任芳，常英娟，潘奇，王珂，王虹，任靜

1.第四軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放射科，陜西 西安 710032；2.西安醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院 影像科，陜西 西安 710038

引言

磁共振彌散加權(quán)成像（Magnetic Resonance Diffusion Weighted Imaging，MR-DWI）是目前能在活體上進(jìn)行水分子擴(kuò)散測(cè)量與成像的唯一方法，可以反映組織微觀結(jié)構(gòu)和功能的改變，在一定程度上可分析肝癌的細(xì)胞密度、核漿比及癌周浸潤(rùn)情況，在肝癌診斷和療效評(píng)估上已經(jīng)獲得越來(lái)越多的認(rèn)可[1-2]。由DWI計(jì)算出的表觀擴(kuò)散系數(shù)（Apparent Diffusion Coeffcient，ADC）表示水分子移動(dòng)的自由度，肝癌組織在DWI多呈高信號(hào)，ADC值明顯降低，且肝癌惡性程度與其ADC值相關(guān)，栓塞治療后ADC值的升高在一定程度上反映了肝癌細(xì)胞的壞死[3-4]。

對(duì)于肝癌栓塞治療前后的DWI圖像和ADC值，臨床上只能進(jìn)行主觀分析，很大程度上依賴醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，缺乏客觀的定量評(píng)估方法。DWI圖像提供了可供進(jìn)一步分析的豐富信息和數(shù)據(jù)，因此臨床迫切需要可靠的圖像后處理技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)影像設(shè)備和成像中的不足，從而獲得常規(guī)方法無(wú)法得到的深層信息。

MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)和完善，MATLAB已經(jīng)具備了超強(qiáng)的數(shù)據(jù)計(jì)算、圖像處理和用戶界面制作的功能。同時(shí)，它擁有對(duì)DICOM格式圖像進(jìn)行讀取、分析和存儲(chǔ)的函數(shù)，從而大大簡(jiǎn)化對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理的難度和復(fù)雜度。在MATLAB環(huán)境下開發(fā)的醫(yī)學(xué)功能成像分析軟件（Medical Functional Imaging Analysis，MedFIA）可以對(duì)比治療前后的肝癌組織內(nèi)每個(gè)像素的ADC值，還可以繪制治療前后ADC值直方圖和療效彩色圖譜，從而客觀地反映腫瘤組織治療前后的改變，及時(shí)準(zhǔn)確地評(píng)估療效，為臨床提供更加直觀、全面的分析信息；對(duì)患者下一步治療方案的選擇和預(yù)后評(píng)估具有至關(guān)重要的意義[5-6]。而且，軟件界面友好和操作方便等優(yōu)點(diǎn)便于臨床工作者在日常工作中使用。

1 軟件設(shè)計(jì)

1.1 MedFIA評(píng)估軟件界面設(shè)計(jì)

MedFIA評(píng)估軟件界面設(shè)計(jì)原則：主界面及子界面在排版樣式上統(tǒng)一，與傳統(tǒng)風(fēng)格一致，對(duì)所有控件的位置和大小進(jìn)行合理布局，保證清晰、簡(jiǎn)單地體現(xiàn)出界面的功能和特征。使用用戶所熟悉的格式及標(biāo)志，使用戶自學(xué)入門，盡快掌握操作方法[7]。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

MedFIA評(píng)估軟件分析流程圖，見圖1。首先，分別獲取治療前后的高低b值彌散圖像；第二步，對(duì)治療前后圖像進(jìn)行剛性配準(zhǔn)以及病變分割[8]；第三步，分別計(jì)算病變治療前ADC值和治療后ADC值并繪制其ADC值直方圖；第四步，計(jì)算病變中每個(gè)像素在治療前后的ADC變化值，同時(shí)繪制其直方圖；第五步，根據(jù)用戶輸入的上下限閾值，將直方圖分類并計(jì)算分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖1 MedFIA評(píng)估軟件分析流程圖

2 MedFIA評(píng)估軟件功能

該軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：圖像讀取、病變的配準(zhǔn)和分割、ADC值計(jì)算、直方圖繪制、治療前后對(duì)比、療效彩圖顯示、定量數(shù)據(jù)計(jì)算以及數(shù)據(jù)保存。各功能具體介紹如下：

（1）病變配準(zhǔn)。盡管同一病人術(shù)前術(shù)后磁共振檢查選擇同樣的視野（Filed of View，F(xiàn)OV），但是病人位置的不同以及呼吸帶來(lái)的病變位移會(huì)導(dǎo)致病變?cè)谛g(shù)前術(shù)后圖像中位置不同。位置的不同又會(huì)導(dǎo)致結(jié)果分析的不準(zhǔn)確。因此，圖像預(yù)處理的第一步為圖像配準(zhǔn)。由于病變不存在變形和旋轉(zhuǎn)，所以配準(zhǔn)只需校正位置的變化[9]。

（2）病變分割。該軟件的分割方式為半自動(dòng)分割，分為以下3步。第一步：手動(dòng)選取感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI），進(jìn)行病變的粗略選??；第二步：閾值分割，選擇合適的閾值區(qū)分病變與正常組織[10]；第三步：形態(tài)學(xué)分割，去除正常組織并且保留完整的病變[10]。

（3）ADC值計(jì)算。輸入b值后，利用公式計(jì)算病變每個(gè)像素的ADC值[11]，其中S代表DWI信號(hào)強(qiáng)度，b代表選取的b值，high為高b值，low為低b值。

（4）直方圖繪制。計(jì)算病變內(nèi)每個(gè)ADC值的頻率，分別繪制治療前后的ADC值直方圖。直方圖可以直觀的顯示ADC值的范圍和分布情況。

（5）治療前后對(duì)比。對(duì)比病變內(nèi)的每一個(gè)像素在治療前后的ADC值變化，量化治療效果[12-13]。

（6）療效彩圖顯示。將ADC變化值轉(zhuǎn)化成色階并覆蓋在解剖圖像上，更加直觀地顯示治療效果[12-13]。

（7）定量數(shù)據(jù)計(jì)算。根據(jù)用戶輸入的閾值計(jì)算并顯示ADC變化值分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[14]。

3 臨床應(yīng)用

目前，針對(duì)采取動(dòng)脈內(nèi)栓塞治療的肝癌患者，預(yù)測(cè)其治療效果常用的方法是觀察腫瘤體積大小、組織密度的變化[15-16]。但是，肝癌組織密度在治療前后變化一般不明顯，而要出現(xiàn)明顯的體積大小變化一般需要數(shù)月或者更長(zhǎng)時(shí)間，時(shí)間對(duì)于此類病人至關(guān)重要，早期的療效評(píng)估對(duì)后期治療方案的選擇及預(yù)后判斷有重要意義[15-16]。

磁共振彌散成像相對(duì)快速、無(wú)創(chuàng)、敏感等特點(diǎn)使之成為大部分肝癌患者優(yōu)先選擇的檢查項(xiàng)目，也是MedFIA評(píng)估軟件用于早期治療效果分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。我們開發(fā)的MedFIA評(píng)估軟件已經(jīng)通過(guò)兩名有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)生對(duì)20例肝癌栓塞治療的患者進(jìn)行了臨床驗(yàn)證：首先通過(guò)西門子工作站在肝癌栓塞治療前后的腫瘤最大層面圖像上畫出圓形或類圓形ROI，使其盡量包括全部病灶。然后再將獲取的平均ADC值與該軟件計(jì)算出的腫瘤區(qū)域平均ADC值進(jìn)行比較，兩者的平均ADC值相似程度超過(guò)95%。初步證明該軟件計(jì)算所得結(jié)果準(zhǔn)確可信，可用于肝癌栓塞治療患者的早期療效評(píng)估。依據(jù)DWI即可對(duì)每位患者治療前后的ADC值進(jìn)行對(duì)比分析，并繪制出ADC變化值直方圖，便于觀察其整體變化趨勢(shì)[5-6]。圖2和圖3可以看到基于像素分析的ADC值栓塞治療后明顯升高，按照預(yù)先設(shè)定的色階分類ADC變化閾值（±160×10-6mm2/s）計(jì)算，紅色代表治療后ADC值明顯升高的肝癌組織所占比例（67.92%），綠色代表ADC值無(wú)明顯變化（22.73%），藍(lán)色代表ADC值明顯降低（9.35%）。ADC變化值直方圖，見圖2。圖中顯示肝癌栓塞治療后ADC值整體升高，提示肝癌組織有明顯壞死，治療可能有效。ADC變化值彩色圖譜及分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見圖3。圖片根據(jù)彩色圖譜還可以分析肝癌組織內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)治療的反應(yīng)情況：哪些部分ADC升高明顯，提示該部位肝癌組織壞死明顯，對(duì)治療敏感程度也就一目了然。臨床醫(yī)生可以參考這些結(jié)果，擬定更為科學(xué)的后續(xù)治療措施，做到有的放矢。分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)將ADC值變化按升高、未變化、降低進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步對(duì)治療效果進(jìn)行量化表示，更加直觀地顯示治療前后肝癌組織ADC值的變化[5-6]。

圖2 ADC變化值直方圖

圖3 ADC變化值彩色圖譜及分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)及圖像后處理技術(shù)的迅速發(fā)展，使得該技術(shù)廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為數(shù)字醫(yī)療開創(chuàng)了新時(shí)代。借助數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以獲得更清晰、更準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。我們自主開發(fā)的MedFIA評(píng)估軟件，主要基于二維磁共振彌散圖像計(jì)算肝癌患者栓塞治療前后ADC值的變化，量化評(píng)估其早期栓塞治療的效果，通過(guò)臨床驗(yàn)證和與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道比對(duì)，其重復(fù)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率均較高，完全能滿足臨床需求[14-16]。當(dāng)然與國(guó)外售價(jià)高昂的同類軟件相比，尚存在一定差距：比如病變的三維數(shù)據(jù)分析和顯示，更多定量參數(shù)的獲取等。另外該軟件也需要在更多肝癌栓塞治療病例中去應(yīng)用，并結(jié)合組織病理變化和最終臨床療效進(jìn)行深入驗(yàn)證與評(píng)估。總之，以肝癌為代表的腫瘤患者的DWI圖像分析與后處理技術(shù)具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和前景，不僅有利于提高臨床診斷的準(zhǔn)確性，也能快速、準(zhǔn)確地判斷臨床療效和預(yù)后，值得我們進(jìn)一步去探索。

[1]段宏偉,張振勇,劉學(xué)平.磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像對(duì)肝癌的診斷價(jià)值[J].中國(guó)實(shí)用醫(yī)藥,2012,7(18):85-86.

[2]Gluskin JS,Chegai F,Monti S,et al.Hepatocellular carcinoma and diffusion-weighted MRI: detection and evaluation of treatment response[J].J Cancer,2016,7(11):1565-1570.

[3]武麗芳,顏竹蕓,徐鵬舉,等.ADC值變化率早期預(yù)測(cè)肝細(xì)胞癌(≤5.0 cm) TACE療效的價(jià)值[J].放射學(xué)實(shí)踐,2016,31(3):245-251.

[4]高回青,郁義星,胡春洪,等.彌散加權(quán)成像聯(lián)合普美顯磁共振成像在肝癌TACE術(shù)后療效評(píng)估中的應(yīng)用[J].介入放射學(xué)雜志,2016,25(9):774-778.

[5]Bonekamp S,Jolepalem P,Lazo M,et al.Hepatocellular carcinoma: response to TACE assessed with semiautomated volumetric and functional analysis of diffusion-weighted and contrast-enhanced MR imaging data[J].Radiology,2011,260(3):752-761.

[6]Li Z,Bonekamp S,Halappa VG,et al.Islet cell liver metastases:assessment of volumetric early response with functional MR imaging after transarterial chemoembolization[J].Radiology,2012,264(1):97-109.

[7]趙彩云,張永壽,趙曉辰.醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2014,11(2):45-47.

[8]Chapiro J,Lin M,Duran R,et al.Assessing tumor response after loco-regional liver cancer therapies: the role of 3D MRI[J].Expert Rev Anticancer Ther,2015,15(2):199-205.

[9]鄧兵華,張明.Matlab環(huán)境下圖像配準(zhǔn)方法[J].電子科技,2014,27(1):139-141.

[10]李越.MATLAB在醫(yī)學(xué)圖像分割處理中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程,2015,34(28):191-194.

[11]Bharwani N,Koh DM.Diffusion-weighted imaging of the liver:an update[J].Cancer Imaging,2013,13(2):171-185.

[12]Corona-Villalobos CP,Halappa VG,Bonekamp S,et al.Functional magnetic resonance imaging response of targeted tumor burden and its impact on survival in patients with hepatocellular carcinoma[J].Invest Radiol,2015,50(4):283-289.

[13]Sobhani F,Xu C,Murano E,et al.Hypo-vascular liver metastases treated with transarterial chemoembolization: assessment of early response by volumetric contrast-enhanced and diffusion-weighted magnetic resonance imaging[J].Transl Oncol,2016,9(4):287-294.

[14]Bonekamp S,Li Z,Geschwind JF,et al.Unresectable hepatocellular carcinoma: MR imaging after intraarterial therapy. Part Ⅰ. Identification and validation of volumetric functional response criteria[J].Radiology,2013,268(2):420-430.

[15]Chapiro J,Wood LD,Lin M,et al.Radiologic-pathologic analysis of contrast-enhanced and diffusion-weighted MR imaging in patients with HCC after TACE: diagnostic accuracy of 3D quantitative image analysis[J].Radiology,2014,273(3):746-758.

[16]Bonekamp S,Halappa VG,Geschwind JF,et al.Unresectable hepatocellular carcinoma: MR imaging after intra-arterial therapy. Part Ⅱ. Response stratification using volumetric functional criteria after intraarterial therapy[J].Radiology,2013,268(2):431-439.