肱骨近端骨髓轉(zhuǎn)化的磁共振紋理特征

明帥，邵園，龐佩佩，龔向陽

1.蚌埠醫(yī)學(xué)院，安徽蚌埠 233000；2.GE醫(yī)療生命科學(xué)部，浙江杭州 310000；3.浙江省人民醫(yī)院放射科，浙江杭州 310014；*通訊作者 龔向陽 cjr.gxy@hotmail.com

正常人體出生時骨髓腔幾乎均為紅骨髓充填，隨著年齡增長，黃骨髓逐漸取代紅骨髓[1]。MRI是目前觀察和評價活體骨髓組織唯一的無創(chuàng)性影像學(xué)檢查[2-3]，其具有良好的組織對比度，可通過信號變化區(qū)分紅骨髓和黃骨髓成分，通過增強(qiáng)掃描能夠反映骨髓灌注和血供狀態(tài)[4-5]。紋理分析是一種定量、可識別圖像特征的技術(shù)，可用于區(qū)分和描述肉眼不能識別的組織特征[6-7]。紋理分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于腫瘤鑒別診斷、腫瘤分型和術(shù)前評估等[8-10]。然而，國內(nèi)外基于紋理分析技術(shù)探討骨髓MR信號演變規(guī)律的研究鮮有報道[11-12]。本文通過對正常人肱骨近端骨髓紋理值進(jìn)行分析，探討紋理分析技術(shù)在骨髓生理性演變過程中的應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 通過PACS收集2016年10月—2017年11月浙江省人民醫(yī)院門診及住院患者的肩關(guān)節(jié)MRI平掃資料。排除標(biāo)準(zhǔn)：①年齡<16歲或>50歲；②有明確外傷史，并顯示肱骨骨折或骨髓水腫；③慢性消耗性疾病、造血系統(tǒng)疾病或腫瘤患者；④有化療、放療或激素治療病史患者；⑤顯著關(guān)節(jié)退行性變。最終納入232例，其中男141例、女91例，中位年齡35歲。

1.2 MRI掃描儀器及方法 采用GE Discovery 3.0T全身超導(dǎo)MR掃描儀，患者取仰臥位，受檢側(cè)肩關(guān)節(jié)置于線圈中心，關(guān)節(jié)周圍填塞固定。采取自旋回波橫斷位T1WI，掃描參數(shù)：TR 490 ms，TE 15 ms，層厚3 mm；橫斷位PDWI抑脂像：TR 2100 ms，TE 40 ms，層厚3 mm；矢狀位PDWI抑脂像：TR 1800 ms，TE、25 ms，層厚3 mm；冠斷位T2WI抑脂像：TR 1780 ms，TE 40 ms，層厚3 mm。所有患者均采用相同的掃描序列，所有圖像均具有相同的空間分辨率。

1.3 視覺分型 所有檢查均由同一位影像學(xué)專業(yè)住院醫(yī)師在2個不同時間（間隔時間>2周）評估肱骨干骺端骨髓的MRI信號及基于肱骨冠狀位、矢狀位連續(xù)層面。參照Michael等[13]的分類方法，依照骨髓信號不同分為4種類型：均勻紅骨髓型（Ⅰ型），為干骺端均勻高信號，代表紅骨髓，信號強(qiáng)度與同視野肌肉信號相近；地圖型（Ⅱ型），為彌漫高信號夾雜斑點(diǎn)狀低信號，且離散的紅髓區(qū)域直徑>1 cm，代表以紅骨髓為主；斑點(diǎn)型（Ⅲ型），為彌漫低信號夾雜斑點(diǎn)狀高信號，且離散的紅髓區(qū)域直徑<1 cm，代表以黃骨髓為主；均勻黃骨髓型（Ⅳ型），為均勻低信號，代表黃骨髓，信號強(qiáng)度與同視野皮下脂肪信號一致（圖1～4）。對于2次分型結(jié)果不一致的病例，納入一位高年資骨關(guān)節(jié)影像學(xué)專業(yè)主任醫(yī)師的意見后進(jìn)行歸類。

圖1 男，15歲，Ⅰ型。骨髓呈均勻高信號，代表紅骨髓，信號強(qiáng)度與同視野肌肉信號相近

圖2 男，22歲，Ⅱ型。彌漫高信號骨髓中夾雜斑片狀低信號

圖3 男，23歲，Ⅲ型。彌漫低信號骨髓中夾雜斑片狀高信號

圖4 男，35歲，Ⅳ型。肱骨干骺端骨髓呈低信號，信號強(qiáng)度與同視野皮下脂肪信號一致

1.4 紋理分析 選擇肉眼無顯著差異的Ⅱ型、Ⅲ型肱骨干骺端骨髓類型，分別按性別分為男女兩組、按中位年齡分為低年齡組（≤35歲）與高年齡組（>35歲）。由同一名醫(yī)師利用ITK-SNAP軟件在PDWI矢狀位上手動勾畫肱骨干骺端骨髓區(qū)域，保存制作完成的感興趣區(qū)（ROI）圖像（圖5）。

將ROI與原始圖像共同導(dǎo)入Analysis Kit軟件（GE），選擇提取4類特征共385項紋理參數(shù)，分別為一階Histogram直方圖類、Formfactor分形類、Haralick類、GLCM共生矩陣類、RLM步長矩陣類參數(shù)。首先對提取的紋理參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理（去除異常值，填充缺失值等），然后依次應(yīng)用單因素方差分析、秩和檢驗、相關(guān)性檢驗進(jìn)行降維，最后提取差異有統(tǒng)計學(xué)意義的紋理值。

圖5 男，15歲，Ⅰ型。肩關(guān)節(jié)矢狀位原始圖像（A）；肩關(guān)節(jié)干骺端ROI勾畫（B）

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 18.0軟件，不同性別、年齡組與骨髓視覺分型行χ2檢驗，P<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。同一位醫(yī)師前后2次視覺分型采用Kappa一致性檢驗。應(yīng)用Analysis Kit軟件進(jìn)行單因素方差分析、秩和檢驗和相關(guān)性檢驗選取差異有統(tǒng)計學(xué)意義的紋理參數(shù)。軟件首先通過單因素方差分析尋求有統(tǒng)計學(xué)意義的特征；再使用秩和檢驗從數(shù)據(jù)總特征中選出具有顯著差異的特征，并將方差分析和秩和檢驗分別選出的特征取并集，軟件再對并集中任意兩個特征進(jìn)行相關(guān)性分析，若兩者的Spearman相關(guān)系數(shù)>0.9，則證明其特征高度相關(guān)。

2 結(jié)果

2.1 視覺分型 本組232例骨髓信號中，Ⅰ型61例（26.3%）、Ⅱ型49例（21.1%）、Ⅲ型38例（16.4%）、Ⅳ型84例（36.2%）。同一醫(yī)師2次不同評價的一致性較高（Kappa=0.917）。

2.2 性別、年齡與骨髓視覺分型的關(guān)系 本組男性患者中，69例（48.9%）存在紅骨髓殘留，僅72例（51.1%）肱骨干骺端骨髓轉(zhuǎn)化完成；女性患者中，79例（86.8%）存在紅骨髓殘留，僅12例（13.2%）肱骨干骺端骨髓轉(zhuǎn)化完成，呈均勻黃骨髓信號。

低年齡組中，94例（75.2%）存在紅骨髓殘留，僅31例（24.8%）肱骨干骺端骨髓轉(zhuǎn)化完成；高年齡組54例（50.5%）存在紅骨髓殘留，僅53例（49.5%）肱骨干骺端骨髓轉(zhuǎn)化完成，呈均勻黃骨髓信號。

87例Ⅱ、Ⅲ型骨髓患者按中位年齡分為高年齡組、低年齡，按性別分為男、女兩組，此兩型骨髓在不同性別、年齡組間分布差異無統(tǒng)計學(xué)意義（χ2=2.827、1.495，P>0.05）。

2.3 年齡、性別與骨髓紋理特征的關(guān)系 Ⅱ、Ⅲ型骨髓合并的87例患者計算后共獲得385項紋理參數(shù)。高年齡組Min Intensity參數(shù)為521.25±217.94，顯著高于低年齡組的385.74±207.65，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）；按性別分為兩組進(jìn)行紋理分析，最后剩余6項紋理參數(shù)，見表1。

表1 性別組間及年齡組間紋理差異值

3 討論

紋理分析為研究骨髓轉(zhuǎn)化提供了一種新的方法，可量化肱骨近端骨髓轉(zhuǎn)化狀態(tài)，較視覺評估可提供更多的量化信息。本研究比較了性別、年齡視覺分型的Ⅱ、Ⅲ兩型資料，結(jié)果顯示差異無統(tǒng)計學(xué)意義。然而，通過對Histogram、Formfactor、Haralick、GLCM、RLM等共385項紋理參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，同樣是紅、黃骨髓混雜型，高年齡組的最小強(qiáng)度值顯著高于低年齡組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義。不同性別組間6項紋理參數(shù)差異有統(tǒng)計學(xué)意義。其中突出類聚為測量不對稱分布的指標(biāo)，其值越大表明圖像的均勻性越低；慣性反映圖像灰度的空間分布，表征圖像的清晰度和紋理深度，對比度與紋理深度成比例，低深度值會產(chǎn)生模糊的圖像；逆差矩反映圖像局部的同質(zhì)性和均勻性，度量圖像紋理局部變化，當(dāng)局部灰色水平一致時，該值則較高。短程高灰階強(qiáng)調(diào)是灰度游程矩陣的子類，為灰度值游行的長度所組成的矩陣。上述6項紋理參數(shù)在不同程度上反映了不同性別患者圖像紋理特征及空間異質(zhì)性的差異，因此通過紋理分析可以間接反映骨髓成分和結(jié)構(gòu)的差異。上述結(jié)果提示紋理分析技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)視覺分型所不能顯示的圖像特征。

既往研究發(fā)現(xiàn)，正常人從出生即發(fā)生紅骨髓向黃骨髓的轉(zhuǎn)變，最終達(dá)到平衡狀態(tài)[14]。成年人紅骨髓主要分布于四肢長骨近端及中軸骨；黃骨髓主要分布于四肢長骨的其余部分。對人體骨髓轉(zhuǎn)化的研究主要有2種方法：①利用視覺直觀地對骨髓成分進(jìn)行定性分析，在骨髓轉(zhuǎn)化過程中按紅、黃骨髓的組成含量不同可將骨髓分為多型[3,10]。單純紅骨髓型或單純黃骨髓型在MRI上信號均勻，分型較為簡單；視覺分型法的顯著缺陷是對處于中間階段的以紅、黃骨髓混雜為主的骨髓類型區(qū)分度差。②應(yīng)用骨髓MR信號強(qiáng)度值與臨近肌肉或皮下脂肪的MR信號強(qiáng)度值的比值評估骨髓成分[15]。由于個體差異較大，正常人肌肉與皮下脂肪厚薄不一，受部分容積效應(yīng)的影響較大。

紋理分析作為一種定量的識別圖像特征的方法，可用于區(qū)分和描述不同的組織，對骨髓結(jié)構(gòu)、組成均有較好的區(qū)分[10]。紋理分析廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像各領(lǐng)域，并已被證明是一種具有較高臨床實(shí)用價值的技術(shù)[11]；但在骨髓方面，紋理分析應(yīng)用較少。Tong等[16]基于直方圖的紋理分析技術(shù)，提出利用液體敏感脂肪抑制MRI進(jìn)行紋理分析用于檢測骨髓水腫，并顯示健康受試者和骨髓水腫者之間存在顯著差異。既往研究表明，基于MRI紋理分析可有效區(qū)分正常骨髓圖像與損傷骨髓。骨髓的可視化研究可以改善與之相關(guān)的許多骨骼疾病的診斷[17]。

本研究將紋理分析應(yīng)用于骨髓演變過程的分析。既往對骨髓轉(zhuǎn)化的研究大多選擇中軸骨或股骨干骺端，這些部位骨髓含量豐富，易于成像[18]。中軸骨及下肢股骨作為承重骨，在不同應(yīng)力的作用下骨質(zhì)構(gòu)成不同，骨髓轉(zhuǎn)化會受到影響。本研究選取人體肱骨近端作為研究對象，是考慮到作為人體的非承重骨，紅、骨髓與黃骨髓的轉(zhuǎn)化更加符合生理特性?；趥鹘y(tǒng)的視覺分型法，影像學(xué)醫(yī)師能夠較為客觀地區(qū)分不同骨髓類型。本研究顯示，不同性別和年齡受試者骨髓的視覺類型存在一定的差異，其中男性較多地表現(xiàn)為黃骨髓型，而女性較多地表現(xiàn)為紅骨髓型；高年齡更多出現(xiàn)黃骨髓，而低年齡更多地表現(xiàn)為紅骨髓。鑒于本研究為回顧性分析，男、女抽樣存在一定的不均質(zhì)性，且并未對年齡因素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，故上述結(jié)論具有一定的局限性；此外，本研究僅評估了中心矢狀位層面的紋理特征，而未使用三維ROI，因而可能會遺漏一些紋理特征信息；納入病例數(shù)較少也是本研究的一項不足之處。

總之，應(yīng)用紋理參數(shù)量化分析肱骨近端骨髓轉(zhuǎn)化可提供常規(guī)MRI以外的特征信息，為臨床評價肱骨骨髓病變提供新的量化指標(biāo)。