劉書(shū)涵，韓海偉，韓成坤，周 青

（1.廈門(mén)大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，福建 廈門(mén) 361003；2.武漢大學(xué)人民醫(yī)院超聲科，湖北 武漢 430060）

膠質(zhì)瘤起源于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，是成人最常見(jiàn)的原發(fā)性腦腫瘤，約占顱內(nèi)腫瘤的75%［1］。研究表明，近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家的膠質(zhì)瘤發(fā)病率在全球范圍內(nèi)有顯著上升的趨勢(shì)［2］。膠質(zhì)瘤具有高度異質(zhì)性、侵襲性和復(fù)發(fā)性，目前尚無(wú)有效的根治措施。因此，早期精確診斷尤其重要。近年來(lái)，在眾多的診斷方法中，MRI 影像組學(xué)不僅具有高空間分辨力和多參數(shù)成像的優(yōu)勢(shì)，還可對(duì)靶區(qū)進(jìn)行影像學(xué)特征的高通量提取，篩選出有利于診斷的組學(xué)特征，并予以驗(yàn)證、建立模型［3-4］。盡管如此，影像組學(xué)也面臨著巨大挑戰(zhàn)，包括但不限于ROI 提取的差異性、定量成像的重復(fù)性、重建參數(shù)的敏感性，以及構(gòu)建模型的可解釋性等［5］，其中，影像組學(xué)對(duì)ROI 的精準(zhǔn)分割是后續(xù)工作的首要保障。目前，醫(yī)學(xué)圖像ROI 的分割主要是利用3D-Slicer（https：//www.slicer.org/）或ITK-SNAP（http：//www.itksnap.org/）軟件進(jìn)行全自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)分割，而被學(xué)術(shù)界一致認(rèn)為金標(biāo)準(zhǔn)的手動(dòng)分割［6］，卻存在著不可忽視的完整性和穩(wěn)定性差異。因此，本研究以較低級(jí)別膠質(zhì)瘤為例，探討腫瘤MRI 影像組學(xué)研究中手動(dòng)分割ROI 特征提取的一致性和可重復(fù)性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析廈門(mén)大學(xué)附屬第一醫(yī)院2017 年12 月至2020 年12 月收治的78 例經(jīng)病理確診為較低級(jí)別膠質(zhì)瘤患者的臨床及影像資料，其中男43 例（55.13%），女35 例（44.87%）；年齡16～70 歲，平均（41.4±13.6）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng)病理確診為較低級(jí)別膠質(zhì)瘤（WHO 2～3 級(jí)）；②患者圖像資料完整，同時(shí)具備T2WI、動(dòng)態(tài)增強(qiáng)T1WI（CE-T1WI）序列；③圖像質(zhì)量較好，不存在大于所勾畫(huà)層面15%的偽影。排除標(biāo)準(zhǔn)：①排除確診為WHO 1、4 級(jí)的膠質(zhì)瘤患者；②圖像質(zhì)量不佳，無(wú)法勾畫(huà)ROI 者；③缺少CE-T1WI 序列和/或無(wú)病理結(jié)果的患者。本研究獲得醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 儀器與方法 使用Philips Achieva 1.5 T MRI掃描儀。掃描序列與參數(shù)：T2WI，TR/TE 4 000 ms/120 ms，視野240 mm×240 mm，矩陣480×480，層厚5 mm，層距1 mm，激勵(lì)次數(shù)1 次；CE-T1WI，TR/TE 800 ms/20 ms，視野240 mm×240 mm，矩陣384×224，層厚5 mm，層距1.5 mm，翻轉(zhuǎn)角90°，激勵(lì)次數(shù)1 次。增強(qiáng)掃描經(jīng)靜脈高壓注射對(duì)比劑釓噴酸葡胺注射液（馬根維顯，德國(guó)BAYER 公司），劑量0.1 mg/kg 體質(zhì)量。

1.3 腫瘤ROI 分割與特征提取 由2 名醫(yī)師（醫(yī)師A：具有11 年工作經(jīng)驗(yàn)的放射科主治醫(yī)師；醫(yī)師B：具有7 年工作經(jīng)驗(yàn)的放射科住院醫(yī)師）采用盲法分別獨(dú)立完成78 例膠質(zhì)瘤的分割任務(wù)。2 名醫(yī)師均采用3D-Slicer 軟件（4.11 版本）進(jìn)行手動(dòng)分割（ROI分割前，分別評(píng)價(jià)被試圖像，自行調(diào)整窗寬窗位以便勾畫(huà)腫瘤；用Segment Editor 模塊中的“Draw”勾畫(huà)腫瘤邊界，用“Paint”對(duì)腫瘤實(shí)質(zhì)進(jìn)行填充），1 個(gè)月后醫(yī)師B 重復(fù)該任務(wù)，以最大程度地減少記憶偏差對(duì)其分割結(jié)果的影響。由于較低級(jí)別膠質(zhì)瘤形態(tài)不規(guī)則，部分病灶缺乏腫塊特征（即非腫塊樣病灶），因此無(wú)需避開(kāi)鈣化、囊變、壞死及出血區(qū)，需在T2WI 上勾畫(huà)腫瘤的整體范圍，并配準(zhǔn)至CE-T1WI 序列圖像上，從而提取影像組學(xué)特征（圖1，2）。

圖1 男，41 歲，少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤（WHO 3 級(jí)）。T2WI（圖1a）及動(dòng)態(tài)增強(qiáng)T1WI（CE-T1WI）（圖1c）示腫塊位于右側(cè)顳葉-基底節(jié)區(qū)，邊界清晰，2 名醫(yī)師均給出較好的分割方案（圖1b，1d）圖2 女，51 歲，彌漫性星形細(xì)胞瘤（WHO 2 級(jí)）。T2WI（圖2a）及CE-T1WI 示腫塊位于左側(cè)額下回-島葉皮質(zhì)區(qū)，呈非腫塊樣，邊界不清，且CE-T1WI 示該腫塊無(wú)明顯強(qiáng)化（圖2c）。分割時(shí)在T2WI 上確定腫塊范圍（圖2b），再配準(zhǔn)至CE-T1WI 圖像上（圖2d）

應(yīng)用3D-Slicer 軟件的Radiomics 插件對(duì)每個(gè)腫瘤各提取851 個(gè)特征，主要特征分類(lèi)見(jiàn)表1。由于獲取特征數(shù)量龐大，故本研究?jī)H對(duì)既往文獻(xiàn)中常用的腫瘤特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)研究［7-9］，包括一階特征：能量、熵、峰度、偏度、最大值、最小值、平均值、均勻性；形狀特征：主軸長(zhǎng)度、短軸長(zhǎng)度、平整度、表面積體積比、球形度；灰度共生矩陣特征：對(duì)比、相關(guān)性。

表1 使用Radiomics 提取的膠質(zhì)瘤的影像組學(xué)主要特征分類(lèi)

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 26.0 和SSPSAU（https：//spssau.com/）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）分析2 名醫(yī)師手動(dòng)分割ROI 所提取影像組學(xué)特征參數(shù)的一致性。通過(guò)使用雙向混合效應(yīng)模型，獲得2 名醫(yī)師間的一致性；使用單因素隨機(jī)效應(yīng)模型獲得醫(yī)師B 2 次不同時(shí)間的一致性。ICC＜0.5 為一致性較差，0.5～0.75 為一致性中等，0.75～0.9 為一致性良好，＞0.9 為一致性優(yōu)秀［10］。使用Bland-Altman 方法，對(duì)一致性評(píng)價(jià)進(jìn)行直觀展示。使用Wilcoxon 秩和檢驗(yàn)評(píng)價(jià)各參數(shù)的可重復(fù)性差異。以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一致性分析結(jié)果 2 名醫(yī)師間的ICC 均＞0.75（良好3/15，優(yōu)秀12/15），平均為0.937±0.068。其中，納入研究特征中的能量和對(duì)比一致性表現(xiàn)最佳（均ICC=0.998）。醫(yī)師B 2 次測(cè)量勾畫(huà)特征參數(shù)的ICC均＞0.9（優(yōu)秀15/15），平均為0.978±0.022（表2）。觀察者內(nèi)與觀察者間的ICC 均＞0.75，說(shuō)明2 名醫(yī)師對(duì)ROI 的勾畫(huà)一致性良好。其中，納入研究特征中平均值和對(duì)比的一致性表現(xiàn)最佳（均ICC=1.000）。

表2 觀察者間及觀察者內(nèi)的一致性分析

2.2 可重復(fù)性評(píng)價(jià)結(jié)果 選取3 個(gè)特征（熵、球形度、相關(guān)性）繪制Bland-Altman 圖（圖3），可直觀展示觀察者間的一致性和觀察者內(nèi)的可重復(fù)性。本研究特征的散點(diǎn)絕大多數(shù)在95%CI 范圍內(nèi)，說(shuō)明特征參數(shù)具有良好的一致性和重復(fù)性。醫(yī)師B 2 次測(cè)量結(jié)果，經(jīng)Bland-Altman 獲取描述統(tǒng)計(jì)量CR 值（重復(fù)性系數(shù)）及Wilcoxon 秩和檢驗(yàn)所得P值顯示，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），說(shuō)明再次測(cè)量具有較高的可重復(fù)性（表3）。

圖3 Bland-Altman 圖 圖3a 醫(yī)師A 與醫(yī)師B 獲得的熵的Bland-Altman 圖 圖3b 醫(yī)師B 先后2 次獲得的熵的Bland-Altman 圖 圖3c醫(yī)師A 與醫(yī)師B 獲得的球形度的Bland-Altman 圖 圖3d 醫(yī)師B 先后2 次獲得的球形度的Bland-Altman 圖 圖3e 醫(yī)師A 與醫(yī)師B 獲得的相關(guān)性的Bland-Altman 圖 圖3f 醫(yī)師B 先后2 次獲得的相關(guān)性的Bland-Altman 圖

表3 醫(yī)師B 分割腫瘤參數(shù)的可重復(fù)性評(píng)價(jià)（）

表3 醫(yī)師B 分割腫瘤參數(shù)的可重復(fù)性評(píng)價(jià)（）

注：CR 表示低于該值的2 個(gè)測(cè)量值之間的絕對(duì)差異，概率為0.95。

3 討論

較低級(jí)別膠質(zhì)瘤為WHO 2～3 級(jí)，通常為彌漫性星形細(xì)胞瘤或少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤（或混合型），是具有高度異質(zhì)性的腦內(nèi)原發(fā)性腫瘤，具有復(fù)雜、重疊和多樣的生物行為［11］。由于WHO 2 級(jí)膠質(zhì)瘤在常規(guī)MRI 上表現(xiàn)無(wú)特異性（通常邊界不清，占位效應(yīng)不顯著，注射釓劑后無(wú)對(duì)比增強(qiáng)），且易發(fā)生間變繼而發(fā)展為WHO 3 級(jí)膠質(zhì)瘤，直接影響預(yù)后判斷。因此，在臨床中對(duì)較低級(jí)別膠質(zhì)瘤的診斷和鑒別一直存在著較大困難［12］。2012 年Lambin 教授提出的影像組學(xué)［3］，很好地彌補(bǔ)了這一缺陷，其結(jié)合MRI 序列可反映腦腫瘤的空間和時(shí)間異質(zhì)性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，影像組學(xué)在預(yù)測(cè)腦腫瘤的分子特征［13-14］和腫瘤分級(jí)方面［15］均顯示出很大潛力，但影像組學(xué)的應(yīng)用和評(píng)價(jià)也同樣面臨著巨大挑戰(zhàn)，如觀察者對(duì)ROI 勾畫(huà)分割的一致性和可重復(fù)性評(píng)價(jià)。只有最大限度減少觀察者間或觀察者內(nèi)存在的顯著差異，才可對(duì)后期模型建立的準(zhǔn)確性提供有效保障。目前，一些臨床研究忽略了或模糊了這一評(píng)價(jià)，其建立的影像組學(xué)模型投放到多中心的考驗(yàn)中是否得到與模型相同的泛化能力，還有待商榷。因此，本研究排除WHO 1 級(jí)（預(yù)后良好）和WHO 4 級(jí)（預(yù)后極差）的膠質(zhì)瘤，對(duì)生物學(xué)行為相近的較低級(jí)別膠質(zhì)瘤進(jìn)行影像組學(xué)一致性和可重復(fù)性研究，具有良好的臨床價(jià)值和實(shí)踐意義。

研究表明，半自動(dòng)分割配合手動(dòng)勾畫(huà)ROI 可取得與單一手動(dòng)分割相近的效果，且組合分割耗時(shí)少，觀察者不易視覺(jué)疲勞，可大大減少其在勾畫(huà)中所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差［16-17］。但由于本研究?jī)H78 例，故仍選用被視為金標(biāo)準(zhǔn)的手動(dòng)分割。

本研究觀察者間和觀察者內(nèi)一致性均很好，平均ICC 分別為0.937±0.068、0.978±0.022，優(yōu)于既往文獻(xiàn)［18-20］，原因可能為：①2 名醫(yī)師屬一家醫(yī)療機(jī)構(gòu)同一部門(mén)，且職業(yè)背景和工作經(jīng)驗(yàn)相近；②2 名醫(yī)師勾畫(huà)腫瘤前，對(duì)其規(guī)定了勾畫(huà)規(guī)則，即對(duì)浸潤(rùn)彌漫生長(zhǎng)的膠質(zhì)瘤先在T2WI 圖像勾畫(huà)腫瘤實(shí)性區(qū)域，再配準(zhǔn)至CE-T1WI 圖像進(jìn)行特征提取。

ICC 和Bland-Altman 圖在展示觀察者一致性上具有相同的效果，前者量化為數(shù)值表示，后者可視化地展示出結(jié)果。在某種程度上，良好的一致性可間接反映為具有較好的重復(fù)性，兩者呈正相關(guān)。本研究中，醫(yī)師B 的2 次測(cè)量顯示出很高的可重復(fù)性，其中一階參數(shù)中的平均值和對(duì)比度具有較高的穩(wěn)定性，與Jang 等［21］的研究有所不同，這可能由于研究對(duì)象和特征提取序列不同而產(chǎn)生的重復(fù)性差異。

本研究的不足之處：①樣本量較小，應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，納入更多的影像組學(xué)特征進(jìn)行全面分析，包括基于小波的特征研究。②特征提取序列單一，僅對(duì)CE-T1WI 序列進(jìn)行特征提取，如用多模態(tài)MRI 影像組學(xué)的研究模式可納入更多序列的不同特征參數(shù)，提高一致性和重復(fù)性評(píng)價(jià)。③僅采用同一醫(yī)院經(jīng)病理診斷為較低級(jí)別膠質(zhì)瘤（WHO 2～3 級(jí)）的患者資料，為單中心數(shù)據(jù)，如采用多中心影像資料、多中心觀察者進(jìn)行研究，可大大提高結(jié)論的可靠性。

綜上所述，基于ROI 手動(dòng)分割對(duì)較低級(jí)別膠質(zhì)瘤進(jìn)行MRI 影像組學(xué)特征的提取，在觀察者間和觀察者內(nèi)均具有良好的一致性，且在觀察者內(nèi)具有較高的可重復(fù)性，這為今后其他學(xué)者構(gòu)建較低級(jí)別膠質(zhì)瘤的MRI 影像組學(xué)模型提供了一定保障。