基于常规磁共振成像的图像纹理分析对肝局灶性病变的鉴别诊断价值

夏 鹏，王国祥，刘 栋，蒋兆贯

无锡市中医医院放射科，江苏 无锡 214071

图像纹理分析是一种计算机辅助图像处理技术，可以用于描述各种医学影像学图像的像素、像素直接的位置分布关系和图像各种灰阶的空间分布特征，而这些图像的表面特征信息很多是人类肉眼无法精准判别的［1-2］。近年来，基于医学影像学图像的纹理分析已用于多种疾病的定性诊断［3-4］、病理学分级［5-6］、治疗反应评估及预后评估［7-8］的临床实践中。

体模研究显示，基于图像纹理特征的分类模型，其效率很大程度上依赖于所分析图像的空间分辨率［9-10］。由于临床上腹部磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）不容易获取高分辨率图像，肝脏局灶性病变所得到的用于纹理分析的绝对像素较少，运用纹理分析方法诊断肝局灶性病变遇到很大挑战。已有相关研究［11］显示增强MRI的纹理分析技术可以用于术前预测肝细胞肝癌微血管侵犯情况。因此，本研究拟探讨常规MRI T1WI、T2WI图像纹理分析对肝血管瘤和原发性肝癌的鉴别诊断价值。

1 资料和方法

1.1 一般资料

收集于无锡市中医医院确诊为原发性肝癌或肝血管瘤的患者57例，共128个病灶，其中男性35例，女性22例，年龄范围23～78岁，平均（54.9±14.5）岁。原发性肝癌的诊断标准为手术或穿刺病理学诊断标准（共53个病灶）或符合临床诊断标准（共11个病灶）［12］。所有肝血管瘤病灶（64个）的MRI诊断符合Ba-Ssalamah等［13］提出的MRI分型及诊断标准。

1.2 MRI检查方法

所有患者均行3.0T常规MRI检查和动态增强扫描（荷兰Philips公司，Ingenia 3.0T MR system）。其中用于纹理分析的常规横断面T1WI、T2WI具体扫描参数：① T1WI检查序列为快速自旋回波序列，重复时间（repetition time，TR）/回波时间（echo time，TE）为 140 ms/1.15 ms，翻转角为55°，层厚5 mm，层距1 mm；② T2WI序列为单次激发快速自旋回波屏气扫描序列，TR/TE为1 086 ms/80 ms；层厚 5 mm，层距1 mm。

1.3 纹理分析

应用Mazda软件分析所选择的图像（病灶横断面中心层面图像），选择软件不规则型感兴趣区（region of interest，ROI）画笔手动勾画病灶轮廓，并计算出该ROI所示范围内图像的纹理特征参数。ROI的勾画具体方法及其区域内纹理特征的计算过程如下：选取每个病灶的横断面T1WI、T2WI中心层面图像，尽量避免部分容积效应影响，由医师手动勾画ROI，要求尽量包含全部病灶（图1），确定ROI后，病灶内的纹理特征参数由Mazda软件自动处理。由于该软件所提取的纹理特征参数较多，所以提供了3种筛选具有临床意义的纹理特征参数的方法，即：Fisher系数（Fisher coefficient，Fisher）、交互信息（mutual information，MI）、分类错误概率联合平均相关系数（classification error probability combined average correlation coefficients，POE+ACC）。以上3种方法每种筛选10个纹理特征参数。此外，联合运用这3种方法，简称为FPM，筛选出30个纹理特征。

为了检验手动勾画ROI的一致性和可重复性，2名医师在未知病变性质的情况下独立完成所有病灶的ROI勾画，并于1周后再次勾画。

1.4 统计学处理

观察者内部和观察者之间的变异性用类间相关系数（inter-class correlation coefficient，ICC）来评价。0表示不可信，1表示完全可信，一般认为信度系数＜0.4表示信度较差，＞0.75表示信度良好。

图1 Mazda软件勾画ROI及纹理分析示意图

用受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线分析方法评价Fisher、MI、POE+ACC和FPM提取的纹理特征联合诊断的效率。应用Mazda软件包中自带的B11统计软件模块，根据所选择的纹理特征，对肝脏局部病变进行分类。主要包括以下4种分类方法：线性判别分析（linear discriminant analysis，LDA）、非线性判别分析（nonlinear discriminant analysis，NDA）、原始数据分析（raw data analysis，RDA）、主要成分分析（principal component analysis，PCA）。T1WI、T2WI图像对肝血管瘤和原发性肝癌的分类结果以错判率表述，将其定义为误将肝血管瘤分类成原发性肝癌、原发性肝癌分类成肝血管瘤的例数占总病例数的百分比。误判率越小，说明在该成像序列中病变图像蕴含的用于鉴别诊断肝血管瘤和原发性肝癌的纹理特征信息越多，对病变的诊断价值越高。用非参数检验方法Mann-Whitney U检验比较两种成像序列图像纹理特征分类肝血管瘤和原发性肝癌的误判率差异，统计软件为SPSS 22.0，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

T1WI图像上勾画病灶ROI观察者内部和观察者之间的类间相关系数分别为0.806（0.720，0.868）和0.750（0.644，0.828）；T2WI图像上勾画病灶ROI观察者内和观察者间的类间相关系数分别为0.817（0.723，0.879）和0.814（0.730，0.873）。

T1WI和T2WI图像肝血管瘤和原发性肝癌4种不同特征提取方法提取的纹理特征结果见表1和表2，T1WI序列图像上Fisher、MI、POE+ACC和FPM法筛选纹理特征对应的曲线下面积（area under curve，AUC）分别为0.921、0.949、0.936和0.982；T2WI序列图像上4种方法筛选纹理特征对应的AUC均为1（图2）。用Mazda软件包中自带的B11统计软件模块，根据所选择的纹理特征，4种不同的分类统计方对肝脏局部病变进行分类的误判率见表3和表4。

表1 基于T1WI病灶纹理分析肝血管瘤和原发性肝癌不同方法筛选的纹理特征

表2 基于T2WI病灶纹理分析肝血管瘤和原发性肝癌不同方法筛选的纹理特征

表3 基于T1WI病灶纹理特征不同纹理特征提取方法及不同分类统计方法下的误判率

表4 基于T2WI病灶纹理特征不同纹理特征提取方法及不同分类统计方法下的误判率

图2 基于常规MRI T1WI和T2WI图像的4种纹理特征提取方法鉴别原发性肝癌和肝血管瘤效能的ROC曲线

基于T1WI图像病灶的纹理特征分析，误判率在9.38%～35.16%，以MI纹理特征提取方法下的PCA分类方法对应之误判率最高，而MI纹理特征提取方法下的NDA分类方法对应之误判率最低。

基于T2WI图像病灶的纹理特征分析，误判率在0.00%～26.56%，以POE+ACC纹理特征提取方法下的PCA分类方法对应之误判率最高，而POE+ACC和FPM纹理特征提取方法下的NDA分类方法均取得了零误判的结果。

基于T2WI图像病灶的纹理特征分析误判率小于基于T1WI图像的分析（P=0.002）。

3 讨 论

纹理分析是影像组学研究技术的重要组成部分，基于常规影像学图像中像素或体素强度和空间分布的关系，能够高通量提取、分析、解译定量影像特征，客观量化评估肿瘤整体异质性，具有可重复性、无创性。目前已广泛用于肿瘤良恶性鉴别、病理学分级、疗效评估等方面。本研究结果显示，利用图像纹理分析方法，在常规磁共振图像上可对肝血管瘤和原发性肝癌进行有效区分，其中T2WI图像病灶纹理分析运用POE+ACC、FPM纹理特征提取方法的NDA分类方法均取得了零误判的结果。

MRI运用于腹部之初，设想这一技术具有优良的组织对比度和各种成像参数的脉冲序列来检测病变的特征而无需注射对比剂即可对病灶进行定性诊断，然而，在临床实践中我们很快就发现，对于肝脏局灶性病变单纯运用非增强MRI很难有足够的信心作出诊断［14］。近年来，随着计算机辅助图像分析技术的发展，在临床病变诊断领域，很多研究尝试通过计算机辅助分析医学影像学图像纹理特征对疾病进行定量研究，以此帮助临床医师得到更加可靠的诊断结果。现有的研究［2，6，8］认为，在机体特定器官或组织内发生病理学改变后，可通过对特定器官或组织医学成像的图像纹理特征区分正常组织和病变组织，甚至可以对病变组织病理学类型和病变所处病理学阶段进行高效诊断。

大部分情况下，肝血管瘤T2WI图像上信号要高于原发性肝癌，但当肝癌组织内出现较多坏死或胆管细胞型及以胆管细胞型为主的混合型原发性肝癌，两者在T2WI图像上信号差异不明显，此时常规MRI就很难鉴别。不同的病理学特征决定了两种病变在MRI成像中的特征，也是图像纹理分析根据图像内部的像素的空间分布关系等特征而实现鉴别诊断的理论基础。原发性肝癌从病理组织学上可分为肝细胞型、胆管细胞型和混合型。肝细胞型分化程度差异大，不同分化程度其癌细胞分布排列各有特点，如分化高者癌细胞多排列呈巢状，而分化低的癌细胞多呈不规则排列，细胞大小及形态各异。胆管细胞型肝癌来源于肝内胆管上皮，因此，癌细胞呈管状排列，癌组织内间质含量较多。而肝血管瘤是一种较为常见的肝脏良性肿瘤，以海绵状血管瘤最多见，一般病灶生长缓慢，瘤体大小不一，有时也可呈分叶状表现。瘤体周围内皮细胞呈簇状或团状排列，细胞形态各异；瘤体中央内皮细胞呈扁平状，瘤体内成纤维细胞可发生玻璃样变性，内部可见血栓形成，红细胞浸润至间质。此外，医师肉眼观察图像受其经验、人体疲劳等主观因素影响，图像纹理分析可避免这些主观因素的影响，为诊断提供更加客观的图像信息。

此外，本研究发现基于T2WI图像的病变特征提取效率要高于T1WI图像，表明纹理分析结果受原始图像影响，高分辨率图像、能反映病变某些病理生理状态的功能影像纹理分析在病变的鉴别诊断、治疗决策的制定和预后评价中的应用意义可能更大，这需要进一步研究证实。

本研究存在的不足：① 肝脏的增强MRI和磁共振扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）已普遍用于临床，并且已有研究［11，15］表明基于增强MRI和DWI图像的纹理分析在预测疾病特征和鉴别诊断中具有重要的临床意义。本研究只分析了平扫T1WI和T2WI图像纹理特征在鉴别诊断中的价值，在后续的研究中，我们将比较基于平扫序列的纹理分析方法和增强MRI、DWI等序列鉴别诊断效能，以及联合应用的临床价值。② 本研究中图像纹理分析是基于病灶的横断面中心层面图像，以此代表整个病灶可能会出现结果的偏倚，在下一步研究中需要运用3D图像勾画肿瘤整体，以尽量减少此因素带来的偏倚。

总之，本研究显示基于临床常规磁共振T1WI和T2WI图像纹理分析可为肝脏局灶性病变原发性肝癌和肝血管瘤的鉴别诊断提供可靠的信息及客观依据，有助于提高肝脏局灶性病变非增强MRI的鉴别诊断效率。