基于DWI影像组学判断克罗恩病患者末端回肠炎症活动性的研究

丁洪蕾 周科峰 蒋科芳 李嘉颖 高晨 张华妮 孙志超

克罗恩病（Crohn's disease，CD）是一种慢性破坏性肠道疾病，随着时间的推移，半数患者会出现肠道狭窄、瘘管、脓肿等并发症，通常需要手术治疗[1-2]，因此早期精准评估患者病情对预后非常重要。磁共振成像能对小肠病变进行评估，并已证明可以预测CD患者的长期结果[3]；与单纯评估肠黏膜组织的内镜检查相比，磁共振检查还能提供额外的诊断信息[4]。但与内镜检查一样，磁共振的诊断也存在主观差异性、经验差异性等因素。因此，客观精确和可重复的评估方式对于临床诊断CD患者非常重要。影像组学通过提取大量影像特征，将其转化成具有高分辨率、可深度挖掘的特征空间数据并建立相应的模型，从而减少主观判断的差异，对疾病诊断、治疗及预后进行客观量化分析[5]。目前影像组学在判断CD患者活动性方面价值尚不明确，本研究采用磁共振弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）序列，探讨影像组学诊断CD患者末端回肠炎症活动性的价值，现报道如下。

1 对象和方法

1.1 对象 选择2016年1月至2020年4月浙江中医药大学附属第一医院经病理检查诊断为CD的患者89例，男58例，女31例，年龄14～79岁。采用抗肿瘤坏死因子治疗25例（28.1%），免疫抑制剂治疗27例（30.3%），激素类固醇治疗4例（4.5%），两种及以上药物治疗33例（37.1%）。纳入标准：均行内镜和磁共振检查，两者间隔时间不超过3 d，以保证肠道状态的一致性，且磁共振先于内镜检查。排除标准：（1）图像伪影明显，不能勾画感兴趣区（ROI）；（2）末端回肠显示不清；（3）末端回肠以纤维狭窄为主或末端回肠被手术切除；（4）合并其他肠道疾病或肠道肿瘤。所有患者根据内镜检查下末端回肠节段性评分（CDEIS）的临界值7分为界，分为活动组和非活动组。本研究经本院医学伦理委员会批准（审批号：2020-KL-035-01）。

1.2 方法 采用GE 3.0T磁共振扫描仪，腹部相控阵线圈，患者取仰卧位，检查前均肌肉注射盐酸消旋山莨菪碱注射液（中国杭州民生制药有限公司，H33021707）20 mg使小肠充分扩张。扫描序列及参数：横断面DWI序列：TR=10 000 ms，TE=100 ms，层厚7 mm，间距6 mm，FOV=80 mm×80 mm，matrix=130×130；横断面T2WI序列：TR=1 831 ms，TR=68 ms，层厚=7 mm，间距=8.5 ms，FOV=80 mm×80 mm，NEX=1，matrix=288×288；横断面T1WI增强序列：TR=3.7 ms，TE=1.1 ms，层厚=5 mm，间距=3 mm，FOV=280 mm×80 mm，NEX=1，Band Width=166.67 Hz。增强扫描：经肘静脉高压注射器团注钆喷替酸葡甲胺0.1 mmol/kg，速率2.5 ml/s，序列采集时间为对比剂注射后20 s。

1.3 ROI勾画、特征提取与模型建立 所有患者DWI序列图像经spine软件转换成Dicom格式，并导入ITKSnap（Version 3.80）软件中。由1位具有3年放射诊断经验的住院医师沿末端回肠肠壁进行勾画，肠腔排除在外，肠壁显示不清或相邻肠壁视觉重叠部分未纳入ROI中，由2位具有10年以上腹部影像诊断经验的副主任医师复核，勾画结果见图1。所有勾画图像与相应的勾画序列均导入Analysis Kit软件中进行匹配，并基于该软件对ROI进行特征提取。提取的特征包括一阶统计量（first order）、灰度级共生矩阵（gray level co-occurrence matrix，GLCM）、灰度级游程矩阵（gray level run length matrix，GLRLM）、灰度级连通区域矩阵（gray level sizezone matrix，GLSZM）、灰度依赖矩阵（gray level dependence matrix，GLDM）和领域灰度差分矩阵（neighborhood gray-tone difference matrix，NGTDM）共1 316个特征值。将生成的特征表导入IPM软件中，选择二分类机器学习方法。种子点设置为10，将所有患者以7∶3分为训练组与验证组，利用多因素回归分析进行特征筛选，保留差异有统计学意义的特征，Neighbor选择为10，并建立K-近邻函数模型（K-Nearest Neighbor，KNN）模型。以AUC、灵敏度及特异度评估模型的诊断效能。

图1 ROI勾画示意图[a、b：非活动组勾画，末端回肠节段性评分（CD E IS）=3分；c、d：活动组勾画，末端回肠CD E IS=9分]

2 结果

2.1 两组患者一般临床资料的比较 两组患者除性别、疾病行为外，其余各项指标的差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表1。

表1 两组患者一般临床特征资料

2.2 DWI序列影像组学结果 共保留具有统计学差异的特征共9个，见表2。基于保留的特征值构建的KNN模型，训练组AUC为0.801，灵敏度为0.865，特异度为0.600；验证组AUC为0.794，灵敏度0.882，特异度为0.545，见图2。

图2 基于KNN模型的训练组与验证组ROC曲线（a：训练组；b：验证组）

表2 基于多因素回归分析筛选具有统计学差异的特征

3 讨论

本研究结果表明，影像组学能客观量化活动期肠壁的炎症，构建的KNN模型能对活动期与非活动期肠壁进行鉴别诊断。

磁共振评分包括磁共振活度指数（magnetic resonance index of activity，MaRIA）、简化版MaRIA、Clermont评分等，这些评分在判断疾病活动性上效能相差无几[7-10]。但最近一项对肠道造影中心放射科医师之间的阅片一致性研究发现，在病灶的强化测量指标上，组内一致性并不强，有误差存在的可能性[11]，之前也有研究发现，不同医师在肠壁厚度的测量上有潜在的差异性[12]，且主要存在于经验欠缺的放射科医师，因此低年资、经验欠丰富的放射科医师可能会对患者疾病活动性判断产生偏倚。Stidam等[13]以肠道狭窄为研究对象，将半自动图像分析技术与放射科医师主观判断进行对比评估，发现图像分析技术与具有丰富经验的放射科医师诊断效能相当，能弥补医师经验的欠缺，影像组学也是一种以分析图像纹理改变为主的客观评估方式，因此影像组学可以与影像医师经验诊断进行有效互补，但目前该技术广泛用于肿瘤方面的研究[14-16]，在CD活动性方面尚无报道。

既往研究指出CDEIS＜7分趋向于内镜下缓解[8]，因此本研究以CDEIS=7为临界值将患者分为活动组与非活动组，通过DWI序列提取有统计学差异的影像特征共9个，大多数是基于GLCM以及GLSZM的高阶特征。其中GLCM_correlation指标反映的是ROI纹理的复杂性，GLCM_DifferenceVariance以及GLCM_ClusterShade均反映的是图像异质性差异，GLSZM_GraylevelVariance反映的是区域灰度强度的差异[17]，这可能与CD跨壁炎症的病理特征有关，由于活动期肠壁不同程度炎性渗出导致图像同质性改变所致。GLSZM_SizeZoneNonUniformityNormalized反映的是整个图像中区域大小体积的可变性，活动期肠壁增厚或出现水肿，其体积可变性会增加，与ROI中邻近肠壁体积的同质性相差更大。这些特征反映了活动期与非活动期图像在纹理和灰度具有较大的差异，因此可以用影像组学来客观量化。

本研究基于DWI序列构建的影像组学模型，训练组与验证组的特异度均较低，究其原因可能有两点，第一：ROI选择所致。本研究以内镜下评分为参考标准，将横断面末端回肠整体肠壁作为ROI，这与Makanyanga等[18]研究中ROI类似，该学者发现肠壁整体作为ROI（大ROI）与磁共振评分具有良好相关性，而肠壁局部作为ROI（小ROI）与病理下的组织急性炎症评分具有较好的相关性，但目前大ROI与内镜评分的关系仍尚不明确。第二：图像层厚与间距所致。本研究DWI序列层厚为7 mm，间距6 mm，相邻层面可能会存在病灶部分信息丢失，导致纳入ROI信息有限，这与Bhatnagar[19]基于T2WI序列的研究结论类似。当然基于其他序列构建的KNN模型或其他影像组学模型在判断CD患者炎症活动性是否更优还需要进一步研究。

本研究具有一定局限性：第一，训练组与验证组的样本量均较少，未来将增加样本量以及前瞻性多中心研究；第二，本研究ROI仅限于末端回肠，取得末端回肠节段性内镜评分，与整体内镜评分具有一定差异性，此外也未纳入全肠道病变，因此构建的模型无法对患者肠道整体状态进行判断，也无法纳入血清学炎症指标构建诺莫图提高诊断的准确性。第三，本研究未纳入放射科医师主观磁共振评分指标并进行对比，未来还需进一步评估两者的诊断差异性。

综上所述，基于DWI影像组学KNN模型在判断CD患者末端回肠炎症活动性具有较好的潜力，能进一步帮助放射医师客观评估病情，并为临床选择治疗方案以及对CD的管理提供客观的影像学依据。