磁共振场强对脑部T1WI结构图像纹理特征的影响

樊文萍，王雪，王波涛，张晓欢，刘梦琦,2，陈峰，陈志晔,2*

1.解放军总医院海南医院放射科，海南三亚 572013；2.解放军总医院第一医学中心放射科，北京 100853；3.海南省人民医院放射科，海南海口 570311；*通讯作者 陈志晔 yyqf@hotmail.com

纹理特征是图像的内在属性，反映了图像灰度分布、对比度、空间分布等特征的程度[1]，在图像分析中起关键作用，它可以使不可见的内在图像特征实现数字化的直观体现，目前已经广泛应用于肺部磨玻璃样密度结节随访评估[2]、磁共振T2WI鉴别肝囊肿和血管瘤[3]、头痛[4-6]等疾病的诊断及评估。医学图像纹理特征分析是基于灰度图像进行计算生成各种纹理参数，而不同MR场强可以影响灰度图像的信号强度、信噪比等[7]。因此，可以假设不同场强可能对图像纹理特征计算存在一定的影响。本研究对17名健康成年志愿者分别在1.5T MR（MR-1.5T）及3.0T（MR-3.0T）上行脑部3D T1WI结构像扫描比较其纹理特征变化。

1 资料与方法

1.1 研究对象 招募健康成年志愿者 30名，其中男14名，女16名；年龄22～33岁，平均（26.2±7.3）岁。所有受试者均为右利手，既往身体健康。排除标准：颅脑外伤、脑部器质性病变及精神类疾病史、近期服用过精神类药物或激素。所有受试者均在同一时间内分别在磁共振1.5T及3.0T进行3D T1WI结构像扫描。

1.2 数据采集 所有数据均由相同操作人员分别采用1.5T及3.0T MR扫描仪进行成像（版本号均为Signa HDxt，美国GE公司），采集线圈采用8通道颅脑线圈。扫描序列包括常规T1WI；3D T1WI结构像采集参数为1.5T及3.0T均为：TR 6.5 ms，TE 2.8 ms，翻转角12°，视野25.6 cm×25.6 cm,矩阵256×256，层厚1 mm，采集次数1。

1.3 图像分析 图像分析采用 matlab（R2013b）、SPM12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）及 ImageJ（version 1.50）（https://imagej.nih.gov/ij）软件进行后处理。图像处理过程（图1）包括：①将原始3D T1WI结构像（T1WI）进行分割生成标准化后的T1WI结构像（normalized T1WI，nT1WI），灰质概率图（gray probability map,GPM）及白质概率图（white probability map，WPM）；②将GPM及WPM分别转换成二值蒙片；③将二值蒙片与nT1WI卷积将 T1WI结构图像分割为灰质及白质强度图像；④对灰质及白质图像的第10～100层图像逐层进行灰度共生矩阵（gray-level cooccurrence matrix，GLCM）纹理特征参数计算（参数设置为像素距离为1，夹角为0），纹理特征参数包括角二阶矩、对比度、自相关、逆差距及熵。所有层面平均纹理特征参数值为最终灰质及白质纹理特征值。采用Rest 1.8 软件（http://www.restfmri.net/forum/REST_V1.8）提取全脑灰质及白质信号强度，所有层面平均信号强度值为最终信号强度值。

1.4 统计学方法 采用SPSS 23.0软件，计量资料以x±s表示，两组全脑信号强度比较采用t检验，两组纹理参数采用单变量协方差分析，信号强度为协变量，P<0.05表示差异有统计学意义。

图1 全脑灰质及白质纹理特征计算流程。T1WI：T1加权图像；GPM：灰质概率图；WPM：白质概率图；nT1WI：标准化的T1WI结构像；GM：灰质；WM：白质；GLCM：灰度共生矩阵

2 结果

2.1 全脑信号强度比较 MR-1.5T全脑灰质（546±51比 1509±145，t=40.782，P<0.001）及白质（771±69比2085±197，t=41.149，P<0.001）均显著低于MR-3.0T（图2）。

2.2 全脑灰质纹理特征比较 MR-3.0T全脑灰质熵（2.17±0.05 比 92.16±0.05，F=4.465，P=0.039）高于MR-1.5T。全脑灰质的角二阶矩、对比度、自相关及逆差距两种 MR设备间差异无统计学意义（均P>0.05；表1，图2）。

2.3 全脑白质纹理特征比较 MR-3.0T全脑白质角二阶矩及熵低于MR-1.5T，MR-3.0T全脑白质逆差距高于MR-1.5T（P均<0.05）。MR-3.0T全脑白质对比度及自相关与MR-1.5T差异无统计学意义（表1，图2）。

表1 不同场强脑部灰质及白质纹理特征参数比较（±s）

表1 不同场强脑部灰质及白质纹理特征参数比较（±s）

参数 灰质白质1.5T 3.0T F值P值1.5T 3.0T F值P值角二阶矩0.631±0.0070.627±0.0083.8570.0540.736±0.0070.734±0.00811.3680.001对比度（×10-3）1.848±0.3231.763±0.3382.0930.1531.081±0.1531.188±0.1993.3020.074自相关（×10-3）0.238±0.0730.243±0.0503.4900.0670.051±0.0110.048±0.0292.5720.114逆差距0.800±0.0050.799±0.0052.7890.1000.873±0.0040.875±0.00510.7760.002熵2.163±0.0542.170±0.0594.4650.0391.397±0.0421.392±0.05110.6120.002

图2 MR-1.5T及MR-3.0T全脑灰质及白质纹理特征值比较。A：角二阶矩，B：对比度，C：自相关，D：逆差距，E：熵，F：信号强度

3 讨论

MR由于对疾病诊断的优越性，目前已广泛应用于临床。目前常用的1.5T MR和3.0T MR在图像采集上各有优势。但对健康人群进行脑部 MRI扫描，不同场强下脑组织T1WI信号的差异，人的视觉难以判读，并且难以进行量化分析。而纹理分析则通过一定的图像处理技术提取出纹理特征参数，从而获得对纹理特征的定量或定性描述[8]，将医学图像的灰度信息转换成图像纹理信息进行表达，发现或筛选有价值的临床信息，为疾病的临床诊断提供影像学证据，如中脑导水管周围灰质区3.0T MR T1WI图像纹理特征参数可以作为发作性偏头痛的影像学诊断标志物[4]，全脑灰质3.0T MR T1WI图像纹理特征参数分析探索药物过度使用头痛患者发病的神经机制[6]。但3.0T MR的研究结果是否也适用于1.5T MR目前鲜有研究报道。因此，本研究从不同场强对纹理特征变化的影响进行初步探讨。

本研究主要采用灰度共生矩阵的方法进行纹理特征参数值的提取，主要包括角二阶矩、对比度、自相关、逆差距及熵[9]。角二阶矩反映的是图像灰度分布均匀及纹理粗细程度，其值大代表一种较均一、规则变化的纹理模式。而逆差距反映图像纹理的局部变化，其值越大代表纹理的清晰程度和规则程度越高。本研究中，全脑灰质纹理特征分析提示MR-3.0T全脑灰质角二阶矩及逆差距与MR-1.5T之间无显著差异，而对于全脑白质其纹理参数角二阶矩 MR-3.0T显著低于MR-1.5T，逆差距MR-3.0T显著高于MR-1.5T，提示尽管场强增高可以导致图像灰度分布不均匀，规则程度减低，但对于灰质的角二阶矩及逆差距纹理参数无影响，而对于脑部白质随着场强的增高，角二阶矩将会减低，可能与图像信号强度增高导致灰度分布不均一规则有关[7]。脑部白质在MR-3.0T T1WI结构像上逆差距的增高，则可能与场强增高导致图像的信噪比提高有一定的关系[7]。因此，对于灰质纹理特征参数角二阶矩及逆差距相对稳定，不随场强的变化而改变，而白质的角二阶矩及逆差距易受场强因素影响，基于MR-3.0T的研究结果不适用于MR-1.5T。

纹理特征参数对比度反映了图像的清晰度及纹理沟纹深浅的程度，纹理沟纹越深，其对比度越大。自相关反映了图像中局部灰度相关性，此值的大小反映了局部灰度的相关性，值越大，相关性也越大。本研究提示尽管场强增高导致脑实质信号强度提高，但对于灰质及白质灰度值的相关性均无显著影响。因此，T1WI图像对比度及自相关参数可以认为是一个比较稳定的纹理特征参数值，不受场强变化的影响。

熵代表图像纹理的复杂程度，熵越大，图像纹理信息量越大。本研究表明，全脑灰质MR-3.0T熵值显著高于MR-1.5T，而白质熵值则显著低于MR-1.5T，由此说明场强增高可以导致脑部灰质及白质T1图像纹理复杂程度及图像纹理信息量，而这些纹理特征的变化是肉眼无法评估的。因此，纹理特征分析可以有效评估图像内在属性特征的变化，而场强对其影响应引起重视，尤其是对既往研究结果的临床应用时应考虑到场强因素的影响。

本研究发现随着场强的提高，图像的信号强度显著提高，尤其是白质信号强度的提高较灰质略为明显。信号强度的变化通常可采用一阶纹理分析方法如灰度直方图分析进行评估[10]，尽管此方法也能识别图像的纹理信息，但仅限于一般性的纹理识别，不能得到图像纹理的二维灰度变化。本研究中采用灰度共生矩阵纹理分析，反映了图像灰度关于方向、相邻间隔、变化幅度的综合信息，是分析图像灰度分布模式及排列规则的基础。为了去除场强提高而导致的信号强度变化对纹理特征参数的影响，本研究中将信号强度作为协变量进行组间比较，以去除信号强度对实验结果的影响，因此结果相对可靠。

本研究的局限性为：①本研究采用灰度共生矩阵的方法，仅对5个常用的纹理特征参数值进行比较，未对其他纹理特征分析方法进行比较，如直方图分析、小波分析等；②本研究仅对健康成人脑部T1WI图像进行纹理特征参数研究，未对不同场强下脑部病变的纹理特征参数的变化进行研究。因此，在未来研究中应当增加样本量，并对不同场强下脑部病变进行多种纹理特征参数研究。

总之，本研究前瞻性地发现MR场强大小可以影响健康成人脑部T1WI图像纹理特征参数，可以作为临床脑部MR T1WI图像纹理分析研究的控制变量。