史張，陳?；?，李晶，田霞，張雪鳳，彭雯佳，陳錄廣，陸建平，王莉，劉崎

顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化性疾病(Intracranial atherosclerotic disease，ICAD)是造成缺血性腦卒中的主要原因[1]，其直接表現(xiàn)是在動(dòng)脈管壁上形成的粥樣硬化斑塊，而因斑塊成分的不同可將其分為易損斑塊與穩(wěn)定斑塊[2]。與穩(wěn)定斑塊相比，易損斑塊更容易引起急性缺血性卒中事件的發(fā)生或復(fù)發(fā)，故而在臨床上通常認(rèn)為對(duì)癥狀性易損斑塊的判別有助于預(yù)防急性缺血性腦血管病的發(fā)生。目前，顱內(nèi)血管管壁的高分辨率磁共振成像(high resolution resonance imaging，HR-MRI)可以對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊進(jìn)行直接可視化的檢測[3]，并且國內(nèi)外已有許多基于HR-MRI用定性或定量的形態(tài)學(xué)及影像學(xué)特征對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊性質(zhì)進(jìn)行評(píng)估的研究[4-5]。然而，這些研究并沒有提出顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的定量影像組學(xué)特征。因此，本研究目的是用直方圖紋理分析方法回顧性分析癥狀性顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的一些肉眼不可分辨的紋理特征，進(jìn)而為判別顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的性質(zhì)開辟一條嶄新的道路。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

本研究由第二軍醫(yī)大學(xué)倫理審查委員會(huì)批準(zhǔn)，所有患者均簽署知情同意書。回顧分析2016年1月至2017年1月在上海長海醫(yī)院行大腦中動(dòng)脈(middle cerebral artery，MCA)及基底動(dòng)脈(basilar artery，BA)管壁HR-MRI檢查的191例患者，其中包括在我院腦血管病中心住院的疑似ICAD患者75例及來我院體檢中心檢查的無癥狀者58例。納入標(biāo)準(zhǔn)[4]：(1)經(jīng)頸部超聲檢查無明顯頸動(dòng)脈狹窄(狹窄程度≤30%；(2)主動(dòng)脈弓未見粥樣硬化斑塊；(3)有超過一項(xiàng)的動(dòng)脈粥樣硬化高危因素，包括高血壓、糖尿病、高膽固醇血癥、肥胖、吸煙等；(4)符合《中國急性缺血性卒中診治指南》(2015年4月第48卷第4期《中華神經(jīng)科雜志》第248頁)中急性缺血性卒中診斷標(biāo)準(zhǔn)的入院患者或無缺血性卒中相關(guān)癥狀的體檢人員。排除標(biāo)準(zhǔn)[6]：(1)懷疑心臟栓塞性中風(fēng)；(2)非動(dòng)脈粥樣硬化性疾病包括moyamoya病、血管炎、動(dòng)脈夾層和可逆性腦血管收縮綜合征；(3) MRI臨床禁忌證，如患者有心臟起搏器、某些金屬植入物或嚴(yán)重的幽閉恐懼癥。

1.2 檢查方法

患者均在3.0 T磁共振掃描儀(HDx，GE Healthcare，Waukesha，WI，USA)進(jìn)行掃描，采用8通道頭顱線圈。掃描參數(shù)見表1，增強(qiáng)掃描使用的造影劑為Gd-DTPA，注射劑量0.2 mmol/kg，注射速率2 ml/s。

表1 MCA及BA磁共振管壁成像的掃描參數(shù)Tab.1 Scan parameters for MCA and BA

1.3 圖像分析與測量

所有完成掃描的MCA及BA圖像均由2名有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師在不了解患者臨床資料的情況下進(jìn)行圖像分析，根據(jù)TOF-MRA (time-offlight-magnetic resonance angiography)及WASID(warfarin-aspirin symptomatic intracranial disease)標(biāo)準(zhǔn)確定出MCA或BA的最狹窄層面。

(1)形態(tài)學(xué)特征分析與測量：使用CMRTools(Version 1.47，National Institutes of Health，Bethesda，Maryland，USA)軟件在T2WI上手動(dòng)勾畫出最狹窄層面的管腔和管壁邊界，同時(shí)將此兩個(gè)血管輪廓復(fù)制到同層面的T1WI及T1WI增強(qiáng)序列上。根據(jù)上述分割圖像得出以下參數(shù)：最小管腔面積(minimal luminal area，MLA)，斑塊負(fù)荷=(管壁總面積-管腔面積)/管壁總面積×100%，管腔狹窄率=(1-最小管腔內(nèi)徑/正常管腔內(nèi)徑)×100%(取近端和遠(yuǎn)端正常管腔內(nèi)徑之和的均值設(shè)定為正常管腔內(nèi)徑)；根據(jù)同層面鄰近腦灰質(zhì)信號(hào)強(qiáng)度來標(biāo)準(zhǔn)化T1WI和T1WI增強(qiáng)兩個(gè)序列圖像中斑塊的信號(hào)強(qiáng)度，并評(píng)判出斑塊內(nèi)出血(intraplaque hemorrhage，IPH)。(2)直方圖特征分析與測量：采用Image J 1.44 (national institutes of health，Bethesda，MD)軟件在最狹窄層面的T2WI上手動(dòng)畫出斑塊的輪廓，并將該ROI復(fù)制到相同層面的T1WI及T1WI增強(qiáng)圖像上。然后測出并記錄斑塊的直方圖特征值，包括面積、均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、最小值、最大值、中位數(shù)、偏度及峰度，通過計(jì)算公式(變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/均數(shù))得到變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)值。最后通過軟件生成該斑塊的直方圖。

表2 患者臨床資料匯總(例)Tab.2 Patient and clinical characteristics (n)

表3 顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形態(tài)學(xué)及直方圖特征Tab.3 Radiological and histogram features of intracranial atherosclerotic plaques

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

用SPSS 24.0軟件做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。所有數(shù)據(jù)行正態(tài)檢驗(yàn)。單因素分析中計(jì)量資料用±s表示并行兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料用行×列卡方檢驗(yàn)。多因素分析采用逐步選擇變量的logistics回歸模型，計(jì)算出優(yōu)勢比(OR)和95%可信區(qū)間(95%CI)，并得出癥狀性斑塊的ROC曲線，同時(shí)計(jì)算相應(yīng)的曲線下面積(area under the curve，AUC)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass coefficient，ICC)評(píng)估2名醫(yī)師測量斑塊直方圖特征的一致性，ICC＞0.75提示一致性好。

2 結(jié)果

2.1 患者一般資料

根據(jù)納入和排除標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示，共有133例受試者[平均年齡(58.5±11.4)歲]入選本研究，其中糖尿病41例，高血壓88例，高脂血癥47例，吸煙者34例。在133例受試者中，61例患者的斑塊來自大腦中動(dòng)脈M1段，而72例患者的斑塊來自基底動(dòng)脈；急性缺血性卒中患者75例，無癥狀者58例。

圖1 MCA無明顯強(qiáng)化的癥狀性動(dòng)脈粥樣硬化斑塊與無癥狀斑塊的比較。A～D：男，65歲，右側(cè)基底節(jié)區(qū)急性腦梗死，右側(cè)MCA發(fā)現(xiàn)弧形斑塊且無明顯強(qiáng)化，基于T1WI的直方圖(D)顯示CV=0.199。E～H：女，57歲，體檢發(fā)現(xiàn)左側(cè)MCA弧形斑塊且無強(qiáng)化，基于T1WI的直方圖(H)顯示CV=0.151。圖1A、1E為T2WI；圖1B、1F為T1WI；圖1C、1G為增強(qiáng)T1WI 圖2 BA有強(qiáng)化的癥狀性動(dòng)脈粥樣硬化斑塊與無癥狀斑塊的比較。A～D：男，62歲，急性腦干梗死3 d，BA中段可見環(huán)形斑塊伴強(qiáng)化，直方圖(圖D)提示CV=0.331。E～H：男，69歲，體檢發(fā)現(xiàn)BA近中段前壁弧形斑塊伴明顯強(qiáng)化，直方圖(圖H)顯示CV=0.163。圖1A、1E為T2WI；圖1B、1F為T1WI；圖1C、1G為增強(qiáng)T1WIFig.1 Atherosclerotic plaques without some enhancement from MCA. The four pictures (A—D) show a 65-year-old man with acute stroke in basal ganglia region and an atherosclerotic plaque of the MCA. The T1-enhancement (C) images show the plaques with isointensity. The histogram pictures (D) based on T1 images show the plaque with a CV of 0.199. The four pictures (E—H) show a 57-year-old woman with a plaque on the left MCA. The value of CV was 0.151 on the histogram pictures of T1 images (D). 1A, 1E: T2-weighted images. 1B, 1F: T1-weighted images. 1C, 1G: CE-T1WI. Fig.2 Atherosclerotic plaque with obvious enhancement from BA. The four pictures (A—D) show a 62-year-old man with acute stroke in the brainstem. The T1-enhancement (C)images show the plaques with obvious hyperintensity. Based on the T1 images, the histogram pictures (D) show that the CV value of the plaque was 0.331.The pictures (E—H) show a 69-year-old man with a plaque from BA. On the histogram pictures of T1 images (H), the CV value of the plaque was 0.163.1A, 1E: T2-weighted images. 1B, 1F: T1--weighted images. 1C, 1G: CE-T1WI.

2.2 顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形態(tài)學(xué)及直方圖特征

單因素分析顯示(表3)，顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊在急性癥狀組與無癥狀組的比較中有2個(gè)形態(tài)學(xué)特征差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，分別為MLA (P＜0.001)和IPH (P=0.001)；而直方圖分析表示，在T1WI上急性癥狀性斑塊與無癥狀性斑塊的直方圖特征差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(面積，P=0.002；均數(shù)，P=0.048；標(biāo)準(zhǔn)差；P=0.017；最小值，P＜0.001；中位數(shù)，P=0.019；CV，P＜0.001)，但在T2WI及T1WI增強(qiáng)序列中直方圖特征并沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。2名醫(yī)師在T1WI上對(duì)直方圖特征的ICC值均大于0.900，可重復(fù)性高。

圖3 判別癥狀性斑塊形態(tài)學(xué)及直方圖特征的ROC曲線。Fig.3 ROC curves for radiological and histogram features to determine symptomatic intracranial atherosclerotic plaques.

2.3 多因素logistics回歸模型對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的評(píng)判

上述8個(gè)特征經(jīng)多因素logistics回歸分析后(表3)，可知MLA (OR=1.301；95%CI，1.036～1.633)、IPH (OR=12.440；95%CI，1.551～99.780)和CV(OR=3.476；95%CI，1.513～7.985)被認(rèn)為是區(qū)分癥狀性斑塊與無癥狀性斑塊的重要預(yù)測因素(圖1，2)。通過ROC曲線可知，三個(gè)特征的AUC分別為0.681、0.625和0.727(圖3)，而MLA和CV的cutoff值分別為2.39 mm2和0.187。若將三個(gè)特征結(jié)合起來共同對(duì)癥狀性顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊進(jìn)行評(píng)判，則其檢驗(yàn)效能提高，AUC可達(dá)0.801。

3 討論

3.1 本研究與之前研究的比較

本研究表明，基于HR-MRI的形態(tài)學(xué)特征及直方圖分析有助于區(qū)分癥狀性顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊，并且兩者結(jié)合起來共同判別癥狀性斑塊與無癥狀性斑塊的效能要遠(yuǎn)高于單獨(dú)使用形態(tài)學(xué)特征或直方圖分析。

從形態(tài)學(xué)角度來看，本研究結(jié)果較之前Teng等[6]的顱內(nèi)MCA責(zé)任斑塊形態(tài)學(xué)研究相似，該研究認(rèn)為MLA是有效鑒別責(zé)任斑塊的一個(gè)獨(dú)立因素，但該研究表明當(dāng)MLA≤2.0 mm2時(shí)診斷效能最佳，而本研究雖然也認(rèn)為MLA是一個(gè)可以判別癥狀性斑塊的獨(dú)立因素，但本研究結(jié)果表明當(dāng)MLA≥2.39 mm2時(shí)斑塊引起急性缺血性卒中事件的可能性更大，這一結(jié)果的不同可能與我們的研究對(duì)象和分類標(biāo)準(zhǔn)不同有關(guān)。其次，本研究認(rèn)為IPH陽性是癥狀顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的重要預(yù)測指標(biāo)，這一結(jié)論與Xu等[7]和Mossa-Basha等[8]的研究一致，認(rèn)為IPH在T1WI上呈現(xiàn)為高信號(hào)且這一現(xiàn)象在癥狀性斑塊中更為常見，提示IPH與急性缺血性卒中癥狀的發(fā)生密切相關(guān)。

從定量分析角度來看，本研究首次提出了用直方圖分析法來反應(yīng)顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊圖像的一階紋理特征，與之前Vakil等[9]基于動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)定量分析斑塊滲透性的研究相比，本研究測量更為簡便，且不需要通過對(duì)比劑增強(qiáng)來判斷斑塊的性質(zhì)；同時(shí)，在定量特征值上，Valil等[9]認(rèn)為Ktrans可能是與急性癥狀相關(guān)腦動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的獨(dú)立標(biāo)志物，而本研究則認(rèn)為與無癥狀性斑塊相比，CV大于0.181是急性癥狀性動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的一個(gè)顯著特征，且是既適用于前循環(huán)斑塊又適用于后循環(huán)斑塊的定量一階紋理特征。

總之，直方圖分析擴(kuò)展了之前用HR-MRI來分析顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊特征的研究，并能夠與之前形態(tài)學(xué)的方法相結(jié)合從而共同對(duì)顱內(nèi)斑塊的易損性進(jìn)行判別。

3.2 顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的成分與定量特征

動(dòng)脈粥樣硬化是一個(gè)復(fù)雜的病理過程，通常被認(rèn)為與炎癥相關(guān)[10]。與腦動(dòng)脈狹窄相比，癥狀性斑塊的破裂是導(dǎo)致急性缺血性腦血管事件更為重要的原因[11]。從組織學(xué)上講，無癥狀的穩(wěn)定斑塊一般纖維帽較厚、富含更多的平滑肌細(xì)胞，而癥狀性易損斑塊則具有較薄的纖維帽及較多的脂質(zhì)成分[12]。

目前，許多研究已證明基于HR-MRI的定量影像學(xué)特征(包括斑塊的厚度，表面不規(guī)則，斑塊部位、重構(gòu)模式，IPH和斑塊強(qiáng)化)可作為動(dòng)脈粥樣硬化斑塊易損性的預(yù)測因素。例如，一項(xiàng)研究表明在ICAD患者中的易損斑塊厚度比非易損性斑塊薄，且斑塊表面不規(guī)則的患者中71%是有癥狀的，而只有19%屬于無癥狀人群[13]。而Qiao等[14]認(rèn)為顱內(nèi)動(dòng)脈重構(gòu)模式影響斑塊的形成，且發(fā)生陽性重構(gòu)的斑塊可能是一個(gè)導(dǎo)致腦卒中發(fā)病的重要危險(xiǎn)因素。另外，有一些報(bào)道提出了IPH和斑塊強(qiáng)化的影像特征是癥狀性易損斑塊的高危因素，發(fā)現(xiàn)IPH和斑塊強(qiáng)化與斑塊所在動(dòng)脈供血區(qū)新近的梗塞有關(guān)[3，15]。然而，在現(xiàn)有的管壁成像研究大多集中于顱內(nèi)動(dòng)脈管壁及動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形態(tài)學(xué)特征及影像學(xué)表現(xiàn)，而對(duì)活體斑塊內(nèi)部的紋理特點(diǎn)及成分結(jié)構(gòu)并沒有過多探究。

目前，動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的直方圖分析多局限于冠狀動(dòng)脈及頸動(dòng)脈CTA或超聲影像圖的研究[5，16]。其中，頸動(dòng)脈斑塊直方圖的研究表明，通過直方圖的紋理分析可以用于區(qū)分頸動(dòng)脈的癥狀性斑塊和無癥狀性斑塊[17]。同樣，在本研究中設(shè)想通過利用一階影像組學(xué)特征來分析動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中肉眼不可辨的紋理特點(diǎn)，進(jìn)一步探討了直方圖特征和顱內(nèi)斑塊的易損性之間的相關(guān)性。從統(tǒng)計(jì)學(xué)中可知，CV是一個(gè)表示測量觀測數(shù)據(jù)之間變異程度的統(tǒng)計(jì)量，可以用標(biāo)準(zhǔn)差與均數(shù)之比計(jì)算得到，表示數(shù)據(jù)的離散程度。本研究中，T1圖像上的CV值在急性癥狀性斑塊中明顯高于無癥狀斑塊，這與IPH在T1圖像的表現(xiàn)一致。此外，對(duì)于那些在T1上信號(hào)相似的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊，無法通過肉眼去判別其穩(wěn)定性，但通過直方圖紋理特征便可以清楚地從無癥狀斑塊中辨別出可以導(dǎo)致急性卒中事件的癥狀性斑塊。

3.3 本研究的局限性

首先，本研究只是影像組學(xué)紋理分析的一階方法，并沒有包含全部的影像組學(xué)分析，因此后續(xù)將利用完整的組學(xué)分析進(jìn)一步對(duì)ICAD患者的癥狀性斑塊進(jìn)行評(píng)判。其次，本研究屬于回顧性分析，后續(xù)還應(yīng)該建立一個(gè)能夠評(píng)判斑塊活性并能區(qū)分斑塊成分的前瞻性研究。最后，本研究圖像均基于2D掃描，這使得對(duì)整體斑塊的勾畫及評(píng)估沒有3D圖像精準(zhǔn)，因此后續(xù)我們會(huì)用3D掃描的圖像來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析。

總之，本研究結(jié)果表明T1WI比T2WI及增強(qiáng)T1對(duì)斑塊的直方圖分析更有價(jià)值，這種不需要通過對(duì)比劑注入來判別斑塊性質(zhì)的方法對(duì)那些不能忍受長時(shí)間HR-MRI掃描的急性中風(fēng)患者以及通過藥物治療后需要長期隨訪觀察的患者是有百益而無一害的。

參考文獻(xiàn) [References]

[1] Lozano R, Naghavi M, Foreman K, et al. Global and regional mortality from 235 causes of death for 20 age groups in 1990 and 2010: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010. Lancet, 2012, 380(9859): 2095-2128.

[2] Mozaffarian D, Benjamin EJ, Go AS, et al. Heart disease and stroke statistics--2015 update: a report from the American Heart Association. Circulation, 2015, 131(4): e29-32.

[3] Qiao Y, Guallar E, Suri FK, et al. MR Imaging Measures of Intracranial Atherosclerosis in a Population-based Study. Radiology,2016, 280(3): 860-868.

[4] Zhang X, Zhu C, Peng W, et al. Scan-Rescan Reproducibility of High Resolution Magnetic Resonance Imaging of Atherosclerotic Plaque in the Middle Cerebral Artery. PloS one, 2015, 10(8): e0134913.

[5] Huang X, Zhang Y, Qian M, et al. Classification of Carotid Plaque Echogenicity by Combining Texture Features and Morphologic Characteristics. J Ultrasound Med, 2016, 35(10): 2253-2261.

[6] Teng Z, Peng W, Zhan Q, et al. An assessment on the incremental value of high-resolution magnetic resonance imaging to identify culprit plaques in atherosclerotic disease of the middle cerebral artery. Eur Radiol, 2016, 26(7): 2206-2214.

[7] Xu WH, Li ML, Gao S, et al. In vivo high-resolution MR imaging of symptomatic and asymptomatic middle cerebral artery atherosclerotic stenosis. Atherosclerosis, 2010, 212(2): 507-511.

[8] Mossa-Basha M, Alexander M, Gaddikeri S, et al. Vessel wall imaging for intracranial vascular disease evaluation. J Neurointerv Surg, 2016, 8(11): 1154-1159.

[9] Vakil P, Elmokadem AH, Syed FH, et al. Quantifying Intracranial Plaque Permeability with Dynamic Contrast-Enhanced MRI: A Pilot Study. AJNR Am J Neuroradiol, 2017, 38(2): 243-249.

[10] Herrmann J, Lerman LO, Lerman A. On to the road to degradation:atherosclerosis and the proteasome. Cardiovasc Res, 2010, 85(2):291-302.

[11] Sun R, XIiao L, Duan S. High expression of ubiquitin conjugates and NF-kappaB in unstable human intracranial atherosclerotic plaques. J Cell Physiol, 2012, 227(2): 784-788.

[12] Gutierrez J, Elkind MS, Virmani R, et al. A pathological perspective on the natural history of cerebral atherosclerosis. Int J Stroke, 2015,10(7): 1074-1780.

[13] Xu WH, Li ML, Gao S, et al. Plaque distribution of stenotic middle cerebral artery and its clinical relevance. Stroke, 2011, 42(10):2957-2959.

[14] Qiao Y, Anwar Z, Intraporomkul J, et al. Patterns and Implications of Intracranial Arterial Remodeling in Stroke Patients. Stroke, 2016,47(2): 434-440.

[15] Kim JM, Jung KH, Sohn CH, et al. Intracranial plaque enhancement from high resolution vessel wall magnetic resonance imaging predicts stroke recurrence. Int J Stroke, 2016, 11(2): 171-179.

[16] Schlett CL, Maurovich-Horvat P, Ferencik M, et al. Histogram analysis of lipid-core plaques in coronary computed tomographic angiography: ex vivo validation against histology. Invest Radiol,2013, 48(9): 646-652.

[17] Mougiakakou SG, Golemati S, Gousias I, et al. Computer-aided diagnosis of carotid atherosclerosis based on ultrasound image statistics, laws' texture and neural networks. Ultrasound Med Biol,2007, 33(1): 26-36