郭毅，陳罕奇，王同興，陳國中，張浩*

1.南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州市第二人民醫(yī)院放射科，江蘇 常州 213003；2.南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院）醫(yī)學(xué)影像科，江蘇 南京 210006；*通信作者 張浩 zhanghao1825@126.com

急性缺血性腦卒中具有較高的發(fā)病率和致殘率。機(jī)械取栓治療是目前快速再通血管的措施，可以改善卒中的預(yù)后[1]。然而既往研究顯示機(jī)械取栓后預(yù)后不良率差異較大（28.6%~74.6%）[2-4]。因此，準(zhǔn)確預(yù)測卒中預(yù)后對臨床早期個(gè)性化干預(yù)及康復(fù)治療尤為關(guān)鍵。本研究擬結(jié)合機(jī)械取栓治療前后擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）梗死病變的影像組學(xué)特征和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法開發(fā)一種模型，用于預(yù)測急性腦卒中的預(yù)后，并通過外部數(shù)據(jù)集驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。

1 資料與方法

1.1 研究對象 回顧性分析2017年1月—2020年9月在南京市第一醫(yī)院就診的急性腦卒中患者225例，男146例，女79例，年齡49~82歲，平均（67.2±18.5）歲。根據(jù)中國急性缺血性腦卒中診治指南2018[5]，所有患者經(jīng)急診綠色通道就診，入院后行頭顱CT平掃檢查，符合靜脈溶栓條件者行靜脈溶栓治療后立即行MRI檢查，經(jīng)MRI評估后符合機(jī)械取栓治療的患者行急診取栓治療，治療后24 h內(nèi)進(jìn)行MRI隨訪。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡>18歲；②前循環(huán)卒中（大腦中動(dòng)脈或大腦前動(dòng)脈重度狹窄或閉塞）；③發(fā)病時(shí)間為8 h以內(nèi)；④機(jī)械取栓治療前、治療后24 h內(nèi)接受MRI檢查；⑤接受機(jī)械取栓治療后血管完全再通（mTICI為2b及以上）；⑥有3個(gè)月的改良Rankin評分量表（modified Rankin Scale，mRS）評分。排除標(biāo)準(zhǔn)：①顱內(nèi)出血、腫瘤或創(chuàng)傷；②MRI有運(yùn)動(dòng)偽影圖像無法評估。采用分層抽樣方法，根據(jù)入院美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表（National Institute of Health Stroke Scale，NIHSS）評分按7∶3將患者隨機(jī)分為訓(xùn)練集157例、測試集68例。另以相同納入及排除標(biāo)準(zhǔn)回顧性收集2017年1月—2020年9月在南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州市第二人民醫(yī)院就診的急性腦卒中患者75例作為外部驗(yàn)證集，其中男41例，女34例，平均年齡（67.0±17.8）歲。本研究經(jīng)南京醫(yī)科大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（2019-664），免除受試者知情同意。

收集患者的年齡、性別、入院NIHSS評分[6]、發(fā)病至MRI檢查時(shí)間、發(fā)病至機(jī)械取栓時(shí)間及與卒中相關(guān)的臨床病史（高血壓、糖尿病、心房顫動(dòng)、高脂血癥、高同型半胱氨酸）。采用mRS評分[2]評估卒中患者3個(gè)月功能預(yù)后，0~2分為預(yù)后良好，3~6分為預(yù)后不良。

1.2 儀器與方法 所有患者于治療前、治療后采用3.0T MR掃描儀（Ingenia，Philips）進(jìn)行檢查。掃描序列包括FLAIR、DWI、MRA。掃描參數(shù)：DWI采用自旋回波序列，TR 2 501 ms，TE 98 ms，矩陣152×122，3個(gè)方向，視野230 mm×230 mm，翻轉(zhuǎn)角90°，層數(shù)18，層厚6 mm，層間距1.3 mm，b=0、1 000 s/mm2。

1.3 圖像處理 導(dǎo)出原始DICM圖像數(shù)據(jù)后在ITKSNAP 3.4.0軟件（http://www.itksnap.org）中勾畫感興趣區(qū)（ROI）：采用雙盲法對圖像進(jìn)行ROI勾畫，由1名具有5年神經(jīng)影像診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科高年資主治醫(yī)師勾畫所有患者治療前、治療后DWI圖像上急性腦梗死區(qū)，并由另1名具有10年神經(jīng)影像診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科副主任醫(yī)師進(jìn)行核對。將勾畫好的ROI及原序列批量導(dǎo)入影像組學(xué)處理軟件A.K. 1.0.3，提取First Order、GLCM、GLDM、GLRLM、GLSZM、NGTDM等共計(jì)396個(gè)[7]。

1.4 特征選擇、模型構(gòu)建及驗(yàn)證 通過Z-SCORE標(biāo)化提取的治療前及治療后DWI的792個(gè)影像組學(xué)特征。采用單因素邏輯回歸分析進(jìn)行特征篩選，再進(jìn)一步應(yīng)用最低絕對收縮和選擇算子（least absolute shrinkage and selection operator，LASSO）回歸模型篩選預(yù)測預(yù)后的最佳影像組學(xué)特征，同時(shí)進(jìn)行五折交叉驗(yàn)證對模型參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化。將LASSO篩選出的影像組學(xué)特征納入支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行建模。SVM采用線性核，應(yīng)用五折交叉驗(yàn)證進(jìn)行模型訓(xùn)練，構(gòu)建并測試基于治療前后DWI的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測急性腦卒中機(jī)械取栓后預(yù)后的模型。進(jìn)一步應(yīng)用驗(yàn)證集數(shù)據(jù)對所構(gòu)建模型進(jìn)行驗(yàn)證，評估該模型的效能。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 ①臨床資料統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用SPSS 26.0軟件。正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s表示，兩組比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，多組間比較采用方差分析；計(jì)數(shù)資料以例（%）表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。②LASSO回歸模型、SVM分類器分別基于“glmnet”“e1071”程序包完成。應(yīng)用Sklearn（http://scikit.learn.org/stable/）機(jī)器學(xué)習(xí)模塊的受試者工作特征（ROC）曲線分析評估模型預(yù)測急性腦卒中機(jī)械取栓治療后預(yù)后的預(yù)測效能。獲得曲線下面積（AUC）、準(zhǔn)確度、敏感度、特異度、陽性預(yù)測值、陰性預(yù)測值等模型評價(jià)指標(biāo)。

2 結(jié)果

2.1 臨床資料比較 共納入300例急性腦卒中患者，預(yù)后良好173例，預(yù)后不良127例，兩組間年齡、性別、入院NIHSS評分、發(fā)病至MRI檢查時(shí)間、發(fā)病至機(jī)械取栓時(shí)間及其他相關(guān)臨床病史比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），見表1。157例訓(xùn)練集中預(yù)后良好89例，68例測試集中預(yù)后良好40例；75例驗(yàn)證集中預(yù)后良好44例。訓(xùn)練集、測試集及驗(yàn)證集3組間年齡、性別、入院NIHSS評分、發(fā)病至MRI檢查時(shí)間及發(fā)病至機(jī)械取栓治療差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），見表2。

表1 急性腦卒中患者基本臨床特征比較

表2 急性腦卒中患者訓(xùn)練集、測試集及驗(yàn)證集基本臨床特征比較

2.2 影像組學(xué)特征 通過LASSO降維后篩選出5類20個(gè)可預(yù)測急性腦卒中預(yù)后的定量化影像組學(xué)特征，分別為GLCM、GLDM、GLRLM、GLSZM、NGTDM，具體特征見表3，LASSO系數(shù)分布見圖1，熱圖見圖2。

表3 預(yù)測急性腦卒中機(jī)械取栓后預(yù)后的最佳影像組學(xué)特征

2.3 預(yù)測模型構(gòu)建及測試 基于所得的最佳影像組學(xué)特征，通過SVM分類器建立卒中預(yù)后預(yù)測模型。用ROC曲線分析該模型預(yù)測訓(xùn)練集和測試集患者機(jī)械取栓后預(yù)后的效能見表4和圖3。

表4 基于治療前后DWI預(yù)測急性腦卒中機(jī)械取栓治療后預(yù)后預(yù)測模型的效能

2.4 預(yù)測模型驗(yàn)證 應(yīng)用驗(yàn)證集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測模型的外部驗(yàn)證，應(yīng)用ROC曲線分析該模型預(yù)測驗(yàn)證集患者機(jī)械取栓后預(yù)后的AUC為0.901，敏感度和特異度分別為0.881、0.886，準(zhǔn)確度為0.898（表4，圖3）。

3 討論

3.1 卒中預(yù)后預(yù)測的必要性 臨床研究發(fā)現(xiàn)，治療前DWI梗死體積、治療后DWI梗死體積、梗死體積增長等與急性腦卒中機(jī)械取栓治療后預(yù)后密切相關(guān)[8]。但多數(shù)研究僅探討其中1種或數(shù)種因素，未能綜合考慮治療前后梗死體積對預(yù)后的影響，且不同研究中梗死體積對預(yù)后預(yù)測的準(zhǔn)確度和特異度也有差異[8-10]。近年來，提供多參數(shù)形態(tài)和功能信息的影像組學(xué)成為研究熱點(diǎn)[11-12]。影像組學(xué)突破基于形態(tài)學(xué)和半定量分析的傳統(tǒng)影像醫(yī)學(xué)模式，采用高通量特征提取算法，對影像圖像進(jìn)行定量分析，充分深入挖掘和分析隱含在圖像中的額外信息，最高效地利用影像學(xué)檢查結(jié)果，為臨床個(gè)性化治療提供支持[13-15]。

3.2 治療前后DWI預(yù)測卒中預(yù)后的價(jià)值 本研究納入治療前、治療后DWI圖像預(yù)測急性腦卒中預(yù)后。DWI序列作為急性腦卒中一線診斷工具的一部分，是目前評估急性腦卒中梗死體積最準(zhǔn)確的方法[16-17]。既往研究認(rèn)為急性腦卒中患者的梗死體積與預(yù)后密切相關(guān)，治療前較小的梗死體積通常預(yù)后較好[8]。然而，Yoo等[18]認(rèn)為急性腦卒中患者機(jī)械取栓后的最終梗死體積是決定3個(gè)月預(yù)后的關(guān)鍵性因素，當(dāng)最終梗死體積>90 ml時(shí)，對預(yù)測卒中預(yù)后不良具有高度特異性。因此，將治療前、治療后DWI梗死圖像納入研究，對預(yù)測卒中后預(yù)后具有重要意義。

3.3 卒中預(yù)后的影像組學(xué)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測方法 目前對于機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測急性腦卒中機(jī)械取栓后預(yù)后的研究，基于臨床資料的較多[19-20]，但隨著神經(jīng)影像的發(fā)展，MRI圖像可提供更多的信息。本研究基于治療前、治療后DWI圖像共提取792個(gè)特征，經(jīng)LASSO回歸模型篩選出20個(gè)最佳影像組學(xué)特征。LASSO回歸是變量選擇中的壓縮估計(jì)方法，已廣泛應(yīng)用于高維數(shù)據(jù)的降維和回歸分析[21]。在LASSO回歸模型中，當(dāng)λ變小時(shí)，協(xié)變量的一些系數(shù)可以縮小為0。本研究為實(shí)現(xiàn)特征篩選和防止過度擬合，在選擇交叉驗(yàn)證錯(cuò)誤最小時(shí)的λ為最優(yōu)參數(shù)?；谒x的最佳影像組學(xué)特征通過SVM構(gòu)建急性腦卒中預(yù)后預(yù)測模型，結(jié)果顯示在訓(xùn)練集和測試集中，該模型均具有較高的敏感度、特異度和準(zhǔn)確度。本研究結(jié)果優(yōu)于Jiang等[22]通過傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法預(yù)測預(yù)后，結(jié)果顯示DWI預(yù)測卒中功能預(yù)后的敏感度和特異度分別為65.00%和96.97%。Xie等[23]基于512例急性腦卒中患者的影像、流行病學(xué)及臨床資料進(jìn)行Gradient Boosting機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測預(yù)后，結(jié)果顯示其預(yù)測不良預(yù)后的準(zhǔn)確率為87.7%。但該研究納入的特征為基本臨床及影像參數(shù)，未通過高通量方法提取影像組學(xué)特征，且與本研究應(yīng)用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法不同。本研究采用的SVM作為一種強(qiáng)大而有效的機(jī)器學(xué)習(xí)分類器，可構(gòu)建一個(gè)超平面，提供最佳分離邊界。此外，為驗(yàn)證該模型的泛化能力，本研究另應(yīng)用外部數(shù)據(jù)集對該模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示該模型預(yù)測驗(yàn)證集仍具有較高的準(zhǔn)確性。

3.4 本研究的局限性 ①為回顧性研究，樣本量選擇時(shí)可能存在偏倚。②機(jī)器學(xué)習(xí)的特征選擇方法較多，如獨(dú)立成分分析法、邏輯回歸分析法，本研究采用LASSO回歸法進(jìn)行篩選，并未比較其他特征篩選法所建模型的差異。③本研究綜合考慮治療前后DWI圖像對預(yù)后的預(yù)測價(jià)值，未單獨(dú)比較治療前、治療后對預(yù)后的預(yù)測能力。④未納入臨床資料綜合評估預(yù)測卒中預(yù)后。

綜上所述，基于機(jī)械取栓治療前后DWI的影像組學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建的急性腦卒中預(yù)后預(yù)測模型，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測卒中預(yù)后，為臨床后續(xù)個(gè)性化治療提供依據(jù)。