖中ROI及VOI構(gòu)建影像組學(xué)模型診斷椎體輕度壓縮性骨折的ROC曲線(xiàn) A.訓(xùn)練集軸位ROI; B.測(cè)試集軸位ROI; C.訓(xùn)練集矢狀位ROI; D.測(cè)試集矢狀位ROI; E.訓(xùn)練集冠狀位ROI; F.測(cè)試集冠狀位ROI; G.訓(xùn)練集VOI; H.測(cè)試集VOI

圖3 以不同分類(lèi)器基于三維重建CT圖中ROI及VOI構(gòu)建影像組學(xué)模型診斷椎體輕度壓縮性骨折的校正曲線(xiàn) A.訓(xùn)練集軸位ROI; B.測(cè)試集軸位ROI; C.訓(xùn)練集矢狀位ROI; D.測(cè)試集矢狀位ROI; E.訓(xùn)練集冠狀位ROI; F.測(cè)試集冠狀位ROI; G.訓(xùn)練集VOI; H.測(cè)試集VOI

以logistic回歸基于矢狀位ROI和VOI所建為較佳模型,其在驗(yàn)證集的AUC分別為0.83和0.88;前者正確判斷288個(gè)骨折椎體及322個(gè)正常椎體、準(zhǔn)確率為84.25%(610/724),后者正確判斷303個(gè)骨折椎體及313個(gè)正常椎體、準(zhǔn)確率為85.08%(616/724),診斷準(zhǔn)確率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=0.08,P=0.77)且均高于人工診斷結(jié)果(χ2=4.04、6.77,P<0.05)。

3 討論

CT可清晰顯示椎體骨折形態(tài)及其程度[9]。椎體輕度壓縮性骨折多表現(xiàn)為骨小梁斷裂、嵌塞而骨皮質(zhì)無(wú)明顯移位,如未能及時(shí)診治,可能繼發(fā)骨折而致椎體塌陷及周?chē)M織損傷。

影像組學(xué)用于診斷椎體骨折等已取得良好成果[10-14]。既往研究[11-12]發(fā)現(xiàn),根據(jù)軸位及矢狀位CT圖像中的椎體紋理特征可準(zhǔn)確識(shí)別存在椎體不全性骨折風(fēng)險(xiǎn)者,并有效檢出椎體急性骨髓水腫;三維CT紋理分析可用于篩查脆性骨折及判斷椎體骨折惡性程度[13-14]。本研究基于軸位、矢狀位及冠狀位重建CT獲得椎體ROI及VOI并提取影像組學(xué)特征。一階特征中的四分位數(shù)范圍加大代表骨折椎體急性期發(fā)生骨髓水腫時(shí)骨小梁斷裂及血管變化導(dǎo)致椎體內(nèi)水分及脂肪成分增多、骨折與正常椎體的局部組織密度差異較大,使骨折椎體的灰度離散度高于正常椎體?；叶扔纬叹仃嚺c圖像灰度分布相關(guān),灰度變化值反映骨折椎體的異質(zhì)性;灰度共生矩陣反映具有某種空間關(guān)系的2個(gè)像素灰度的聯(lián)合分布或體素對(duì)的空間關(guān)系。以上特征均能顯示骨折椎體與正常椎體的差異,反映骨折椎體病理改變。

本研究采用不同分類(lèi)器根據(jù)影像組學(xué)特征、聯(lián)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建的模型在測(cè)試集的AUC均>0.80,即均可用于鑒別骨折椎體及正常椎體;其中l(wèi)ogistic回歸分類(lèi)器基于軸位、矢狀位、冠狀位ROI及VOI構(gòu)建模型的AUC高于其他2個(gè)分類(lèi)器所構(gòu)模型但差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而其校準(zhǔn)度較優(yōu);logistic回歸基于矢狀位ROI及VOI所構(gòu)模型的AUC均高于其他模型,其在驗(yàn)證集的AUC分別為0.83和0.88,且整體診斷準(zhǔn)確率高于人工診斷結(jié)果。

綜上,基于三維重建CT影像組學(xué)可有效診斷椎體急性輕度壓縮性骨折,尤以采用logistic回歸基于椎體矢狀位ROI及VOI所構(gòu)模型的診斷效能較佳。但本研究為單中心回顧性分析,未進(jìn)行外部驗(yàn)證,且目前缺乏統(tǒng)一、高精度自動(dòng)分割椎體VOI方法,有待完善。