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        直方圖分析技術(shù)用于兒童中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

        2021-03-27 15:20:36邊傳振
        關(guān)鍵詞:偏度特征參數(shù)腦癱

        嚴(yán) 慧,邊傳振

        (南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院放射科,江蘇 南京 210008)

        中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病率較高,預(yù)后較差,早期診治可改善預(yù)后[1]。MRI軟組織分辨率高,且能多方位成像,相對(duì)CT檢查而言,對(duì)顯示顱后窩病變具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),且無(wú)輻射損傷,已成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的常規(guī)檢查方法[2]。直方圖分析技術(shù)是紋理分析的常用方法之一,是在常規(guī)MRI基礎(chǔ)上提取圖像ROI內(nèi)的特征值,并將其信息數(shù)字化,提供更多人眼無(wú)法辨識(shí)的病理生理信息,有助于精準(zhǔn)診斷疾病、評(píng)估療效及預(yù)測(cè)預(yù)后;且操作簡(jiǎn)便,可重復(fù)性較強(qiáng)[3]。目前表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient, ADC)直方圖及灰度直方圖已用于兒童及成人中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病,本文對(duì)相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行綜述。

        1 概述

        直方圖分析技術(shù)能以簡(jiǎn)單方式描述圖像中包含的統(tǒng)計(jì)信息,常用于數(shù)字化分析圖像,在人工智能醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域中越來(lái)越受到關(guān)注。直方圖是反映圖像數(shù)據(jù)分布特征的統(tǒng)計(jì)報(bào)告圖,一般以橫軸表示數(shù)據(jù)類型,縱軸表示分布特征,可定量顯示ROI內(nèi)數(shù)據(jù)分布特征,進(jìn)而反映疾病的病理生理信息[4]。直方圖分析技術(shù)常用參數(shù)包括均值、變異度、偏度、峰度、最大值、最小值及第n百分位數(shù)等[5]。均值和變異度反映ROI內(nèi)像素灰度值或ADC值的平均水平及離散程度。偏度表示變量分布相對(duì)于平均值的不對(duì)稱程度,正偏度代表變量分布的主體主要集中在右側(cè),表明變量的不對(duì)稱尾部趨向更多較大值,負(fù)偏度與之相反,表示變量的不對(duì)稱尾部趨向更多較小值;偏度絕對(duì)值越大,表示變量分布形態(tài)偏移程度越大。峰度表示總體中所有變量分布形態(tài)的陡緩程度,反映變量分布與正態(tài)分布相比的平坦度或尖銳度,正峰值代表變量分布比正態(tài)分布尖銳,負(fù)峰值表示其比正態(tài)分布平坦。第n百分位數(shù)表示低于該百分位數(shù)觀察對(duì)象所占百分比[6]。

        針對(duì)不同的來(lái)源數(shù)據(jù),直方圖分析中的前處理、繪制及數(shù)據(jù)分析流程亦有所差別,但主要框架基本相同,包括圖像采集、圖像分割、特征提取和數(shù)據(jù)分析:①圖像采集,建立數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn),以保持掃描參數(shù)的一致性;②圖像分割,即ROI提取,如勾畫(huà)腫瘤組織、正常組織或其他解剖結(jié)構(gòu)范圍;③特征提取,選擇用于描述圖像特征的有價(jià)值的信息,如均值、最大值、最小值、偏度及峰度等;④建立數(shù)據(jù)庫(kù)并分析,包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、建立完整的工作系統(tǒng)、臨床數(shù)據(jù)分析整合以及采用相應(yīng)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,以獲得具有最佳診斷效能的特征參數(shù)組合。

        ADC直方圖及灰度直方圖分析技術(shù)用于顱腦疾病已取得一定效果。彌散成像是目前唯一能在體檢測(cè)活體組織水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的無(wú)創(chuàng)影像學(xué)技術(shù),雖然受技術(shù)水平所限,尚不能準(zhǔn)確測(cè)量活體組織水分子的彌散系數(shù),但可利用彌散加權(quán)圖中的ADC值間接反映不同方向水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的范圍和速率,量化評(píng)價(jià)組織內(nèi)水分子彌散受限。ADC直方圖分析技術(shù)能夠識(shí)別ROI內(nèi)體素ADC值,快速得到ADC值分布特征曲線及描述其擴(kuò)散異質(zhì)性特征的定量參數(shù)[7],故對(duì)ADC圖像進(jìn)行直方圖分析可通過(guò)水分子擴(kuò)散狀態(tài)反映腦組織損傷情況及程度。不同于血流動(dòng)力學(xué)模型所納入的灌注參數(shù)如局部腦血流量或局部腦血容量等,灰度直方圖分析所用參數(shù)并不能直接反映病理生理學(xué)狀態(tài)[8],而是主要描述T1WI、T2WI、液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)或增強(qiáng)T1WI中ROI內(nèi)每個(gè)灰度級(jí)的出現(xiàn)頻率,通過(guò)識(shí)別ROI內(nèi)體素灰度值,快速獲得灰度值分布特征曲線及描述其分布特征的定量參數(shù),從而對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病進(jìn)行診斷、鑒別及預(yù)測(cè),作為一種非侵入性手段為神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供更有價(jià)值的信息。

        2 在兒童中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

        直方圖分析技術(shù)目前在成人中的應(yīng)用已相當(dāng)成熟,在成人腦腫瘤分型及預(yù)后評(píng)估等方面顯示出巨大潛力,但在兒童中的應(yīng)用較少見(jiàn),且納入樣本量均較小。BULL等[9]回顧性分析54例不同類型兒童腦腫瘤術(shù)前MRI,根據(jù)ADC直方圖第75百分位數(shù)值診斷星形細(xì)胞瘤、髓母細(xì)胞瘤和幕下室管膜瘤,準(zhǔn)確率分別為100%、94%和80%,且依據(jù)峰值及偏度值可鑒別原始神經(jīng)外胚層腦腫瘤與非典型性畸胎樣/橫紋肌樣瘤。在預(yù)測(cè)腦腫瘤患兒生存期方面,直方圖分析技術(shù)也取獲得了良好結(jié)果。POUSSAINT等[10]分析140例腦膠質(zhì)瘤患兒治療前后顱腦ADC圖,并獲得腫瘤區(qū)域直方圖各特征參數(shù);針對(duì)各特征參數(shù)與患兒無(wú)進(jìn)展生存率及總體生存率進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示治療前ADC值與患兒無(wú)進(jìn)展生存率呈正相關(guān),ADC峰值與總體生存率呈負(fù)相關(guān),提示直方圖分析技術(shù)不僅能鑒別不同類型腦腫瘤,且對(duì)預(yù)測(cè)生存期亦有一定價(jià)值。

        直方圖分析技術(shù)現(xiàn)已用于評(píng)價(jià)兒童腦發(fā)育。有學(xué)者[11]分析缺氧缺血性腦病新生兒ADC直方圖,發(fā)現(xiàn)峰值和最小值與孕齡及新生兒腦成熟度均具有相關(guān)性。朱美嬌等[12]采用mirCoN及ImageJ軟件分析60例室間隔缺損患兒顱腦DWI圖像,獲得直方圖及多組ADC參數(shù),并對(duì)各參數(shù)與孕齡進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示除均值、最小值、峰值外,各參數(shù)值均與孕齡顯著相關(guān),患兒ADC第70~95百分位數(shù)、偏度、峰度及方差等參數(shù)值均與正常兒童存在顯著差異;可能與先天性心臟病患兒腦髓鞘化延遲、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元發(fā)育不成熟有關(guān),亦可能與先天性心臟病患兒缺氧狀態(tài)下腦供氧代償性增加、導(dǎo)致血紅蛋白濃度降低有關(guān)[13],提示直方圖分析技術(shù)不僅能評(píng)價(jià)兒童腦發(fā)育狀態(tài),還可用于初步探索導(dǎo)致腦發(fā)育不良的病理生理機(jī)制及原因等。

        直方圖分析技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)兒童神經(jīng)系統(tǒng)疾病及評(píng)價(jià)療效均具有一定價(jià)值。ZENG等[14]對(duì)比分析感染腸道病毒型腦炎兒童的急性期與恢復(fù)期T1WI及T2WI的灰度直方圖及相關(guān)特征參數(shù),發(fā)現(xiàn)急性期與恢復(fù)期各灰度分布特征參數(shù)間均存在差異,表明直方圖分析技術(shù)可反映疾病嚴(yán)重程度及監(jiān)測(cè)治療前后病情變化。邊傳振等[15]采用ADC直方圖分析技術(shù)評(píng)估無(wú)灶性腦癱患兒腦損傷嚴(yán)重程度,結(jié)果顯示腦癱組ADC第80、85、90百分位數(shù)值均高于正常對(duì)照組;對(duì)腦癱組ADC直方圖各參數(shù)值與粗大運(yùn)動(dòng)量表評(píng)分進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示腦癱組ADC第10~95百分位數(shù)值及ADC平均值與粗大運(yùn)動(dòng)量表評(píng)分均相關(guān),提示ADC第80、85及90百分位數(shù)值可作為反映腦癱患兒病情嚴(yán)重程度的客觀指標(biāo);而對(duì)腦癱組T2WI的直方圖分析結(jié)果顯示其第80、85百分位數(shù)灰度值均高于對(duì)照組,腦癱組T2WI的第95百分位數(shù)灰度值與粗大運(yùn)動(dòng)量表評(píng)分相關(guān),表明T2WI灰度直方圖分析技術(shù)可用于診斷腦癱,但不能評(píng)估患兒腦損傷嚴(yán)重程度。

        3 小結(jié)及展望

        直方圖分析技術(shù)用于兒童的研究較少,且樣本量相對(duì)較小[16],主要原因在于兒童屬于特殊群體,MR檢查依從性差,相比成人,獲得標(biāo)準(zhǔn)化圖像信息較困難;多數(shù)針對(duì)兒童的MR檢查需在水合氯醛鎮(zhèn)定鎮(zhèn)靜下完成[17],可能影響腦血流及水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致結(jié)果偏倚;且兒童處于快速生長(zhǎng)期,即使年齡相近的兒童,生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)也可能相差較大,且兒童情緒波動(dòng)大、易受外界因素干擾,亦可能影響結(jié)果[18]。

        總之,直方圖分析技術(shù)在兒童神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用尚處于初始階段,盡管存在諸多亟待解決的問(wèn)題,但前景廣闊,值得期待。

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