两款脑部医学影像分析软件对急性缺血性脑卒中患者数据处理及结果对比

温宏峰， 陈 宇， 王培福， 边钺岩， 范晟昱

计算机断层扫描灌注成像(Computed Tomography Perfusion，CTP)、磁共振灌注成像(Perfusion Weighted Imaging，PWI)、弥散成像(Diffusion Weighted Imaging,DWI)及表观弥散系数(Apparent Diffusion Coefficient，ADC)已证明在急性缺血性脑卒中血管内治疗中扮演关键性作用，尤其对于不明时间窗卒中或超过6 h时间窗卒中患者的筛选[1～7]。目前已有多种通过设定固定阈值的方法，从最大达峰时间(Time to Maximum Peak，Tmax)、脑血流速(Cerebral Blood Flow，CBF)及ADC图像中提取低灌注区及核心梗死区的体积，以此作为对急性缺血性脑卒中超窗患者血管内治疗筛选标准之一[8～11]。通过反卷积计算方法对CTP和PWI图像进行处理，生成包含脑血流量(Cerebral Blood Volume，CBV)、CBF、平均通过时间(Mean Transit Time，MTT)、Tmax。在CTP检查处理流程中，Tmax大于6 s的由大脑中动脉供血的脑组织被认为是低灌注区(包含核心梗死区和缺血半暗带)，而大脑异常侧CBF值低于30%正常侧CBF值的由大脑中动脉供血的脑组织被认为是核心梗死区。在PWI检查处理流程中，低灌注区的测量方法与CTP相同，但核心梗死区由ADC值低于620区域定义[10]。目前已有多种针对脑灌注影像处理软件可提供全自动的缺血半暗带和核心梗死区体积量化的功能。

由于缺少标准的影像扫描协议，不同脑部医学影像分析软件针的处理结果存在一定差异，因此评价不同软件处理结果的一致性至关重要。本文中对比的两款脑部医学影像分析软件分别为RAPID和imSTROKE，其中RAPID软件已用于DAWN、DIFFUSE3等多个临床试验中对急性缺血性脑卒中患者进行筛选[12,13]，而imSTROKE软件目前在多家医院进行应用，能够提供全自动核心梗死区和缺血半暗带体积量化服务。因此本文目的为对比imSTROKE与RAPID软件处理结果间的差异。

1 资料和方法

1.1 临床资料 共采集611例急性缺血性脑卒中患者治疗前脑灌注影像检查数据，其中349例患者采用CTP检查，262例患者采用磁共振PWI、DWI、ADC多模影像检查。纳入的患者需要符合以下标准：临床诊断急性缺血性脑卒中，美国国立卫生研究院脑卒中量表(National Institutes of Health Stroke Scale,NIHSS) 为5分或以上，CT或磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)检查中未发现出血，CT血管造影证实前循环颅内大动脉闭塞。影像数据覆盖患者大脑需要超过100 mm。排除存在严重运动伪影及低质量的图像数据。所有患者记录及图像均在采集过程中进行匿名化脱敏，并已从所有患者或其法律代表处获得书面知情同意。

1.2 方法 部分患者的影像数据采集协议存在差异。所有的软件包都包含自动配准、运动矫正、动脉输入函数提取与区域分割。两种软件均将低灌注脑组织区定义为Tmax大于6 s，且为大脑中动脉供血区的脑组织，在CTP检查中核心梗死区定义为大脑异常侧CBF值低于30%正常侧CBF值且由大脑中动脉供血的脑组织，在PWI检查中核心梗死区定义为ADC值低于620且由大脑中动脉供血的脑组织。

1.3 统计学分析 采用SPSS 17.0和Medcalc 19.6.3软件进行数据分析。不符合正态分布的数据中位数和均值表示，分类变量以数字(百分比)表示，采用配对差异的Wilcoxon检验作为非参数检验。采用Bland-Altman分析95%置信度(Confidence Interval，CI)和类内相关系数(Intra-class Correlation Coefficient，ICC)来确定RAPID、imSTROKE之间的一致性。ICC值由Koo等提出的标准进行解释:<0.50(较差)；0.50～0.75(中等)；0.75～0.90(良好)；>0.90 (优秀)[14]。为分析两种软件是否具有一致性，本文设定不同阈值区间计算准确率、精确率、敏感性、特异性。本文检测梗死核心区体积 ≤ 25 ml、≤ 50 ml和 ≤ 70 ml的一致性。根据DEFUSE3试验的上四分位数范围(p75)选择25 ml阈值，根据DAWN、EXTEND-IA和DEFUSE3试验的数据(纳入上限)选择50 ml和70 ml阈值。P值<0.05认为有统计学意义[12，13，15]。

2 结 果

2.1 CTP、PWI、DWI及ADC扫描方案的详细信息(见表1) 所有的数据集都分别用imSTROKE与RAPID软件进行处理，其参数(见表2)。

表1 CT和MR影像扫描信息

表2 软件处理参数设定

2.2 本文分别对两种软件的处理结果进行统计分析 结果显示利用CT、MR和所有图像处理的核心梗死区体积结果的中值、四分位距、均值和标准差(见表3～表5)。显示利用CT、MR和所有图像处理的低灌注区体积结果的中值、四分位距、均值和标准差(见表6～表8)。

表3 CT 核心梗死区体积统计

表4 MR 核心梗死区体积统计

表5 CT和MR核心梗死区体积统计

表6 CT低灌注区体积统计

表7 MR低灌注区体积统计

表8 CT和MR低灌注区体积统计

2.3 本文整理了imSTROKE和RAPID软件对所有611例患者数据处理结果 并分别对核心梗死区和低灌注区体积结果进行统计分析，得到P值分别为0.0689、0.0597，均无明显统计学差异。通过分析两款软件的核心梗死区的处理结果发现，对于体积偏小(0～15 ml)，数据点分布较为分散，存在少量偏离点；对于体积在15～30 ml范围内的，数据点分布较为集中；而体积在40 ml以上时，数据点分布较为分散。经Bland-Altman分析，其平均差异为0.5 ml，95%置信区间为6.3～5.4 ml。利用上述方法对低灌注区体积进行统计分析，结果显示体积超过110 ml数据点分布相比体积小于110 ml的数据点分布分散，而其Bland-Altman图显示其平均差异为1.8 ml，95%置信区间为16.5～12.8 ml(见图1)。

图1 611例缺血性脑卒中患者的CT及MR影像经imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区、低灌注区体积散点图和对应的Bland-Alman分析图。A：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区散点图，虚线代表y=x参考线；B：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围；C：imSTROKE和RAPID软件测量低灌注区散点图，虚线代表y=x参考线；D：imSTROKE和RAPID软件测量低灌注区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围

2.4 由于在两款软件中对CT和MR检查中运用的处理方法不同 为了能进一步对比两款软件分别在CT和MR检查中的一致性，本文将imSTROKE和RAPID软件对349例以CT检查和262例以MR检查为影像评估的患者的处理结果分别进行了统计分析。在CT检查组中，两款软件对核心梗死区和低灌注区体积的统计分析P值分别为0.0584和0.0635，均无明显统计学差异。Bland-Altman分析显示，平均差异分别为0.4 ml和1.9 ml，95%置信区间范围分别为6.4～5.6 ml和16.1～12.3 ml，详情(见图2)。在MR检查组中，两款软件对核心梗死区和低灌注区体积的统计分析P值分别为0.0789和0.0828，同样均无明显统计学差异。经Bland-Altman分析，平均差异分别为0.5 ml和1.8 ml，95%置信区间范围分别为6.3～5.2 ml和17.0～13.5 ml，详情(见图3)。

图2 349例缺血性脑卒中患者CTP影像检查经imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区、低灌注区体积散点图和对应的Bland-Alman分析图。A：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区散点图，虚线代表y=x参考线；B：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围；C：imSTROKE和RAPID软件测量低灌注区散点图，虚线代表y=x参考线；D：imSTROKE和RAPID软件测量低灌注区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围

图3 262例缺血性脑卒中患者PWI/DWI和ADC影像检查经imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区、低灌注区体积散点图和对应的Bland-Alman分析图。A：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区散点图，虚线代表y=x参考线；B：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围；C：imSTROKE和RAPID软件测量低灌注区散点图，虚线代表y=x参考线；D：imSTROKE和RAPID软件测量低灌注区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围

2.5 本文还分别对CT检查组、MR检查组及全数据集进行ICC的统计分析 结果显示在所有分组中ICC均超过0.98，95%置信区间下限均超过0.98(见表9)。同时为了分析在不同体积范围两者的一致性情况，本文对两款软件对≤25 ml、≤50 ml、≤70 ml体积范围的核心梗死区;≤45 ml,≤90 ml,≤125 ml体积范围的低灌注区分别计算准确率、精确率、特异度和敏感度，结果显示各个分组均具有较好的表现(见表10、表11)。

表9 ICC 和P值统计

表10 核心梗死区体积的准确度、精确度、特异度、敏感度统计

表11 低灌注区体积的准确度、精确度、特异度、敏感度统计

3 讨 论

本文分别对imSTROKE和RAPID软件处理得到的核心梗死区和缺血半暗带体积的结果进行了一致性比较，结果显示两者具有非常高的一致性，虽然在个别体积范围内存在差异，但从整体来看一致性很好。为了能够对比两款软件在不同体积范围内的核心梗死区和低灌注区分析的一致性，本文为核心梗死区和低灌注区分析分别设定了3个体积阈值范围。因为DAWN和DIFFUSE3试验中显示符合CT或MR检查筛选条件的患者，在血管内治疗后有显著获益[12,13]，因此核心梗死区体积阈值范围的设定是基于EXTEND-IA、DAWN和DIFFUSE3临床试验数据而来的。而对于低灌注区体积阈值范围的设定，因为在DIFFUSE3中将低灌注区体积与核心梗死区比值超过1.8作为超窗患者的筛选条件[14,15]，因此低灌注区体积阈值范围被设定为1.8倍的核心梗死区体积阈值范围。结果显示在不同体积阈值范围上，两款软件的分析结果的准确率、精确率、特异度和敏感度均非常高，具有高度一致性。

通常情况下，影像扫描参数的不同会引起影像质量的变化，从而引起分析结果的差异[16～18]。本文纳入数据集的扫描协议共10种，其中CT扫描协议6种、MR扫描协议4种。不同扫描协议之间的差异主要在设备类型、扫描范围、打药速度、对比剂类型。尽管数据整体一致性较高，但本文未针对不同扫描协议数据集的分析结果对比，后续将进行进一步研究。同时本文将进一步对ASL影像技术测量的核心梗死区与低灌注区体积的计算结果与现有CT和MR检查结果进行对比分析，对比各个技术间一致性。

总体而言，相比与手动的影像测量和分析方法，全自动式的影像分析工具可大大节省时间，提高诊疗效率，同时可重复性高，评价标准较为客观。

imSTROKE和RAPID软件在利用CTP、PWI、DWI和ADC图像进行核心梗死区、低灌注区的体积测量功能上拥有非常高的一致性。尽管两款软件在分析结果上拥有较高的一致性，但在临床实际应用过程中，我们推荐医生优先选用操作更为便捷、快速的软件进行图像处理，以在最短的时间内完成影像评估。未来我们将增加扫描设备类型、更多的扫描协议类型等进行更大范围的试验验证一致性。