丁洪蕾 周科峰 蔣科芳 李嘉穎 高晨 張華妮 孫志超

克羅恩?。–rohn's disease，CD）是一種慢性破壞性腸道疾病，隨著時(shí)間的推移，半數(shù)患者會(huì)出現(xiàn)腸道狹窄、瘺管、膿腫等并發(fā)癥，通常需要手術(shù)治療[1-2]，因此早期精準(zhǔn)評(píng)估患者病情對(duì)預(yù)后非常重要。磁共振成像能對(duì)小腸病變進(jìn)行評(píng)估，并已證明可以預(yù)測(cè)CD患者的長(zhǎng)期結(jié)果[3]；與單純?cè)u(píng)估腸黏膜組織的內(nèi)鏡檢查相比，磁共振檢查還能提供額外的診斷信息[4]。但與內(nèi)鏡檢查一樣，磁共振的診斷也存在主觀差異性、經(jīng)驗(yàn)差異性等因素。因此，客觀精確和可重復(fù)的評(píng)估方式對(duì)于臨床診斷CD患者非常重要。影像組學(xué)通過(guò)提取大量影像特征，將其轉(zhuǎn)化成具有高分辨率、可深度挖掘的特征空間數(shù)據(jù)并建立相應(yīng)的模型，從而減少主觀判斷的差異，對(duì)疾病診斷、治療及預(yù)后進(jìn)行客觀量化分析[5]。目前影像組學(xué)在判斷CD患者活動(dòng)性方面價(jià)值尚不明確，本研究采用磁共振彌散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）序列，探討影像組學(xué)診斷CD患者末端回腸炎癥活動(dòng)性的價(jià)值，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 對(duì)象和方法

1.1 對(duì)象 選擇2016年1月至2020年4月浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院經(jīng)病理檢查診斷為CD的患者89例，男58例，女31例，年齡14～79歲。采用抗腫瘤壞死因子治療25例（28.1%），免疫抑制劑治療27例（30.3%），激素類固醇治療4例（4.5%），兩種及以上藥物治療33例（37.1%）。納入標(biāo)準(zhǔn)：均行內(nèi)鏡和磁共振檢查，兩者間隔時(shí)間不超過(guò)3 d，以保證腸道狀態(tài)的一致性，且磁共振先于內(nèi)鏡檢查。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）圖像偽影明顯，不能勾畫感興趣區(qū)（ROI）；（2）末端回腸顯示不清；（3）末端回腸以纖維狹窄為主或末端回腸被手術(shù)切除；（4）合并其他腸道疾病或腸道腫瘤。所有患者根據(jù)內(nèi)鏡檢查下末端回腸節(jié)段性評(píng)分（CDEIS）的臨界值7分為界，分為活動(dòng)組和非活動(dòng)組。本研究經(jīng)本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（審批號(hào)：2020-KL-035-01）。

1.2 方法 采用GE 3.0T磁共振掃描儀，腹部相控陣線圈，患者取仰臥位，檢查前均肌肉注射鹽酸消旋山莨菪堿注射液（中國(guó)杭州民生制藥有限公司，H33021707）20 mg使小腸充分?jǐn)U張。掃描序列及參數(shù)：橫斷面DWI序列：TR=10 000 ms，TE=100 ms，層厚7 mm，間距6 mm，F(xiàn)OV=80 mm×80 mm，matrix=130×130；橫斷面T2WI序列：TR=1 831 ms，TR=68 ms，層厚=7 mm，間距=8.5 ms，F(xiàn)OV=80 mm×80 mm，NEX=1，matrix=288×288；橫斷面T1WI增強(qiáng)序列：TR=3.7 ms，TE=1.1 ms，層厚=5 mm，間距=3 mm，F(xiàn)OV=280 mm×80 mm，NEX=1，Band Width=166.67 Hz。增強(qiáng)掃描：經(jīng)肘靜脈高壓注射器團(tuán)注釓噴替酸葡甲胺0.1 mmol/kg，速率2.5 ml/s，序列采集時(shí)間為對(duì)比劑注射后20 s。

1.3 ROI勾畫、特征提取與模型建立 所有患者DWI序列圖像經(jīng)spine軟件轉(zhuǎn)換成Dicom格式，并導(dǎo)入ITKSnap（Version 3.80）軟件中。由1位具有3年放射診斷經(jīng)驗(yàn)的住院醫(yī)師沿末端回腸腸壁進(jìn)行勾畫，腸腔排除在外，腸壁顯示不清或相鄰腸壁視覺(jué)重疊部分未納入ROI中，由2位具有10年以上腹部影像診斷經(jīng)驗(yàn)的副主任醫(yī)師復(fù)核，勾畫結(jié)果見(jiàn)圖1。所有勾畫圖像與相應(yīng)的勾畫序列均導(dǎo)入Analysis Kit軟件中進(jìn)行匹配，并基于該軟件對(duì)ROI進(jìn)行特征提取。提取的特征包括一階統(tǒng)計(jì)量（first order）、灰度級(jí)共生矩陣（gray level co-occurrence matrix，GLCM）、灰度級(jí)游程矩陣（gray level run length matrix，GLRLM）、灰度級(jí)連通區(qū)域矩陣（gray level sizezone matrix，GLSZM）、灰度依賴矩陣（gray level dependence matrix，GLDM）和領(lǐng)域灰度差分矩陣（neighborhood gray-tone difference matrix，NGTDM）共1 316個(gè)特征值。將生成的特征表導(dǎo)入IPM軟件中，選擇二分類機(jī)器學(xué)習(xí)方法。種子點(diǎn)設(shè)置為10，將所有患者以7∶3分為訓(xùn)練組與驗(yàn)證組，利用多因素回歸分析進(jìn)行特征篩選，保留差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的特征，Neighbor選擇為10，并建立K-近鄰函數(shù)模型（K-Nearest Neighbor，KNN）模型。以AUC、靈敏度及特異度評(píng)估模型的診斷效能。

圖1 ROI勾畫示意圖[a、b：非活動(dòng)組勾畫，末端回腸節(jié)段性評(píng)分（CD E IS）=3分；c、d：活動(dòng)組勾畫，末端回腸CD E IS=9分]

2 結(jié)果

2.1 兩組患者一般臨床資料的比較 兩組患者除性別、疾病行為外，其余各項(xiàng)指標(biāo)的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），見(jiàn)表1。

表1 兩組患者一般臨床特征資料

2.2 DWI序列影像組學(xué)結(jié)果 共保留具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的特征共9個(gè)，見(jiàn)表2?；诒Ａ舻奶卣髦禈?gòu)建的KNN模型，訓(xùn)練組AUC為0.801，靈敏度為0.865，特異度為0.600；驗(yàn)證組AUC為0.794，靈敏度0.882，特異度為0.545，見(jiàn)圖2。

圖2 基于KNN模型的訓(xùn)練組與驗(yàn)證組ROC曲線（a：訓(xùn)練組；b：驗(yàn)證組）

表2 基于多因素回歸分析篩選具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的特征

3 討論

本研究結(jié)果表明，影像組學(xué)能客觀量化活動(dòng)期腸壁的炎癥，構(gòu)建的KNN模型能對(duì)活動(dòng)期與非活動(dòng)期腸壁進(jìn)行鑒別診斷。

磁共振評(píng)分包括磁共振活度指數(shù)（magnetic resonance index of activity，MaRIA）、簡(jiǎn)化版MaRIA、Clermont評(píng)分等，這些評(píng)分在判斷疾病活動(dòng)性上效能相差無(wú)幾[7-10]。但最近一項(xiàng)對(duì)腸道造影中心放射科醫(yī)師之間的閱片一致性研究發(fā)現(xiàn)，在病灶的強(qiáng)化測(cè)量指標(biāo)上，組內(nèi)一致性并不強(qiáng)，有誤差存在的可能性[11]，之前也有研究發(fā)現(xiàn)，不同醫(yī)師在腸壁厚度的測(cè)量上有潛在的差異性[12]，且主要存在于經(jīng)驗(yàn)欠缺的放射科醫(yī)師，因此低年資、經(jīng)驗(yàn)欠豐富的放射科醫(yī)師可能會(huì)對(duì)患者疾病活動(dòng)性判斷產(chǎn)生偏倚。Stidam等[13]以腸道狹窄為研究對(duì)象，將半自動(dòng)圖像分析技術(shù)與放射科醫(yī)師主觀判斷進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，發(fā)現(xiàn)圖像分析技術(shù)與具有豐富經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師診斷效能相當(dāng)，能彌補(bǔ)醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)的欠缺，影像組學(xué)也是一種以分析圖像紋理改變?yōu)橹鞯目陀^評(píng)估方式，因此影像組學(xué)可以與影像醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)診斷進(jìn)行有效互補(bǔ)，但目前該技術(shù)廣泛用于腫瘤方面的研究[14-16]，在CD活動(dòng)性方面尚無(wú)報(bào)道。

既往研究指出CDEIS＜7分趨向于內(nèi)鏡下緩解[8]，因此本研究以CDEIS=7為臨界值將患者分為活動(dòng)組與非活動(dòng)組，通過(guò)DWI序列提取有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的影像特征共9個(gè)，大多數(shù)是基于GLCM以及GLSZM的高階特征。其中GLCM_correlation指標(biāo)反映的是ROI紋理的復(fù)雜性，GLCM_DifferenceVariance以及GLCM_ClusterShade均反映的是圖像異質(zhì)性差異，GLSZM_GraylevelVariance反映的是區(qū)域灰度強(qiáng)度的差異[17]，這可能與CD跨壁炎癥的病理特征有關(guān)，由于活動(dòng)期腸壁不同程度炎性滲出導(dǎo)致圖像同質(zhì)性改變所致。GLSZM_SizeZoneNonUniformityNormalized反映的是整個(gè)圖像中區(qū)域大小體積的可變性，活動(dòng)期腸壁增厚或出現(xiàn)水腫，其體積可變性會(huì)增加，與ROI中鄰近腸壁體積的同質(zhì)性相差更大。這些特征反映了活動(dòng)期與非活動(dòng)期圖像在紋理和灰度具有較大的差異，因此可以用影像組學(xué)來(lái)客觀量化。

本研究基于DWI序列構(gòu)建的影像組學(xué)模型，訓(xùn)練組與驗(yàn)證組的特異度均較低，究其原因可能有兩點(diǎn)，第一：ROI選擇所致。本研究以內(nèi)鏡下評(píng)分為參考標(biāo)準(zhǔn)，將橫斷面末端回腸整體腸壁作為ROI，這與Makanyanga等[18]研究中ROI類似，該學(xué)者發(fā)現(xiàn)腸壁整體作為ROI（大ROI）與磁共振評(píng)分具有良好相關(guān)性，而腸壁局部作為ROI（小ROI）與病理下的組織急性炎癥評(píng)分具有較好的相關(guān)性，但目前大ROI與內(nèi)鏡評(píng)分的關(guān)系仍尚不明確。第二：圖像層厚與間距所致。本研究DWI序列層厚為7 mm，間距6 mm，相鄰層面可能會(huì)存在病灶部分信息丟失，導(dǎo)致納入ROI信息有限，這與Bhatnagar[19]基于T2WI序列的研究結(jié)論類似。當(dāng)然基于其他序列構(gòu)建的KNN模型或其他影像組學(xué)模型在判斷CD患者炎癥活動(dòng)性是否更優(yōu)還需要進(jìn)一步研究。

本研究具有一定局限性：第一，訓(xùn)練組與驗(yàn)證組的樣本量均較少，未來(lái)將增加樣本量以及前瞻性多中心研究；第二，本研究ROI僅限于末端回腸，取得末端回腸節(jié)段性內(nèi)鏡評(píng)分，與整體內(nèi)鏡評(píng)分具有一定差異性，此外也未納入全腸道病變，因此構(gòu)建的模型無(wú)法對(duì)患者腸道整體狀態(tài)進(jìn)行判斷，也無(wú)法納入血清學(xué)炎癥指標(biāo)構(gòu)建諾莫圖提高診斷的準(zhǔn)確性。第三，本研究未納入放射科醫(yī)師主觀磁共振評(píng)分指標(biāo)并進(jìn)行對(duì)比，未來(lái)還需進(jìn)一步評(píng)估兩者的診斷差異性。

綜上所述，基于DWI影像組學(xué)KNN模型在判斷CD患者末端回腸炎癥活動(dòng)性具有較好的潛力，能進(jìn)一步幫助放射醫(yī)師客觀評(píng)估病情，并為臨床選擇治療方案以及對(duì)CD的管理提供客觀的影像學(xué)依據(jù)。