基于DWI影像組學判斷克羅恩病患者末端回腸炎癥活動性的研究

丁洪蕾 周科峰 蔣科芳 李嘉穎 高晨 張華妮 孫志超

克羅恩?。–rohn's disease，CD）是一種慢性破壞性腸道疾病，隨著時間的推移，半數患者會出現腸道狹窄、瘺管、膿腫等并發癥，通常需要手術治療[1-2]，因此早期精準評估患者病情對預后非常重要。磁共振成像能對小腸病變進行評估，并已證明可以預測CD患者的長期結果[3]；與單純評估腸黏膜組織的內鏡檢查相比，磁共振檢查還能提供額外的診斷信息[4]。但與內鏡檢查一樣，磁共振的診斷也存在主觀差異性、經驗差異性等因素。因此，客觀精確和可重復的評估方式對于臨床診斷CD患者非常重要。影像組學通過提取大量影像特征，將其轉化成具有高分辨率、可深度挖掘的特征空間數據并建立相應的模型，從而減少主觀判斷的差異，對疾病診斷、治療及預后進行客觀量化分析[5]。目前影像組學在判斷CD患者活動性方面價值尚不明確，本研究采用磁共振彌散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）序列，探討影像組學診斷CD患者末端回腸炎癥活動性的價值，現報道如下。

1 對象和方法

1.1 對象 選擇2016年1月至2020年4月浙江中醫藥大學附屬第一醫院經病理檢查診斷為CD的患者89例，男58例，女31例，年齡14～79歲。采用抗腫瘤壞死因子治療25例（28.1%），免疫抑制劑治療27例（30.3%），激素類固醇治療4例（4.5%），兩種及以上藥物治療33例（37.1%）。納入標準：均行內鏡和磁共振檢查，兩者間隔時間不超過3 d，以保證腸道狀態的一致性，且磁共振先于內鏡檢查。排除標準：（1）圖像偽影明顯，不能勾畫感興趣區（ROI）；（2）末端回腸顯示不清；（3）末端回腸以纖維狹窄為主或末端回腸被手術切除；（4）合并其他腸道疾病或腸道腫瘤。所有患者根據內鏡檢查下末端回腸節段性評分（CDEIS）的臨界值7分為界，分為活動組和非活動組。本研究經本院醫學倫理委員會批準（審批號：2020-KL-035-01）。

1.2 方法 采用GE 3.0T磁共振掃描儀，腹部相控陣線圈，患者取仰臥位，檢查前均肌肉注射鹽酸消旋山莨菪堿注射液（中國杭州民生制藥有限公司，H33021707）20 mg使小腸充分擴張。掃描序列及參數：橫斷面DWI序列：TR=10 000 ms，TE=100 ms，層厚7 mm，間距6 mm，FOV=80 mm×80 mm，matrix=130×130；橫斷面T2WI序列：TR=1 831 ms，TR=68 ms，層厚=7 mm，間距=8.5 ms，FOV=80 mm×80 mm，NEX=1，matrix=288×288；橫斷面T1WI增強序列：TR=3.7 ms，TE=1.1 ms，層厚=5 mm，間距=3 mm，FOV=280 mm×80 mm，NEX=1，Band Width=166.67 Hz。增強掃描：經肘靜脈高壓注射器團注釓噴替酸葡甲胺0.1 mmol/kg，速率2.5 ml/s，序列采集時間為對比劑注射后20 s。

1.3 ROI勾畫、特征提取與模型建立 所有患者DWI序列圖像經spine軟件轉換成Dicom格式，并導入ITKSnap（Version 3.80）軟件中。由1位具有3年放射診斷經驗的住院醫師沿末端回腸腸壁進行勾畫，腸腔排除在外，腸壁顯示不清或相鄰腸壁視覺重疊部分未納入ROI中，由2位具有10年以上腹部影像診斷經驗的副主任醫師復核，勾畫結果見圖1。所有勾畫圖像與相應的勾畫序列均導入Analysis Kit軟件中進行匹配，并基于該軟件對ROI進行特征提取。提取的特征包括一階統計量（first order）、灰度級共生矩陣（gray level co-occurrence matrix，GLCM）、灰度級游程矩陣（gray level run length matrix，GLRLM）、灰度級連通區域矩陣（gray level sizezone matrix，GLSZM）、灰度依賴矩陣（gray level dependence matrix，GLDM）和領域灰度差分矩陣（neighborhood gray-tone difference matrix，NGTDM）共1 316個特征值。將生成的特征表導入IPM軟件中，選擇二分類機器學習方法。種子點設置為10，將所有患者以7∶3分為訓練組與驗證組，利用多因素回歸分析進行特征篩選，保留差異有統計學意義的特征，Neighbor選擇為10，并建立K-近鄰函數模型（K-Nearest Neighbor，KNN）模型。以AUC、靈敏度及特異度評估模型的診斷效能。

圖1 ROI勾畫示意圖[a、b：非活動組勾畫，末端回腸節段性評分（CD E IS）=3分；c、d：活動組勾畫，末端回腸CD E IS=9分]

2 結果

2.1 兩組患者一般臨床資料的比較 兩組患者除性別、疾病行為外，其余各項指標的差異均無統計學意義（均P＞0.05），見表1。

表1 兩組患者一般臨床特征資料

2.2 DWI序列影像組學結果 共保留具有統計學差異的特征共9個，見表2?；诒Ａ舻奶卣髦禈嫿ǖ腒NN模型，訓練組AUC為0.801，靈敏度為0.865，特異度為0.600；驗證組AUC為0.794，靈敏度0.882，特異度為0.545，見圖2。

圖2 基于KNN模型的訓練組與驗證組ROC曲線（a：訓練組；b：驗證組）

表2 基于多因素回歸分析篩選具有統計學差異的特征

3 討論

本研究結果表明，影像組學能客觀量化活動期腸壁的炎癥，構建的KNN模型能對活動期與非活動期腸壁進行鑒別診斷。

磁共振評分包括磁共振活度指數（magnetic resonance index of activity，MaRIA）、簡化版MaRIA、Clermont評分等，這些評分在判斷疾病活動性上效能相差無幾[7-10]。但最近一項對腸道造影中心放射科醫師之間的閱片一致性研究發現，在病灶的強化測量指標上，組內一致性并不強，有誤差存在的可能性[11]，之前也有研究發現，不同醫師在腸壁厚度的測量上有潛在的差異性[12]，且主要存在于經驗欠缺的放射科醫師，因此低年資、經驗欠豐富的放射科醫師可能會對患者疾病活動性判斷產生偏倚。Stidam等[13]以腸道狹窄為研究對象，將半自動圖像分析技術與放射科醫師主觀判斷進行對比評估，發現圖像分析技術與具有豐富經驗的放射科醫師診斷效能相當，能彌補醫師經驗的欠缺，影像組學也是一種以分析圖像紋理改變為主的客觀評估方式，因此影像組學可以與影像醫師經驗診斷進行有效互補，但目前該技術廣泛用于腫瘤方面的研究[14-16]，在CD活動性方面尚無報道。

既往研究指出CDEIS＜7分趨向于內鏡下緩解[8]，因此本研究以CDEIS=7為臨界值將患者分為活動組與非活動組，通過DWI序列提取有統計學差異的影像特征共9個，大多數是基于GLCM以及GLSZM的高階特征。其中GLCM_correlation指標反映的是ROI紋理的復雜性，GLCM_DifferenceVariance以及GLCM_ClusterShade均反映的是圖像異質性差異，GLSZM_GraylevelVariance反映的是區域灰度強度的差異[17]，這可能與CD跨壁炎癥的病理特征有關，由于活動期腸壁不同程度炎性滲出導致圖像同質性改變所致。GLSZM_SizeZoneNonUniformityNormalized反映的是整個圖像中區域大小體積的可變性，活動期腸壁增厚或出現水腫，其體積可變性會增加，與ROI中鄰近腸壁體積的同質性相差更大。這些特征反映了活動期與非活動期圖像在紋理和灰度具有較大的差異，因此可以用影像組學來客觀量化。

本研究基于DWI序列構建的影像組學模型，訓練組與驗證組的特異度均較低，究其原因可能有兩點，第一：ROI選擇所致。本研究以內鏡下評分為參考標準，將橫斷面末端回腸整體腸壁作為ROI，這與Makanyanga等[18]研究中ROI類似，該學者發現腸壁整體作為ROI（大ROI）與磁共振評分具有良好相關性，而腸壁局部作為ROI（小ROI）與病理下的組織急性炎癥評分具有較好的相關性，但目前大ROI與內鏡評分的關系仍尚不明確。第二：圖像層厚與間距所致。本研究DWI序列層厚為7 mm，間距6 mm，相鄰層面可能會存在病灶部分信息丟失，導致納入ROI信息有限，這與Bhatnagar[19]基于T2WI序列的研究結論類似。當然基于其他序列構建的KNN模型或其他影像組學模型在判斷CD患者炎癥活動性是否更優還需要進一步研究。

本研究具有一定局限性：第一，訓練組與驗證組的樣本量均較少，未來將增加樣本量以及前瞻性多中心研究；第二，本研究ROI僅限于末端回腸，取得末端回腸節段性內鏡評分，與整體內鏡評分具有一定差異性，此外也未納入全腸道病變，因此構建的模型無法對患者腸道整體狀態進行判斷，也無法納入血清學炎癥指標構建諾莫圖提高診斷的準確性。第三，本研究未納入放射科醫師主觀磁共振評分指標并進行對比，未來還需進一步評估兩者的診斷差異性。

綜上所述，基于DWI影像組學KNN模型在判斷CD患者末端回腸炎癥活動性具有較好的潛力，能進一步幫助放射醫師客觀評估病情，并為臨床選擇治療方案以及對CD的管理提供客觀的影像學依據。