劉菲滌 杜 芳 程海泉

紋理是所觀察圖像的灰度變化規(guī)律，具有局部不規(guī)則而宏觀規(guī)律的特性[1]。紋理特征分析就是對(duì)圖像灰度值的局部特征、變化規(guī)律以及分布特點(diǎn)進(jìn)行分析量化一種方法。醫(yī)學(xué)圖像上的紋理則根據(jù)灰度變化而呈現(xiàn)出相應(yīng)的、有規(guī)律的微細(xì)圖案，故對(duì)醫(yī)學(xué)圖像而言，紋理特征與機(jī)體組織病理、生理相關(guān)，如何更精準(zhǔn)地提供與病理、生理相對(duì)應(yīng)的一系列紋理參數(shù)是醫(yī)學(xué)圖像紋理分析的關(guān)鍵所在。

醫(yī)學(xué)圖像紋理分析最早基于MRI，隨著紋理分析方法的不斷改進(jìn)及圖像質(zhì)量的提高，紋理分析逐漸應(yīng)用于超聲、CT等更多的常規(guī)醫(yī)學(xué)圖像。但MRI任意方位的多參數(shù)尤其是組織高分辨的特性能更精準(zhǔn)地反映組織的病理與生理信息，且隨著MRI新技術(shù)的不斷研發(fā)應(yīng)用，其聯(lián)合應(yīng)用的紋理特征使MTA在輔助醫(yī)學(xué)疾病的診療、療效預(yù)測(cè)與評(píng)估方面一直具有較重要的地位。

紋理分析方法

常用的紋理分析方法分為四種：統(tǒng)計(jì)法、結(jié)構(gòu)法、模型法和頻譜法[2]。統(tǒng)計(jì)法是從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā)，利用圖像的灰度空間分布表征紋理信息（如粗細(xì)度、均勻性等）。結(jié)構(gòu)法的基本思想則化繁為簡(jiǎn)，即復(fù)雜紋理可由簡(jiǎn)單的基元按照一定規(guī)律重復(fù)排列，適用于基元足夠大且能單獨(dú)被分割的人工紋理，因此該法應(yīng)用受限。模型法應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來表示紋理基元間的關(guān)系，但缺乏方向選擇性，不適用于局部圖像的結(jié)構(gòu)描述。但因其領(lǐng)域的分?jǐn)?shù)維度將圖像的空間信息和灰度信息簡(jiǎn)單有機(jī)結(jié)合，提供了不同規(guī)模形狀的相似性，在圖像處理與分析中備受矚目。頻譜法則主要利用頻率特征分析紋理特征，如Gabor變換、小波變換等。

醫(yī)學(xué)圖像通常具有較高的灰度分辨率和空間分辨率，MRI手段尤其如此，圖像信息量大且相似，所以統(tǒng)計(jì)法是MTA中最常應(yīng)用的方法。統(tǒng)計(jì)方法又分為一階、二階和高階統(tǒng)計(jì)。一階描述ROI內(nèi)單個(gè)像素值的灰度分布情況，又稱直方圖分析，導(dǎo)出平均值、方差、偏度、峰度等9個(gè)參數(shù)，其缺點(diǎn)是缺乏空間信息。二階則在相鄰2個(gè)像素的關(guān)系基礎(chǔ)上，表觀局部的紋理特征，常用的方法有灰度共生矩陣(gray level co-occurrence matrix， GLCM)等。高階統(tǒng)計(jì)應(yīng)用相鄰像素灰度差分矩陣(neighbourhood grey tone difference matrix， NGTDM)分析局部圖像信息，反映局部強(qiáng)度的變化或同質(zhì)區(qū)域分布情況。

基于MRI圖像紋理分析的臨床應(yīng)用

隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，對(duì)機(jī)體病理差異的數(shù)字化表征顯得十分重要，高通量提取醫(yī)學(xué)圖像的定量信息也因此備受人們關(guān)注。基于MRI圖像的紋理分析量化圖像信息更佳，為臨床診治提供依據(jù)，正逐漸應(yīng)用于臨床各大部位。

1． MTA在頭頸部的應(yīng)用

MTA不僅單純地輔助腦部腫瘤的鑒別診斷，還能對(duì)病變進(jìn)展程度和病灶成分進(jìn)行區(qū)分評(píng)估，有效指導(dǎo)放化療靶區(qū)勾畫和臨床手術(shù)操作，達(dá)到了良好的局部控制率，提高了患者的總生存率（overall survival， OS）。

Li等[3]采用支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)對(duì)GLCM參數(shù)分析結(jié)果為：室管膜瘤和髓母細(xì)胞瘤、室管膜瘤和星形細(xì)胞瘤及成神經(jīng)管細(xì)胞瘤和星形細(xì)胞瘤顯著差異的準(zhǔn)確率分別為（86．15±4．16）%、（73．63±5．82）%和（74．32±5．85）%，從而為小兒顱后窩腫瘤的鑒別診斷提供新的思路和方法。腦膠質(zhì)瘤的治療療效和預(yù)后差異很大，IDH基因突變作為關(guān)鍵因素，對(duì)膠質(zhì)瘤分子狀態(tài)的預(yù)測(cè)很重要。Jakola等[4]發(fā)現(xiàn)紋理特征均勻性可以區(qū)分低級(jí)別膠質(zhì)瘤 (low-grade gliomas，LGG)患者的 IDH 突變型和IDH野生型，其中腫瘤體積聯(lián)合同質(zhì)性參數(shù)在ROC曲線下面積達(dá)0．940，最終證實(shí)，MTA可對(duì)術(shù)前分子分析起到重要補(bǔ)充。同樣的，Panagiotis等[5]研究155例O（6）-甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶（O-6-methylguanine methyltransferase， MGMT） 甲 基化狀態(tài)已知的GBM患者時(shí)，計(jì)算其共生、游程長度矩陣的紋理特征，并采用SVM和隨機(jī)森林分類器對(duì)術(shù)前多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(glioblastoma multiforme，GBM)腫瘤的MGMT甲基化狀態(tài)成功預(yù)測(cè)。Soltaninejad等[6]采用多模態(tài)MRI數(shù)據(jù)信息生成超體素并提取相關(guān)特征，隨后用隨機(jī)森林分類器對(duì)其分類，區(qū)分腫瘤成分的靈敏度為86%，錯(cuò)誤率為7%，表明多模式MTA大大提高腦腫瘤分割的準(zhǔn)確性，可提供高效、可重復(fù)的腦腫瘤檢測(cè)和劃定方法，提高手術(shù)精準(zhǔn)度。

預(yù)后上，Chaddad等[7]研究顯示相關(guān)性、熵等紋理特征在預(yù)測(cè)膠質(zhì)瘤患者總生存期上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Nardone等[8]基于立體定向照射下腦部非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）的轉(zhuǎn)移灶進(jìn)行預(yù)后評(píng)估，發(fā)現(xiàn)熵、均勻性與局部進(jìn)展關(guān)系密切，而峰度與新發(fā)腦轉(zhuǎn)移灶相關(guān)。有時(shí)為了充分采取病灶信息，圖像采集模式（2D或3D）的選擇也有差異。Béresová等[9]通過計(jì)算肺癌和乳腺癌腦部轉(zhuǎn)移灶的異質(zhì)性參數(shù)（heterogeneity parameters，SDHP），發(fā)現(xiàn)局部的二元模式（local binary patterns，LBP）圖和2D模式的熵和能量具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，其中，LBP圖對(duì)轉(zhuǎn)移灶的來源更敏感。異質(zhì)性參數(shù)，在表征轉(zhuǎn)移灶差異的同時(shí)，對(duì)不同原發(fā)腫瘤的轉(zhuǎn)移灶有較好區(qū)分。

在頸部的甲狀腺結(jié)節(jié)的良惡性鑒別中，Brown等[10]采用基于彌散系列的紋理分析的準(zhǔn)確率優(yōu)于表觀擴(kuò)散系數(shù)（diffusion coefficient，ADC）。

2． MTA在胸部的應(yīng)用

在全球范圍的女性惡性腫瘤中，乳腺癌最為常見，腫瘤細(xì)胞的增殖過快及凋亡減少是導(dǎo)致其進(jìn)展的重要因素，其中涉及多種促癌基因及抑癌基因的共同作用。臨床上，除了要對(duì)良惡性病變進(jìn)行鑒別，尋找優(yōu)質(zhì)的預(yù)后判斷指標(biāo)來準(zhǔn)確評(píng)估患者的復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并據(jù)此制定個(gè)體化治療方案顯得更為迫切。張竹偉等[11]發(fā)現(xiàn)T2WI序列蘊(yùn)含豐富鑒別乳腺良、惡性病變的紋理特征。由于缺乏治療靶點(diǎn)，化療是三陰性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC）的主要治療方式，然而，大部分患者會(huì)對(duì)化療藥物耐藥而復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移，因此，尋找可以預(yù)測(cè)TNBC化療耐藥性的生物標(biāo)記物具有重要意義。動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像（contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI）對(duì)于早期TNBC患者治療反應(yīng)的確定較為敏感，但非特異。Banerjee等[12]基于DCE-MRI的藥代動(dòng)力學(xué)的Riesz小波分析評(píng)估治療反應(yīng)，特別是殘余腫瘤（residual tumor，RT）狀態(tài)和病理完全緩解（pathological complete response，PCR）狀態(tài)，結(jié)果顯示，最有效的模式是一階統(tǒng)計(jì)量和Riesz小波，預(yù)測(cè)RT的AUC值為0．85，PCR的AUC值為0．83。

雖然增強(qiáng)圖像信息可以顯示更多瘤內(nèi)成分，但對(duì)比劑注射后的最佳評(píng)估時(shí)間和患者存活率的預(yù)測(cè)能力在很大程度上是未知的，Yoon等[13]通過DCE-MRI圖像研究肺癌的腫瘤異質(zhì)性發(fā)現(xiàn)，直方圖和紋理參數(shù)熵在對(duì)比劑注入后120～150秒最佳。

3．MTA在腹盆部的應(yīng)用

MTA在肝腎、前列腺、腸道等腹盆部主要臟器中同樣應(yīng)用廣泛，主要涉及鑒別診斷和預(yù)后評(píng)估。Li等[14]對(duì)肝血管瘤，肝轉(zhuǎn)移瘤和肝細(xì)胞癌的錯(cuò)誤分類率分別為11．7%、9．6%和9．7%，表明MTA鑒別診斷的前景。常染色體顯性多囊腎病是常見遺傳性腎臟疾病，在中晚期可造成腎功能的不可逆損害。Horie等[15]研究表明該病的MTA可以充當(dāng)腎功能下降程度的預(yù)后的生物標(biāo)志物，而不同于常規(guī)的總腎體積等。Reischauer 等[16]發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，3個(gè)一階和6個(gè)二階統(tǒng)計(jì)特征與血清PSA水平的相關(guān)性較強(qiáng)，證明紋理特征結(jié)合平均ADC值可作為治療監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充措施。Liu等[17]比較ADC圖像、直方圖和灰度共生矩陣的特征發(fā)現(xiàn)，偏度、熵和對(duì)比度顯著降低時(shí)，前兩者均可充當(dāng)腫瘤向外浸潤的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子，分析直腸癌局部浸潤深度和預(yù)測(cè)淋巴結(jié)狀態(tài)。Nie等[18]利用多參數(shù)的MTA可提高對(duì)直腸癌治療時(shí)的病理反應(yīng)預(yù)測(cè)，可以有效預(yù)測(cè)直腸癌患者放化療后的OS。

4． MTA在四肢的應(yīng)用

軟骨下骨參與維持、調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的生物化學(xué)與生物力學(xué)穩(wěn)態(tài)，在許多關(guān)節(jié)疾病如骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與發(fā)展中有重要作用。Mackay等[19]結(jié)合病理研究發(fā)現(xiàn)，MRI紋理分析特征與脛骨平臺(tái)上軟骨下骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)（骨體積分?jǐn)?shù)，小梁的厚度、分離度和數(shù)量）顯著相關(guān)，為病變進(jìn)展評(píng)估提供新思路。

紋理分析的挑戰(zhàn)與展望

MTA的紋理特征分析雖然走在前列，但其臨床應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，圖像序列、增強(qiáng)與否、紋理方法、特征選取、采集模式（2D/3D）甚至是操作設(shè)備等的選擇尚缺乏標(biāo)準(zhǔn)化。此外，受樣本量的影響，許多研究結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。但MTA因其無創(chuàng)、定量化等特點(diǎn)，在臨床診治、療效預(yù)測(cè)與評(píng)估等方面貢獻(xiàn)突出。隨著MRI多種新技術(shù)的開發(fā)及聯(lián)合應(yīng)用，以及智能的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)的逐步介入，MTA的價(jià)值將更具前景。在廣大研究人員和臨床醫(yī)師的共通努力下，以紋理分析為代表的現(xiàn)代化無創(chuàng)技術(shù)可以充當(dāng)生物標(biāo)志物，建立代謝、解剖和功能影像之間的聯(lián)系，進(jìn)一步減輕醫(yī)療負(fù)擔(dān)，最終造福于患者。