王春華 王哲濤 任靜 周鵬 郜發(fā)寶*

心臟磁共振（cardiac magnetic resonance，CMR）成像可以實(shí)現(xiàn)多方位、多參數(shù)、多序列掃描，且具有良好的組織分辨力。CMR 成像能夠通過不同的序列檢測(cè)心功能以及心肌組織特征，評(píng)估疾病心功能障礙、心肌缺血、心肌水腫以及心肌纖維化[1-3]。但是，傳統(tǒng)分析手段對(duì)CMR 成像影像的綜合分析及利用有限，無法識(shí)別微小病變，對(duì)疾病的診斷以及預(yù)測(cè)價(jià)值有待提高。紋理分析是影像組學(xué)中最常見的分析方式，利用不同技術(shù)對(duì)圖像的特點(diǎn)以及像素相互關(guān)系進(jìn)行定量，獲得圖像灰度強(qiáng)度的直方圖、分布、梯度、相鄰關(guān)系以及隨機(jī)性，代表圖像的異質(zhì)性[4-5]。CMR 成像紋理分析可以發(fā)現(xiàn)肉眼無法辨識(shí)的微小改變，提高診斷效能與預(yù)測(cè)價(jià)值[6-7]。目前國(guó)內(nèi)外基于CMR 成像不同序列的紋理分析用于缺血性心肌病和非缺血性心肌病方面的研究均有報(bào)道，本文將對(duì)CMR 成像紋理分析在疾病診斷與預(yù)測(cè)中的價(jià)值進(jìn)行綜述。

1 紋理分析概述

紋理特征提取方式包括統(tǒng)計(jì)法、模型法和變換法[8-9]，其中統(tǒng)計(jì)方法是最早出現(xiàn)、最常使用的方法，包括一階、二階及高階統(tǒng)計(jì)量。一階統(tǒng)計(jì)量指不考慮像素位置的情況下，評(píng)估興趣區(qū)內(nèi)灰度的直方圖頻率分布，包括平均強(qiáng)度、百分位數(shù)、熵、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度和峰度。二階統(tǒng)計(jì)特征利用空間矩陣來描述興趣區(qū)的相鄰關(guān)系，包括灰度共生矩陣（gray level cooccurrence matrix,GLCM）、灰度游程長(zhǎng)度矩陣（gray level run length matrix,GLRLM）等。高階統(tǒng)計(jì)量反映3 個(gè)或更多像素的位置關(guān)系。模型法是利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型表征紋理特征。變換法將空間信息轉(zhuǎn)換成頻率或尺度，例如傅里葉變換、小波變換、Gabor 變換。紋理分析主要步驟包括圖像獲取、圖像分割、特征提取、特征篩選、模型建立及統(tǒng)計(jì)分析，常用于臨床診斷、預(yù)后評(píng)估。CMR 成像紋理特征提取常見軟件包括TexRad、MaZda 以及利用Matlab 自主編寫的程序[10-12]。特征篩選、預(yù)測(cè)模型的建立與統(tǒng)計(jì)分析均可以通過R 語言實(shí)現(xiàn)[11]。通過紋理分析獲得的特征有利于評(píng)估肉眼無法觀察到的細(xì)微結(jié)構(gòu)改變。紋理分析已成為目前的研究熱點(diǎn)，尤其是腫瘤方面；但有關(guān)CMR 成像不同序列的研究尚處于初期階段[7,13]。

2 不同序列CMR 成像紋理分析的應(yīng)用

2.1 釓對(duì)比劑延遲強(qiáng)化序列 釓對(duì)比劑延遲強(qiáng)化（late gadolinium enhancement,LGE）序列是檢測(cè)心肌纖維化的金標(biāo)準(zhǔn)，不同心臟疾病具有不同的延遲強(qiáng)化方式，傳統(tǒng)分析方式可以通過延遲強(qiáng)化體積來預(yù)測(cè)疾病的預(yù)后，紋理分析可以提取更多定量特征有助于診斷疾病，預(yù)測(cè)臨床不良事件以及評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。利用GLCM、GLRLM 等紋理特征可以鑒別急慢性心肌梗死，選擇合適的分類器可以達(dá)到良好的診斷效能[14-15]。LGE 紋理分析還可以對(duì)病人進(jìn)行心肌梗死后風(fēng)險(xiǎn)分層，預(yù)測(cè)心律失常[16-17]。心肌壞死等異質(zhì)組織可以造成心律失常，紋理分析可以比傳統(tǒng)分析方式更精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)心肌異質(zhì)性[18]。Ali 等[19]納入了經(jīng)埋藏式心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器治療的心肌梗死后病人，根據(jù)其是否發(fā)生不良事件分為高風(fēng)險(xiǎn)組和低風(fēng)險(xiǎn)組，對(duì)病人LGE 影像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)組具有更高的直方圖峰度、更多負(fù)偏態(tài)。紋理分析除了應(yīng)用于缺血性心肌病的研究，還應(yīng)用于非缺血性心肌病[20]。有研究[21]顯示，肥厚型心肌?。╤ypertrophic cardiomyopathy，HCM）病人心肌肥厚節(jié)段的LGE 游程長(zhǎng)非均勻度（run-length non-uniformity，RLNU）和灰度非均勻度（grey-level non-uniformity，GLNU）高于非肥厚節(jié)段，非肥厚非纖維化節(jié)段的上述2 項(xiàng)指標(biāo)高于健康志愿者的。Cheng 等[7]通過紋理分析評(píng)估LGE紋理特征對(duì)收縮功能不全HCM 病人的預(yù)后價(jià)值發(fā)現(xiàn)，X0_H_skewness、X0_GLCM_cluster_tendency、X0_GLRLM_energy 與無事件生存率相關(guān)，病人LGE 異質(zhì)性增加與不良臨床結(jié)局相關(guān)。Amano 等[10]將HCM病人分為有和無室性心動(dòng)過速病史2 組，結(jié)果表明有室性心動(dòng)過速病史病人LGE_entrophy LL 更低，提示其LGE 在微觀上具有同質(zhì)性，而隨機(jī)性更小，可能與更多同質(zhì)的纖維化有關(guān)。Alis 等[22]研究也發(fā)現(xiàn)LGE-CMR 成像紋理分析可以很好區(qū)分HCM 病人是否發(fā)生室性心動(dòng)過速；既往研究[23]報(bào)道左心室熵值是擴(kuò)張型心肌病病人室性心律失常風(fēng)險(xiǎn)分層的新指標(biāo)。

2.2 非增強(qiáng)電影序列 非增強(qiáng)電影成像經(jīng)傳統(tǒng)分析可以測(cè)量心功能及心肌應(yīng)變，對(duì)心肌組織特征改變?cè)\斷價(jià)值有限，而通過紋理分析則可以得到不同的定量特征，能夠反映心肌異質(zhì)性，以及檢測(cè)傳統(tǒng)分析無法識(shí)別的病變。Baessler 等[6]對(duì)電影CMR 成像影像提取紋理特征，結(jié)果顯示Teta1、Perc.01、Variance、WavEnHH.s-3 和 S（5，5）SumEntrp 5 個(gè)特征能夠診斷缺血性瘢痕，其中Perc.01 和Teta1 相結(jié)合診斷大面積心肌梗死和小面積心肌梗死的受試者操作特征曲線下面積（AUC）可以高達(dá)0.93、0.92。Larroza 等[11]利用LGE 定義可挽救心肌和不可挽救心肌，并將左室電影圖像分割為17 節(jié)段，經(jīng)紋理分析可以很好地診斷不可挽救心肌節(jié)段（AUC 0.849，敏感度0.92）。Cetin 等[24]研究顯示，傳統(tǒng)心臟電影影像分析手段無法檢測(cè)到高血壓個(gè)體心臟的細(xì)微變化，但通過紋理分析可以發(fā)現(xiàn)其特征改變。有研究者[12,25]利用TexRAD 軟件對(duì)舒張末中間段電影影像進(jìn)行紋理分析，結(jié)果顯示HCM、心肌淀粉樣變性以及主動(dòng)脈硬化的紋理特征有差異，表明電影序列經(jīng)紋理分析可以用于追蹤左室肥厚的病因。江等[26]對(duì)心肌淀粉樣變性和HCM 病人的CMR 成像電影影像進(jìn)行紋理分析，發(fā)現(xiàn)偏度、峰度、熵值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且經(jīng)中等紋理過濾下室間隔熵值診斷效能最佳。

2.3 Native T1mapping Native T1mapping 作為識(shí)別心肌纖維化的備選序列，傳統(tǒng)影像分析手段可以通過T1值改變發(fā)現(xiàn)心肌異常，紋理分析可以提取更多特征表征心肌異質(zhì)性，顯示健康人群心肌的性別差異以及鑒別不同的心臟疾病。吳等[27]在一項(xiàng)納入59 名健康漢族志愿者的研究中發(fā)現(xiàn)，男女志愿者間有10 個(gè)Native T1mapping 紋理特征的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Neisius 等[28]利用Native T1mapping 紋理特征鑒別高血壓心臟病和HCM，篩選出6 個(gè)重要特征，包括2 個(gè)GLRLM 特征和4 個(gè)局部二值模式特征，鑒別準(zhǔn)確度為86.2%，高于Native T1值的鑒別能力。Neisius 等[29]還對(duì)T1mapping 定量影像進(jìn)行紋理分析，用于預(yù)測(cè)HCM 病人心肌層面LGE 的陽(yáng)性和陰性，篩選出5 個(gè)最優(yōu)紋理特征，包括1 個(gè)GLRLM、1 個(gè)GLCM 和3 個(gè)局部二值模式特征，通過分類器可以識(shí)別全部LGE 陽(yáng)性層面和大約三分之一LGE 陰性層面。

2.4 T1WI 序列 T1WI 序列可以顯示心臟解剖結(jié)構(gòu)，主要通過肉眼觀察組織改變，輔助其他序列診斷疾病，紋理分析可以提高其診斷價(jià)值。有研究者[30]在一項(xiàng)概念驗(yàn)證性研究中利用T1WI 影像提取紋理特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在HCM 病人與健康志愿者間，4 個(gè)紋理特征的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。當(dāng)GLNU≥46 時(shí)，區(qū)分HCM 病人和健康志愿者的敏感度、特異度分別為0.94、0.90，鑒別LGE 陰性病人和健康志愿者的敏感度、特異度分別為1.00、0.90。

2.5 多序列聯(lián)合 MR 多序列聯(lián)合成為影像組學(xué)研究的一種趨勢(shì)，通過多序列聯(lián)合可以提高診斷及預(yù)測(cè)價(jià)值。有研究[31-32]表明不同序列聯(lián)合可以提高對(duì)腫瘤的預(yù)測(cè)效能。在CMR 成像領(lǐng)域也有研究者進(jìn)行多序列聯(lián)合研究，多序列紋理分析可以提高診斷價(jià)值。Baessler 等[33]對(duì) T1mapping、T2mapping 進(jìn)行紋理分析，探討其對(duì)梗死樣急性心肌炎的診斷價(jià)值，篩選出6 個(gè)重要特征，包括3 個(gè)來自GLCM 的二階特征、2 個(gè)來自GLRLM 的二階特征和1 個(gè)高階特征，其中5 個(gè)特征差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。T1值、T2值和路易斯湖標(biāo)準(zhǔn)診斷效能較低，而T2_RLNU 結(jié)合T2_GLNU 診斷梗死樣急性心肌炎的AUC、敏感度、特異度分別為 0.88、0.89、0.92。Baessler 等[34]還分析T1mapping、T2mapping 紋理特征對(duì)急慢性心力衰竭樣心肌炎的診斷價(jià)值，對(duì)于急性心力衰竭樣心肌炎，T2_GLNU 與平均T2值診斷效能相似（AUC 0.69），兩者結(jié)合能獲得較好的診斷效能（AUC 0.76）；對(duì)于慢性心力衰竭樣心肌炎，T2峰度診斷能力較強(qiáng)（AUC0.81），T2峰度結(jié)合 T1_GLNU 時(shí) AUC 高達(dá) 0.85。

3 小結(jié)

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，紋理分析成為精準(zhǔn)醫(yī)療、人工智能的研究熱點(diǎn)，它能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)影像分析手段的不足，擴(kuò)展CMR 成像影像的利用價(jià)值，提高心臟疾病的診斷、預(yù)后及預(yù)測(cè)價(jià)值，將傳統(tǒng)分析手段與紋理分析相結(jié)合是未來的發(fā)展趨勢(shì)。目前CMR 成像影像組學(xué)的多數(shù)研究屬于概念驗(yàn)證性研究，樣本量有限，而且目前關(guān)于CMR 成像影像組學(xué)的研究主要為單中心研究，不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)的設(shè)備及其掃描參數(shù)等不一致導(dǎo)致原始圖像不一致，進(jìn)而影響研究結(jié)果，因而制定統(tǒng)一的成像標(biāo)準(zhǔn)，開展多中心合作十分必要。盡管CMR 成像影像組學(xué)的發(fā)展還處于早期階段，從圖像的采集到建模分類均存在亟待解決的問題，目前尚不能廣泛應(yīng)用于臨床，但是它能夠獲取肉眼無法觀察到的高通量客觀量化特征，提高CMR 成像的診斷及預(yù)測(cè)價(jià)值，故具有良好的臨床應(yīng)用前景。