計算機輔助定量分析灰階超聲在腕管綜合征診斷中的應(yīng)用

邵潔，陳浩波，蔡葉華，張麒，鄧彥明，張俊

腕管綜合征(carpal tunnel syndrome，CTS)是正中神經(jīng)在腕管內(nèi)受壓，導致其神經(jīng)支配區(qū)感覺異常和麻木的一種疾病，女性多見，好發(fā)年齡為40～60歲[1]。CTS的典型臨床表現(xiàn)為患肢橈側(cè)三指半麻木，有典型的夜間麻醒史。目前，CTS的主要檢查方法是肌電圖檢查和磁共振檢查[2]，但肌電圖檢查為有創(chuàng)檢查，并且有一定的假陰性；磁共振檢查花費較高，并且對有金屬植入物及幽閉恐懼癥的患者不適用。近年來，超聲在CTS的應(yīng)用已十分廣泛，目前國內(nèi)外灰階超聲診斷主要為單純的截面積以及神經(jīng)厚度測量來判斷神經(jīng)損傷嚴重程度[3-7]，且主要依靠超聲醫(yī)生的主觀判斷來對疾病進行診斷，缺乏客觀定量的數(shù)據(jù)分析支持，近年來，人工智能已在各種影像診斷和治療中廣泛應(yīng)用[8]，計算機輔助定量分析(computer aided diagnosis，CAD)對圖像的分析最早在20世紀60年代初就見報道[9]。本研究旨在通過人工智能提取在CTS中正中神經(jīng)卡壓形態(tài)學的客觀數(shù)據(jù)，客觀分析CTS的二維超聲圖像，彌補主觀診斷的不足，提高CTS 的診斷準確性。

材料與方法

1.研究對象

搜集2018年10月-2019年10月來上海浦東醫(yī)院就診的60例CTS患者。入選標準：有明確手部癥狀(橈側(cè)兩指反復(fù)發(fā)作的麻木、刺痛，伴或不伴抓握力減弱及掌部肌肉萎縮)。排除標準：有腕部正中神經(jīng)手術(shù)史，腕部骨折史，外傷史及其他可能引起神經(jīng)病變的疾病(如甲減、糖尿病、慢性腎衰等)。其中女50例，男10例，平均年齡(54±9)歲，其中17例為雙側(cè)，43例為單側(cè)，共77個異常手腕；另選取30位健康志愿者，入選標準：沒有外周神經(jīng)病變癥狀或能引起外周神經(jīng)病變的潛在疾病。其中女25例，男5例，平均年齡(45±8)歲，共60個正常手腕。本研究獲復(fù)旦大學附屬上海浦東醫(yī)院倫理委員會批準，所有參與研究的對象均知情同意并簽署知情同意書。

圖1 正常對照組正中神經(jīng)邊界的勾畫。a)正常對照組的橫切面圖像；b)圖a的勾勒圖像；c)正常對照組的縱切面圖像；d)圖c的勾勒圖像。 圖2 CTS患者的正中神經(jīng)邊界的勾畫。a)CTS患者的橫切面圖像；b)圖a的勾勒圖像；c)CTS患者的縱切面圖像；d)圖c的勾勒圖像。

2.研究方法

對60例CTS患者進行肌電圖檢查，如有雙側(cè)累及行雙側(cè)檢查，健康志愿者未進行肌電圖檢查。本研究中，60例CTS患者共77例異常手腕，均行肌電圖檢查。分類標準：輕度，正中神經(jīng)運動傳導遠端潛伏期(DML)<4.5 ms；中度，DML≥4.5 ms，重度，DML完全延長至消失；肌電圖結(jié)果顯示其中重度36例，中度26例，輕度15例。

本研究以豌豆骨水平作為正中神經(jīng)的測量部位，由一位經(jīng)驗豐富的超聲科副主任醫(yī)師對所有參與者進行超聲檢查，選用超聲科Aixplorer L18-5探頭在豌豆骨水平固定增益橫切面及縱切面記錄灰階圖像，使探頭盡量垂直于神經(jīng)平面，并施加輕微的壓力，調(diào)節(jié)機器參數(shù)為灰階增益值70 dB，深度2.0 cm，G40%，機械指數(shù)0.6，并且在二維超聲圖像中勾勒出正中神經(jīng)的邊界(圖1、2)。

本研究采用的是傳統(tǒng)超聲CAD技術(shù)中的紋理分析，通過運算將肉眼觀察到的圖像量化[10]，從而反映其中呈規(guī)律性變化的排列特征[11-13]，該特征被廣泛用于對各種圖像的識別。本研究是利用像素的灰階和相對位置建立起“灰階共生矩陣”、得出“二階矩”、“熵”、“對比度”，其中二階矩反映圖像均勻性，熵反映圖像隨機性，對比度反映相鄰像素差異，從而反映出各種不同類圖像的差異[14]。

使用MATLAB R2007a設(shè)計計算機輔助定量分析軟件，對勾勒邊界的灰階神經(jīng)圖像，計算機軟件用數(shù)值代替不同的灰階顏色，計算正常以及不同程度病變神經(jīng)的灰階值。運用了多參數(shù)來描述神經(jīng)的形態(tài)學特征，共得到51個參數(shù)：①一階統(tǒng)計量特征：病灶區(qū)域像素的均值(meanVin)，標準差(stdV)，變異系數(shù)(CoV)，偏度(skewV)，峰度(kurtV)，直方圖熵(歸一化)(EntropyHis1)，亮度熵(歸一化)(EntropyBrt1)，直方圖熵(EntropyHis2)，亮度熵(EntropyBrt2)，整個灰階區(qū)域像素的均值(meanROI)，中值(medianROI)。②灰度共生矩陣紋理特征：灰度共生矩陣包括對比度、熵和能量等。其中對比度反映的是圖像紋理的非均勻程度，圖像越不均勻，則對比度越大，包括病灶內(nèi)外區(qū)域像素均值比(meanRatio)及同深度均值比(meanRatio2)，中值比(medianRatio)及同深度中值比(medianRatio2)；21個分位數(shù)(從q0到q1，兩兩間隔0.05，共有21個分位數(shù))，分位數(shù)是指將病灶中的像素點按照從小到大排列，比如q0就表示最小位置的數(shù)(第一位的數(shù))，q0.35表示在35%位置的數(shù)，q1表示最大位置的數(shù)。③形態(tài)學特征：定量描述神經(jīng)的形狀，包括病灶厚度最大值(maxVthk)，病灶厚度中值(medianVthk)，病灶厚度均值(meanVthk)，病灶長度的最大值(maxVlong)，病灶長度的中值(medianVlong)，病灶長度的均值(meanVlong)，病灶面積(areaOri)，長軸(Rlong)，短軸(Rshort)，填充病灶區(qū)域的最小凸多邊形面積(Area_con)，離心率(Eccentricity)，與病灶面積具有相同面積的圓的面積(D)，長軸與x軸的交角(Orientation)，病灶周長(Perimeter)，病灶區(qū)域和其最小凸多邊形中的像素比例(Solidity)。

3.統(tǒng)計分析

本研究采用SPSS統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，當參數(shù)符合正態(tài)分布時，采用平均數(shù)和標準差表示，采用獨立樣本t檢驗進行比較；當參數(shù)不符合正態(tài)分布時，采用中位數(shù)與四分位距，采用Wilcoxon檢驗進行比較。各組間比較計算正中神經(jīng)的橫切面和縱切面定量參數(shù)，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

1.一階統(tǒng)計量特征

患者組與正常組一階統(tǒng)計量特征參數(shù)差異均有統(tǒng)計學意義(表1)。CTS患者病灶區(qū)域像素的均值、標準差、變異系數(shù)、偏度、峰度、直方圖熵均比正常組大，CTS患者的亮度熵、整個灰階區(qū)域像素中的均值、中值則較正常組低。直方圖熵越大，灰度分布越不均勻，而亮度熵越大，灰度分布越均勻，這些參數(shù)均表明在CTS患者中，圖像分布較正常對照組不均勻。

表1 患者組與正常組一階統(tǒng)計量特征參數(shù)比較

2.灰度共生矩陣特征

CTS患者表示對比度的參數(shù)meanRatio、meanRatio2、medianRatio、medianRatio2均高于正常組(表2)，表明在CTS患者中，圖像分布較正常對照組不均勻；而在分位數(shù)中，除部分參數(shù)q0.2、q0.25、q0.3、q0.35、q0.4、q0.45差異沒有統(tǒng)計學意義之外，余參數(shù)差異均有統(tǒng)計學意義，表明CTS患者圖像分布較正常組有差別。

表2 患者組與正常組灰度共生矩陣特征參數(shù)比較

3.形態(tài)學特征

形態(tài)學特征參數(shù)里面，CTS患者與正常組間除Solidity差異沒有統(tǒng)計學意義之外，其余參數(shù)差異均有統(tǒng)計學意義(表3)。CTS患者病灶的厚度、長度、面積、長軸、短軸、周長等參數(shù)均較正常組大，表明CTS患者正中神經(jīng)較正常組較腫脹，橫截面積增大，以定量的方式來區(qū)分CTS患者和正常組。

表3 患者組與正常組形態(tài)學特征參數(shù)比較

討 論

腕管是一個狹窄的骨性管道，正中神經(jīng)在其中走行，周圍見9條屈肌腱，支配前臂屈側(cè)的大部分肌肉，以及橈側(cè)三指半大部分肌肉和手掌橈側(cè)的皮膚感覺[15]。腕管內(nèi)壓力升高是引起CTS的關(guān)鍵因素[16]，主要病因是腕指反復(fù)屈伸活動造成腕部的慢性勞損使腕管內(nèi)壓力升高，會直接損傷正中神經(jīng)，影響軸索的軸漿運輸速度[17]，并且會造成神經(jīng)細胞缺血缺氧，導致施萬細胞變性、壞死[18]，導致神經(jīng)腫脹，繼而神經(jīng)纖維化，變性。在超聲圖像多表現(xiàn)為神經(jīng)腫脹增粗，回聲減低，束狀結(jié)構(gòu)模糊，橫截面積增大，卡壓處可見切跡。目前超聲在CTS上應(yīng)用已比較廣泛，主要有下列參數(shù)：橫截面積[19-20]，腫脹率(正中神經(jīng)卡壓處與近端非卡壓部位橫截面積的比值)[21]，扁平率(腕管內(nèi)正中神經(jīng)卡壓部位長徑與短徑之比)[22]和正中神經(jīng)內(nèi)血流分布[23]，彈性成像[24]，三維超聲圖像[25]，腕管內(nèi)異常結(jié)構(gòu)[26]等。研究認為，CTS患者橫截面積增大，腫脹率、扁平率增高，正中神經(jīng)內(nèi)血流分布增多，硬度增高，但參數(shù)的種類與現(xiàn)有參數(shù)的相關(guān)閾值存在較大差異，且超聲檢查較為主觀，長期從事神經(jīng)超聲檢查的操作者，盡管可以憑經(jīng)驗描述正中神經(jīng)的回聲強度，回聲均勻性，形態(tài)是否腫脹，但這種高度依靠肉眼判斷的讀圖模式，醫(yī)生的專業(yè)水平及儀器調(diào)節(jié)對其影響較大，對于同一張圖像或不同操作條件下的同一個病例，不同的超聲醫(yī)師會有不同的診斷結(jié)果，難以客觀、準確的反映正中神經(jīng)的圖像紋理，目前還是沒有統(tǒng)一的診斷標準。

隨著超聲各種新技術(shù)的開展，超聲檢查在CTS中的應(yīng)用越來越多。CAD技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到各個方面，趙佳琦等[27]研究表明CAD技術(shù)在離體豬橫紋肌損傷模型的紋理識別中具備定量診斷能力，而神經(jīng)卡壓因病因、卡壓程度不同可導致超聲圖像上紋理變化不同，需要采取一種自動化、智能化的定量識別方法。本研究采用CAD技術(shù)對比分析CTS患者和正常對照組的二維灰階圖像，在得出的51個參數(shù)中，大部分參數(shù)差異有統(tǒng)計學意義，其中表示圖像分布均勻性及圖像形態(tài)學的參數(shù)更具臨床診斷價值，而分位數(shù)臨床診斷價值不大，說明在CTS 患者中，除了正中神經(jīng)腫脹，橫截面積增大之外，圖像分布還較正常組不均勻。由于CAD提取生物組織本身的聲學參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)和組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，提取不同灰度強度值的二維圖像陣列，描述神經(jīng)分布均勻性，形態(tài)學特征的紋理特征，如將定量指標與常規(guī)超聲診斷參數(shù)相結(jié)合，補充常規(guī)超聲診斷的不足，能為臨床提供更多CTS 的診斷信息，全面評價CTS。CAD定量描述神經(jīng)二維參數(shù)，從而客觀地評價正中神經(jīng)損傷，對疾病的診斷和嚴重程度的分級提供更準確的信息，將操作者的主觀影響降到最低。

本研究的不足之處在于，由于采用的是傳統(tǒng)的CAD技術(shù)，首先需要通過人工提取圖像特征，然后將其量化，再進行機器學習[28]，雖然訓練的準確度得到了有效的提高，并使運算變得簡單，但提取大量數(shù)據(jù)需要的人力成本較高，可能出現(xiàn)人為偏倚，還可能存在一些潛在的特征不能被機器所主動識別[29]。由于個體的體表脂肪厚度都不同，其神經(jīng)壓迫的程度也不一樣，會影響到量化的準確度。且本研究的樣本數(shù)(137例)較少，后續(xù)研究需要加大樣本量。本研究的入組標準中，未考慮正常對照組和CTS患者之間的組間差異，如受教育程度、是否慣用手、手的活動程度等。該研究對操作者要求也較高，未考慮各向異性、meanRatio、Solidity等參數(shù)差異沒有統(tǒng)計學意義，可能是由于操作水平差異。

綜上所述，CAD在CTS診斷中表現(xiàn)良好，在對CTS患者行高頻超聲檢查時，可通過CAD分析正中神經(jīng)的均勻性和對比度。