磁共振T1WI健康成人腦部皮層下灰質核團紋理特征的可重復性及可信度分析

王昆，樊文萍，王雪，王波濤，許歡，劉夢琦,3，陳峰，陳志曄,3*

1.海南省儋州市人民醫(yī)院放射科，海南儋州 571700；2.解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院放射科，海南三亞 572013；3.解放軍總醫(yī)院放射科，北京 100853；4.海南省人民醫(yī)院放射科，海南?？?570311；

紋理特征是圖像的內在屬性，反映了圖像的灰度分布、對比度、空間分布等特征的程度[1]，可以發(fā)現(xiàn)肉眼不能識別的圖像特征。目前，紋理特征分析已經應用于臨床，如肺部磨玻璃樣密度結節(jié)隨訪評估[2]、MRI T2WI鑒別肝囊腫和血管瘤[3]、前列腺癌診斷[4]、乳腺癌新輔助化療效果評估[5]、頭痛神經機制的研究及診斷[6-8]、膠質母細胞瘤與轉移瘤的鑒別[9]等。盡管已有紋理分析技術在直腸癌診斷中的可重復性研究[10]，但大部分病變及正常人體結構仍缺少可重復性及可信度評估。

皮層下灰質核團屬于中繼核團，具有重要的腦部功能連通性，同時組成了皮層下多種特殊的功能環(huán)路，與人的情緒、認知、疼痛密切相關[11-16]。本研究擬對健康成人腦部皮層下灰質核團的紋理參數(shù)進行可重復性及可信度研究，以期未來對基于紋理分析的相關疾病的診斷及評估提供一定的方法學依據。

1 資料與方法

1.1 研究對象 2018年4月—2018年5月招募健康志愿者16名，男、女各8名；年齡23～46歲，平均（34.7±7.8）歲。納入標準：①所有受試者均為右利手，均受過高等教育；②既往體健，無神經系統(tǒng)疾病及腫瘤病史。排除標準：①有腦部器質性病變；②有顱腦外傷或精神類疾病史；③近期服用過精神類藥物及激素類藥物。

1.2 儀器與方法 由同一操作者采用 GE Signa HDxt 3.0T MR掃描儀、8通道顱腦線圈進行T1WI掃描1次。TR 1710 ms，TE 24 ms，反轉時間750 ms，反轉角90°，視野24 cm×24 cm，矩陣320×224，層厚5 mm，采集次數(shù)2次。

1.3 圖像分析 從PACS系統(tǒng)中調取T1WI圖像，將同時通過尾狀核頭、殼核及丘腦的圖像導出為DICOM格式圖像。將所選圖像導入Image J 1.41軟件（https://imagej.nih.gov/ij），并采用感興趣法分別完整勾畫出測量層面右側尾狀核頭、殼核及丘腦的感興趣區(qū)（ROI，圖1），進而采用灰度共生矩陣（graylevel co-occurrence matrix，GLCM）插件計算紋理特征參數(shù)。設置參數(shù)為：像素間距d=1，兩點之間連線與軸的夾角 θ=0。為確保提取出的數(shù)據具有可靠性，手動測量提取3次，取平均值作為最終測量值。紋理特征參數(shù)值包括能量、對比度、自相關、逆差距及熵[17-18]。為評估測量的可重復性及可信度，同一觀察者間隔1周在同一層面上進行紋理特征參數(shù)測量，另 1名觀察者在同一層面上采用相同方法進行測量。

圖1 采用感興趣法勾畫尾狀核頭（1）、殼核（2）及丘腦（3）感興趣區(qū)

1.4 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 23.0軟件，對觀察者內及觀察者間所獲取的皮層下灰質核團的紋理特征參數(shù)值進行組內相關系數(shù)（ICC）分析及一致性Bland-Altman分析。ICC＜0.40為相關性差，0.40～0.59為相關性中等，0.60～0.74為相關性良好，＞0.74為相關性優(yōu)[19]。

2 結果

2.1 可重復性分析 同一名觀察者 2次測量皮層下灰質核團 T1WI圖像的紋理特征參數(shù)，尾狀核頭的ICC值為0.970～0.990，殼核的ICC值為0.815～0.996，可重復性等級均為優(yōu)；丘腦的ICC值為0.677～0.996，其中自相關參數(shù)的ICC為0.677，重復性為良好，能量、對比度、逆差距和熵的可重復性等級均為優(yōu)（表1）。

表1 觀察者2次測量皮層下灰質核團紋理特征參數(shù)的相關系數(shù)結果

觀察者 2次測量皮層下灰質核團紋理參數(shù)差值絕大部分位于95%一致性界限內，部分參數(shù)（包括尾狀核頭及殼核的對比度、自相關及熵以及丘腦的對比度及自相關參數(shù)）差值點位于95%一致性界限之外（圖2）。

2.2 可信度比較 觀察者間測量皮層下灰質核團T1WI圖像的紋理特征參數(shù)，尾狀核頭的 ICC值為0.960～0.982，可信度等級為優(yōu)；殼核的 ICC值為0.833～0.994，可信度等級為優(yōu)，其中自相關參數(shù)的ICC值為0.833；丘腦的ICC值為0.829～0.989，其中自相關的ICC值為0.829（表2）。

觀察者間測量皮層下灰質核團紋理參數(shù)差值絕大部分位于95%一致性界限內，部分參數(shù)的差值（包括尾狀核頭、殼核及丘腦的能量、對比度、自相關及尾狀核頭的逆差距參數(shù)）位于95%一致性界限之外（圖3）。

圖2 觀察者2次測量皮層下灰質核團紋理參數(shù)（能量、對比度、自相關、逆差距及熵）的Bland-Altman圖，尾狀核頭及殼核的對比度、自相關及熵以及丘腦的對比度及自相關參數(shù)差值點位于95%一致性界限之外，其余參數(shù)差值均位于95%一致性界限內

表2 觀察者間皮層下灰質核團紋理特征參數(shù)ICC結果

圖3 觀察者間皮層下灰質核團紋理參數(shù)（能量、對比度、自相關、逆差距及熵）的Bland-Altman圖，尾狀核頭、殼核及丘腦的能量、對比度、自相關及尾狀核頭的逆差距參數(shù)差值位于95%一致性界限之外，其余皮層下灰質核團紋理參數(shù)差值位于95%一致性界限內

3 討論

紋理特征分析是通過一定的圖像處理技術計算出紋理特征參數(shù)，從而獲得對紋理的定量或定性描述，其本質是一種數(shù)學模型[1]。紋理分析可將醫(yī)學圖像的灰度轉換成圖像紋理信息進行表達，有助于發(fā)現(xiàn)更多潛在有用的信息，為影像診療提供參考[20]?；叶裙采仃嘯6,18,21]是比較常用的紋理特征提取方法，可以較好地獲得圖像灰度空間的分布特征，提取出肉眼無法識別的圖像特征。本研究主要對能量、對比度、自相關參數(shù)、逆差距及熵5個紋理特征參數(shù)進行可重復性及可信度分析。

ICC法是目前較為通用的可重復性及可信度評估方法[22]，可以對分類資料或定量資料進行評估，同時兼顧了隨機誤差及系統(tǒng)誤差對實驗結果的影響，因此其結果具有較高的可靠性[11]。本研究中 ICC分析結果顯示，除觀察者 2次測量丘腦自相關參數(shù)低于0.74外，其他所選取的皮層下灰質核團大多數(shù)紋理特征參數(shù)觀察者內及觀察間 ICC值均高于 0.74，提示GLCM 法測量皮層下灰質核團紋理特征參數(shù)具有較高的可重復性及可信度。自相關參數(shù)反映了圖像中局部灰度的相關性，此值的大小反映了局部灰度的相關性，值越大則相關性越大。丘腦的自相關參數(shù)ICC值較低，提示丘腦局部像素灰度值的相關性易受測量的影響，易產生主觀偏倚。因此，對丘腦的紋理特征參數(shù)分析可以采用自動分割[11]的方法進行，可能在一定程度上提高測量的可重復性及可信度。

Bland-Altman法的本質是方差齊性檢驗，采用圖形分方法顯示兩種測量結果的一致性界限[11,23-24]，目前已經廣泛應用于臨床測量方法一致性的評價。本研究中，Bland-Altman圖顯示觀察者內及觀察者間皮層下灰質核團紋理參數(shù)差值絕大部分位于 95%一致性界限內，提示觀察者內及觀察者間皮層下灰質核團紋理參數(shù)均具有較高的一致性，觀察者內的可重復性及觀察者間的可信度均較高。Bland-Altman圖形分析同時兼顧了系統(tǒng)誤差和隨機誤差[11]，因此，其結果可靠。Bland-Altman圖還清楚地顯示部分皮層下灰質核團的紋理參數(shù)觀察過程中出現(xiàn)的極端情況，即部分參數(shù)的差值點位于95%的一致性界限之外，由此提示研究者在研究統(tǒng)計過程中可以去除極端情況減少實驗誤差。

本研究采用整體ROI方法而非局部ROI法進行紋理特征參數(shù)測量[11]，在測量時采用多次測量求平均值的方法盡可能減少實驗誤差。盡管如此，此經典測量方法仍不可避免地產生實驗誤差，但ICC及Bland-Altman分析結果提示觀察者內及觀察者間具有較高的可重復性及可信度。因此，在臨床實踐中，可以采用簡單易用的ROI法進行紋理特征參數(shù)值測量。

本研究的局限性在于：①僅對16名健康志愿者的腦部T1WI結構圖像的皮層下灰質核團紋理特征參數(shù)進行初步研究，樣本量偏??；②僅對 GLCM 法測量的紋理參數(shù)進行可重復性及可信度評估，未與其他紋理分析方法進行比較；③僅對一種 GLCM 法參數(shù)設置進行研究，未對更多參數(shù)設置進行比較研究。因此，在未來研究中應當增加樣本量，并對多種紋理計算方法及多種 GLCM 參數(shù)所測量的紋理特征值進行研究。

總之，正常成人腦部皮層下灰質核團 MR T1WI紋理特征參數(shù)具有較高的可重復性及可信度。