MRI紋理分析對非酒精性脂肪肝纖維化分期診斷價值的研究

楊瑩 劉敏 丁建平 龐佩佩 李潔

全球約有25%的成年人患有非酒精性脂肪性肝病（nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD），亞洲地區則高達27%[1]。NAFLD早期可逆且預后良好，但若未及時加以干預，可進展為肝纖維化、肝硬化甚至肝癌，該疾病的預后與肝纖維化程度密切相關[2]。肝臟組織學檢查是診斷NAFLD的金標準，但在疾病早期階段即對肝臟組織進行活檢不易被患者接受，且難以對后續治療效果進行監測。因此，建立一種無創、客觀的指標來準確評估肝纖維化程度在NAFLD的早期診斷、干預治療中至關重要。紋理是圖像中存在的基本特征，是圖像中反復出現的局部模式和排列規律，紋理分析（texture analysis,TA）是一種新興的成像應用程序，它可以通過分析感興趣區域（region of interest,ROI）內像素強度灰度的分布和（或）關系來量化器官或病灶中的異質性。本研究旨在探討MRI TA對NAFLD患者肝纖維化分期診斷的潛在價值，現報道如下。

1 對象和方法

1.1 對象 選取2015年10月至2019年3月杭州師范大學附屬醫院收治的行MRI T1WI序列檢查且經肝穿刺活檢確診為NAFLD的患者67例，MRI檢查與肝穿刺活檢的間隔時間均不超過7 d，其中1例因MRI圖像有明顯呼吸運動偽影而被排除，最終納入66例，其中男 48 例，女 18 例，年齡 18～68（41.33±12.00）歲。依據Scheuer法將66例患者分為S0～S4期，其中S0期8例，S1期（輕度肝纖維化組）19例，S2期（中度肝纖維化組）20例，S3期13例，S4期 6例（S3+S4期為重度肝纖維化組），各期肝纖維化病理標本見圖1。不同分期5組患者性別、年齡比較差異均無統計學意義（均P＞0.05），見表1。本研究經杭州師范大學附屬醫院醫學倫理委員會批準，所有患者均知情同意。

表1 S0～S4期NAFLD患者一般資料比較

圖1 S1～S4期非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）肝組織病理檢查所見（a：S1期，肝細胞廣泛脂肪變，輕度竇周纖維化，Masson染色，×20；b：S2期，竇周及匯管區纖維化，Masson 染色，×20；c：S3期，橋接纖維纖維形成，天狼猩紅染色，×20；d：S4期，肝小葉結構紊亂，假小葉形成，天狼猩紅染色，×10）

1.2 儀器與方法 采用德國Siemens公司產的Magnetom Avanto 1.5 T高場超導MR掃描儀，8通道表面相控陣體部線圈，加呼吸門控。所有患者掃描前禁飲食4～6 h，所有檢查均由同1名專業MRI技師操作。常規序列T1WI橫軸位，掃描參數：重復時間 6.32 ms，回波時間 2.39 ms，視野 420 mm×315 mm，矩陣 154×256，層厚4.0 mm，層間隔0.8 mm。1次屏氣期間采集全肝數據，成像時間約18 s。

1.3 圖像分析

1.3.1 圖像選擇 采用移動硬盤將醫學影像信息系統（picture archiving and communication systems,PACS）工作站上的圖像以DICOM格式導入GE Omin-Kinetics應用平臺中。本研究選用MRI T1WI圖像，在顯示第一肝門層面上，由1名經驗豐富的影像診斷醫師手動勾畫ROI，注意避開肝內大血管，且距離肝臟邊緣至少1 cm，選取肝右葉后段面積為3 cm2的ROI，共勾選3次，得出紋理特征取平均值。

1.3.2 TA 采用GE Omin-Kinetics軟件自動分析功能得到灰度共生矩陣（gray-level co-occurrence matrix,GLCM）的15個紋理特征參數，包括能量、熵值、慣性矩、自相關以及基于共生矩陣（co-occurrence matrix）的11個 Haralick紋理特征（Haralick Correlation、Haralick Entropy、Angular Second Moment、Contrast、Hara Variance、Sum Average、Sum Variance、Sum Entropy、Difference Variance、Difference Entropy、Inverse Difference Moment）。

1.4 統計學處理 采用SPSS 22.0統計軟件。計量資料以表示，多組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗。計數資料組間比較采用χ2檢驗。采用Pearson相關分析肝纖維化程度與不同紋理特征的相關性。采用ROC曲線分析不同紋理特征參數鑒別肝纖維化程度的效能。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 S0～S4期NAFLD患者MRI T1WI圖像紋理特征參數比較 S0～S4期 5組患者在能量、熵值、Haralick Entropy上比較差異均有統計學意義（均P＜0.05），其余13個紋理特征參數比較差異均無統計學意義（均P ＞0.05），見表 2。

表2 S0～S4期NAFLD患者MRI T1WI圖像紋理特征參數比較

2.2 不同肝纖維化程度NAFLD患者能量、熵值、Haralick Entropy比較 由于S0期樣本量少，且S0與S1期的能量、熵值、Haralick Entropy比較差異均無統計學意義（均P＞0.05），因此S0期未納入進一步分析。根據臨床應用將肝纖維化程度分為輕度（S1期）、中度（S2期）、重度（S3+S4期）3組進行單因素方差分析，得出不同肝纖維化程度患者能量、熵值、Haralick Entropy比較差異均有統計學意義（均P＜0.05），且不同程度肝纖維化組間兩兩比較差異均有統計學意義（均P＜0.05）。肝纖維化分期與能量、熵值以及Haralick Entropy均存在顯著相關性（r=-0.611、0.680、0.404，均 P＜0.05），見表 3。

表3 不同肝纖維化程度NAFLD患者能量、熵值、Haralick Entropy比較

2.3 不同紋理特征參數鑒別肝纖維化程度的效能與輕度肝纖維化比較，鑒別中度肝纖維化效能最高的紋理特征是熵值；與中度肝纖維化比較，鑒別重度肝纖維化效能最高的紋理特征也是熵值。見圖2和表4。

表4 能量、熵值、Haralick Entropy鑒別不同程度肝纖維化的效能

圖2 能量、熵值、Haralick Entropy鑒別輕中度肝纖維化、中重度肝纖維化效能的ROC曲線（a：輕中度肝纖維化比較；b：中重度肝纖維化比較）

3 討論

在NAFLD中，肝纖維化是直接影響患者預后的獨立因子[2-3]。眾多學者利用無創性影像學技術對肝纖維化程度的評估進行了大量的研究，近年來，隨著TA軟件的開發，基于醫學圖像的影像組學成為一大研究熱點。TA可以應用各種成像技術如超聲、CT、MRI平掃序列或動態對比增強序列，來量化肝實質的特征[4-7]。與其他技術相比，TA可以前瞻性和回顧性地應用于常規掃描獲取的圖像，而無需專用硬件支持。GLCM特征主要通過統計不同方向和步長的像素對出現的概率，從而得到共生矩陣，然后對共生矩陣的分布進行量化，以此來描述病灶部位的復雜性、層級變化以及紋理的粗細程度等信息。本研究按照文獻[8-9]所示的方法使用一個固定表面積的單個圓形ROI提取TA參數，以確保有較高的重復性。MRI圖像相對于CT圖像序列更多，提供的信息也更豐富，在影像組學的研究中更具有優勢[10]。Yu等[11]研究肝纖維化大鼠T1WI及T2WI圖像的紋理特征，發現基于T1WI的GLGM能很好地識別不同程度的肝纖維化。

本研究收集NAFLD患者的病理資料及肝臟MRI檢查資料，利用GE Omin-Kinetics紋理分析軟件，選取15個基于GLCM的特征：能量、熵值、慣性矩、自相關以及11個Haralick紋理特征。能量為GLCM元素值的平方和，反映圖像灰度分布均勻程度和紋理粗細度，GLCM元素集中則能量值大，元素分散則能量值小；本研究結果提示能量隨著肝纖維化程度的進展有降低趨勢，與童隆正等[12]利用CT圖像的研究結果不同，因此能量特征在肝纖維化程度鑒別上的意義有待進一步研究。熵值可體現圖像空間的復雜性和混亂度，即灰度分布的隨機性，圖像的灰度分布隨機性越高，熵值越高；肝臟發生纖維化改變時，由于結締組織增生，肝實質不規律變化，隨機性升高，因而熵值升高；本研究結果發現熵值與肝纖維化程度呈正相關，與童隆正、Cannella等[12-13]的研究結果一致，Xu等[14]通過建立大鼠模型同樣發現在肝纖維化組中的熵值明顯高于無纖維化組，熵值在肝纖維化程度診斷方面有較大的潛力。Haralick特征同樣是基于GLCM來提取相應的特征，但其提取了4個方向，且步長為1的GLCM，本研究發現Haralick Entropy即Haralick熵值同樣有助于肝纖維化的評估，House等[15]通過對7例NAFLD患者在內的共49例因各種不同慢性肝臟疾病致肝纖維化的患者肝臟MRI圖像的Haralick特征的研究，發現Haralick Entropy有助于區分無、輕度和較重度肝纖維化。

綜上所述，基于MRI T1WI圖像提取的能量、熵值、Haralick Entropy等紋理特征對NAFLD患者輕中重度肝纖維化的鑒別診斷具有一定的價值。但本研究也存在一定的局限性：首先，樣本量有限，未來需要大量的、多中心的研究來支持TA在評估肝纖維化分級中的應用價值；其次，本研究中未發現S0與S1之間有顯著差異的紋理特征，可能與樣本量小（尤其是S0期的樣本量）有關；此外，未來可以進一步加入患者相關的臨床生化指標（如肝酶、血脂等）進行綜合分析。目前針對肝纖維化程度分級的MRI圖像方面的紋理研究處于初步階段，在今后的研究中，筆者將會繼續收集更多肝纖維化患者的多維度的臨床資料，以深入探索TA在鑒別肝纖維化分期中的效能。