MRI纹理分析对非酒精性脂肪肝纤维化分期诊断价值的研究

杨莹 刘敏 丁建平 庞佩佩 李洁

全球约有25%的成年人患有非酒精性脂肪性肝病（nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD），亚洲地区则高达27%[1]。NAFLD早期可逆且预后良好，但若未及时加以干预，可进展为肝纤维化、肝硬化甚至肝癌，该疾病的预后与肝纤维化程度密切相关[2]。肝脏组织学检查是诊断NAFLD的金标准，但在疾病早期阶段即对肝脏组织进行活检不易被患者接受，且难以对后续治疗效果进行监测。因此，建立一种无创、客观的指标来准确评估肝纤维化程度在NAFLD的早期诊断、干预治疗中至关重要。纹理是图像中存在的基本特征，是图像中反复出现的局部模式和排列规律，纹理分析（texture analysis,TA）是一种新兴的成像应用程序，它可以通过分析感兴趣区域（region of interest,ROI）内像素强度灰度的分布和（或）关系来量化器官或病灶中的异质性。本研究旨在探讨MRI TA对NAFLD患者肝纤维化分期诊断的潜在价值，现报道如下。

1 对象和方法

1.1 对象 选取2015年10月至2019年3月杭州师范大学附属医院收治的行MRI T1WI序列检查且经肝穿刺活检确诊为NAFLD的患者67例，MRI检查与肝穿刺活检的间隔时间均不超过7 d，其中1例因MRI图像有明显呼吸运动伪影而被排除，最终纳入66例，其中男 48 例，女 18 例，年龄 18～68（41.33±12.00）岁。依据Scheuer法将66例患者分为S0～S4期，其中S0期8例，S1期（轻度肝纤维化组）19例，S2期（中度肝纤维化组）20例，S3期13例，S4期 6例（S3+S4期为重度肝纤维化组），各期肝纤维化病理标本见图1。不同分期5组患者性别、年龄比较差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表1。本研究经杭州师范大学附属医院医学伦理委员会批准，所有患者均知情同意。

表1 S0～S4期NAFLD患者一般资料比较

图1 S1～S4期非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）肝组织病理检查所见（a：S1期，肝细胞广泛脂肪变，轻度窦周纤维化，Masson染色，×20；b：S2期，窦周及汇管区纤维化，Masson 染色，×20；c：S3期，桥接纤维纤维形成，天狼猩红染色，×20；d：S4期，肝小叶结构紊乱，假小叶形成，天狼猩红染色，×10）

1.2 仪器与方法 采用德国Siemens公司产的Magnetom Avanto 1.5 T高场超导MR扫描仪，8通道表面相控阵体部线圈，加呼吸门控。所有患者扫描前禁饮食4～6 h，所有检查均由同1名专业MRI技师操作。常规序列T1WI横轴位，扫描参数：重复时间 6.32 ms，回波时间 2.39 ms，视野 420 mm×315 mm，矩阵 154×256，层厚4.0 mm，层间隔0.8 mm。1次屏气期间采集全肝数据，成像时间约18 s。

1.3 图像分析

1.3.1 图像选择 采用移动硬盘将医学影像信息系统（picture archiving and communication systems,PACS）工作站上的图像以DICOM格式导入GE Omin-Kinetics应用平台中。本研究选用MRI T1WI图像，在显示第一肝门层面上，由1名经验丰富的影像诊断医师手动勾画ROI，注意避开肝内大血管，且距离肝脏边缘至少1 cm，选取肝右叶后段面积为3 cm2的ROI，共勾选3次，得出纹理特征取平均值。

1.3.2 TA 采用GE Omin-Kinetics软件自动分析功能得到灰度共生矩阵（gray-level co-occurrence matrix,GLCM）的15个纹理特征参数，包括能量、熵值、惯性矩、自相关以及基于共生矩阵（co-occurrence matrix）的11个 Haralick纹理特征（Haralick Correlation、Haralick Entropy、Angular Second Moment、Contrast、Hara Variance、Sum Average、Sum Variance、Sum Entropy、Difference Variance、Difference Entropy、Inverse Difference Moment）。

1.4 统计学处理 采用SPSS 22.0统计软件。计量资料以表示，多组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD-t检验。计数资料组间比较采用χ2检验。采用Pearson相关分析肝纤维化程度与不同纹理特征的相关性。采用ROC曲线分析不同纹理特征参数鉴别肝纤维化程度的效能。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 S0～S4期NAFLD患者MRI T1WI图像纹理特征参数比较 S0～S4期 5组患者在能量、熵值、Haralick Entropy上比较差异均有统计学意义（均P＜0.05），其余13个纹理特征参数比较差异均无统计学意义（均P ＞0.05），见表 2。

表2 S0～S4期NAFLD患者MRI T1WI图像纹理特征参数比较

2.2 不同肝纤维化程度NAFLD患者能量、熵值、Haralick Entropy比较 由于S0期样本量少，且S0与S1期的能量、熵值、Haralick Entropy比较差异均无统计学意义（均P＞0.05），因此S0期未纳入进一步分析。根据临床应用将肝纤维化程度分为轻度（S1期）、中度（S2期）、重度（S3+S4期）3组进行单因素方差分析，得出不同肝纤维化程度患者能量、熵值、Haralick Entropy比较差异均有统计学意义（均P＜0.05），且不同程度肝纤维化组间两两比较差异均有统计学意义（均P＜0.05）。肝纤维化分期与能量、熵值以及Haralick Entropy均存在显著相关性（r=-0.611、0.680、0.404，均 P＜0.05），见表 3。

表3 不同肝纤维化程度NAFLD患者能量、熵值、Haralick Entropy比较

2.3 不同纹理特征参数鉴别肝纤维化程度的效能与轻度肝纤维化比较，鉴别中度肝纤维化效能最高的纹理特征是熵值；与中度肝纤维化比较，鉴别重度肝纤维化效能最高的纹理特征也是熵值。见图2和表4。

表4 能量、熵值、Haralick Entropy鉴别不同程度肝纤维化的效能

图2 能量、熵值、Haralick Entropy鉴别轻中度肝纤维化、中重度肝纤维化效能的ROC曲线（a：轻中度肝纤维化比较；b：中重度肝纤维化比较）

3 讨论

在NAFLD中，肝纤维化是直接影响患者预后的独立因子[2-3]。众多学者利用无创性影像学技术对肝纤维化程度的评估进行了大量的研究，近年来，随着TA软件的开发，基于医学图像的影像组学成为一大研究热点。TA可以应用各种成像技术如超声、CT、MRI平扫序列或动态对比增强序列，来量化肝实质的特征[4-7]。与其他技术相比，TA可以前瞻性和回顾性地应用于常规扫描获取的图像，而无需专用硬件支持。GLCM特征主要通过统计不同方向和步长的像素对出现的概率，从而得到共生矩阵，然后对共生矩阵的分布进行量化，以此来描述病灶部位的复杂性、层级变化以及纹理的粗细程度等信息。本研究按照文献[8-9]所示的方法使用一个固定表面积的单个圆形ROI提取TA参数，以确保有较高的重复性。MRI图像相对于CT图像序列更多，提供的信息也更丰富，在影像组学的研究中更具有优势[10]。Yu等[11]研究肝纤维化大鼠T1WI及T2WI图像的纹理特征，发现基于T1WI的GLGM能很好地识别不同程度的肝纤维化。

本研究收集NAFLD患者的病理资料及肝脏MRI检查资料，利用GE Omin-Kinetics纹理分析软件，选取15个基于GLCM的特征：能量、熵值、惯性矩、自相关以及11个Haralick纹理特征。能量为GLCM元素值的平方和，反映图像灰度分布均匀程度和纹理粗细度，GLCM元素集中则能量值大，元素分散则能量值小；本研究结果提示能量随着肝纤维化程度的进展有降低趋势，与童隆正等[12]利用CT图像的研究结果不同，因此能量特征在肝纤维化程度鉴别上的意义有待进一步研究。熵值可体现图像空间的复杂性和混乱度，即灰度分布的随机性，图像的灰度分布随机性越高，熵值越高；肝脏发生纤维化改变时，由于结缔组织增生，肝实质不规律变化，随机性升高，因而熵值升高；本研究结果发现熵值与肝纤维化程度呈正相关，与童隆正、Cannella等[12-13]的研究结果一致，Xu等[14]通过建立大鼠模型同样发现在肝纤维化组中的熵值明显高于无纤维化组，熵值在肝纤维化程度诊断方面有较大的潜力。Haralick特征同样是基于GLCM来提取相应的特征，但其提取了4个方向，且步长为1的GLCM，本研究发现Haralick Entropy即Haralick熵值同样有助于肝纤维化的评估，House等[15]通过对7例NAFLD患者在内的共49例因各种不同慢性肝脏疾病致肝纤维化的患者肝脏MRI图像的Haralick特征的研究，发现Haralick Entropy有助于区分无、轻度和较重度肝纤维化。

综上所述，基于MRI T1WI图像提取的能量、熵值、Haralick Entropy等纹理特征对NAFLD患者轻中重度肝纤维化的鉴别诊断具有一定的价值。但本研究也存在一定的局限性：首先，样本量有限，未来需要大量的、多中心的研究来支持TA在评估肝纤维化分级中的应用价值；其次，本研究中未发现S0与S1之间有显著差异的纹理特征，可能与样本量小（尤其是S0期的样本量）有关；此外，未来可以进一步加入患者相关的临床生化指标（如肝酶、血脂等）进行综合分析。目前针对肝纤维化程度分级的MRI图像方面的纹理研究处于初步阶段，在今后的研究中，笔者将会继续收集更多肝纤维化患者的多维度的临床资料，以深入探索TA在鉴别肝纤维化分期中的效能。