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影像组学及MaRIA对克罗恩病小肠黏膜愈合的诊断效能

2023-02-21蒋科芳范一宏周科峰丁洪蕾

浙江临床医学 2023年1期
关键词:克罗恩组学小肠

蒋科芳 范一宏 周科峰 丁洪蕾

克罗恩病(Crohn” s disease,CD)是一种可累及全消化道的自身免疫相关的炎性肉芽肿性疾病[1]。临床缓解期小肠受累CD患者肠黏膜愈合情况得到重视。小肠是检查难区,内镜接受度及病理阳性率低。核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)作为非侵入性且无放射性的检查,患者接受度高。磁共振活度指数(magnetic resonance index of activity,MaRIA)是CD严重程度和病情评估的主要MRI指标[2-3],但受到放射医师经验及主观判断的影响。影像组学是通过影像图像中的特征信息,利用算法探寻真正起作用的关键信息,最终用于疾病的诊疗[4]。影像组学建立的模型可与放射医师经验进行互补,在CD中研究不多。本研究以内镜结果为金标准,对比研究影像组学和MaRIA诊断临床缓解CD患者小肠黏膜愈合的准确性和实用性。

1 资料与方法

1.1 临床资料 收集2019年1月至2020年1月浙江省中医院诊断为CD的患者80例。纳入标准:①临床诊断符合CD标准;②年龄16~75岁;③患者病变单纯累及小肠;④患者临床缓解,即克罗恩病活动指数(Crohn” s disease activity index,CDAI)<150分;⑤采取自愿原则,能耐受MRI、结肠镜检查;⑥同意随访。排除标准:①失访;②伴有消化、呼吸、心血管、血液、内分泌系统重大疾病;③磁共振、内镜检查禁忌证;④磁共振检查和内镜检查间隔>7 d。

1.2 方法 (1)收集患者临床资料:包括年龄、性别、蒙特利尔分型、CDAI、用药史及一般情况等。(2)内镜检查及内镜评分:排除消化内镜检查禁忌证,完善检查前准备。所有结肠镜检查均由2位具有5年以上内镜操作经验的医师完成,结肠镜均为奥林巴斯内镜260系列。内镜医师在完成内镜检查后立即进行内镜评分。CD患者按内镜严重程度指数(Crohn” s disease index of severity,CDEIS)进行评分。为了避免内镜评分的过度主观性,若存在异议的评分,需要2位内镜医师进行协商讨论后决定最后评分。为避免数值偏倚,内镜操作医师在评分过程中不了解患者其他实验室检测数据。(3)小肠磁共振检查:患者取仰卧位,检查前均口服甘露醇注射液250 mL、肌肉注射盐酸消旋山莨菪碱20 mg扩张肠管。磁共振的成像设备为美国GE公司Discovery MR750 3.0T磁共振扫描仪。小肠磁共振检查由1名具有5年以上工作经验的放射科技师进行。扫描序列及参数见表1。增强扫描:经肘静脉高压注射团注钆喷酸葡胺注射液0.1 mmol/Kg,速度2.5 mL/s,注射对比剂20 s后开始序列采集。(4)ROI的勾画:所有患者ROI勾画均是基于T1WI增强动脉期图像进行,将这些序列以DICOM格式导入ITK-SNAP(Version 3.80)软件。磁共振图像审阅由2位具有15年腹部影像诊断经验的医师进行。由于肠道解剖结构的复杂,肠壁显示不清楚或视觉上相邻肠壁重叠区域未纳入ROI,勾画的最终结果以Merge.nii文件格式保存。(5)MaRIA计算:MaRIA计算由1位具有15年腹部影像诊断经验的医师进行。为避免造成数据误差,相关医师在评分过程中并不清楚患者临床其他数据。MaRIA指数按下列公式计算[3],当MaRIA<7分为部分黏膜愈合,7≤MaRIA<11分为部分溃疡愈合,MaRIA≥11分为活动期。MaRIA=1.5×肠壁厚度+0.02×对比度 + 5×水肿+10×溃疡。(6)纹理特征提取:将所有勾画好的图像及对应的原始图像文件上传到IPM软件。对ROI进行特征提取,提取的特征共计1,316个特征值,主要有一阶统计量(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)、灰度依赖矩阵(gray level dependence matrix,GLDM)和领域灰度差分矩阵(neighborhood gray-tone difference matrix,NGTDM)等。(7)纹理特征降维和建模:所有患者按照7∶3的比例随机分为训练组和验证组,训练组56人,验证组24人,采用多因素逻辑回归方法进行降维处理。利用K-近邻(K-Nearest Neighbor,KNN)算法,通过训练组建立KNN模型[9-11],并对模型进行验证。

表1 扫描序列及参数

1.3 统计学方法 采用SPSS 23.0统计软件。符合正态分布计量资料以(±s)表示,非正态资料以M(Q1,Q3)表示。以ROC曲线评估MaRIA和影像组学KNN模型判断小肠黏膜愈合价值,计算敏感度、特异度。

2 结果

2.1 一般资料 见表2。

表2 患者一般资料

2.2 MaRIA对小肠黏膜愈合的诊断效能 以内镜分级为金标准,应用ROC曲线评估MaRIA诊断性能中等,曲线下面积(AUC)为0.804(P<0.05),见图1,敏感度为0.802,特异度为0.775。

图1 MaRIA对CD小肠黏膜的诊断效能

2.3 影像组学KNN模型对小肠黏膜愈合的诊断效能 根据影像组学原理,共筛选出8个特征值,相关度(Correlation)、中心值(Median)、灰度方差(gray level variance,GLV)、差异方差(difference variance,DV)、区域差异均一度(size zone non uniformity normalized,SZNUN)、簇影(cluster shade,CS)、均方根(root mean squared,RMS)、能量值(Energy)。训练组建立KNN模型,建立ROC曲线(见图2),AUC为0.801(P<0.05),KNN模型敏感度为0.865,特异度为0.6。应用KNN模型对验证组进行验证,建立ROC曲线(见图3),AUC为0.719(P<0.05),敏感度0.727,特异度0.733。

图2 训练组KNN模型对CD小肠黏膜的诊断效能

图3 KNN模型对验证组CD小肠黏膜的诊断效能

3 讨论

在生物制剂时代,黏膜愈合被认为是CD的最佳治疗终点[5-6]。临床医师需要反复借助内窥镜以确认消化道黏膜愈合。研究显示45.3%的CD患者,无临床症状且炎症指标正常,但并未达到内镜愈合,小肠还存在病变[7-8]。在这些临床缓解的患者中,未来临床及血清学复发率,明显高于内镜下黏膜愈合的患者[9-10]。因此,仅依靠临床症状和血清学指标,可能会低估真正的小肠病变。

克罗恩病小肠病变的评估以及病理学诊断依靠气囊辅助式小肠镜(balloon assisted enteroscopy,BAE)和胶囊内镜。但小肠镜有较强的侵入性,胶囊内镜检查无法活检。MRI作为替代内镜的非侵入性的检查方法,只需一次检查就可以同时评估小肠和结肠。MRI能够评估肠壁的整个厚度,病变组织的强化率比正常肠道组织高,特别是在小肠肠壁的损伤判断中[11],因此提高CD小肠病变的检出。结合分析MRI图像中肠壁厚度和信号强度,可以更加精确评估克罗恩病的严重程度。MRI还可以检测肠外炎症或并发症(如瘘管或脓肿),从而使医师能够评估肠道的全壁损伤,这在内镜检查中可能无法观察到[12]。另MRI无电离辐射的特性,不仅利于CD患者长期观察随访,同时也适合孕妇和儿童[13]。一些研究者建议在临床试验中使用MRI标准作为终点[14-16]。

MaRIA是目前用于CD的主要MRI指标。本研究中MaRIA对临床缓解期L1型CD患者小肠黏膜评估的敏感度为0.802,特异度为0.775,AUC为0.804。这表明MaRIA对临床缓解期CD患者小肠黏膜愈合评估的效果是肯定的。国外研究显示,MaRIA在检测内镜溃疡方面具有高特异度和敏感度(分别为82.1%和81.3%)、显著的阴性预测值(分别为82.1%和82.4%)和良好的准确性(分别为74.0%和73.9%)[16]。在MRI图像中,与疾病活动性和严重程度相关的主要因素包括水肿、溃疡、壁厚和对比度[17]。疾病活动度越高,肠管充血水肿明显,甚至溃疡,肠壁增厚,对比度增加,磁共振分析阳性率高。本研究得到MaRIA诊断敏感度、特异度及AUC为中等水平,这可能与样本量偏少以及纳入患者均为临床缓解有关。

影像组学应用于IBD的研究较少,本研究将影像组学与CD结合,发现KNN模型在评估临床缓解的CD患者小肠黏膜有中等水平的检验效能。这提示通过KNN算法,建立影像组学模型,对CD患者肠黏膜进行评估具有可行性和科学性。MaRIA属于传统影像医学模式参数,这是基于形态学的诊断,是通过医师主观的视觉进行解释评估,其优点是形象、直观。但随着CD在我国发病率的上升,仅应用传统方式对CD进行评估和科研探究,无法提供精准医疗所需的更微观层面的信息。作者认为可通过影像组学,借助算法建立模型对CD的疾病诊断、肠黏膜评估进行初筛,不仅减轻临床影像医师工作量,也利于建立疾病分层管理和决策支持[18-19]。同时也可以为克罗恩病的精准医学诊治铺垫基石,为精准医疗体系建立桥梁。

本研究中采用算法为KNN算法,其是一种非参的、惰性的算法模型[20]。KNN算法的优势是简单易用、模型训练时间快、预测效果好以及对异常值不敏感。其缺点为对内存要求高、预测阶段较慢及对不相关的功能和数据规模敏感。本研究样本数量不多,如能增加样本量,结合更多临床参数,可一定程度上提高模型的精准性,增强KNN模型对CD肠黏膜愈合的诊断效能,为影像组学在CD中的应用提供更多依据。随着克罗恩病治疗观念的发展,若能结合小肠活检组织病理,进行影像组学、内镜的相关分析,有助于促进克罗恩病的早诊早治、及时监测、优化诊疗及疾病清除研究。

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