直方圖分析技術(shù)用于兒童中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

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CT檢查而言，對顯示顱后窩病變具有獨特優(yōu)勢，且無輻射損傷，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，提供更多人眼無法辨識的病理生理信息，有助于精準(zhǔn)診斷疾病、評估療效及預(yù)測預(yù)后；且操作簡便，可重復(fù)性較強[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，本文對相關(guān)進展進行綜述。

1 概述

直方圖分析技術(shù)能以簡單方式描述圖像中包含的統(tǒng)計信息，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)計報告圖，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于平均值的不對稱程度，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，表示變量的不對稱尾部趨向更多較小值；偏度絕對值越大，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)觀察對象所占百分比[6]。

針對不同的來源數(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)庫并分析，包括數(shù)據(jù)存儲、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)軟件進行統(tǒng)計學(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活體組織水分子擴散運動的無創(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散運動的范圍和速率，量化評價組織內(nèi)水分子彌散受限。ADC直方圖分析技術(shù)能夠識別ROI內(nèi)體素ADC值，快速得到ADC值分布特征曲線及描述其擴散異質(zhì)性特征的定量參數(shù)[7]，故對ADC圖像進行直方圖分析可通過水分子擴散狀態(tài)反映腦組織損傷情況及程度。不同于血流動力學(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T1WI中ROI內(nèi)每個灰度級的出現(xiàn)頻率，通過識別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)，從而對神經(jīng)系統(tǒng)疾病進行診斷、鑒別及預(yù)測，作為一種非侵入性手段為神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供更有價值的信息。

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)后評估等方面顯示出巨大潛力，但在兒童中的應(yīng)用較少見，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)值診斷星形細胞瘤、髓母細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)；針對各特征參數(shù)與患兒無進展生存率及總體生存率進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示治療前ADC值與患兒無進展生存率呈正相關(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，且對預(yù)測生存期亦有一定價值。

直方圖分析技術(shù)現(xiàn)已用于評價兒童腦發(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)，并對各參數(shù)與孕齡進行相關(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)不僅能評價兒童腦發(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制及原因等。

直方圖分析技術(shù)對監(jiān)測兒童神經(jīng)系統(tǒng)疾病及評價療效均具有一定價值。ZENG等[14]對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)評估無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)值均高于正常對照組；對腦癱組ADC直方圖各參數(shù)值與粗大運動量表評分進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示腦癱組ADC第10～95百分位數(shù)值及ADC平均值與粗大運動量表評分均相關(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)灰度值均高于對照組，腦癱組T2WI的第95百分位數(shù)灰度值與粗大運動量表評分相關(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散運動而導(dǎo)致結(jié)果偏倚；且兒童處于快速生長期，即使年齡相近的兒童，生長發(fā)育狀態(tài)也可能相差較大，且兒童情緒波動大、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題，但前景廣闊，值得期待。