王豪，周甲豐，林博麗，陳勇春

溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院 放射科，浙江 溫州 325015

顱內動脈瘤因其高致死率及高致殘率而備受關注。因此，預測哪些動脈瘤易于破裂以及是否建議進行干預至關重要。目前，很多病例對照研究已經(jīng)報道了動脈瘤破裂的形態(tài)學危險因素[1-6]。但是，這些研究結果可能因患者的個體特征，不同的動脈瘤發(fā)生位置而發(fā)生沖突。鏡像動脈瘤可以很好地避免這些問題，因此，鏡像動脈瘤可以作為研究與動脈瘤破裂有關特征的有用模型。

近年來，影像組學已廣泛應用于醫(yī)學領域，并且很多研究已經(jīng)報道了其在腫瘤病變的風險分層有一定的價值[7-10]。最近，有幾項研究將影像組學用于預測顱內動脈瘤的破裂狀態(tài)。ZHANG等[11]和LIU等[12]證實了影像組學特征與動脈瘤破裂有關。目前鮮見關于大腦中動脈（middle cerebral artery,MCA）鏡像動脈瘤且同時涉及傳統(tǒng)形態(tài)學及影像組學的報道。本研究通過收集MCA鏡像動脈瘤患者（其中一側破裂，另一側未破），采用三維CT血管造影（computed tomography ngiograph,CTA）測量動脈瘤的形態(tài)，使用PyRadiomics提取影像組學衍生的形態(tài)學參數(shù)，旨在探討基于動脈瘤形態(tài)學及影像組學特征邏輯回歸模型預測MCA鏡像動脈瘤的價值。

1 對象和方法

1.1 對象 收集2010年5月至2020年10月溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院收治的38 例診斷為蛛網(wǎng)膜下腔出血并經(jīng)CTA證實為MCA鏡像動脈瘤的患者。將動脈瘤根據(jù)破裂與否分為破裂組與未破裂組。納入標準：①CT頭顱平掃或腦脊液檢查提示蛛網(wǎng)膜下腔出血；②CTA檢查發(fā)現(xiàn)MCA鏡像動脈瘤；③經(jīng)由DSA或開顱手術證實；④結合臨床病史、CT平掃及其他相關檢查進行綜合判斷，確認有且僅有一側MCA動脈瘤發(fā)生破裂。排除標準：①兩側均未發(fā)生動脈瘤破裂者；②霉菌性動脈瘤、夾層動脈瘤、外傷性動脈瘤、梭形動脈瘤或與動靜脈畸形相關的動脈瘤；③CTA圖像質量不佳無法評估動脈瘤幾何結構及形態(tài)；④無法判別哪側動脈瘤破裂；⑤造影前已行動脈瘤栓塞或夾閉介入治療者。本研究經(jīng)本院倫理委員會批準，患者和患者家屬均知情同意并簽署知情同意書。

1.2 CTA圖像獲取與重建 2010年5月至2020年10月，所有患者的CTA檢查分別在3臺不同的CT機上完成。2010年5月至2012年6月，采用GE Lightspeed pro 16 排螺旋CT機，參數(shù)：螺距0.562，準直器 1.25 mm，掃描速度為0.8 s/轉，重間間距及重建層厚（0.625 mm，1.25 mm），管電壓及管電流 （120 kV，300 mA）。2012年6月至2020年10月，采用GELightspeed VCT 64 排螺旋CT機及Aquilion ONE 320排CT機，前者參數(shù)為：螺距為0.984，準直器為0.625 mm，掃描速度為0.5 s/轉，重建層厚及重建間距（0.625 mm，0.625 mm），管電壓及管電流（100 kV，500 mA）；后者參數(shù)為：準直器為0.5 mm， 掃描速度為0.5 s/轉，重建層厚及重建間距 （0.625 mm，0.625 mm），管電壓及管電流（100 kV，300 mA）。掃描范圍：自C1水平至顱頂，打描基準線為OML線。在16排螺旋CT機上，使用高壓注射器經(jīng)一側前臂肘靜脈注入非離子型造影劑（碘普胺，含碘300 mg/mL），注射流率3.0 mL/s，注射劑量為1.0～2.0 mL/kg。在64排螺旋CT及320排CT上，使用高壓注射器經(jīng)一側肘靜脈注入非離子型造影劑（優(yōu)維，含碘300 mg/mL），注射流速為4.0 mL/s，注射劑量為0.8～1.0 mL/kg。掃描監(jiān)控分別采用Sure Start技術（320排螺旋CT）及Smart Prep技術（64排螺旋CT）來實現(xiàn)。

1.2.1 動脈瘤傳統(tǒng)形態(tài)學參數(shù)的測量標準：所有動脈瘤參數(shù)在CTA后處理圖像中獲得。形態(tài)學參數(shù)包括動脈瘤大小、動脈瘤垂直高度、動脈瘤高度、瘤頸寬度、動脈瘤垂直高度與瘤頸的比值（AR值）、動脈瘤高度與平均血管管徑比值（SR值）。根據(jù)動脈瘤形態(tài)分為規(guī)則、不規(guī)則。

1.2.2 影像組學參數(shù)的獲?。菏紫仁褂肧oftware 3D Slicer 4.8.0將血管重建為三維圖像，然后由2位放射科醫(yī)師將血管瘤從載瘤血管中分離出來。使用Python中實現(xiàn)的PyRadiomics軟件包為每個動脈瘤自動提取12個形態(tài)學特征，包括Compactness1（衡量形狀相對于球體的緊密程度）、Compactness2（衡量形狀相對于球體的緊密程度的度量）、SurfaceArea（形狀的總面積）、SurfaceVolumeRatio （形狀的表面積與體積的比率）、球度（形狀相對于球體的圓度的度量）、SphericalDisproportion （表面積到具有相同體積的球體的表面積）、Maximum3DDiameter（曲面網(wǎng)格頂點之間的最大成對歐幾里德距離）、Maxium2DDiameterSlice（軸向平面中曲面網(wǎng)格頂點之間的最大成對歐幾里得距離）、Maximum2DDiameterColumn（最大成對成對冠狀平面中的表面網(wǎng)格頂點之間的歐幾里得距離）、Maximun2DDiameterRow（矢狀平面中網(wǎng)格頂點表面之間最大的成對歐幾里得距離）、Elogation伸長率（度量顯示形狀中兩個最大主成分之間的關系）和Flatness平坦度（度量顯示形狀中最大和最小主成分之間的關系）。具體流程：①動脈瘤ROI勾畫（見圖1）；②數(shù)據(jù)預處理（歸一化、重采樣）；③影像組學參數(shù)特征提取。

圖1 動脈瘤ROI勾畫示意圖

1.3 統(tǒng)計學處理方法 采用SPSS22.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學處理。計量資料采用表示，并進行單樣本Kolmogorove-Smirnov檢驗，若符合正態(tài)性分布，使用配對t檢驗進行統(tǒng)計；若不符合正態(tài)性分布，使用配對Wilcoxon符號秩和檢驗。計數(shù)資料使用χ2檢驗或Fisher確切概率法進行統(tǒng)計分析。將上述篩選出的形態(tài)學參數(shù)及影像組學參數(shù)構建形態(tài)學模型、影像組學模型及形態(tài)學-影像組學混合模型。采用受試者工作特征曲線（receiver operating characteristic curve,ROC曲線）及曲線下面積（area under curve,AUC）對模型的預測效能進行評估。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 一般資料 本研究共納入38例MCA鏡像動脈瘤患者，年齡29～81（54.9±11.3）歲，其中男11例（28.9%），女27例（71.1%）。

2.2 2組MCA鏡像動脈瘤傳統(tǒng)形態(tài)學參數(shù)比較 破裂組動脈瘤的大小、動脈瘤垂直高度、動脈瘤高度、瘤頸寬度、AR值及SR值均大于未破裂組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05或P＜0.01）。不規(guī)則的動脈瘤在破裂組中的發(fā)生率是未破裂組的2倍多，見表1。

表1 2組MCA鏡像動脈瘤傳統(tǒng)形態(tài)學參數(shù)比較

2.3 2組MCA鏡像動脈瘤影像組學參數(shù)比較 破裂組動脈瘤的Maximum3DDiameter（P=0.009）、Maxium2D Diameter Slice（P=0.003）、Maximum2DDiameterColumn（P=0.015）、Maximun2DDiameterRow（P=0.010）及SurfaceArea （P=0.003）均大于未破裂組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05 或P＜0.01）。破裂組動脈瘤的 SurfaceVolumeRatio小于未破裂組，差異有統(tǒng)計學意義（P=0.005）。Elongation、Flatness、Compatness1、Compatness2、Sphercity、Spherical disproportion差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。見表2。

表2 2組MCA鏡像動脈瘤影像組學參數(shù)比較

2.4 3種模型的診斷效能 將篩選出的7個形態(tài)學參數(shù)及6個影像組學參數(shù)分別構建形態(tài)學模型、影像組學模型及混合模型，經(jīng)ROC曲線分析結果表明，其AUC值分別為0.83、0.71和0.85。見圖2。

圖2 3種模型的ROC曲線

3 討論

本研究采用MCA鏡像動脈瘤的這一特殊配對模型，結合動脈瘤形態(tài)學和影像組學特征構建Logistic 回歸模型，并評估了其在預測動脈瘤破裂中的診斷效能。結果顯示，此模型在預測動脈瘤破裂風險中具有較好的應用價值。

顱內動脈瘤破裂具有很高的致死率及致殘率。隨著影像檢查的普及，越來越多的未破裂動脈瘤被發(fā)現(xiàn)，然而對于未破裂動脈瘤是否需要治療仍存在爭議，因為動脈瘤手術具有一定的風險。因此，評估未破裂動脈瘤的破裂風險具有很高的臨床價值。研究發(fā)現(xiàn)形態(tài)學參數(shù)在預測動脈瘤破裂風險中具有一定的價值。

動脈瘤大小被認為是影響動脈瘤破裂風險的重要的形態(tài)學參數(shù)之一，學者們普遍認為動脈瘤越大，其破裂的風險也越大[13-17]。一項關于MCA鏡像分叉動脈瘤的研究發(fā)現(xiàn)動脈瘤大小是預測動脈瘤破裂的因素之一[18]。本研究發(fā)現(xiàn)動脈瘤大小在破裂動脈瘤與未破裂動脈瘤之間差異有統(tǒng)計學意義，破裂動脈瘤[（7.67±3.51）mm]明顯大于未破裂動脈瘤[（4.86±2.18）mm]。與此同時，在影像組學衍生的形態(tài)學參數(shù)中，與動脈瘤大小相關的參數(shù)諸如Maximum3Ddiameter、Maxium2DDiameterSlice、Maximum2DDiameterColumn、Maximun2DDiameterRow在兩組之間差異亦有統(tǒng)計學意義，且破裂動脈瘤的上述參數(shù)明顯大于未破裂動脈瘤。這些結果表明與動脈瘤大小相關的影像組學參數(shù)同樣可以表現(xiàn)出較好的預測價值。

在很多研究中，動脈瘤不規(guī)則形態(tài)被認為是預測動脈瘤破裂最重要的因素[19-21]。形態(tài)不規(guī)則的動脈瘤往往更容易發(fā)生破裂，這可能跟不規(guī)則動脈瘤瘤腔內具有復雜的血流動力學（諸如單個或多個湍流形成）有關[22]。本研究發(fā)現(xiàn)破裂動脈瘤中形態(tài)不規(guī)則的動脈瘤數(shù)量是未破裂動脈瘤中形態(tài)不規(guī)則的動脈瘤數(shù)量的2倍多，這也進一步驗證了不規(guī)則形態(tài)的動脈瘤具有更高的破裂風險，需要臨床醫(yī)師密切關注，及時進行干預治療。

盡管目前動脈瘤形態(tài)學參數(shù)在預測動脈瘤破裂風險中有著廣泛的應用，但是形態(tài)學參數(shù)在獲取過程中存在一定的缺陷。其一是動脈瘤形態(tài)學參數(shù)會隨著測量者選取不同的投影位置而發(fā)生變化。其二是在2D投影上進行測量時存在測量誤差。然而影像組學參數(shù)由計算機自動提取，大大減少了人為誤差，且其包含很多傳統(tǒng)形態(tài)學無法獲取的高緯度信息，因此將影像組學參數(shù)加入到預測模型使得預測結果更加客觀。在本研究中，形態(tài)學模型的AUC為0.83，加入影像組學參數(shù)后模型的診斷效能得到提升，AUC提高到0.85，這也進一步證實了影像組學參數(shù)中包含了傳統(tǒng)形態(tài)學參數(shù)無法獲取的形態(tài)學信息，進而提高了模型的可靠性。本研究對影像組學參數(shù)預測動脈瘤破裂風險進行了初步探索，發(fā)現(xiàn)其在預測動脈瘤破裂風險中有較高的臨床價值，其在機器學習及深度學習中的應用將在今后的研究中進一步證實。

本研究有幾個局限性。首先，這是一項回顧性研究，涉及的患者數(shù)量有限，可能會影響破裂和未破裂動脈瘤之間的傳統(tǒng)形態(tài)學參數(shù)及影像組學參數(shù)比較的可靠性。其次，動脈瘤破裂是一個瞬時事件，可能會改變動脈瘤的大小和形態(tài)。該研究只能記錄動脈瘤破裂狀態(tài)的形態(tài)學參數(shù)。動脈瘤破裂前后可能 發(fā)生形態(tài)的變化。第三，鑒于本研究患者數(shù)量相對較少，并沒有設置驗證組來進一步驗證模型的效能。

綜上所述，基于動脈瘤形態(tài)學參數(shù)及影像組學參數(shù)構建的模型表現(xiàn)出較好的診斷效能。這些動脈瘤的傳統(tǒng)形態(tài)學和影像組學參數(shù)很容易在臨床工作中獲取，并且可能有助于評估動脈瘤的破裂風險。