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磁共振T1WI健康成人腦部皮層下灰質(zhì)核團紋理特征的可重復性及可信度分析

2019-03-15 06:33王昆樊文萍王雪王波濤許歡劉夢琦陳峰陳志曄
中國醫(yī)學影像學雜志 2019年2期
關(guān)鍵詞:丘腦灰質(zhì)觀察者

王昆,樊文萍,王雪,王波濤,許歡,劉夢琦,3,陳峰,陳志曄,3*

1.海南省儋州市人民醫(yī)院放射科,海南儋州 571700;2.解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院放射科,海南三亞 572013;3.解放軍總醫(yī)院放射科,北京 100853;4.海南省人民醫(yī)院放射科,海南海口 570311;

紋理特征是圖像的內(nèi)在屬性,反映了圖像的灰度分布、對比度、空間分布等特征的程度[1],可以發(fā)現(xiàn)肉眼不能識別的圖像特征。目前,紋理特征分析已經(jīng)應用于臨床,如肺部磨玻璃樣密度結(jié)節(jié)隨訪評估[2]、MRI T2WI鑒別肝囊腫和血管瘤[3]、前列腺癌診斷[4]、乳腺癌新輔助化療效果評估[5]、頭痛神經(jīng)機制的研究及診斷[6-8]、膠質(zhì)母細胞瘤與轉(zhuǎn)移瘤的鑒別[9]等。盡管已有紋理分析技術(shù)在直腸癌診斷中的可重復性研究[10],但大部分病變及正常人體結(jié)構(gòu)仍缺少可重復性及可信度評估。

皮層下灰質(zhì)核團屬于中繼核團,具有重要的腦部功能連通性,同時組成了皮層下多種特殊的功能環(huán)路,與人的情緒、認知、疼痛密切相關(guān)[11-16]。本研究擬對健康成人腦部皮層下灰質(zhì)核團的紋理參數(shù)進行可重復性及可信度研究,以期未來對基于紋理分析的相關(guān)疾病的診斷及評估提供一定的方法學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對象 2018年4月—2018年5月招募健康志愿者16名,男、女各8名;年齡23~46歲,平均(34.7±7.8)歲。納入標準:①所有受試者均為右利手,均受過高等教育;②既往體健,無神經(jīng)系統(tǒng)疾病及腫瘤病史。排除標準:①有腦部器質(zhì)性病變;②有顱腦外傷或精神類疾病史;③近期服用過精神類藥物及激素類藥物。

1.2 儀器與方法 由同一操作者采用 GE Signa HDxt 3.0T MR掃描儀、8通道顱腦線圈進行T1WI掃描1次。TR 1710 ms,TE 24 ms,反轉(zhuǎn)時間750 ms,反轉(zhuǎn)角90°,視野24 cm×24 cm,矩陣320×224,層厚5 mm,采集次數(shù)2次。

1.3 圖像分析 從PACS系統(tǒng)中調(diào)取T1WI圖像,將同時通過尾狀核頭、殼核及丘腦的圖像導出為DICOM格式圖像。將所選圖像導入Image J 1.41軟件(https://imagej.nih.gov/ij),并采用感興趣法分別完整勾畫出測量層面右側(cè)尾狀核頭、殼核及丘腦的感興趣區(qū)(ROI,圖1),進而采用灰度共生矩陣(graylevel co-occurrence matrix,GLCM)插件計算紋理特征參數(shù)。設置參數(shù)為:像素間距d=1,兩點之間連線與軸的夾角 θ=0。為確保提取出的數(shù)據(jù)具有可靠性,手動測量提取3次,取平均值作為最終測量值。紋理特征參數(shù)值包括能量、對比度、自相關(guān)、逆差距及熵[17-18]。為評估測量的可重復性及可信度,同一觀察者間隔1周在同一層面上進行紋理特征參數(shù)測量,另 1名觀察者在同一層面上采用相同方法進行測量。

圖1 采用感興趣法勾畫尾狀核頭(1)、殼核(2)及丘腦(3)感興趣區(qū)

1.4 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 23.0軟件,對觀察者內(nèi)及觀察者間所獲取的皮層下灰質(zhì)核團的紋理特征參數(shù)值進行組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC)分析及一致性Bland-Altman分析。ICC<0.40為相關(guān)性差,0.40~0.59為相關(guān)性中等,0.60~0.74為相關(guān)性良好,>0.74為相關(guān)性優(yōu)[19]。

2 結(jié)果

2.1 可重復性分析 同一名觀察者 2次測量皮層下灰質(zhì)核團 T1WI圖像的紋理特征參數(shù),尾狀核頭的ICC值為0.970~0.990,殼核的ICC值為0.815~0.996,可重復性等級均為優(yōu);丘腦的ICC值為0.677~0.996,其中自相關(guān)參數(shù)的ICC為0.677,重復性為良好,能量、對比度、逆差距和熵的可重復性等級均為優(yōu)(表1)。

表1 觀察者2次測量皮層下灰質(zhì)核團紋理特征參數(shù)的相關(guān)系數(shù)結(jié)果

觀察者 2次測量皮層下灰質(zhì)核團紋理參數(shù)差值絕大部分位于95%一致性界限內(nèi),部分參數(shù)(包括尾狀核頭及殼核的對比度、自相關(guān)及熵以及丘腦的對比度及自相關(guān)參數(shù))差值點位于95%一致性界限之外(圖2)。

2.2 可信度比較 觀察者間測量皮層下灰質(zhì)核團T1WI圖像的紋理特征參數(shù),尾狀核頭的 ICC值為0.960~0.982,可信度等級為優(yōu);殼核的 ICC值為0.833~0.994,可信度等級為優(yōu),其中自相關(guān)參數(shù)的ICC值為0.833;丘腦的ICC值為0.829~0.989,其中自相關(guān)的ICC值為0.829(表2)。

觀察者間測量皮層下灰質(zhì)核團紋理參數(shù)差值絕大部分位于95%一致性界限內(nèi),部分參數(shù)的差值(包括尾狀核頭、殼核及丘腦的能量、對比度、自相關(guān)及尾狀核頭的逆差距參數(shù))位于95%一致性界限之外(圖3)。

圖2 觀察者2次測量皮層下灰質(zhì)核團紋理參數(shù)(能量、對比度、自相關(guān)、逆差距及熵)的Bland-Altman圖,尾狀核頭及殼核的對比度、自相關(guān)及熵以及丘腦的對比度及自相關(guān)參數(shù)差值點位于95%一致性界限之外,其余參數(shù)差值均位于95%一致性界限內(nèi)

表2 觀察者間皮層下灰質(zhì)核團紋理特征參數(shù)ICC結(jié)果

圖3 觀察者間皮層下灰質(zhì)核團紋理參數(shù)(能量、對比度、自相關(guān)、逆差距及熵)的Bland-Altman圖,尾狀核頭、殼核及丘腦的能量、對比度、自相關(guān)及尾狀核頭的逆差距參數(shù)差值位于95%一致性界限之外,其余皮層下灰質(zhì)核團紋理參數(shù)差值位于95%一致性界限內(nèi)

3 討論

紋理特征分析是通過一定的圖像處理技術(shù)計算出紋理特征參數(shù),從而獲得對紋理的定量或定性描述,其本質(zhì)是一種數(shù)學模型[1]。紋理分析可將醫(yī)學圖像的灰度轉(zhuǎn)換成圖像紋理信息進行表達,有助于發(fā)現(xiàn)更多潛在有用的信息,為影像診療提供參考[20]?;叶裙采仃嘯6,18,21]是比較常用的紋理特征提取方法,可以較好地獲得圖像灰度空間的分布特征,提取出肉眼無法識別的圖像特征。本研究主要對能量、對比度、自相關(guān)參數(shù)、逆差距及熵5個紋理特征參數(shù)進行可重復性及可信度分析。

ICC法是目前較為通用的可重復性及可信度評估方法[22],可以對分類資料或定量資料進行評估,同時兼顧了隨機誤差及系統(tǒng)誤差對實驗結(jié)果的影響,因此其結(jié)果具有較高的可靠性[11]。本研究中 ICC分析結(jié)果顯示,除觀察者 2次測量丘腦自相關(guān)參數(shù)低于0.74外,其他所選取的皮層下灰質(zhì)核團大多數(shù)紋理特征參數(shù)觀察者內(nèi)及觀察間 ICC值均高于 0.74,提示GLCM 法測量皮層下灰質(zhì)核團紋理特征參數(shù)具有較高的可重復性及可信度。自相關(guān)參數(shù)反映了圖像中局部灰度的相關(guān)性,此值的大小反映了局部灰度的相關(guān)性,值越大則相關(guān)性越大。丘腦的自相關(guān)參數(shù)ICC值較低,提示丘腦局部像素灰度值的相關(guān)性易受測量的影響,易產(chǎn)生主觀偏倚。因此,對丘腦的紋理特征參數(shù)分析可以采用自動分割[11]的方法進行,可能在一定程度上提高測量的可重復性及可信度。

Bland-Altman法的本質(zhì)是方差齊性檢驗,采用圖形分方法顯示兩種測量結(jié)果的一致性界限[11,23-24],目前已經(jīng)廣泛應用于臨床測量方法一致性的評價。本研究中,Bland-Altman圖顯示觀察者內(nèi)及觀察者間皮層下灰質(zhì)核團紋理參數(shù)差值絕大部分位于 95%一致性界限內(nèi),提示觀察者內(nèi)及觀察者間皮層下灰質(zhì)核團紋理參數(shù)均具有較高的一致性,觀察者內(nèi)的可重復性及觀察者間的可信度均較高。Bland-Altman圖形分析同時兼顧了系統(tǒng)誤差和隨機誤差[11],因此,其結(jié)果可靠。Bland-Altman圖還清楚地顯示部分皮層下灰質(zhì)核團的紋理參數(shù)觀察過程中出現(xiàn)的極端情況,即部分參數(shù)的差值點位于95%的一致性界限之外,由此提示研究者在研究統(tǒng)計過程中可以去除極端情況減少實驗誤差。

本研究采用整體ROI方法而非局部ROI法進行紋理特征參數(shù)測量[11],在測量時采用多次測量求平均值的方法盡可能減少實驗誤差。盡管如此,此經(jīng)典測量方法仍不可避免地產(chǎn)生實驗誤差,但ICC及Bland-Altman分析結(jié)果提示觀察者內(nèi)及觀察者間具有較高的可重復性及可信度。因此,在臨床實踐中,可以采用簡單易用的ROI法進行紋理特征參數(shù)值測量。

本研究的局限性在于:①僅對16名健康志愿者的腦部T1WI結(jié)構(gòu)圖像的皮層下灰質(zhì)核團紋理特征參數(shù)進行初步研究,樣本量偏??;②僅對 GLCM 法測量的紋理參數(shù)進行可重復性及可信度評估,未與其他紋理分析方法進行比較;③僅對一種 GLCM 法參數(shù)設置進行研究,未對更多參數(shù)設置進行比較研究。因此,在未來研究中應當增加樣本量,并對多種紋理計算方法及多種 GLCM 參數(shù)所測量的紋理特征值進行研究。

總之,正常成人腦部皮層下灰質(zhì)核團 MR T1WI紋理特征參數(shù)具有較高的可重復性及可信度。

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