不同b值对脑部DWI图像纹理特征参数的影响

赵赫，孙艺洁，王波涛，刘梦琦,1b，于生元，陈志晔,3

1. 中国人民解放军总医院第一医学中心 a. 神经内科医学部；b. 放射科，北京 100853；2. 中国人民解放军总医院海南医院 放射科，海南 三亚 572013；3. 南方医科大学 第二临床医学院，广东 广州 510515

引言

磁共振图像的纹理特征是通过描述图像中像素灰度分布及像素间相互关系而得到图像内在特征的定量参数[1]，其可以呈现肉眼无法识别的图像异质性，是影像组学的重要组成部分，有助于疾病的诊断、预后预测和疗效评估等[2]。近年来，纹理分析已广泛应用于中枢神经系统疾病的机制研究中，包括脑肿瘤[3]、脑血管病[4-5]、退行性疾病[6-7]、原发性[8]及继发性[9]头痛等。但目前这些疾病的纹理分析更多停留在基础研究阶段，且临床影像组学诊断缺乏定量及定性评价指标，因此探索不同种类图像的纹理特征参数并确定纹理参数标志物已成为临床研究的重点，其中探索不同序列及参数对组织纹理特征的影响尤为重要。

扩散敏感因子（b value，b 值）是扩散加权成像（Diffusion-Weighted Imaging，DWI）的重要参数，可反映扩散的强度和时序。DWI 与基于DWI 计算出的表观弥散系数（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）值在超早期急性脑梗死诊断和梗死分期预估中发挥着重要作用。基于DWI 序列的纹理分析研究已经被广泛应用于临床，包括肿瘤的鉴别诊断[10]及预后分析[11]等。不同b 值的DWI 图像脑组织的信号强度、信噪比等均明显不同[12]，可能一定程度上影响组织的纹理特征参数，进而影响最终研究结果。此外，DWI 图像及其对应生成的ADC 图像对于急性脑梗死患者的早期诊断至关重要。基于此，本研究选取98 名健康成年受试者及12 例急性脑梗死患者作为研究对象，分别行脑部DWI 图像扫描，比较不同b 值下脑部正常结构的ADC 值和纹理特征变化，旨在评估不同b 值对DWI 图像纹理特征参数的影响，以期为DWI 纹理特征参数的应用提供方法学依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

招募健康志愿者98 名。纳入标准：所有受试者均既往身体健康。排除标准：① 存在颅脑外伤、脑部器质性病变及精神类疾病史；② 近期服用过精神类药物或激素；③ 因各种原因不能进行磁共振扫描者。

招募急性脑梗死患者12 例。纳入标准：存在脑部梗死灶。排除标准：与健康志愿者相同。本研究经中国人民解放军总医院伦理委员会审查通过（S2015-085-01），并获得所有受试者或其法定监护人的知情同意签名。

1.2 数据采集

健康志愿者及急性脑梗死患者的MRI 检查均由同一操作人员进行，采用美国GE公司的Signa HDxt 1.5T MR扫描仪，8 通道颅脑线圈。扫描序列包括两个b 值的DWI 图像，横轴位2D 采集，TR 5500 ms，TE 94 ms，翻转角12°，视野24 cm×24 cm，层厚5 mm。所有研究对象均在X、Y 及Z 轴方向分别施加b 值=1000 s/mm2和3000 s/mm2的扩散敏感梯度。

1.3 图像分析

将MR 扫描仪生成的原始Dicom 图像导入图像后处理工作站（ADW4.5，GE 公司）生成ADC 图，并进行感兴趣区（Regions of Interest，ROI）的ADC 值测量。由一名具有10 年磁共振阅片经验的放射科医师独立阅片并对不同b 值下的DWI 图像进行纹理参数测量，为减少主观偏差，共测量2 次取平均值。具体方法：手工勾画ROI，确定尾状核头所在的层面为测量横轴面，对图像的额叶皮质、白质及尾状核头进行灰度共生矩阵（Gray-Level Cooccurrence Matrix，GLCM）纹理特征参数（ImagJ v1.47）计算（像素距离为1，夹角为0°），提取出的纹理特征参数包括角二阶矩、对比度、自相关、逆差距及熵（图1）。

图1 在皮质、白质及尾状核头勾画ROI测量纹理参数特征

1.4 统计学分析

采用SPSS 23.0 软件进行数据分析，两组的纹理参数数据使用Kolmogorov-Smirnov 检验对数据进行正态性检验，符合正态分布的采用独立样本t检验分析，不符合正态分布的采用Wilcoxon 检验分析。正态分布的计量资料以（±s）表示，非正态分布的计量资料以M（P25，P75）表示。P＜0.05 代表差异有统计学意义。

2 结果

2.1 健康志愿者和脑梗死患者的一般人口学资料

本研究纳入的98 名健康志愿者中，男性47 例、女性51 例，平均年龄（52.69±14.19）岁；12 名脑梗死患者中，男性7 例、女性5 例，平均年龄（64.75±11.33）岁。

2.2 正常志愿者不同皮质纹理特征参数比较

正常志愿者皮质、白质及尾状核头在b 值=1000 s/mm2及3000 s/mm2的ADC 值及5 个纹理特征参数比较如表1 所示，可见三个ROI 在不同b 值下的ADC 值、角二阶矩、对比度、自相关、逆差距及熵差异均有统计学意义（P＜0.05）。

表1 正常志愿者皮质、白质及尾状核头不同b值下的ADC值及5个纹理特征参数比较

2.3 急性脑梗死灶纹理特征参数比较

急性脑梗死灶中b 值=1000 s/mm2及3000 s/mm2的ADC 值及5 个纹理特征参数比较如表2 所示，其中ADC值和对比度的差异有统计学意义（P＜0.05），角二阶矩、自相关及逆差距的差异无统计学意义（P＞0.05）。

表2 急性脑梗死患者梗死灶不同b值的ADC值及5个纹理特征参数比较

3 讨论与总结

纹理分析是一种量化图像模式变化的新兴方法，应用于脑部结构时可以评价脑组织的细微差异[13-14]，且纹理特征可以反映不同组织、结构及病理等方面的影响，纹理特征参数的提取对预测肿瘤分化程度[15]、病理分型[16]及淋巴结转移[11]价值较大，对于个体化影像诊断意义重大。本研究主要探索不同b 值（b 值=1000 s/mm2及3000 s/mm2）DWI 图像的ADC 值和纹理特征参数的变化。主要采用GLCM[17-18]提取纹理特征参数值，因为完整GLCM 的参数范围会造成巨大的计算量[19]，故本研究选择了提取常用的纹理特征参数角二阶矩、对比度、自相关、逆差距及熵来描述图像特征。

角二阶矩反映的是图像灰度分布均匀及纹理粗细程度，较高的值代表更为均一和规则变化的纹理模式[20]；而逆差距反映的是图像纹理的局部变化，其值越大代表纹理的清晰程度和规则程度越高。本研究中，皮质、白质及尾状核头的角二阶矩及逆差矩在b 值=1000 s/mm2的DWI 图像上均高于b=3000 s/mm2的图像，可能由于b 值=3000 s/mm2的DWI 图像信噪比和对比噪声比相对较低[15]。随着b 值的升高，水分子布朗运动的敏感性增加，故造成了图像纹理清晰度及规则度降低，因此在DWI 的临床应用中，并不是b 值越高越好，需要整体考虑再根据具体情况选择合适的b 值。虽然DWI 图像广泛用于颅脑肿瘤的评估，但颅脑恶性肿瘤异质性较大，常伴有囊变、液化、出血等，因此进一步纹理分析对于鉴别诊断意义重大。在临床实践中，应用既往DWI 纹理研究成果时，需要考虑到不同b 值对角二阶矩及逆差矩的影响，尤其是在将角二阶矩及逆差距特征参数作为影像组学分析变量时，同时未来研究可进一步探索定量参数标志物以精确辅助肿瘤诊断。

对比度反映了图像的清晰度及纹理沟纹的深浅程度，较大的对比度表明较深的纹理沟纹；自相关反映了图像中局部灰度相关性，此值的大小反映了局部灰度的相关性，值越大表明相关性也越大。皮质及白质在b 值=1000 s/mm2的DWI 图像上的对比度均低于b 值=3000 s/mm2，自相关均高于b 值=3000 s/mm2；而尾状核头在b 值=1000 s/mm2的DWI 图像上的对比度高于b 值=3000 s/mm2的图像，自相关低于b 值=3000 s/mm2的图像。皮质与尾状核头均为灰质，但纹状体在种系发育上较皮质更古老，对比度和自相关变化的不同可能反映了组织学上的异质性[20]。纹理分析能够区分常规序列中信号类似的组织，尤其多模态的纹理分析可以为疾病的诊疗提供更多的信息[21]，在灰质移位等先天性畸形的识别上可能拥有良好的应用前景。

熵代表图像纹理的复杂程度，熵越大表明图像纹理信息量越大。本研究中，皮质、白质及尾状核头的熵在b 值=1000 s/mm2的DWI 图像上均低于b 值=3000 s/mm2的图像。即使b 值=3000 s/mm2图像的信噪比和空间分辨率相对较低，纹理信息量仍较大，这可能与b 值增加进而水分子布朗运动敏感性增加有关。另外随着b 值的增加，DWI 可能更接近真实的病理生理学状态。但是在临床工作中通常采用视觉评定来进行评判，而纹理特征参数熵可以敏感地发现这种变化，并可进行定量分析。

本研究中急性脑梗死病灶的不同b 值DWI 图像的对比度差异有统计学意义，且b 值=3000 s/mm2时对比度大于b值=1000 s/mm2，说明b 值=3000 s/mm2时纹理对比更强烈且效果更明显，在常规的DWI 影像上表现为高对比度，可突出显示病变，尤其是微小梗死灶。对比度的差异也可能由于脑组织缺血缺氧使水分子扩散减低，而高b 值对水分子的扩散更敏感，故纹理对比度更大。既往研究证实了b 值=3000 s/mm2的DWI 图像在脑部急性微梗死病变诊断中发挥重要作用，b 值=3000 s/mm2的图像微梗死灶边界更清晰[22]，与本研究中纹理对比度增高一致。目前在临床，b 值=1000 s/mm2的DWI 图像更常用，本研究结果表明，有条件的急性脑梗死患者可加做b 值=3000 s/mm2的DWI图像，对比度变化可能有助于评估梗死时间较长的患者再灌注治疗的意义或侧支循环形成的程度。

本研究的局限性：① 脑梗死患者的样本量相对较少，未来研究中应当继续增加样本量；② 仅对高b 值进行了探究，未对b 值≤200 s/mm2的DWI 图像进行探索，无法确切说明不同b 值对纹理特征影响的具体规律。

本研究发现图像的不同b 值对于脑部正常结构纹理特征存在影响，不同b 值下皮质、白质及尾状核头的ADC值、角二阶矩、对比度、自相关、逆差距及熵差异均有统计学意义。而对于急性脑梗死灶，仅ADC 值和对比度差异有统计学意义，另外4 个纹理特征参数未见明显差异。DWI 图像对于脑部肿瘤及非肿瘤性疾病的诊断具有重要意义，DWI 相关的影像组学研究需要系统化的研究程序及方法学。在研究正常或看似正常脑结构的DWI 图像纹理特征参数时需要考虑到b 值的影响，而对于病变组织，部分纹理特征参数也要考虑b 值的影响，临床应用既往研究的结论时也应考虑到不同b 值的影响。