磁共振T1WI健康成人脑部皮层下灰质核团纹理特征的可重复性及可信度分析

王昆，樊文萍，王雪，王波涛，许欢，刘梦琦,3，陈峰，陈志晔,3*

1.海南省儋州市人民医院放射科，海南儋州 571700；2.解放军总医院海南医院放射科，海南三亚 572013；3.解放军总医院放射科，北京 100853；4.海南省人民医院放射科，海南海口 570311；

纹理特征是图像的内在属性，反映了图像的灰度分布、对比度、空间分布等特征的程度[1]，可以发现肉眼不能识别的图像特征。目前，纹理特征分析已经应用于临床，如肺部磨玻璃样密度结节随访评估[2]、MRI T2WI鉴别肝囊肿和血管瘤[3]、前列腺癌诊断[4]、乳腺癌新辅助化疗效果评估[5]、头痛神经机制的研究及诊断[6-8]、胶质母细胞瘤与转移瘤的鉴别[9]等。尽管已有纹理分析技术在直肠癌诊断中的可重复性研究[10]，但大部分病变及正常人体结构仍缺少可重复性及可信度评估。

皮层下灰质核团属于中继核团，具有重要的脑部功能连通性，同时组成了皮层下多种特殊的功能环路，与人的情绪、认知、疼痛密切相关[11-16]。本研究拟对健康成人脑部皮层下灰质核团的纹理参数进行可重复性及可信度研究，以期未来对基于纹理分析的相关疾病的诊断及评估提供一定的方法学依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象 2018年4月—2018年5月招募健康志愿者16名，男、女各8名；年龄23～46岁，平均（34.7±7.8）岁。纳入标准：①所有受试者均为右利手，均受过高等教育；②既往体健，无神经系统疾病及肿瘤病史。排除标准：①有脑部器质性病变；②有颅脑外伤或精神类疾病史；③近期服用过精神类药物及激素类药物。

1.2 仪器与方法 由同一操作者采用 GE Signa HDxt 3.0T MR扫描仪、8通道颅脑线圈进行T1WI扫描1次。TR 1710 ms，TE 24 ms，反转时间750 ms，反转角90°，视野24 cm×24 cm，矩阵320×224，层厚5 mm，采集次数2次。

1.3 图像分析 从PACS系统中调取T1WI图像，将同时通过尾状核头、壳核及丘脑的图像导出为DICOM格式图像。将所选图像导入Image J 1.41软件（https://imagej.nih.gov/ij），并采用感兴趣法分别完整勾画出测量层面右侧尾状核头、壳核及丘脑的感兴趣区（ROI，图1），进而采用灰度共生矩阵（graylevel co-occurrence matrix，GLCM）插件计算纹理特征参数。设置参数为：像素间距d=1，两点之间连线与轴的夹角 θ=0。为确保提取出的数据具有可靠性，手动测量提取3次，取平均值作为最终测量值。纹理特征参数值包括能量、对比度、自相关、逆差距及熵[17-18]。为评估测量的可重复性及可信度，同一观察者间隔1周在同一层面上进行纹理特征参数测量，另 1名观察者在同一层面上采用相同方法进行测量。

图1 采用感兴趣法勾画尾状核头（1）、壳核（2）及丘脑（3）感兴趣区

1.4 统计学方法 采用SPSS 23.0软件，对观察者内及观察者间所获取的皮层下灰质核团的纹理特征参数值进行组内相关系数（ICC）分析及一致性Bland-Altman分析。ICC＜0.40为相关性差，0.40～0.59为相关性中等，0.60～0.74为相关性良好，＞0.74为相关性优[19]。

2 结果

2.1 可重复性分析 同一名观察者 2次测量皮层下灰质核团 T1WI图像的纹理特征参数，尾状核头的ICC值为0.970～0.990，壳核的ICC值为0.815～0.996，可重复性等级均为优；丘脑的ICC值为0.677～0.996，其中自相关参数的ICC为0.677，重复性为良好，能量、对比度、逆差距和熵的可重复性等级均为优（表1）。

表1 观察者2次测量皮层下灰质核团纹理特征参数的相关系数结果

观察者 2次测量皮层下灰质核团纹理参数差值绝大部分位于95%一致性界限内，部分参数（包括尾状核头及壳核的对比度、自相关及熵以及丘脑的对比度及自相关参数）差值点位于95%一致性界限之外（图2）。

2.2 可信度比较 观察者间测量皮层下灰质核团T1WI图像的纹理特征参数，尾状核头的 ICC值为0.960～0.982，可信度等级为优；壳核的 ICC值为0.833～0.994，可信度等级为优，其中自相关参数的ICC值为0.833；丘脑的ICC值为0.829～0.989，其中自相关的ICC值为0.829（表2）。

观察者间测量皮层下灰质核团纹理参数差值绝大部分位于95%一致性界限内，部分参数的差值（包括尾状核头、壳核及丘脑的能量、对比度、自相关及尾状核头的逆差距参数）位于95%一致性界限之外（图3）。

图2 观察者2次测量皮层下灰质核团纹理参数（能量、对比度、自相关、逆差距及熵）的Bland-Altman图，尾状核头及壳核的对比度、自相关及熵以及丘脑的对比度及自相关参数差值点位于95%一致性界限之外，其余参数差值均位于95%一致性界限内

表2 观察者间皮层下灰质核团纹理特征参数ICC结果

图3 观察者间皮层下灰质核团纹理参数（能量、对比度、自相关、逆差距及熵）的Bland-Altman图，尾状核头、壳核及丘脑的能量、对比度、自相关及尾状核头的逆差距参数差值位于95%一致性界限之外，其余皮层下灰质核团纹理参数差值位于95%一致性界限内

3 讨论

纹理特征分析是通过一定的图像处理技术计算出纹理特征参数，从而获得对纹理的定量或定性描述，其本质是一种数学模型[1]。纹理分析可将医学图像的灰度转换成图像纹理信息进行表达，有助于发现更多潜在有用的信息，为影像诊疗提供参考[20]。灰度共生矩阵[6,18,21]是比较常用的纹理特征提取方法，可以较好地获得图像灰度空间的分布特征，提取出肉眼无法识别的图像特征。本研究主要对能量、对比度、自相关参数、逆差距及熵5个纹理特征参数进行可重复性及可信度分析。

ICC法是目前较为通用的可重复性及可信度评估方法[22]，可以对分类资料或定量资料进行评估，同时兼顾了随机误差及系统误差对实验结果的影响，因此其结果具有较高的可靠性[11]。本研究中 ICC分析结果显示，除观察者 2次测量丘脑自相关参数低于0.74外，其他所选取的皮层下灰质核团大多数纹理特征参数观察者内及观察间 ICC值均高于 0.74，提示GLCM 法测量皮层下灰质核团纹理特征参数具有较高的可重复性及可信度。自相关参数反映了图像中局部灰度的相关性，此值的大小反映了局部灰度的相关性，值越大则相关性越大。丘脑的自相关参数ICC值较低，提示丘脑局部像素灰度值的相关性易受测量的影响，易产生主观偏倚。因此，对丘脑的纹理特征参数分析可以采用自动分割[11]的方法进行，可能在一定程度上提高测量的可重复性及可信度。

Bland-Altman法的本质是方差齐性检验，采用图形分方法显示两种测量结果的一致性界限[11,23-24]，目前已经广泛应用于临床测量方法一致性的评价。本研究中，Bland-Altman图显示观察者内及观察者间皮层下灰质核团纹理参数差值绝大部分位于 95%一致性界限内，提示观察者内及观察者间皮层下灰质核团纹理参数均具有较高的一致性，观察者内的可重复性及观察者间的可信度均较高。Bland-Altman图形分析同时兼顾了系统误差和随机误差[11]，因此，其结果可靠。Bland-Altman图还清楚地显示部分皮层下灰质核团的纹理参数观察过程中出现的极端情况，即部分参数的差值点位于95%的一致性界限之外，由此提示研究者在研究统计过程中可以去除极端情况减少实验误差。

本研究采用整体ROI方法而非局部ROI法进行纹理特征参数测量[11]，在测量时采用多次测量求平均值的方法尽可能减少实验误差。尽管如此，此经典测量方法仍不可避免地产生实验误差，但ICC及Bland-Altman分析结果提示观察者内及观察者间具有较高的可重复性及可信度。因此，在临床实践中，可以采用简单易用的ROI法进行纹理特征参数值测量。

本研究的局限性在于：①仅对16名健康志愿者的脑部T1WI结构图像的皮层下灰质核团纹理特征参数进行初步研究，样本量偏小；②仅对 GLCM 法测量的纹理参数进行可重复性及可信度评估，未与其他纹理分析方法进行比较；③仅对一种 GLCM 法参数设置进行研究，未对更多参数设置进行比较研究。因此，在未来研究中应当增加样本量，并对多种纹理计算方法及多种 GLCM 参数所测量的纹理特征值进行研究。

总之，正常成人脑部皮层下灰质核团 MR T1WI纹理特征参数具有较高的可重复性及可信度。