紋理分析在腹腔臟器疾病中的研究進展

龍星如，劉孟楠，徐燕能（通訊作者）

（1.西南醫科大學 醫學影像系，四川 646000；2.西南醫科大學附屬中醫醫院 心內科，四川 646000；3.西南醫科大學附屬中醫醫院 介入診療科，四川 646000）

關鍵字：紋理分析；腹腔臟器；腫瘤性疾病；非腫瘤性疾病；圖像后處理

紋理分析（texture analysis，TA）是一種不斷發展的、無創的影像組學技術，能定量分析超出人類視覺感知的微觀組織異質性，輔助影像診斷醫師做出準確的判斷［1-2］。目前，紋理分析在腫瘤相關的診斷、鑒別、預后判斷和療效評價等方面的運用日漸成熟。除腫瘤領域外，紋理分析也可從病灶的形態結構、組織細胞、分子基因等多層面綜合評價其他非腫瘤疾病，指導臨床治療［3］。

腹腔是體腔的一部分。在人體，廣義的腹腔上以膈肌為界與胸腔隔開，下與盆腔相連，前面和兩側為腹壁，后面有脊柱和腰部肌肉［4］。腹腔內器官眾多，是人體維持生命的重要保障。紋理分析作為傳統影像診斷手段的重要補充，其在腹腔臟器疾病診療中的運用可分為在腫瘤性疾病和非腫瘤性疾病中的運用兩大類。本文將對紋理分析在腹腔腫瘤性疾病以及非腫瘤性疾病中的運用進行論述。

1 紋理分析的概念

在臨床工作中，影像醫生通過評估計算機斷層掃描（computed tomography，CT）上的整體衰減、磁共振 （magnetic resonance，MR）上的信號強度、超聲（ultrasound，US）上的回聲變化、正電子發射斷層掃描（positron emission tomography，PET）上的標準攝取體積（standardized uptake value，SUV）等，對疾病進行診斷和評價［1］。傳統的放射學解釋對于疾病細微的異質性變化可能是難以量化的。然而，這些變化可能反映了疾病進展或消退早期征象，是評價疾病的重要線索。

TA是一種高度敏感的影像組學技術，提供圖像中每個像素的異質性評估，捕捉和量化肉眼可能忽略的微小細節。相較于侵入性的病理確診方法，無創是其明顯的優勢［5］。現階段，紋理分析的流程大致為：①獲取影像數據；②感興趣區（region of interest，ROI）的勾畫；③提取紋理特征和量化；④影像數據庫的建立；⑤分類和預測［1］。對于選定的 ROI，TA 提取圖像中每個像素的信息，并在頻率直方圖中表示。一階紋理特征包括平均灰度強度、標準差、偏度、熵和峰度；二階和更高階紋理特征描述ROI內像素的位置和空間關系。產生的頻率直方圖，以及隨后的二階和高階紋理特征受到許多放射成像參數的影響［6］。

2 紋理分析在腹腔腫瘤病變中的應用

腫瘤病變微觀層面的異質性變化是TA研究的基礎，這在影像學上表現為腫瘤病灶密度或信號的不均勻性。近年來，國內外越來越多的學者將TA運用于腫瘤的診斷、治療和預后等方面，TA在預測腫瘤患者預后和輔助臨床管理方面的價值已被基本確立。

2.1 腫瘤的診斷與鑒別診斷

在腹腔腫瘤性疾病的診斷與鑒別診斷中，通過對影像紋理的量化分析，可挖掘出更有價值的信息，從而提高診斷率。

肝臟實性局灶性病灶的良惡性鑒別診斷決定著患者后續治療方案的制定，CT是較常用的診斷方式。 黃燕琪等（2016）［7］運用 MaZda 軟件對 258 例確診的肝臟實性局灶性病變患者的CT圖像進行回顧性分析，研究結果顯示CTTA在良性病灶與惡性腫瘤、惡性腫瘤兩兩鑒別間的診斷準確率高，且增強圖像效果優于平掃圖像。MR是目前鑒別肝細胞癌和良性肝病變的另一良好選擇，但對于一些非典型病變，傳統MR診斷價值有限，TA可提高診斷率。Stocker等（2018）［8］回顧性研究指出，在幾乎所有使用的MRI序列中，肝細胞癌組和良性肝病變組之間的多個TA特征顯示均有統計學意義的差異。其中，動脈期圖像診斷HCC的準確性為84.5%（敏感性84.1%，特異性84.9%），較普通平掃圖像高。

血管平滑肌脂肪瘤 （Angiomyolipoma，AML）是腎臟最常見的良性腫瘤。在影像診斷中，典型的AML可通過其成熟的脂肪成分與腎細胞癌（renal cell carcinoma， RCC）進行鑒別［9］。 約 5%的 AML 缺乏可見脂肪，稱為 “貧脂 AML（fat-poor AML，fpAML）”，與RCC中的腎嫌色細胞癌（chromophobe RCC）影像表現有所重合，傳統影像診斷技術鑒別困難。Yang 等（2019）［10］研究發現，基于 CT 增強圖像的CTTA模型對于區分fpAML和chRCC具有較高的價值。 Deng 等（2019）［11］對經組織病理證實的 354 例RCC和147例良性腎腫瘤患者的預處理增強CT檢查結果進行TA，實驗結果證實了熵值的差異有助于區分RCC與fpAML、chRCC以及嗜酸性細胞瘤。TA作為一種客觀、無創的方法，可以作為傳統影像學技術在臨床決策過程中的有效補充。

結直腸癌（colorectal cancer，CRC）是全球最常見的惡性腫瘤之一。與散發性CRC相比，炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）患者的 CRC 風險增加［12］。最新研究表明，CRC占所有IBD相關死亡的10%至15%［13］。因此，對IBD患者進行CRC篩查和早期發現，可降低IBD患者CRC的發病率和死亡率。 Wang 等（2020）［14］研究表明，TA 有助于區分CRC與IBD或正常結腸壁增厚（normal thickened colon wall，NTC），不同CT掃描期對三者的鑒別有不同的價值。其中值得注意的是，TA診斷準確率高于低年資放射科醫師，但與高年資放射科醫師無明顯差異。相信通過進一步的研究，TA的臨床運用可協助提升影像診斷技術水平，提高疾病診斷準確率，減輕診斷醫師負擔。

近年來，TA在腹腔腫瘤性疾病中的廣泛研究使其得到了迅速的發展，在鑒別病變良惡性方面展示出良好的臨床應用前景。

2.2 惡性腫瘤分期與分級

惡性腫瘤的分期與分級是其治療的基礎，也是判斷腫瘤預后和轉歸的決定性因素。國內外的研究表明，由于基因表達突變，惡性腫瘤出現組織異質性，從表觀上可以發現其紋理雜亂無章［15］。大量的異質性信號無法直接在圖像中從視覺上進行主觀判斷，但通過計算機對圖像信息進行深層次的挖掘可以達到量化疾病異質性的目的，從而對腫瘤進行分期與分級。

近年來，CT質地分析已成功地用于評估胃腫瘤/病變的鑒別診斷、治療效果評估、組織病理學特征評估和臨床結果預測。 Liu 等（2018）［16］研究顯示多種CT紋理參數，特別是靜脈期的均值等，與胃癌的T、N和整體分期密切相關，而從動脈期獲得的偏度等參數在預測胃癌的侵襲性方面效果最好。該研究組還設計出一種胃癌淋巴結轉移預測模型，其實用性有待進一步探討。在相似的研究中，Yardimci等（2020）［17］也提出 CT紋理分析可作為預測胃癌患者T和N期的影像學生物標志物，用于制定新輔助治療計劃前的術前評估。

TA利用可比較的參數評估像素值、變化和分布，在預測腫瘤病理特征方面顯示出良好前景。D'Onofrio 等（2019）［18］為探究 TA 與腫瘤病理分級之間的相關性，回顧性分析經病理學證實的胰腺神經內分泌腫瘤 （pancreatic neuroendocrine neoplasm，pNEN）患者的CT圖像。pNEN依據病理核分裂象和Ki-67增殖指數可分為G1、G2和G3級，分級越高者分化程度越低，腫瘤行為越差。研究結果發現，G1、G2、G3級腫瘤之間的紋理參數具有差異，TA有助于預測 pNEN 的分級。 Yasar等（2020）［19］表示 TA可作為預測RCC分級的有效手段，評價患者預后。Oyama 等（2019）［20］指出運用 MRTA 對肝細胞癌進行分級具有較高的準確性。

TA在腫瘤的分期和分級中展現出優越的性能，且相較于病理活檢，TA是一種良好的非侵入性工具。在影像學檢測到腫瘤的同時，運用TA對腫瘤進行分期與分級有助于更好地管理患者，制定治療方案。

2.3 療效評價與預后評估

TA不僅是運用于單純的疾病診斷領域，更是發散出向評估疾病預后方向發展的趨勢。在腫瘤的治療過程中，TA可對腹腔臟器腫瘤的治療反應和復發情況進行準確判斷，為臨床醫生制定和優化治療方案提供重要的參考價值。

準確預測腫瘤對治療的反應是腫瘤治療的基礎，以便在需要時提示個性化的治療選擇。近年來，不斷有研究者將TA運用于腫瘤的療效評價領域并取得了較好的效果。 Giganti等（2017）［21］對 CTTA 預測胃癌患者新輔助治療反應率中的能力進行研究，結果證實CTTA可為提高胃癌的新輔助治療的有效率提供重要信息。 Ahn 等（2016）［22］選取 235 例 CRC肝轉移患者接受細胞毒性化療后的CT檢查圖像進行TA，結果表明CTTA可用于預測CRC肝轉移患者細胞毒化療后的治療效果。Borhani等（2020）［23］對新輔助化療并行手術切除的胰腺導管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC）患者治療前和治療后的胰腺 （動脈晚期）CT圖像進行TA，提取出的紋理參數反映了組織特征和腫瘤異質性的縱向變化，這些均可作為預測新輔助化療的組織學反應的生物標志物。除此之外，CTTA可以判斷無法進行手術的胰腺癌患者的預后，紋理特征與胰腺癌的總生存率顯著相關［24］。

目前，基于圖像的紋理特征預測腫瘤患者預后和輔助臨床管理的價值已被基本確立。TA有可能成為一種臨床有用的影像學技術，為患者提供額外的預后信息。未來TA對于精準醫療患者個體化治療方案的制定會有一定的幫助。

3 紋理分析在腹腔非腫瘤病變中的應用

早期，TA多用于腫瘤領域，取得了大量優質的研究成果。對于非腫瘤領域，相關研究較少。目前，肝臟和腎臟是TA運用于腹部非腫瘤病變中的研究熱點［25］。除此以外，TA在炎癥性腸病中的運用也得到了國內外研究者的關注。

3.1 紋理分析肝臟非腫瘤病變中的應用

肝纖維化（hepatic fibrosis，HF）是 TA在肝臟非腫瘤病變中的研究熱點之一［26］。HF是由各種致病因子所致肝內結締組織異常增生的病理生理過程［27］。肝活檢是HF診斷和分期的金標準，但這是一種有創性的技術，且可能存在取樣誤差。國內外研究表明，TA不僅可運用于肝臟纖維化診斷，更能進一步對肝纖維化程度分期，顯示出良好的運用潛力。

TA通過量化圖像中的密度、信號或回聲改變輔助判斷肝臟纖維化程度。 Choi等（2020）［28］探究CTTA評估肝纖維化的可行性，結果表明平均灰度強度、偏度、峰度和熵值在肝纖維化患者和無肝纖維化患者之間有顯著性差異，紋理分析對于肝臟纖維化的診斷有較高的準確性。 Lubner等（2017）［29］發現肝臟實質CT紋理特征的改變與HF程度相關，平均灰度強度隨纖維化分期增加而增加，這有助于HF分期。Jian 等（2019）［30］探討二維剪切波彈性成像（two dimensional shear wave elastography，2D-SWE） 結合TA診斷早期肝纖維化的可行性，結果顯示2D-SWE結合TA對肝臟早期纖維化、顯著纖維化、嚴重纖維化和早期肝硬化均有較好的診斷效果。Yu等（2015）［31］將TA應用于HF小鼠模型的MR圖像中，結果展示了TA在MR圖像中具有定量HF的潛在效用。

HF的準確診斷和分期對于判斷肝臟疾病的進展狀態和制定治療方案具有重要意義。不論是CT、MR還是US，TA都可整合到現有的檢查流程中，作為一種輔助工具提高HF診斷和分期的準確性。

3.2 紋理分析在腎臟非腫瘤病變中的應用

腎臟非腫瘤疾病種類繁多、機制復雜，TA在腎臟非腫瘤疾病中的研究多以對腎功能的評估檢測為重點，并取得了一定的研究成果。

由于腎臟的解剖學特點，腎內存在明顯的紋理結構，這是TA運用于腎臟非腫瘤病變的基礎。Abbasian 等（2017）［32］對 61 例接受異體腎移植術患者的超聲造影圖像進行TA，探究移植腎的紋理特征與血清肌酐水平的相關性。結果顯示，有14個紋理特征與血清肌酐水平有顯著相關性，這表明TA可作為一種可靠的方法，幫助醫生在US圖像上評估腎移植術后腎功能的情況。Kline 等（2017）［33］回顧性分析122例多囊腎患者的MR圖像，用年齡、腎小球濾過率基線、腎臟容積和提取的3個紋理特征（熵值、相關性和能量）建立多元線性回歸模型。結果顯示，這些紋理參數與腎小球濾過率之間有良好的相關性，表明TA可能是預測多囊腎病的進展和預后的有效工具。 王毓等（2019）［34］研究表明，TA 在評估糖尿病患者腎功能損傷程度方面具有明顯價值，能量、熵、均質性和表面積密度可作為判別腎損傷的紋理特征參數。

許多腎臟疾病初期癥狀并不典型，通常在腎臟受到嚴重損害時才能通過實驗室檢查指標體現。TA在腎功能的評價方面顯示出良好的潛力，可以此為基礎探究其在腎功能預判中的價值，早診斷早治療，延緩疾病發展。

3.3 紋理分析在腸道非腫瘤病變中的應用

炎癥性腸病 （inflammatory bowel disease，IBD）為累及回腸、直腸、結腸的一種特發性腸道炎癥性疾病，包括潰瘍性結腸炎和克羅恩病，臨床表現為腹瀉、腹痛，甚至可有血便［35］。目前TA主要運用于克羅恩病的相關研究中。

組織學上活動性克羅恩病的表現包括腸壁炎癥、裂開性潰瘍、粘膜下水腫和炎癥驅動的新血管生成等，這些特征可通過影像學上紋理變化反映出來［36］。 Makanyanga 等（2017）［37］研究表明，克羅恩病的MRTA結果與組織學異質性之間有良好的相關性，提示MRTA可用于評價克羅恩病的活動性。Tabari等（2019）［38］指出對比增強 MR 腸造影圖像聯合TA可輔助診斷克羅恩病的組織學類型。

相較于肝臟和腎臟，TA在炎癥性腸病中的研究較少，尚處于起步階段，有望通過進一步的研究探索其在炎癥性腸病中的運用價值。

4 結論

作為一種新興研究方法，紋理分析在腹腔臟器疾病中有廣闊的運用前景，但要將其全面用于臨床還面臨許多的問題和挑戰，需進一步深入研究。首先，紋理分析作為一種影像組學技術，需有大數據作為支撐，而現有研究尚停留在單一機構的小樣本探索，多中心、大樣本、隨機對照臨床試驗反復檢驗和提煉等是紋理分析要真正走入臨床必須經歷的過程。其次，缺乏統一標準。目前ROI的勾畫多采用人工手動勾畫或半自動勾畫的方式，勾畫標準未統一；軟件中所提取的紋理參數和采用的成像算法各不相同，各方法間又缺乏相同數據的對比研究。因此，紋理分析在腹腔臟器疾病中的運用還需進一步深入研究，以期早日服務于臨床，提高疾病診治與預防的效率。