定量超声纹理分析方法在不同心动周期评估颈动脉斑块易损性的效果研究

王博逸 唐礼江 洪勇强 余红萍 谢飞 徐洁 李铮

糖尿病是颈动脉斑块形成的独立危险因素，而颈动脉斑块脱落是引起脑卒中的主要原因。有研究表明脑卒中合并糖尿病患者的各项临床指标较差，更容易发生并发症，损伤神经功能[1]。因此发现糖尿病患者早期易损颈动脉斑块尤为重要。颈动脉B超检测具有发现颈动脉斑块和危险分层的潜在价值，而定量超声纹理分析技术通过分析颈动脉斑块的回声性质[以灰度中值（grayscale median，GSM）表示][2]、粗糙度等危险指标，能够识别出易损斑块。由于心动周期中血流动力学有所变化，颈动脉管径会扩大和缩小，进而影响对斑块的测量。因此，本研究基于心电图（ECG）引导的图像选择，对颈动脉斑块进行定量超声纹理分析，观察斑块回声性质、粗糙度等危险指标及其变异系数（coefficient of variation，CV）是否受血流动力学的影响，以提高临床上对糖尿病患者易损性颈动脉斑块的早期检出率。

1 对象和方法

1.1 对象 选取2019年1至6月在本院行颈动脉超声检查的糖尿病患者397例，均符合美国糖尿病学会（ADA）糖尿病诊断标准。纳入标准：（1）行颈动脉B超检查并同时行心ECG导联检查的患者[3]；（2）经颈动脉B超检查诊断为颈动脉粥样硬化斑块形成的患者。排除标准：（1）图像质量较差（有声影干扰或者晃动）的患者；（2）有房颤和心瓣膜病的患者。最终纳入符合标准的患者 33 例，其中男 19 例，女 14 例，年龄 57～84（69.0±6.7）岁；共56个斑块。本研究经本院医学伦理委员会审查通过，所有入组对象均签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 颈动脉超声检查和图像选择 采用GE LOGIC E9超声检查仪，ML14-5线阵高频探头。检查前连接ECG导联线，并采用相同的动态范围、帧率、余辉、总增益和时间增益补偿（TGC）曲线，同时运用彩色多普勒图像以辅助初始斑块筛选。留取至少3个心动周期（附三导联ECG）的超声图像，同时满足以下3个条件：（1）斑块周围管腔内血流无噪声；（2）斑块周围外膜保持明亮、稠厚且处于水平位置；（3）斑块图像清晰且保持最大厚度。以便离线分析斑块危险指标。所有离线分析均由同一位工作5年以上经验丰富的超声医生进行。

1.2.2 颈动脉超声检查斑块原理与纹理分析步骤 分别选取连续3个心动周期中收缩末期（T波末尾）及舒张末期（R波）共6幅超声图像，通过Adobe photoshop CC2018软件对超声图像进行标准化处理[2]：在灰阶模式下，由主观选择内腔血液中最暗区域，该区域内最暗像素通过曲线功能进行图像归一化处理，使得处理后GSM值为0～5。对主观选择的外膜最亮区域执行相同的步骤，将其处理后的GSM值为180～190。采用索套工具，手动描迹选定斑块，通过直方图得出：（1）GSM，记录颈动脉斑块图像灰阶值的均值；（2）标准差，记录GSM值在均值附近的分布情况；（3）低于标准GSM的像素百分率，用于判断高危险的无回声区域在颈动脉斑块中所占的比例（图1，见插页）。如果单例患者存在多个斑块（动脉的近壁和远壁或在不同位置，包括颈总动脉、颈外动脉或颈内动脉和分叉处），则应对不同斑块分别进行分析。

图1 颈动脉超声检查斑块原理图与纹理分析步骤[a：彩色多普勒检查颈动脉斑块；b：颈动脉斑块B超图，蓝色箭头为收缩末期，红色箭头为舒张末期；c：标准化处理后的B超图，血流处（黄色圈）调整至灰度中值（GSM）0～5，血管壁处（蓝色圈）GSM调整至180～190；d：通过套索工具分割出颈动脉斑块]

1.2.3 颈动脉斑块超声图像危险指标计算 选用颈动脉斑块的回声性质、粗糙度和斑块类型作为易损性分析的危险指标，并用CV（CV=标准差/均值×100%）对每个危险指标进行量化。回声性质通过计算标准化处理后图像的斑块区域中所有像素值的中位数GSM来表达[4]。粗糙度通过使用pyradiomics v3.0[5]的邻近灰度色调差矩阵（NGTDM）计算，粗糙度值越大，表明灰度之间的差异越小，纹理越粗，斑块越不稳定。Kakkos等[6]通过对照斑块的病理结果分析得出血液GSM 0～24、脂肪组织GSM 25～68、肌肉组织 GSM 69～225、钙化组织 GSM 226～255；并以0～68作为低灰阶值，69～255作为高灰阶值。早期研究认为，GSM越低，斑块稳定性越差，易损斑块的GSM范围为25～68[6-10]。因此本研究定义：低回声斑块GSM≤68，高回声斑块GSM＞68。在同一斑块多次测量中，同时存在低回声斑块及高回声斑块时，则根据GSM均值进行重新分类。此外，本研究计算图像未标准化处理的GSM来分析斑块的回声变化，以排除标准化程序的影响和血液或外膜的回声变化的影响[11]。

1.3 统计学处理 采用SPSS 21统计软件。计量资料以±s表示，组间比较采用配对t检验及独立样本t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 危险指标在心动周期中的变化 本研究共筛选出33例患者共56个颈动脉斑块的危险指标。标准化GSM 14.1～51.2，未标准化 GSM 16.7～185.4，粗糙度 7.6～37.6。标准化GSM、未标准化GSM和粗糙度的CV平均分别为10.4%、8.2%和11.2%。

对于部分危险指标的均值或相应CV值，受血流动力学影响存在一定周期变化。标准化GSM中发现收缩期的CV较舒张期高（P＜0.05）。未标准化GSM发现收缩期均值比舒张期高（P＜0.05）。粗糙度中发现收缩期均值大于舒张期，而收缩期的CV则小于舒张期（均P＜0.01），见表 1。

表1 危险指标在心动周期中的变化

2.2 低回声斑块与高回声斑块危险指标的比较 研究发现，标准化及未标准化GSM中，低回声斑块的CV均高于高回声斑块（均P＜0.01），但在粗糙度中无统计学差异，见表2。

表2 低回声斑块与高回声斑块危险指标的比较

2.3 低回声斑块与高回声斑块GSM及CV在心动周期中的变化 与舒张期相比，低回声斑块在收缩期的GSM、CV均较高（均P＜0.05），而高回声斑块在收缩期和舒张期均无统计学差异（均P＞0.05），见表3。

表3 低回声斑块和高回声斑块GSM及CV在心动周期中的变化

2.4 斑块易损性在心动周期中的变化 对56枚斑块在3个连续的心动周期进行6次分析中，有16枚斑块的斑块易损性在6次测量中发生了改变，占全部斑块的28.6%（16/56），见图2。

图2 颈动脉斑块超声图像GSM分布图

3 讨论

本研究发现，舒张期和收缩期间未标准化GSM和粗糙度均有统计学差异。这一发现可以通过收缩期压力增加，压迫斑块或引起平面外运动来解释。尽管仅在未标准化GSM中有统计学差异，在标准化GSM中无统计学差异，考虑可能是由于斑块在标准化处理过程中产生的。在GSM中低回声斑块比高回声斑块具有更高的变异性，这可能是由于描迹高回声斑块时，边界判定困难造成的。然而低回声斑块的粗糙度较低，表明成分更加不均匀。因此，斑块回声的变化是真实的，并不是斑块的手动勾画导致了变异性的增加。

在本研究中，有28.6%的斑块其易损性类别进行了重新分类，这说明心动周期对斑块易损性的分类是存在影响的。与由纤维化和钙化组织组成的高回声斑块相比，低回声斑块由更多的脂肪成分组成，这使它们更有弹性，并且更容易因心动周期中的血压变化而导致变形。斑块的这种形变或应变可能会引起声阻抗的变化，从而导致心脏收缩期时超声反射更高。这些结果表明，与稳定斑块相比，易损斑块（低GSM）受心动周期的影响更大，并且变异性更高。此外，舒张期的变异性较小，提示应选择该阶段进行测量。

本研究的局限性主要包括超声的检查受操作员的技术水平影响较大；复杂的解剖结构和伪影（例如斑块阴影）会使颈动脉检查的成像复杂化。本研究中，所有受阴影影响的斑块均被排除在外，这可能影响选择并使得结果存在偏差。在研究的早期阶段，并非所有超声检查都一致使用ECG附件，由于缺少ECG，导致排除范围相对较大。

此外，超声图像中颈动脉斑块的定量分析受包括标准化处理在内许多步骤的影响而存在偏差。对未标准化的GSM进行分析是最大程度减少影响的方法。帧选择也是潜在的错误来源，在这项研究中尝试通过使用ECG指南来分析其影响。另外图像还会受到平面外运动的影响，平面外运动可能由超声医师，研究对象或动脉中的自然机械运动产生。

本研究中使用二维图像，该图像仅能实现斑块体积的一个投影区域。而使用3D超声和基于体积的测量值可以改善颈动脉斑块可视化和危险指标分析[12－13]，因为可以评估整个完整的斑块。而本研究中，图像并不是以DICOM格式进行研究的，目前国外常用的斑块分析软件是PLAQ[14]，它可以直接对DICOM文件进行分析处理。另外由于常规超声仪器得到的超声数据已经在超声设备中经过转化处理，有一部分信息被处理掉，因而超声纹理分析最好将来自超声探头的射频无损信号当作采集来源分析，因为来自探头的射频信号包含了超声探头采集的所有信息，如果超声仪器上有软件能直接将射频信号进行分析，则更有可能发现纹理信号变化，这对于超声诊断技术的发展颇有前景。

综上所述，心动周期对颈动脉斑块定量超声纹理分析评估具有显著影响。采用定量超声纹理分析在舒张末期进行颈动脉斑块测量，对斑块易损性的鉴别准确性更高。