直方图分析技术用于儿童中枢神经系统疾病

严 慧，边传振

(南京医科大学附属儿童医院放射科，江苏 南京 210008)

中枢神经系统疾病发病率较高，预后较差，早期诊治可改善预后[1]。MRI软组织分辨率高，且能多方位成像，相对CT检查而言，对显示颅后窝病变具有独特优势，且无辐射损伤，已成为中枢神经系统疾病的常规检查方法[2]。直方图分析技术是纹理分析的常用方法之一，是在常规MRI基础上提取图像ROI内的特征值，并将其信息数字化，提供更多人眼无法辨识的病理生理信息，有助于精准诊断疾病、评估疗效及预测预后；且操作简便，可重复性较强[3]。目前表观弥散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)直方图及灰度直方图已用于儿童及成人中枢神经系统疾病，本文对相关进展进行综述。

1 概述

直方图分析技术能以简单方式描述图像中包含的统计信息，常用于数字化分析图像，在人工智能医学影像学领域中越来越受到关注。直方图是反映图像数据分布特征的统计报告图，一般以横轴表示数据类型，纵轴表示分布特征，可定量显示ROI内数据分布特征，进而反映疾病的病理生理信息[4]。直方图分析技术常用参数包括均值、变异度、偏度、峰度、最大值、最小值及第n百分位数等[5]。均值和变异度反映ROI内像素灰度值或ADC值的平均水平及离散程度。偏度表示变量分布相对于平均值的不对称程度，正偏度代表变量分布的主体主要集中在右侧，表明变量的不对称尾部趋向更多较大值，负偏度与之相反，表示变量的不对称尾部趋向更多较小值；偏度绝对值越大，表示变量分布形态偏移程度越大。峰度表示总体中所有变量分布形态的陡缓程度，反映变量分布与正态分布相比的平坦度或尖锐度，正峰值代表变量分布比正态分布尖锐，负峰值表示其比正态分布平坦。第n百分位数表示低于该百分位数观察对象所占百分比[6]。

针对不同的来源数据，直方图分析中的前处理、绘制及数据分析流程亦有所差别，但主要框架基本相同，包括图像采集、图像分割、特征提取和数据分析：①图像采集，建立数据采集标准，以保持扫描参数的一致性；②图像分割，即ROI提取，如勾画肿瘤组织、正常组织或其他解剖结构范围；③特征提取，选择用于描述图像特征的有价值的信息，如均值、最大值、最小值、偏度及峰度等；④建立数据库并分析，包括数据存储、建立完整的工作系统、临床数据分析整合以及采用相应软件进行统计学分析，以获得具有最佳诊断效能的特征参数组合。

ADC直方图及灰度直方图分析技术用于颅脑疾病已取得一定效果。弥散成像是目前唯一能在体检测活体组织水分子扩散运动的无创影像学技术，虽然受技术水平所限，尚不能准确测量活体组织水分子的弥散系数，但可利用弥散加权图中的ADC值间接反映不同方向水分子扩散运动的范围和速率，量化评价组织内水分子弥散受限。ADC直方图分析技术能够识别ROI内体素ADC值，快速得到ADC值分布特征曲线及描述其扩散异质性特征的定量参数[7]，故对ADC图像进行直方图分析可通过水分子扩散状态反映脑组织损伤情况及程度。不同于血流动力学模型所纳入的灌注参数如局部脑血流量或局部脑血容量等，灰度直方图分析所用参数并不能直接反映病理生理学状态[8]，而是主要描述T1WI、T2WI、液体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)或增强T1WI中ROI内每个灰度级的出现频率，通过识别ROI内体素灰度值，快速获得灰度值分布特征曲线及描述其分布特征的定量参数，从而对神经系统疾病进行诊断、鉴别及预测，作为一种非侵入性手段为神经系统疾病提供更有价值的信息。

2 在儿童中枢神经系统疾病中的应用

直方图分析技术目前在成人中的应用已相当成熟，在成人脑肿瘤分型及预后评估等方面显示出巨大潜力，但在儿童中的应用较少见，且纳入样本量均较小。BULL等[9]回顾性分析54例不同类型儿童脑肿瘤术前MRI，根据ADC直方图第75百分位数值诊断星形细胞瘤、髓母细胞瘤和幕下室管膜瘤，准确率分别为100%、94%和80%，且依据峰值及偏度值可鉴别原始神经外胚层脑肿瘤与非典型性畸胎样/横纹肌样瘤。在预测脑肿瘤患儿生存期方面，直方图分析技术也取获得了良好结果。POUSSAINT等[10]分析140例脑胶质瘤患儿治疗前后颅脑ADC图，并获得肿瘤区域直方图各特征参数；针对各特征参数与患儿无进展生存率及总体生存率进行相关性分析，结果显示治疗前ADC值与患儿无进展生存率呈正相关，ADC峰值与总体生存率呈负相关，提示直方图分析技术不仅能鉴别不同类型脑肿瘤，且对预测生存期亦有一定价值。

直方图分析技术现已用于评价儿童脑发育。有学者[11]分析缺氧缺血性脑病新生儿ADC直方图，发现峰值和最小值与孕龄及新生儿脑成熟度均具有相关性。朱美娇等[12]采用mirCoN及ImageJ软件分析60例室间隔缺损患儿颅脑DWI图像，获得直方图及多组ADC参数，并对各参数与孕龄进行相关性分析，结果显示除均值、最小值、峰值外，各参数值均与孕龄显著相关，患儿ADC第70～95百分位数、偏度、峰度及方差等参数值均与正常儿童存在显著差异；可能与先天性心脏病患儿脑髓鞘化延迟、神经胶质细胞和神经元发育不成熟有关，亦可能与先天性心脏病患儿缺氧状态下脑供氧代偿性增加、导致血红蛋白浓度降低有关[13]，提示直方图分析技术不仅能评价儿童脑发育状态，还可用于初步探索导致脑发育不良的病理生理机制及原因等。

直方图分析技术对监测儿童神经系统疾病及评价疗效均具有一定价值。ZENG等[14]对比分析感染肠道病毒型脑炎儿童的急性期与恢复期T1WI及T2WI的灰度直方图及相关特征参数，发现急性期与恢复期各灰度分布特征参数间均存在差异，表明直方图分析技术可反映疾病严重程度及监测治疗前后病情变化。边传振等[15]采用ADC直方图分析技术评估无灶性脑瘫患儿脑损伤严重程度，结果显示脑瘫组ADC第80、85、90百分位数值均高于正常对照组；对脑瘫组ADC直方图各参数值与粗大运动量表评分进行相关性分析，结果显示脑瘫组ADC第10～95百分位数值及ADC平均值与粗大运动量表评分均相关，提示ADC第80、85及90百分位数值可作为反映脑瘫患儿病情严重程度的客观指标；而对脑瘫组T2WI的直方图分析结果显示其第80、85百分位数灰度值均高于对照组，脑瘫组T2WI的第95百分位数灰度值与粗大运动量表评分相关，表明T2WI灰度直方图分析技术可用于诊断脑瘫，但不能评估患儿脑损伤严重程度。

3 小结及展望

直方图分析技术用于儿童的研究较少，且样本量相对较小[16]，主要原因在于儿童属于特殊群体，MR检查依从性差，相比成人，获得标准化图像信息较困难；多数针对儿童的MR检查需在水合氯醛镇定镇静下完成[17]，可能影响脑血流及水分子扩散运动而导致结果偏倚；且儿童处于快速生长期，即使年龄相近的儿童，生长发育状态也可能相差较大，且儿童情绪波动大、易受外界因素干扰，亦可能影响结果[18]。

总之，直方图分析技术在儿童神经系统疾病中的应用尚处于初始阶段，尽管存在诸多亟待解决的问题，但前景广阔，值得期待。