基于對比增強T1WI的紋理分析技術對磁共振引導下聚焦超聲術治療子宮肌瘤的評估

蘇佰燕， 孫昊， 薛華丹， 石海峰， 張古沐陽， 金征宇

子宮肌瘤是目前女性生殖系統最常見的子宮良性腫瘤。目前手術治療是最主要的治療方法，但手術治療對于生育的影響以及手術的創傷性和子宮切除術后女性激素水平的降低，使得部分患者存有疑慮。因此目前恢復時間短且可保留生育能力的微創性或無創性替代治療已備受關注。現已證實磁共振引導下聚焦超聲術(MRI-guided focused ultrasound surgery，MRgFUS)是一種成功的無創性新型治療方式，目前已應用于子宮、乳腺、骨骼、前列腺、腎臟以及肝臟等多種臟器疾病的臨床治療，而其在臨床上應用最成熟的領域就是對癥狀性子宮肌瘤的治療[1]。2004年10月FDA正式批準MRgFUS可應用于子宮肌瘤的臨床治療過程中[2]。

圖像的紋理分析(texture analysis，TA)并不算是一種新興技術，早在1973年即有將其被應用于醫學影像領域的研究，最早應用于X線平片，其后是超聲[3-4]。近年來紋理分析技術又被廣泛應用于CT、MRI及PET的影像研究中，尤其是在腫瘤影像領域，紋理分析已成為一種潛力極大的影像工具，成為當今影像學領域的研究熱點[5]。紋理分析是指通過一定的圖像處理技術提取出紋理特征，從而獲得對靶器官或組織的定量或定性描述的處理過程[6]。紋理分析技術可廣泛應用于醫學領域，有些研究關注于不同影像檢查方法(如CT、MRI、PET-CT等)獲得的圖像上靶器官或病變的紋理參數與其生物學參數之間的相關性證據[7-9]；近幾年來有大量研究對圖像紋理分析技術在疾病檢出、診斷和鑒別診斷以及預后評估中的價值進行了較廣泛和深入的研究。在MRI領域，目前這一技術可應用于對肝臟、甲狀腺、乳腺、腎臟、前列腺、心臟、腦和肺組織的多種病變進行診斷和鑒別[10]，但紋理分析在子宮疾病影像診斷中的價值目前尚未見相關報道。

本研究采用紋理分析方法定量分析治療前后子宮肌瘤在MR增強圖像上的紋理特征，并對這些紋理特征與治療療效間的相關性進行分析，旨在探討紋理分析技術預測子宮肌瘤治療療效的可行性和準確性。

材料與方法

1.研究對象

回顧性分析2010年4月-2013年1月本院16例經臨床及MRI篩查合格、接受MRgFUS治療、完成12個月隨訪復查且各項資料完整的癥狀性單發子宮肌瘤患者的病例資料。本研究經北京協和醫院倫理委員會批準，所有患者簽署了知情同意書。入組患者年齡35～52歲，平均(44.0±5.2)歲，身體質量指數為18.1～30.5 kg/m2，平均(23.4±3.1) kg/m2。

2.臨床流程

經臨床及MRI篩查合格的患者入組治療，經常規治療前準備及鎮痛鎮靜后進入治療階段，包括定標、繪制、計劃、驗證及肌瘤的超聲聚焦治療，物理參數：頻率11.5 MHz，每次聲處理(sonication)體積為2 mm×2 mm×8 mm～10 mm×10 mm×45 mm，每次治療持續時間10～30 s。所有患者在治療前、治療后即刻和12個月時行MRI平掃及增強掃描。使用GE Ecxite HD 1.5T超導磁共振機，掃描序列和參數如下。①橫軸面、矢狀面及冠狀面FSE T2WI：TR 4000 ms，TE 98 ms，層厚5 mm，層間距0 mm；②橫軸面FSE T1WI：TR 502 ms，TE 12 ms，層厚5 mm，層間距0 mm；③采用壓脂T1加權快速毀損梯度回波序列(fast spoiled gradient recalled，FSPGR)行橫軸面、矢狀面及冠狀面增強掃描：TR 400 ms，TE 5.4 ms，層厚5 mm，層間距0 mm；對比劑為釓噴酸葡胺注射液，總量為10mL，經肘靜脈推注。

圖1 子宮肌瘤患者。a)矢狀面對比增強T1WI，沿肌瘤邊緣最大范圍勾畫ROI；b)病灶的SSF2紋理圖像，代表精細圖像；c)SSF4紋理圖像，代表紋理粗糙程度中等圖像；d)SSF6紋理圖像，代表粗糙圖像。

3.研究方法

評價肌瘤情況的相關參數的提取方法:本研究中對每例患者的治療前、治療后即刻及治療后12個月時的三組圖像進行分析。在T2WI上測量子宮肌瘤的左右徑(a)、前后徑(b)及上下徑(c)，采用橢圓體的體積計算公式計算肌瘤體積(V)及肌瘤體積變化比(ΔV%)：

(1)

(2)

其中，V1表示治療前肌瘤體積，V2表示治療后12個月時的肌瘤體積。

采用MIPAV軟件(Medical Image Processing,Analysis,and Visualization,https:// mipav.cit.nih.gov/,Center for Information Technology,National Institutes of Health;Bethesda,Maryland,USA)測量并計算治療之前預掃描中平掃T2WI上的肌瘤體積(uterine fibroid volume，UFV)及治療后即刻對比增強T1WI上肌瘤內無灌注區體積(non-perfused volume，NPV)，并按公式(3)計算無灌注區體積百分比(non-perfused volume ratio,NPV%)[11]：

(3)

采用子宮肌瘤癥狀與生活質量問卷[12](uterine fibroid symptoms quality of life,UFS-QOL)來評估和計算患者的癥狀嚴重程度評分(symptom serious score，SSS)，將每例患者SSS的原始分值轉化為標準化SSS，并計算治療前與治療后12個月的標準化評分(SSS1和SSS2)及變化比(ΔSSS%)：

(4)

(5)

紋理參數的提取方法:采用TexRAD軟件(TexRAD Image Processing,Scientific Research Version,TexRAD-www.texrad.com，TexRAD Ltd part of Feedback Plc，Cambridge，UK)對治療前、治療后即刻的對比增強矢狀面T1WI進行紋理分析。選取肌瘤最大截面積層面進行測量，沿肌瘤邊緣勾畫最感興趣區(region of interest，ROI)，ROI范圍盡量大(圖1a)。圖像紋理分析分為兩個步驟[13]：首先，通過改變空間尺度濾波器(spatial scale filter，SSF)的濾過半徑(mm)，獲得不同精細/粗糙程度的紋理圖像(圖1b～d)，以SSF0～6表示，軟件默認以SSF2代表精細圖像，SSF4代表中等圖像，SSF6代表粗糙圖像；隨后，采用直方圖分析法，獲得ROI的6個紋理參數，包括平均值(mean)、標準差(standard deviation，SD)、熵(entropy)、正性像素的平均值(mean of positive pixels，MPP)、偏度(skewness)和峰度(kurtosis)。從治療前、治療后即刻的紋理分析數據中分別選取SSF2、4和6圖像上的6項紋理參數數據納入研究。

4.統計學方法

使用SPSS 18.0(Chicago，IL，USA)軟件包進行統計學分析。使用Kolmogorov-Smirnov檢驗對計量資料正態分布檢驗，符合正態分布的數值變量以均數±標準差的形式表示，不符合正態分布時采用中位數±四分位間距表示，分類變量采用例數和百分比的形式進行描述。每項紋理參數與肌瘤體積相關指標間的相關性分析采用Pearson或Spearman等級相關分析法。以P<0.05為差異具有統計學意義。

結 果

16例入組患者治療前標準化SSS為9.38～62.50分，平均(34.18±15.29)分；肌瘤體積為20.3～301.3cm3，平均(96.5±84.9)cm3；治療后12個月的標準化SSS為 3.13～37.50分，平均(17.78±11.84)分，肌瘤體積為5.1～267.9cm3，平均(55.1±71.0)cm3。本研究結果顯示，術后患者的標準化SSS評分呈持續下降趨勢，肌瘤體積逐漸減小。

表1 治療前及治療后即刻不同SSF圖像上肌瘤的各項紋理參數測量值

表2 治療前病灶的紋理參數與肌瘤體積和SSS指標之間的相關性

注：括號內為相應的P值。

治療前及治療后即刻子宮肌瘤的各項紋理參數測量值見表1。本研究結果顯示，治療后即刻組中所有紋理參數值均較治療前有明顯降低。

對不同SSF值圖像上肌瘤的各項紋理參數與肌瘤體積和患者SSS相關指標之間的關系進行分析，結果見表2～3。僅僅在治療后即刻的SSF2圖像上病灶的峰度與治療前體積、治療后12個月體積之間具有統計學相關性(P<0.05)，其余各組紋理分析數據與肌瘤體積和SSS相關指標間無顯著相關性(P>0.05)。

經單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗，治療前及治療后即刻各項紋理參數及NPV%的數據均呈正態分布，采用Pearson相關分析，結果見表4。觀察發現所有圖像組的治療前紋理參數中熵與NPV%之間存在顯著相關性(P<0.05)，SSF4和SSF6圖像上治療后即刻的紋理參數中偏度和峰度與NPV%間具有顯著相關性(P<0.01)。

討 論

圖像的區域紋理特征可以描述一個區域圖像的精細或粗糙、均勻或不均勻、平滑或不規則等信息。對于實質性器官而言，其圖像上的紋理特征反映了內部組織結構和分布，紋理特征的變化可以反映器官內部組織結構的變化。

相對于CT圖像紋理分析中的像素灰度值，在MR圖像上體現為像素的信號強度。MR圖像上的紋理參數中均值(mean)為ROI內所有像素的信號強度值的平均值；標準差(SD)是反映信號強度均值兩側數據離散程度的量，如果ROI內各點的信號強度值比較接近，則信號強度的標準差小，說明圖像越均勻；熵(entropy)反映了圖像上紋理的非均勻程度或復雜程度，較大的熵值表示紋理較為復雜；偏度(skewness)用于描述圖像信號強度直方圖分布是否對稱，表達了信號強度值相對于均值的對稱性，如果對稱性好，則偏度較小；峰度(kurtosis)用來描述變量的概率分布形狀，峰度越大，表明變量的分布在均值附近比較集中，曲線形態會有一個明顯的尖峰，峰度越小，則均值處的曲線越平緩；正性像素平均值(MPP)表示為正性像素的一個定量法則，相當于可濾過的正性像素的均勻性[14-16]。

表3 治療后即刻病灶的紋理參數與肌瘤體積和SSS相關指標之間的相關性

注：括號內為相應的P值。

表4 治療前、后不同SSF圖像上各項紋理參數與NPV%的相關性

從治療前和治療后即刻子宮肌瘤的紋理參數與評價肌瘤情況相關數據的相關性分析中可以看出，治療后即刻的紋理參數中僅在SSF2圖像上的峰度與治療前體積和治療后12個月的體積之間具有統計學相關性，其余的各組圖像上的紋理參數與評價肌瘤情況的數據間均無顯著相關性。治療后即刻的峰度值隨肌瘤體積的增大而增加，呈現一定的規律性，說明數值的分布在均值附近比較集中。從腫瘤良惡性方面考慮，如果治療前腫瘤體積較大，同時峰值較高，提示較大的腫瘤內均勻性較高，表明腫瘤具有緩慢生長的生物學特性；而且，治療后復查時如果肌瘤體積仍較大，而峰值仍處于一個尖峰狀態，表明腫瘤內均勻性仍然較高，也同樣反映了腫瘤生長緩慢的生物學特性，因此可認為此類腫瘤有良性生長的趨勢，傾向于其為良性病變。

腫瘤的空間異質性是一個重要的預后因素，并與潛在的生物學變化相關，如缺氧、細胞浸潤、血管生成、甚至是基因表達[17]。而圖像紋理分析是一種量化分析空間異質性的有效方法，可通過降低光子噪聲的方法來凸顯出腫瘤的生物學異質性[18]。既往研究結果提示在不同SSF圖像上，可以引用一些紋理參數來量化評價腫瘤的異質性，如反映復雜程度的熵[19]。既往關于CT圖像紋理分析的研究中，利用計算機模擬發現，更多血管結構可能與更高的熵值具有相關性[20]。而基于MR圖像的紋理分析中，基于T1WI的紋理分析中在SSF4和SSF6條件下熵值能在一定程度上反映病灶的血供情況，而基于T2WI的紋理分析中在SSF2和SSF4圖像上熵值能反映細胞結構的相關信息。本組研究結果顯示，治療前圖像上肌瘤的熵值與NPV%之間具有顯著相關性，而其在治療后即刻圖像上的熵值與NPV%之間無顯著相關性，這也證熵與血管結構間具有相關性。因為治療后肌瘤內血管結構被消融破壞，因此熵值不再與NPV%之間具有相關性。而且，治療前肌瘤的熵與NPV%之間呈正相關，熵值越高，表明肌瘤內血管結構越豐富，而治療后即刻的NPV%值越高，表明肌瘤的血供越豐富則被消融的區域越大，治療效果越好，因此可以通過分析治療前對比增強T1W圖像上的肌瘤的熵值來初步預測MRgFUS治療子宮肌瘤的療效。

本研究進一步觀察發現，在SSF4和SSF6圖像上，治療后即刻的紋理參數中峰度和偏度與治療后即刻NPV%呈顯著正相關(P<0.01)。治療后即刻偏度越大，表示病灶的信號強度相對于均值的分布越不對稱，非灌注區體積越大，即NPV%越高，而此區域的信號強度明顯低于其它區域，故NPV%與偏度值的變化具有一致性。而治療后即刻峰度越大，表明變量的分布在均值附近比較集中，這一特征與病灶內無血供區體積大(即NPV%高)時病灶內信號較均一的表現具有一致性。因此，筆者認為可通過對治療后即刻對比增強T1W圖像進行紋理分析，通過測量病灶的峰度和偏度來評估MRgFUS的治療效果。

本研究的局限性包括兩個方面：首先，樣本量偏小，有待今后進一步行多中心大樣本量研究；其次，本研究中僅測量了對比增強T1W圖像上病灶的紋理參數，在以后的研究中可將T1WI、T2WI等多序列圖像同時納入到研究中。

綜上所述，對比增強T1W圖像上的紋理參數與子宮肌瘤的治療效果間具有一定的相關性，可采用治療前的熵值、治療后即刻的峰度和偏度來預測MRgFUS治療子宮肌瘤的療效。