基于常規磁共振成像的圖像紋理分析對肝局灶性病變的鑒別診斷價值

夏 鵬，王國祥，劉 棟，蔣兆貫

無錫市中醫醫院放射科，江蘇 無錫 214071

圖像紋理分析是一種計算機輔助圖像處理技術，可以用于描述各種醫學影像學圖像的像素、像素直接的位置分布關系和圖像各種灰階的空間分布特征，而這些圖像的表面特征信息很多是人類肉眼無法精準判別的［1-2］。近年來，基于醫學影像學圖像的紋理分析已用于多種疾病的定性診斷［3-4］、病理學分級［5-6］、治療反應評估及預后評估［7-8］的臨床實踐中。

體模研究顯示，基于圖像紋理特征的分類模型，其效率很大程度上依賴于所分析圖像的空間分辨率［9-10］。由于臨床上腹部磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）不容易獲取高分辨率圖像，肝臟局灶性病變所得到的用于紋理分析的絕對像素較少，運用紋理分析方法診斷肝局灶性病變遇到很大挑戰。已有相關研究［11］顯示增強MRI的紋理分析技術可以用于術前預測肝細胞肝癌微血管侵犯情況。因此，本研究擬探討常規MRI T1WI、T2WI圖像紋理分析對肝血管瘤和原發性肝癌的鑒別診斷價值。

1 資料和方法

1.1 一般資料

收集于無錫市中醫醫院確診為原發性肝癌或肝血管瘤的患者57例，共128個病灶，其中男性35例，女性22例，年齡范圍23～78歲，平均（54.9±14.5）歲。原發性肝癌的診斷標準為手術或穿刺病理學診斷標準（共53個病灶）或符合臨床診斷標準（共11個病灶）［12］。所有肝血管瘤病灶（64個）的MRI診斷符合Ba-Ssalamah等［13］提出的MRI分型及診斷標準。

1.2 MRI檢查方法

所有患者均行3.0T常規MRI檢查和動態增強掃描（荷蘭Philips公司，Ingenia 3.0T MR system）。其中用于紋理分析的常規橫斷面T1WI、T2WI具體掃描參數：① T1WI檢查序列為快速自旋回波序列，重復時間（repetition time，TR）/回波時間（echo time，TE）為 140 ms/1.15 ms，翻轉角為55°，層厚5 mm，層距1 mm；② T2WI序列為單次激發快速自旋回波屏氣掃描序列，TR/TE為1 086 ms/80 ms；層厚 5 mm，層距1 mm。

1.3 紋理分析

應用Mazda軟件分析所選擇的圖像（病灶橫斷面中心層面圖像），選擇軟件不規則型感興趣區（region of interest，ROI）畫筆手動勾畫病灶輪廓，并計算出該ROI所示范圍內圖像的紋理特征參數。ROI的勾畫具體方法及其區域內紋理特征的計算過程如下：選取每個病灶的橫斷面T1WI、T2WI中心層面圖像，盡量避免部分容積效應影響，由醫師手動勾畫ROI，要求盡量包含全部病灶（圖1），確定ROI后，病灶內的紋理特征參數由Mazda軟件自動處理。由于該軟件所提取的紋理特征參數較多，所以提供了3種篩選具有臨床意義的紋理特征參數的方法，即：Fisher系數（Fisher coefficient，Fisher）、交互信息（mutual information，MI）、分類錯誤概率聯合平均相關系數（classification error probability combined average correlation coefficients，POE+ACC）。以上3種方法每種篩選10個紋理特征參數。此外，聯合運用這3種方法，簡稱為FPM，篩選出30個紋理特征。

為了檢驗手動勾畫ROI的一致性和可重復性，2名醫師在未知病變性質的情況下獨立完成所有病灶的ROI勾畫，并于1周后再次勾畫。

1.4 統計學處理

觀察者內部和觀察者之間的變異性用類間相關系數（inter-class correlation coefficient，ICC）來評價。0表示不可信，1表示完全可信，一般認為信度系數＜0.4表示信度較差，＞0.75表示信度良好。

圖1 Mazda軟件勾畫ROI及紋理分析示意圖

用受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線分析方法評價Fisher、MI、POE+ACC和FPM提取的紋理特征聯合診斷的效率。應用Mazda軟件包中自帶的B11統計軟件模塊，根據所選擇的紋理特征，對肝臟局部病變進行分類。主要包括以下4種分類方法：線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）、非線性判別分析（nonlinear discriminant analysis，NDA）、原始數據分析（raw data analysis，RDA）、主要成分分析（principal component analysis，PCA）。T1WI、T2WI圖像對肝血管瘤和原發性肝癌的分類結果以錯判率表述，將其定義為誤將肝血管瘤分類成原發性肝癌、原發性肝癌分類成肝血管瘤的例數占總病例數的百分比。誤判率越小，說明在該成像序列中病變圖像蘊含的用于鑒別診斷肝血管瘤和原發性肝癌的紋理特征信息越多，對病變的診斷價值越高。用非參數檢驗方法Mann-Whitney U檢驗比較兩種成像序列圖像紋理特征分類肝血管瘤和原發性肝癌的誤判率差異，統計軟件為SPSS 22.0，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

T1WI圖像上勾畫病灶ROI觀察者內部和觀察者之間的類間相關系數分別為0.806（0.720，0.868）和0.750（0.644，0.828）；T2WI圖像上勾畫病灶ROI觀察者內和觀察者間的類間相關系數分別為0.817（0.723，0.879）和0.814（0.730，0.873）。

T1WI和T2WI圖像肝血管瘤和原發性肝癌4種不同特征提取方法提取的紋理特征結果見表1和表2，T1WI序列圖像上Fisher、MI、POE+ACC和FPM法篩選紋理特征對應的曲線下面積（area under curve，AUC）分別為0.921、0.949、0.936和0.982；T2WI序列圖像上4種方法篩選紋理特征對應的AUC均為1（圖2）。用Mazda軟件包中自帶的B11統計軟件模塊，根據所選擇的紋理特征，4種不同的分類統計方對肝臟局部病變進行分類的誤判率見表3和表4。

表1 基于T1WI病灶紋理分析肝血管瘤和原發性肝癌不同方法篩選的紋理特征

表2 基于T2WI病灶紋理分析肝血管瘤和原發性肝癌不同方法篩選的紋理特征

表3 基于T1WI病灶紋理特征不同紋理特征提取方法及不同分類統計方法下的誤判率

表4 基于T2WI病灶紋理特征不同紋理特征提取方法及不同分類統計方法下的誤判率

圖2 基于常規MRI T1WI和T2WI圖像的4種紋理特征提取方法鑒別原發性肝癌和肝血管瘤效能的ROC曲線

基于T1WI圖像病灶的紋理特征分析，誤判率在9.38%～35.16%，以MI紋理特征提取方法下的PCA分類方法對應之誤判率最高，而MI紋理特征提取方法下的NDA分類方法對應之誤判率最低。

基于T2WI圖像病灶的紋理特征分析，誤判率在0.00%～26.56%，以POE+ACC紋理特征提取方法下的PCA分類方法對應之誤判率最高，而POE+ACC和FPM紋理特征提取方法下的NDA分類方法均取得了零誤判的結果。

基于T2WI圖像病灶的紋理特征分析誤判率小于基于T1WI圖像的分析（P=0.002）。

3 討 論

紋理分析是影像組學研究技術的重要組成部分，基于常規影像學圖像中像素或體素強度和空間分布的關系，能夠高通量提取、分析、解譯定量影像特征，客觀量化評估腫瘤整體異質性，具有可重復性、無創性。目前已廣泛用于腫瘤良惡性鑒別、病理學分級、療效評估等方面。本研究結果顯示，利用圖像紋理分析方法，在常規磁共振圖像上可對肝血管瘤和原發性肝癌進行有效區分，其中T2WI圖像病灶紋理分析運用POE+ACC、FPM紋理特征提取方法的NDA分類方法均取得了零誤判的結果。

MRI運用于腹部之初，設想這一技術具有優良的組織對比度和各種成像參數的脈沖序列來檢測病變的特征而無需注射對比劑即可對病灶進行定性診斷，然而，在臨床實踐中我們很快就發現，對于肝臟局灶性病變單純運用非增強MRI很難有足夠的信心作出診斷［14］。近年來，隨著計算機輔助圖像分析技術的發展，在臨床病變診斷領域，很多研究嘗試通過計算機輔助分析醫學影像學圖像紋理特征對疾病進行定量研究，以此幫助臨床醫師得到更加可靠的診斷結果。現有的研究［2，6，8］認為，在機體特定器官或組織內發生病理學改變后，可通過對特定器官或組織醫學成像的圖像紋理特征區分正常組織和病變組織，甚至可以對病變組織病理學類型和病變所處病理學階段進行高效診斷。

大部分情況下，肝血管瘤T2WI圖像上信號要高于原發性肝癌，但當肝癌組織內出現較多壞死或膽管細胞型及以膽管細胞型為主的混合型原發性肝癌，兩者在T2WI圖像上信號差異不明顯，此時常規MRI就很難鑒別。不同的病理學特征決定了兩種病變在MRI成像中的特征，也是圖像紋理分析根據圖像內部的像素的空間分布關系等特征而實現鑒別診斷的理論基礎。原發性肝癌從病理組織學上可分為肝細胞型、膽管細胞型和混合型。肝細胞型分化程度差異大，不同分化程度其癌細胞分布排列各有特點，如分化高者癌細胞多排列呈巢狀，而分化低的癌細胞多呈不規則排列，細胞大小及形態各異。膽管細胞型肝癌來源于肝內膽管上皮，因此，癌細胞呈管狀排列，癌組織內間質含量較多。而肝血管瘤是一種較為常見的肝臟良性腫瘤，以海綿狀血管瘤最多見，一般病灶生長緩慢，瘤體大小不一，有時也可呈分葉狀表現。瘤體周圍內皮細胞呈簇狀或團狀排列，細胞形態各異；瘤體中央內皮細胞呈扁平狀，瘤體內成纖維細胞可發生玻璃樣變性，內部可見血栓形成，紅細胞浸潤至間質。此外，醫師肉眼觀察圖像受其經驗、人體疲勞等主觀因素影響，圖像紋理分析可避免這些主觀因素的影響，為診斷提供更加客觀的圖像信息。

此外，本研究發現基于T2WI圖像的病變特征提取效率要高于T1WI圖像，表明紋理分析結果受原始圖像影響，高分辨率圖像、能反映病變某些病理生理狀態的功能影像紋理分析在病變的鑒別診斷、治療決策的制定和預后評價中的應用意義可能更大，這需要進一步研究證實。

本研究存在的不足：① 肝臟的增強MRI和磁共振擴散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）已普遍用于臨床，并且已有研究［11，15］表明基于增強MRI和DWI圖像的紋理分析在預測疾病特征和鑒別診斷中具有重要的臨床意義。本研究只分析了平掃T1WI和T2WI圖像紋理特征在鑒別診斷中的價值，在后續的研究中，我們將比較基于平掃序列的紋理分析方法和增強MRI、DWI等序列鑒別診斷效能，以及聯合應用的臨床價值。② 本研究中圖像紋理分析是基于病灶的橫斷面中心層面圖像，以此代表整個病灶可能會出現結果的偏倚，在下一步研究中需要運用3D圖像勾畫腫瘤整體，以盡量減少此因素帶來的偏倚。

總之，本研究顯示基于臨床常規磁共振T1WI和T2WI圖像紋理分析可為肝臟局灶性病變原發性肝癌和肝血管瘤的鑒別診斷提供可靠的信息及客觀依據，有助于提高肝臟局灶性病變非增強MRI的鑒別診斷效率。