基于对比增强T1WI的纹理分析技术对磁共振引导下聚焦超声术治疗子宫肌瘤的评估

苏佰燕， 孙昊， 薛华丹， 石海峰， 张古沐阳， 金征宇

子宫肌瘤是目前女性生殖系统最常见的子宫良性肿瘤。目前手术治疗是最主要的治疗方法，但手术治疗对于生育的影响以及手术的创伤性和子宫切除术后女性激素水平的降低，使得部分患者存有疑虑。因此目前恢复时间短且可保留生育能力的微创性或无创性替代治疗已备受关注。现已证实磁共振引导下聚焦超声术(MRI-guided focused ultrasound surgery，MRgFUS)是一种成功的无创性新型治疗方式，目前已应用于子宫、乳腺、骨骼、前列腺、肾脏以及肝脏等多种脏器疾病的临床治疗，而其在临床上应用最成熟的领域就是对症状性子宫肌瘤的治疗[1]。2004年10月FDA正式批准MRgFUS可应用于子宫肌瘤的临床治疗过程中[2]。

图像的纹理分析(texture analysis，TA)并不算是一种新兴技术，早在1973年即有将其被应用于医学影像领域的研究，最早应用于X线平片，其后是超声[3-4]。近年来纹理分析技术又被广泛应用于CT、MRI及PET的影像研究中，尤其是在肿瘤影像领域，纹理分析已成为一种潜力极大的影像工具，成为当今影像学领域的研究热点[5]。纹理分析是指通过一定的图像处理技术提取出纹理特征，从而获得对靶器官或组织的定量或定性描述的处理过程[6]。纹理分析技术可广泛应用于医学领域，有些研究关注于不同影像检查方法(如CT、MRI、PET-CT等)获得的图像上靶器官或病变的纹理参数与其生物学参数之间的相关性证据[7-9]；近几年来有大量研究对图像纹理分析技术在疾病检出、诊断和鉴别诊断以及预后评估中的价值进行了较广泛和深入的研究。在MRI领域，目前这一技术可应用于对肝脏、甲状腺、乳腺、肾脏、前列腺、心脏、脑和肺组织的多种病变进行诊断和鉴别[10]，但纹理分析在子宫疾病影像诊断中的价值目前尚未见相关报道。

本研究采用纹理分析方法定量分析治疗前后子宫肌瘤在MR增强图像上的纹理特征，并对这些纹理特征与治疗疗效间的相关性进行分析，旨在探讨纹理分析技术预测子宫肌瘤治疗疗效的可行性和准确性。

材料与方法

1.研究对象

回顾性分析2010年4月-2013年1月本院16例经临床及MRI筛查合格、接受MRgFUS治疗、完成12个月随访复查且各项资料完整的症状性单发子宫肌瘤患者的病例资料。本研究经北京协和医院伦理委员会批准，所有患者签署了知情同意书。入组患者年龄35～52岁，平均(44.0±5.2)岁，身体质量指数为18.1～30.5 kg/m2，平均(23.4±3.1) kg/m2。

2.临床流程

经临床及MRI筛查合格的患者入组治疗，经常规治疗前准备及镇痛镇静后进入治疗阶段，包括定标、绘制、计划、验证及肌瘤的超声聚焦治疗，物理参数：频率11.5 MHz，每次声处理(sonication)体积为2 mm×2 mm×8 mm～10 mm×10 mm×45 mm，每次治疗持续时间10～30 s。所有患者在治疗前、治疗后即刻和12个月时行MRI平扫及增强扫描。使用GE Ecxite HD 1.5T超导磁共振机，扫描序列和参数如下。①横轴面、矢状面及冠状面FSE T2WI：TR 4000 ms，TE 98 ms，层厚5 mm，层间距0 mm；②横轴面FSE T1WI：TR 502 ms，TE 12 ms，层厚5 mm，层间距0 mm；③采用压脂T1加权快速毁损梯度回波序列(fast spoiled gradient recalled，FSPGR)行横轴面、矢状面及冠状面增强扫描：TR 400 ms，TE 5.4 ms，层厚5 mm，层间距0 mm；对比剂为钆喷酸葡胺注射液，总量为10mL，经肘静脉推注。

图1 子宫肌瘤患者。a)矢状面对比增强T1WI，沿肌瘤边缘最大范围勾画ROI；b)病灶的SSF2纹理图像，代表精细图像；c)SSF4纹理图像，代表纹理粗糙程度中等图像；d)SSF6纹理图像，代表粗糙图像。

3.研究方法

评价肌瘤情况的相关参数的提取方法:本研究中对每例患者的治疗前、治疗后即刻及治疗后12个月时的三组图像进行分析。在T2WI上测量子宫肌瘤的左右径(a)、前后径(b)及上下径(c)，采用椭圆体的体积计算公式计算肌瘤体积(V)及肌瘤体积变化比(ΔV%)：

(1)

(2)

其中，V1表示治疗前肌瘤体积，V2表示治疗后12个月时的肌瘤体积。

采用MIPAV软件(Medical Image Processing,Analysis,and Visualization,https:// mipav.cit.nih.gov/,Center for Information Technology,National Institutes of Health;Bethesda,Maryland,USA)测量并计算治疗之前预扫描中平扫T2WI上的肌瘤体积(uterine fibroid volume，UFV)及治疗后即刻对比增强T1WI上肌瘤内无灌注区体积(non-perfused volume，NPV)，并按公式(3)计算无灌注区体积百分比(non-perfused volume ratio,NPV%)[11]：

(3)

采用子宫肌瘤症状与生活质量问卷[12](uterine fibroid symptoms quality of life,UFS-QOL)来评估和计算患者的症状严重程度评分(symptom serious score，SSS)，将每例患者SSS的原始分值转化为标准化SSS，并计算治疗前与治疗后12个月的标准化评分(SSS1和SSS2)及变化比(ΔSSS%)：

(4)

(5)

纹理参数的提取方法:采用TexRAD软件(TexRAD Image Processing,Scientific Research Version,TexRAD-www.texrad.com，TexRAD Ltd part of Feedback Plc，Cambridge，UK)对治疗前、治疗后即刻的对比增强矢状面T1WI进行纹理分析。选取肌瘤最大截面积层面进行测量，沿肌瘤边缘勾画最感兴趣区(region of interest，ROI)，ROI范围尽量大(图1a)。图像纹理分析分为两个步骤[13]：首先，通过改变空间尺度滤波器(spatial scale filter，SSF)的滤过半径(mm)，获得不同精细/粗糙程度的纹理图像(图1b～d)，以SSF0～6表示，软件默认以SSF2代表精细图像，SSF4代表中等图像，SSF6代表粗糙图像；随后，采用直方图分析法，获得ROI的6个纹理参数，包括平均值(mean)、标准差(standard deviation，SD)、熵(entropy)、正性像素的平均值(mean of positive pixels，MPP)、偏度(skewness)和峰度(kurtosis)。从治疗前、治疗后即刻的纹理分析数据中分别选取SSF2、4和6图像上的6项纹理参数数据纳入研究。

4.统计学方法

使用SPSS 18.0(Chicago，IL，USA)软件包进行统计学分析。使用Kolmogorov-Smirnov检验对计量资料正态分布检验，符合正态分布的数值变量以均数±标准差的形式表示，不符合正态分布时采用中位数±四分位间距表示，分类变量采用例数和百分比的形式进行描述。每项纹理参数与肌瘤体积相关指标间的相关性分析采用Pearson或Spearman等级相关分析法。以P<0.05为差异具有统计学意义。

结 果

16例入组患者治疗前标准化SSS为9.38～62.50分，平均(34.18±15.29)分；肌瘤体积为20.3～301.3cm3，平均(96.5±84.9)cm3；治疗后12个月的标准化SSS为 3.13～37.50分，平均(17.78±11.84)分，肌瘤体积为5.1～267.9cm3，平均(55.1±71.0)cm3。本研究结果显示，术后患者的标准化SSS评分呈持续下降趋势，肌瘤体积逐渐减小。

表1 治疗前及治疗后即刻不同SSF图像上肌瘤的各项纹理参数测量值

表2 治疗前病灶的纹理参数与肌瘤体积和SSS指标之间的相关性

注：括号内为相应的P值。

治疗前及治疗后即刻子宫肌瘤的各项纹理参数测量值见表1。本研究结果显示，治疗后即刻组中所有纹理参数值均较治疗前有明显降低。

对不同SSF值图像上肌瘤的各项纹理参数与肌瘤体积和患者SSS相关指标之间的关系进行分析，结果见表2～3。仅仅在治疗后即刻的SSF2图像上病灶的峰度与治疗前体积、治疗后12个月体积之间具有统计学相关性(P<0.05)，其余各组纹理分析数据与肌瘤体积和SSS相关指标间无显著相关性(P>0.05)。

经单样本Kolmogorov-Smirnov检验，治疗前及治疗后即刻各项纹理参数及NPV%的数据均呈正态分布，采用Pearson相关分析，结果见表4。观察发现所有图像组的治疗前纹理参数中熵与NPV%之间存在显著相关性(P<0.05)，SSF4和SSF6图像上治疗后即刻的纹理参数中偏度和峰度与NPV%间具有显著相关性(P<0.01)。

讨 论

图像的区域纹理特征可以描述一个区域图像的精细或粗糙、均匀或不均匀、平滑或不规则等信息。对于实质性器官而言，其图像上的纹理特征反映了内部组织结构和分布，纹理特征的变化可以反映器官内部组织结构的变化。

相对于CT图像纹理分析中的像素灰度值，在MR图像上体现为像素的信号强度。MR图像上的纹理参数中均值(mean)为ROI内所有像素的信号强度值的平均值；标准差(SD)是反映信号强度均值两侧数据离散程度的量，如果ROI内各点的信号强度值比较接近，则信号强度的标准差小，说明图像越均匀；熵(entropy)反映了图像上纹理的非均匀程度或复杂程度，较大的熵值表示纹理较为复杂；偏度(skewness)用于描述图像信号强度直方图分布是否对称，表达了信号强度值相对于均值的对称性，如果对称性好，则偏度较小；峰度(kurtosis)用来描述变量的概率分布形状，峰度越大，表明变量的分布在均值附近比较集中，曲线形态会有一个明显的尖峰，峰度越小，则均值处的曲线越平缓；正性像素平均值(MPP)表示为正性像素的一个定量法则，相当于可滤过的正性像素的均匀性[14-16]。

表3 治疗后即刻病灶的纹理参数与肌瘤体积和SSS相关指标之间的相关性

注：括号内为相应的P值。

表4 治疗前、后不同SSF图像上各项纹理参数与NPV%的相关性

从治疗前和治疗后即刻子宫肌瘤的纹理参数与评价肌瘤情况相关数据的相关性分析中可以看出，治疗后即刻的纹理参数中仅在SSF2图像上的峰度与治疗前体积和治疗后12个月的体积之间具有统计学相关性，其余的各组图像上的纹理参数与评价肌瘤情况的数据间均无显著相关性。治疗后即刻的峰度值随肌瘤体积的增大而增加，呈现一定的规律性，说明数值的分布在均值附近比较集中。从肿瘤良恶性方面考虑，如果治疗前肿瘤体积较大，同时峰值较高，提示较大的肿瘤内均匀性较高，表明肿瘤具有缓慢生长的生物学特性；而且，治疗后复查时如果肌瘤体积仍较大，而峰值仍处于一个尖峰状态，表明肿瘤内均匀性仍然较高，也同样反映了肿瘤生长缓慢的生物学特性，因此可认为此类肿瘤有良性生长的趋势，倾向于其为良性病变。

肿瘤的空间异质性是一个重要的预后因素，并与潜在的生物学变化相关，如缺氧、细胞浸润、血管生成、甚至是基因表达[17]。而图像纹理分析是一种量化分析空间异质性的有效方法，可通过降低光子噪声的方法来凸显出肿瘤的生物学异质性[18]。既往研究结果提示在不同SSF图像上，可以引用一些纹理参数来量化评价肿瘤的异质性，如反映复杂程度的熵[19]。既往关于CT图像纹理分析的研究中，利用计算机模拟发现，更多血管结构可能与更高的熵值具有相关性[20]。而基于MR图像的纹理分析中，基于T1WI的纹理分析中在SSF4和SSF6条件下熵值能在一定程度上反映病灶的血供情况，而基于T2WI的纹理分析中在SSF2和SSF4图像上熵值能反映细胞结构的相关信息。本组研究结果显示，治疗前图像上肌瘤的熵值与NPV%之间具有显著相关性，而其在治疗后即刻图像上的熵值与NPV%之间无显著相关性，这也证熵与血管结构间具有相关性。因为治疗后肌瘤内血管结构被消融破坏，因此熵值不再与NPV%之间具有相关性。而且，治疗前肌瘤的熵与NPV%之间呈正相关，熵值越高，表明肌瘤内血管结构越丰富，而治疗后即刻的NPV%值越高，表明肌瘤的血供越丰富则被消融的区域越大，治疗效果越好，因此可以通过分析治疗前对比增强T1W图像上的肌瘤的熵值来初步预测MRgFUS治疗子宫肌瘤的疗效。

本研究进一步观察发现，在SSF4和SSF6图像上，治疗后即刻的纹理参数中峰度和偏度与治疗后即刻NPV%呈显著正相关(P<0.01)。治疗后即刻偏度越大，表示病灶的信号强度相对于均值的分布越不对称，非灌注区体积越大，即NPV%越高，而此区域的信号强度明显低于其它区域，故NPV%与偏度值的变化具有一致性。而治疗后即刻峰度越大，表明变量的分布在均值附近比较集中，这一特征与病灶内无血供区体积大(即NPV%高)时病灶内信号较均一的表现具有一致性。因此，笔者认为可通过对治疗后即刻对比增强T1W图像进行纹理分析，通过测量病灶的峰度和偏度来评估MRgFUS的治疗效果。

本研究的局限性包括两个方面：首先，样本量偏小，有待今后进一步行多中心大样本量研究；其次，本研究中仅测量了对比增强T1W图像上病灶的纹理参数，在以后的研究中可将T1WI、T2WI等多序列图像同时纳入到研究中。

综上所述，对比增强T1W图像上的纹理参数与子宫肌瘤的治疗效果间具有一定的相关性，可采用治疗前的熵值、治疗后即刻的峰度和偏度来预测MRgFUS治疗子宫肌瘤的疗效。