较低级别胶质瘤MRI 影像组学研究中手动分割ROI 特征提取的一致性和可重复性分析

刘书涵，韩海伟，韩成坤，周 青

（1.厦门大学附属第一医院放射科，福建 厦门 361003；2.武汉大学人民医院超声科，湖北 武汉 430060）

胶质瘤起源于神经胶质细胞，是成人最常见的原发性脑肿瘤，约占颅内肿瘤的75%［1］。研究表明，近年来发达国家的胶质瘤发病率在全球范围内有显著上升的趋势［2］。胶质瘤具有高度异质性、侵袭性和复发性，目前尚无有效的根治措施。因此，早期精确诊断尤其重要。近年来，在众多的诊断方法中，MRI 影像组学不仅具有高空间分辨力和多参数成像的优势，还可对靶区进行影像学特征的高通量提取，筛选出有利于诊断的组学特征，并予以验证、建立模型［3-4］。尽管如此，影像组学也面临着巨大挑战，包括但不限于ROI 提取的差异性、定量成像的重复性、重建参数的敏感性，以及构建模型的可解释性等［5］，其中，影像组学对ROI 的精准分割是后续工作的首要保障。目前，医学图像ROI 的分割主要是利用3D-Slicer（https：//www.slicer.org/）或ITK-SNAP（http：//www.itksnap.org/）软件进行全自动、半自动和手动分割，而被学术界一致认为金标准的手动分割［6］，却存在着不可忽视的完整性和稳定性差异。因此，本研究以较低级别胶质瘤为例，探讨肿瘤MRI 影像组学研究中手动分割ROI 特征提取的一致性和可重复性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性分析厦门大学附属第一医院2017 年12 月至2020 年12 月收治的78 例经病理确诊为较低级别胶质瘤患者的临床及影像资料，其中男43 例（55.13%），女35 例（44.87%）；年龄16～70 岁，平均（41.4±13.6）岁。纳入标准：①经病理确诊为较低级别胶质瘤（WHO 2～3 级）；②患者图像资料完整，同时具备T2WI、动态增强T1WI（CE-T1WI）序列；③图像质量较好，不存在大于所勾画层面15%的伪影。排除标准：①排除确诊为WHO 1、4 级的胶质瘤患者；②图像质量不佳，无法勾画ROI 者；③缺少CE-T1WI 序列和/或无病理结果的患者。本研究获得医院伦理委员会批准。

1.2 仪器与方法 使用Philips Achieva 1.5 T MRI扫描仪。扫描序列与参数：T2WI，TR/TE 4 000 ms/120 ms，视野240 mm×240 mm，矩阵480×480，层厚5 mm，层距1 mm，激励次数1 次；CE-T1WI，TR/TE 800 ms/20 ms，视野240 mm×240 mm，矩阵384×224，层厚5 mm，层距1.5 mm，翻转角90°，激励次数1 次。增强扫描经静脉高压注射对比剂钆喷酸葡胺注射液（马根维显，德国BAYER 公司），剂量0.1 mg/kg 体质量。

1.3 肿瘤ROI 分割与特征提取 由2 名医师（医师A：具有11 年工作经验的放射科主治医师；医师B：具有7 年工作经验的放射科住院医师）采用盲法分别独立完成78 例胶质瘤的分割任务。2 名医师均采用3D-Slicer 软件（4.11 版本）进行手动分割（ROI分割前，分别评价被试图像，自行调整窗宽窗位以便勾画肿瘤；用Segment Editor 模块中的“Draw”勾画肿瘤边界，用“Paint”对肿瘤实质进行填充），1 个月后医师B 重复该任务，以最大程度地减少记忆偏差对其分割结果的影响。由于较低级别胶质瘤形态不规则，部分病灶缺乏肿块特征（即非肿块样病灶），因此无需避开钙化、囊变、坏死及出血区，需在T2WI 上勾画肿瘤的整体范围，并配准至CE-T1WI 序列图像上，从而提取影像组学特征（图1，2）。

图1 男，41 岁，少突胶质细胞瘤（WHO 3 级）。T2WI（图1a）及动态增强T1WI（CE-T1WI）（图1c）示肿块位于右侧颞叶-基底节区，边界清晰，2 名医师均给出较好的分割方案（图1b，1d）图2 女，51 岁，弥漫性星形细胞瘤（WHO 2 级）。T2WI（图2a）及CE-T1WI 示肿块位于左侧额下回-岛叶皮质区，呈非肿块样，边界不清，且CE-T1WI 示该肿块无明显强化（图2c）。分割时在T2WI 上确定肿块范围（图2b），再配准至CE-T1WI 图像上（图2d）

应用3D-Slicer 软件的Radiomics 插件对每个肿瘤各提取851 个特征，主要特征分类见表1。由于获取特征数量庞大，故本研究仅对既往文献中常用的肿瘤特征参数进行统计学研究［7-9］，包括一阶特征：能量、熵、峰度、偏度、最大值、最小值、平均值、均匀性；形状特征：主轴长度、短轴长度、平整度、表面积体积比、球形度；灰度共生矩阵特征：对比、相关性。

表1 使用Radiomics 提取的胶质瘤的影像组学主要特征分类

1.4 统计学方法 采用SPSS 26.0 和SSPSAU（https：//spssau.com/）软件进行数据分析。采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）分析2 名医师手动分割ROI 所提取影像组学特征参数的一致性。通过使用双向混合效应模型，获得2 名医师间的一致性；使用单因素随机效应模型获得医师B 2 次不同时间的一致性。ICC＜0.5 为一致性较差，0.5～0.75 为一致性中等，0.75～0.9 为一致性良好，＞0.9 为一致性优秀［10］。使用Bland-Altman 方法，对一致性评价进行直观展示。使用Wilcoxon 秩和检验评价各参数的可重复性差异。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一致性分析结果 2 名医师间的ICC 均＞0.75（良好3/15，优秀12/15），平均为0.937±0.068。其中，纳入研究特征中的能量和对比一致性表现最佳（均ICC=0.998）。医师B 2 次测量勾画特征参数的ICC均＞0.9（优秀15/15），平均为0.978±0.022（表2）。观察者内与观察者间的ICC 均＞0.75，说明2 名医师对ROI 的勾画一致性良好。其中，纳入研究特征中平均值和对比的一致性表现最佳（均ICC=1.000）。

表2 观察者间及观察者内的一致性分析

2.2 可重复性评价结果 选取3 个特征（熵、球形度、相关性）绘制Bland-Altman 图（图3），可直观展示观察者间的一致性和观察者内的可重复性。本研究特征的散点绝大多数在95%CI 范围内，说明特征参数具有良好的一致性和重复性。医师B 2 次测量结果，经Bland-Altman 获取描述统计量CR 值（重复性系数）及Wilcoxon 秩和检验所得P值显示，差异均无统计学意义（均P＞0.05），说明再次测量具有较高的可重复性（表3）。

图3 Bland-Altman 图 图3a 医师A 与医师B 获得的熵的Bland-Altman 图 图3b 医师B 先后2 次获得的熵的Bland-Altman 图 图3c医师A 与医师B 获得的球形度的Bland-Altman 图 图3d 医师B 先后2 次获得的球形度的Bland-Altman 图 图3e 医师A 与医师B 获得的相关性的Bland-Altman 图 图3f 医师B 先后2 次获得的相关性的Bland-Altman 图

表3 医师B 分割肿瘤参数的可重复性评价（）

表3 医师B 分割肿瘤参数的可重复性评价（）

注：CR 表示低于该值的2 个测量值之间的绝对差异，概率为0.95。

3 讨论

较低级别胶质瘤为WHO 2～3 级，通常为弥漫性星形细胞瘤或少突胶质细胞瘤（或混合型），是具有高度异质性的脑内原发性肿瘤，具有复杂、重叠和多样的生物行为［11］。由于WHO 2 级胶质瘤在常规MRI 上表现无特异性（通常边界不清，占位效应不显著，注射钆剂后无对比增强），且易发生间变继而发展为WHO 3 级胶质瘤，直接影响预后判断。因此，在临床中对较低级别胶质瘤的诊断和鉴别一直存在着较大困难［12］。2012 年Lambin 教授提出的影像组学［3］，很好地弥补了这一缺陷，其结合MRI 序列可反映脑肿瘤的空间和时间异质性。据文献报道，影像组学在预测脑肿瘤的分子特征［13-14］和肿瘤分级方面［15］均显示出很大潜力，但影像组学的应用和评价也同样面临着巨大挑战，如观察者对ROI 勾画分割的一致性和可重复性评价。只有最大限度减少观察者间或观察者内存在的显著差异，才可对后期模型建立的准确性提供有效保障。目前，一些临床研究忽略了或模糊了这一评价，其建立的影像组学模型投放到多中心的考验中是否得到与模型相同的泛化能力，还有待商榷。因此，本研究排除WHO 1 级（预后良好）和WHO 4 级（预后极差）的胶质瘤，对生物学行为相近的较低级别胶质瘤进行影像组学一致性和可重复性研究，具有良好的临床价值和实践意义。

研究表明，半自动分割配合手动勾画ROI 可取得与单一手动分割相近的效果，且组合分割耗时少，观察者不易视觉疲劳，可大大减少其在勾画中所产生的系统误差［16-17］。但由于本研究仅78 例，故仍选用被视为金标准的手动分割。

本研究观察者间和观察者内一致性均很好，平均ICC 分别为0.937±0.068、0.978±0.022，优于既往文献［18-20］，原因可能为：①2 名医师属一家医疗机构同一部门，且职业背景和工作经验相近；②2 名医师勾画肿瘤前，对其规定了勾画规则，即对浸润弥漫生长的胶质瘤先在T2WI 图像勾画肿瘤实性区域，再配准至CE-T1WI 图像进行特征提取。

ICC 和Bland-Altman 图在展示观察者一致性上具有相同的效果，前者量化为数值表示，后者可视化地展示出结果。在某种程度上，良好的一致性可间接反映为具有较好的重复性，两者呈正相关。本研究中，医师B 的2 次测量显示出很高的可重复性，其中一阶参数中的平均值和对比度具有较高的稳定性，与Jang 等［21］的研究有所不同，这可能由于研究对象和特征提取序列不同而产生的重复性差异。

本研究的不足之处：①样本量较小，应进一步扩大样本量，纳入更多的影像组学特征进行全面分析，包括基于小波的特征研究。②特征提取序列单一，仅对CE-T1WI 序列进行特征提取，如用多模态MRI 影像组学的研究模式可纳入更多序列的不同特征参数，提高一致性和重复性评价。③仅采用同一医院经病理诊断为较低级别胶质瘤（WHO 2～3 级）的患者资料，为单中心数据，如采用多中心影像资料、多中心观察者进行研究，可大大提高结论的可靠性。

综上所述，基于ROI 手动分割对较低级别胶质瘤进行MRI 影像组学特征的提取，在观察者间和观察者内均具有良好的一致性，且在观察者内具有较高的可重复性，这为今后其他学者构建较低级别胶质瘤的MRI 影像组学模型提供了一定保障。