基于單源雙能CT平掃圖像的紋理分析對肝膿腫和肝轉移瘤的鑒別價值

王楠，劉愛連，李燁，徐明哲，王學東，郭研

肝膿腫是由細菌感染致肝實質的壞死液化并聚集形成膿腔，病理分期可劃分為炎癥期、成膿早期和成膿期[1]，不同時期影像表現不同。有文獻報道了肝膿腫的CT表現，典型者為“環征、腔內出現小氣泡或氣-液平面、一過性強化征”，不典型者為“花瓣征和簇形征以及肝膿腫周圍膽管輕度擴張、積氣等間接征象”[2-3]。肝轉移瘤表現為低密度灶內存在更低密度區，從而呈同心圓狀或等高線狀雙重輪廓結構，并且由于腫瘤邊緣結蹄組織、炎性細胞浸潤和血管增生，呈現邊緣強化，這些表現易與肝膿腫混淆[4]。由于肝膿腫和肝轉移瘤的臨床治療方案及預后不同，故對于二者的鑒別具有重大意義。

圖像紋理是指人們所觀察到的圖像中像素的灰度變化規律，是真實圖像固有的特性，可以一定程度上反映病變的內部組織學特性[5]。影像圖像的紋理特征分析即對圖像像素灰度值局部特征、像素、灰度值變化規律及其分布模式進行研究。在影像圖像中，紋理特征的變化往往反應機體的病理變化[6-7]。既往已有研究表明紋理分析技術結合常規CT圖像能夠應用于全身各個系統，包括疾病鑒別診斷、病理分級、轉移性淋巴結的診斷以及腫瘤的預后評估[8-11]。但是，目前尚無雙能CT平掃圖像結合紋理分析技術對肝膿腫與肝轉移瘤的鑒別的相關性研究。本研究旨在探討雙能CT平掃圖像結合紋理分析對肝膿腫和肝轉移瘤的鑒別診斷價值。

材料與方法

1.一般資料

回顧性分析2011年9月-2016年12月行能譜CT掃描的58例肝膿腫和肝轉移瘤患者的病例資料。肝膿腫均經穿刺引流后病理證實或治療隨診病灶縮小，臨床化驗指標恢復正常而證實，其中經穿刺病理證實10例，腫瘤標志物陰性，經抗炎治療后病灶縮小而證實19例。肝轉移瘤組中原發瘤為胰腺癌9例，肺癌、胃癌、結直腸癌各5例，乳腺癌、肝癌、膽囊癌、腎癌、輸卵管癌各1例，均經術后病理、胃腸鏡或穿刺活檢證實；肝轉移瘤均經隨訪(1個月～3年，病灶增多或增大)結合臨床病史及影像表現而證實。納入標準：肝膿腫的膿腔和伴有中央壞死的轉移瘤的囊腔完全形成或部分形成者。排除標準：膿腔內放置引流管或含有大量氣體(共3例)。最終入組肝膿腫26例(共27個病灶，囊腔大小2.0～9.0 cm)，其中男17例，女9例，年齡33～80歲，中位年齡63歲。肝轉移瘤29例(共39個病灶，囊腔大小1.5～11.0 cm)，其中男16例，女13例，年齡35～86歲，中位年齡62歲。

2.CT掃描方法

應用HD750能譜CT機(Discovery)，采用GSI掃描模式，管電壓為140 kVp和80 kVp的瞬時(0.5 ms)切換，螺距1.375，螺旋掃描速度0.6 s/r，探測器寬度4 cm；噪聲指數(noise index，NI)為10；管電流約375 mA，掃描層厚5 mm，層間隔5 mm。

3.紋理分析

在AW4.5工作站上，重建單能量圖像(40 keV、50 keV、60 keV、70 keV)，并將圖像以DICOM格式存儲后導入Omni-Kinetics軟件。選擇病灶囊腔最大層面，沿病灶內側緣約2 mm手動勾畫興趣區(ROI)。所有ROI由一名具有腹部CT診斷經驗的高年資醫師勾畫。應用灰度直方圖及灰度共生矩陣紋理分析方法測定熵值(entropy)、能量(energy)、偏度(skewness)、方差(variance)及逆差矩(inverse difference moment)5個參數。

4.統計學方法

圖1 肝膿腫。a) 40keV條件下病灶ROI示意圖； b) 相應灰度直方圖。圖2 肝轉移瘤。a) 40keV條件下病灶ROI示意圖； b) 相應灰度直方圖。

圖3 50keV圖像方差聯合偏度對肝膿腫與肝轉移瘤鑒別的ROC曲線。

采用SPSS 22.0統計學軟件進行分析。符合正態分布數據進行獨立樣本t檢驗；不符合正態分布數據進行Mann-Whitney U檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。選擇有統計學差異的參數繪制受試者操作特征(receiver operator characteristic,ROC)曲線，并獲得曲線下面積(area under the curve,AUC)。應用二元logistics回歸分析分別聯合不同單能量圖像所得的兩個最佳紋理參數，并計算紋理參數聯合后的閾值及效能(敏感度、特異度)。

結 果

1.囊腔直徑比較

肝膿腫組病灶囊腔長徑約(4.63±1.78) cm，肝轉移瘤組囊腔長徑約(4.02±2.18) cm，差異無統計學意義(Z=-1.826，P>0.05)。

2.紋理分析定量參數的數據分析

40～60 keV條件下熵值、能量、方差、逆差矩差異均有統計學意義(P<0.05)。50 keV及60 keV條件下偏度差異均有統計學意義(P<0.05)。70 keV條件下僅方差差異具有統計學意義(Z=-2.524，P<0.05)，見表1，圖1～2。

3.診斷效能分析

40～60 keV診斷效能最佳紋理參數均為方差，AUC分別為0.754，0.708，0.701。70 keV條件下方差鑒別肝膿腫與肝轉移瘤的AUC為0.684(表2)。

4.聯合診斷分析

40 keV及60 keV圖像分別聯合方差和逆差矩，50 keV圖像聯合方差和偏度，鑒別肝膿腫與肝轉移瘤的AUC分別為0.763、0.713、0.782，其中50 keV圖像聯合方差和偏度鑒別兩者的AUC最高，其敏感度及特異度分別為88.9%、69.2%(表3，圖3)。

討 論

CT是臨床中應用最為廣泛的影像學檢查，能清晰顯示肝膿腫與肝轉移瘤的典型影像表現。但常規CT平掃圖像提供信息有限，難以進行定性診斷。進行增強檢查又會增加部分患者的心理負擔及經濟負擔，并且另有一小部分因患者對對比劑過敏或腎功能不良無法進行增強檢查。

能譜CT成像以其多參數成像的優勢，進行多角度研究，既往已有大量學者研究表明能譜CT在臨床應用的價值[12-13]。而圖像紋理分析是通過一定的計算機輔助圖像處理后技術，從灰度直方圖、絕對梯度、游程矩陣、共生矩陣、自回歸模型和小波變換6個方面提取出紋理特征參數，從而獲得紋理特征的定量或定性描述的處理過程[14-16]。國內研究[17-18]較多進行常規CT圖像的紋理分析，尚無能譜CT單能量圖像的紋理分析，因此本研究旨在結合能譜CT單能量圖像和紋理分析技術，對肝膿腫和肝轉移瘤進行鑒別診斷。

表1 兩組間紋理參數比較

注：*數據代表t值。

表2 CT紋理分析定量參數鑒別肝膿腫與肝轉移瘤的效能

表3 平掃圖像兩參數聯合分析鑒別肝膿腫與肝轉移瘤的效能

入組病例中，肝轉移瘤組與肝膿腫組影像表現相似，均含有不強化區，形態多規則，與周圍正常肝實質相比呈低密度，因此通過常規CT平掃圖像難以鑒別。本研究應用灰度直方圖及灰度共生矩陣兩種紋理分析方法對平掃單能量圖像(40 keV、50 keV、60 keV、70 keV)進行紋理特征提取。灰度直方圖是對一幅圖像所包含的全部像素的灰度做統計，以橫坐標表示灰度值，縱坐標表示圖像中具有該灰度的像素個數。灰度直方圖反映的是圖像灰度的統計性質，不包含空間位置信息。灰度共生矩陣是對圖像上保持某距離的兩像素分別具有某灰度的狀況進行統計得到的，是統計在空間上處于某種同樣位置關系的一對像元的灰度聯合概率分布，反應灰度分布的空間信息。共分析5個常用紋理參數，包括熵值、能量、偏度、方差及逆差矩。能量是一種對圖像灰度分布均勻性的度量，當圖像灰度分布比較均勻時，值較大；熵值用來描述圖像所具有的信息量，熵越大說明圖像灰度分布越復雜，內部信息越粗糙；方差反應圖像灰度的離散程度；偏度是直方圖非對稱分布程度的定量描述，反映統計分布的偏斜的方向和程度[19]。

研究結果表明，除40 keV圖像偏度外，40～70 keV圖像中肝膿腫組熵值及方差均大于肝轉移瘤組，能量、偏度絕對值及逆差矩均小于肝轉移瘤組，提示肝膿腫膿腔內灰度分布較轉移瘤更復雜，且不均勻，離散程度高，分析原因為肝膿腫膿腔由壞死組織及大量炎細胞所構成的膿液，肝轉移瘤中心內含有少量腫瘤細胞，成分相對單一[20-21]。其中，除了40 keV圖像偏度無顯著差異，其他低能量圖像(40～60 keV)各參數均有顯著差異，70 keV圖像僅方差具有顯著差異，提示單能量圖像(40～60 keV)結合紋理分析技術對肝膿腫與肝轉移瘤進行鑒別是可行的。50 keV條件下，方差閾值為207.93，圖像灰度越離散，提示肝膿腫可能性越大。偏度閾值為-0.0039，直方圖越呈現非對稱分布，越提示肝轉移瘤。診斷效能最佳為50 keV圖像中方差與偏度的聯合，AUC為0.782，敏感度為88.9%，特異度為69.2%，提示對于肝膿腫與肝轉移瘤的鑒別，若結合紋理分析技術，50 keV平掃圖像為最佳選擇。 方差通過計算圖像中每一個像素點的強度值與平均強度值的偏差程度，來反映圖像灰度值的離散情況，從而間接反映病灶內部的異質性，方差越大，表示病灶內部分布越不均勻，但單獨看方差的結果，無法得知圖像灰度整體的偏倚趨勢；而偏度恰好反映的是圖像灰度值整體分布的形態和趨勢，偏度越高，代表圖像灰度值的分布越偏倚，即越偏離正態分布，從偏度的正負則可以看到灰度值是越集中在偏小值附近還是偏大值附近。將方差和偏度進行聯合，可以更全面的反映圖像灰度值的分布情況，包括均勻程度和分布趨勢，因此對于病灶的鑒別效能更優。

本研究具有一定局限性：ROI勾畫采用人工勾畫，雖在實驗中進行嚴格控制，但難以避免人為誤差；尚需進一步收集病例，對于紋理分析和能譜CT的結合進行深入研究。

綜上所述，能譜CT低能量平掃圖像結合紋理分析對肝膿腫與肝轉移瘤的鑒別診斷具有一定價值，50 keV平掃圖像結合紋理分析可獲得最佳診斷效能。