不同b值對腦部DWI圖像紋理特征參數的影響

趙赫，孫藝潔，王波濤，劉夢琦,1b，于生元，陳志曄,3

1. 中國人民解放軍總醫院第一醫學中心 a. 神經內科醫學部；b. 放射科，北京 100853；2. 中國人民解放軍總醫院海南醫院 放射科，海南 三亞 572013；3. 南方醫科大學 第二臨床醫學院，廣東 廣州 510515

引言

磁共振圖像的紋理特征是通過描述圖像中像素灰度分布及像素間相互關系而得到圖像內在特征的定量參數[1]，其可以呈現肉眼無法識別的圖像異質性，是影像組學的重要組成部分，有助于疾病的診斷、預后預測和療效評估等[2]。近年來，紋理分析已廣泛應用于中樞神經系統疾病的機制研究中，包括腦腫瘤[3]、腦血管病[4-5]、退行性疾病[6-7]、原發性[8]及繼發性[9]頭痛等。但目前這些疾病的紋理分析更多停留在基礎研究階段，且臨床影像組學診斷缺乏定量及定性評價指標，因此探索不同種類圖像的紋理特征參數并確定紋理參數標志物已成為臨床研究的重點，其中探索不同序列及參數對組織紋理特征的影響尤為重要。

擴散敏感因子（b value，b 值）是擴散加權成像（Diffusion-Weighted Imaging，DWI）的重要參數，可反映擴散的強度和時序。DWI 與基于DWI 計算出的表觀彌散系數（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）值在超早期急性腦梗死診斷和梗死分期預估中發揮著重要作用。基于DWI 序列的紋理分析研究已經被廣泛應用于臨床，包括腫瘤的鑒別診斷[10]及預后分析[11]等。不同b 值的DWI 圖像腦組織的信號強度、信噪比等均明顯不同[12]，可能一定程度上影響組織的紋理特征參數，進而影響最終研究結果。此外，DWI 圖像及其對應生成的ADC 圖像對于急性腦梗死患者的早期診斷至關重要。基于此，本研究選取98 名健康成年受試者及12 例急性腦梗死患者作為研究對象，分別行腦部DWI 圖像掃描，比較不同b 值下腦部正常結構的ADC 值和紋理特征變化，旨在評估不同b 值對DWI 圖像紋理特征參數的影響，以期為DWI 紋理特征參數的應用提供方法學依據。

1 材料與方法

1.1 一般資料

招募健康志愿者98 名。納入標準：所有受試者均既往身體健康。排除標準：① 存在顱腦外傷、腦部器質性病變及精神類疾病史；② 近期服用過精神類藥物或激素；③ 因各種原因不能進行磁共振掃描者。

招募急性腦梗死患者12 例。納入標準：存在腦部梗死灶。排除標準：與健康志愿者相同。本研究經中國人民解放軍總醫院倫理委員會審查通過（S2015-085-01），并獲得所有受試者或其法定監護人的知情同意簽名。

1.2 數據采集

健康志愿者及急性腦梗死患者的MRI 檢查均由同一操作人員進行，采用美國GE公司的Signa HDxt 1.5T MR掃描儀，8 通道顱腦線圈。掃描序列包括兩個b 值的DWI 圖像，橫軸位2D 采集，TR 5500 ms，TE 94 ms，翻轉角12°，視野24 cm×24 cm，層厚5 mm。所有研究對象均在X、Y 及Z 軸方向分別施加b 值=1000 s/mm2和3000 s/mm2的擴散敏感梯度。

1.3 圖像分析

將MR 掃描儀生成的原始Dicom 圖像導入圖像后處理工作站（ADW4.5，GE 公司）生成ADC 圖，并進行感興趣區（Regions of Interest，ROI）的ADC 值測量。由一名具有10 年磁共振閱片經驗的放射科醫師獨立閱片并對不同b 值下的DWI 圖像進行紋理參數測量，為減少主觀偏差，共測量2 次取平均值。具體方法：手工勾畫ROI，確定尾狀核頭所在的層面為測量橫軸面，對圖像的額葉皮質、白質及尾狀核頭進行灰度共生矩陣（Gray-Level Cooccurrence Matrix，GLCM）紋理特征參數（ImagJ v1.47）計算（像素距離為1，夾角為0°），提取出的紋理特征參數包括角二階矩、對比度、自相關、逆差距及熵（圖1）。

圖1 在皮質、白質及尾狀核頭勾畫ROI測量紋理參數特征

1.4 統計學分析

采用SPSS 23.0 軟件進行數據分析，兩組的紋理參數數據使用Kolmogorov-Smirnov 檢驗對數據進行正態性檢驗，符合正態分布的采用獨立樣本t檢驗分析，不符合正態分布的采用Wilcoxon 檢驗分析。正態分布的計量資料以（±s）表示，非正態分布的計量資料以M（P25，P75）表示。P＜0.05 代表差異有統計學意義。

2 結果

2.1 健康志愿者和腦梗死患者的一般人口學資料

本研究納入的98 名健康志愿者中，男性47 例、女性51 例，平均年齡（52.69±14.19）歲；12 名腦梗死患者中，男性7 例、女性5 例，平均年齡（64.75±11.33）歲。

2.2 正常志愿者不同皮質紋理特征參數比較

正常志愿者皮質、白質及尾狀核頭在b 值=1000 s/mm2及3000 s/mm2的ADC 值及5 個紋理特征參數比較如表1 所示，可見三個ROI 在不同b 值下的ADC 值、角二階矩、對比度、自相關、逆差距及熵差異均有統計學意義（P＜0.05）。

表1 正常志愿者皮質、白質及尾狀核頭不同b值下的ADC值及5個紋理特征參數比較

2.3 急性腦梗死灶紋理特征參數比較

急性腦梗死灶中b 值=1000 s/mm2及3000 s/mm2的ADC 值及5 個紋理特征參數比較如表2 所示，其中ADC值和對比度的差異有統計學意義（P＜0.05），角二階矩、自相關及逆差距的差異無統計學意義（P＞0.05）。

表2 急性腦梗死患者梗死灶不同b值的ADC值及5個紋理特征參數比較

3 討論與總結

紋理分析是一種量化圖像模式變化的新興方法，應用于腦部結構時可以評價腦組織的細微差異[13-14]，且紋理特征可以反映不同組織、結構及病理等方面的影響，紋理特征參數的提取對預測腫瘤分化程度[15]、病理分型[16]及淋巴結轉移[11]價值較大，對于個體化影像診斷意義重大。本研究主要探索不同b 值（b 值=1000 s/mm2及3000 s/mm2）DWI 圖像的ADC 值和紋理特征參數的變化。主要采用GLCM[17-18]提取紋理特征參數值，因為完整GLCM 的參數范圍會造成巨大的計算量[19]，故本研究選擇了提取常用的紋理特征參數角二階矩、對比度、自相關、逆差距及熵來描述圖像特征。

角二階矩反映的是圖像灰度分布均勻及紋理粗細程度，較高的值代表更為均一和規則變化的紋理模式[20]；而逆差距反映的是圖像紋理的局部變化，其值越大代表紋理的清晰程度和規則程度越高。本研究中，皮質、白質及尾狀核頭的角二階矩及逆差矩在b 值=1000 s/mm2的DWI 圖像上均高于b=3000 s/mm2的圖像，可能由于b 值=3000 s/mm2的DWI 圖像信噪比和對比噪聲比相對較低[15]。隨著b 值的升高，水分子布朗運動的敏感性增加，故造成了圖像紋理清晰度及規則度降低，因此在DWI 的臨床應用中，并不是b 值越高越好，需要整體考慮再根據具體情況選擇合適的b 值。雖然DWI 圖像廣泛用于顱腦腫瘤的評估，但顱腦惡性腫瘤異質性較大，常伴有囊變、液化、出血等，因此進一步紋理分析對于鑒別診斷意義重大。在臨床實踐中，應用既往DWI 紋理研究成果時，需要考慮到不同b 值對角二階矩及逆差矩的影響，尤其是在將角二階矩及逆差距特征參數作為影像組學分析變量時，同時未來研究可進一步探索定量參數標志物以精確輔助腫瘤診斷。

對比度反映了圖像的清晰度及紋理溝紋的深淺程度，較大的對比度表明較深的紋理溝紋；自相關反映了圖像中局部灰度相關性，此值的大小反映了局部灰度的相關性，值越大表明相關性也越大。皮質及白質在b 值=1000 s/mm2的DWI 圖像上的對比度均低于b 值=3000 s/mm2，自相關均高于b 值=3000 s/mm2；而尾狀核頭在b 值=1000 s/mm2的DWI 圖像上的對比度高于b 值=3000 s/mm2的圖像，自相關低于b 值=3000 s/mm2的圖像。皮質與尾狀核頭均為灰質，但紋狀體在種系發育上較皮質更古老，對比度和自相關變化的不同可能反映了組織學上的異質性[20]。紋理分析能夠區分常規序列中信號類似的組織，尤其多模態的紋理分析可以為疾病的診療提供更多的信息[21]，在灰質移位等先天性畸形的識別上可能擁有良好的應用前景。

熵代表圖像紋理的復雜程度，熵越大表明圖像紋理信息量越大。本研究中，皮質、白質及尾狀核頭的熵在b 值=1000 s/mm2的DWI 圖像上均低于b 值=3000 s/mm2的圖像。即使b 值=3000 s/mm2圖像的信噪比和空間分辨率相對較低，紋理信息量仍較大，這可能與b 值增加進而水分子布朗運動敏感性增加有關。另外隨著b 值的增加，DWI 可能更接近真實的病理生理學狀態。但是在臨床工作中通常采用視覺評定來進行評判，而紋理特征參數熵可以敏感地發現這種變化，并可進行定量分析。

本研究中急性腦梗死病灶的不同b 值DWI 圖像的對比度差異有統計學意義，且b 值=3000 s/mm2時對比度大于b值=1000 s/mm2，說明b 值=3000 s/mm2時紋理對比更強烈且效果更明顯，在常規的DWI 影像上表現為高對比度，可突出顯示病變，尤其是微小梗死灶。對比度的差異也可能由于腦組織缺血缺氧使水分子擴散減低，而高b 值對水分子的擴散更敏感，故紋理對比度更大。既往研究證實了b 值=3000 s/mm2的DWI 圖像在腦部急性微梗死病變診斷中發揮重要作用，b 值=3000 s/mm2的圖像微梗死灶邊界更清晰[22]，與本研究中紋理對比度增高一致。目前在臨床，b 值=1000 s/mm2的DWI 圖像更常用，本研究結果表明，有條件的急性腦梗死患者可加做b 值=3000 s/mm2的DWI圖像，對比度變化可能有助于評估梗死時間較長的患者再灌注治療的意義或側支循環形成的程度。

本研究的局限性：① 腦梗死患者的樣本量相對較少，未來研究中應當繼續增加樣本量；② 僅對高b 值進行了探究，未對b 值≤200 s/mm2的DWI 圖像進行探索，無法確切說明不同b 值對紋理特征影響的具體規律。

本研究發現圖像的不同b 值對于腦部正常結構紋理特征存在影響，不同b 值下皮質、白質及尾狀核頭的ADC值、角二階矩、對比度、自相關、逆差距及熵差異均有統計學意義。而對于急性腦梗死灶，僅ADC 值和對比度差異有統計學意義，另外4 個紋理特征參數未見明顯差異。DWI 圖像對于腦部腫瘤及非腫瘤性疾病的診斷具有重要意義，DWI 相關的影像組學研究需要系統化的研究程序及方法學。在研究正常或看似正常腦結構的DWI 圖像紋理特征參數時需要考慮到b 值的影響，而對于病變組織，部分紋理特征參數也要考慮b 值的影響，臨床應用既往研究的結論時也應考慮到不同b 值的影響。