构建模型预测二维自旋回波-平面回波MR肝脏弹性成像图像质量

翟亚楠,庄 辛,李建林,郭顺林*

(1.兰州大学第一医院放射科,甘肃 兰州 730000;2.甘肃省放射影像临床医学研究中心,甘肃 兰州 730000;3.甘肃省智能影像医学工程研究中心,甘肃 兰州 730000;4.甘肃省智能影像医学行业技术中心,甘肃 兰州 730000;5.精准影像协同创新甘肃省国际科技合作基地,甘肃 兰州 730000)

肝脏MR弹性成像(MR elastography, MRE)是无创评估肝纤维化的影像学技术[1],可在一定程度上替代肝脏穿刺活检,甚至可用于评估肝癌病理分化程度[2];目前对其适应证和MRE图像质量控制尚有争议。本研究建立模型预测肝脏二维自旋回波-平面回波MRE(two-dimensional spin-echo and planar-echo based MRE, 2D-SE-EPI-MRE)图像质量,并观察其临床价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性收集2022年1月—10月于兰州大学第一医院因疑诊肝脏疾病接受肝脏MR平扫、特异性增强和MRE检查的116例患者,男81例、女35例,年龄23～77岁、平均(47.6±10.5)岁,均能配合完成检查;排除心、肝、肺、肾功能严重受损,肝内弥漫性病变或孤立性病灶长径>3 cm或多个病灶长径之和>3 cm者。本研究获院伦理委员会批准(LDYYLL2022-56)。检查前患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 嘱患者检查前空腹4～6 h,予以呼吸和屏气训练。采用GE Signa Architect 3.0T MR仪及腹部16通道线圈行仰卧位腹部扫描,配备由主动驱动器、塑料管及鼓状被动驱动器组成的Resoundant WK810-B MRE设备。首先采集常规平扫图像,包括T1WI(肝脏加速容积采集成像序列,TR 3.0 ms,TE 1.2 ms, FA 12°,层厚5.4 mm)及T2WI(TE 3 750.0 ms,TE 81.5 ms,FA 111°,层厚6.0 mm)。之后经肘正中静脉以1 ml/s流率注射钆塞酸二钠(Gd-EOB-DTPA,25 μmol/kg体质量),跟注20 ml生理盐水,延迟28、60、180 s后以T1W相同序列行肝脏3期动态增强扫描;于特异性增强过渡期(延迟3～20 min)行MRE,设置主动驱动器频率60 Hz,TR 1 000.32 ms,TE 59.50 ms,FOV 30 cm×42 cm,层厚7 mm,层数4,NEX 1,并行采集因子2,MEG数1,MEG幅度1 Gauss/cm,屏气(呼气末屏气为佳)时长11～16 s,根据体质量或体质量指数(body mass index, BMI)调整驱动器振幅(driver amplitude, DA)[3]:对体质量<57 kg或BMI<20 kg/m2者将初始DA设置为30%,调整范围为20%～40%;对体质量57～75 kg或BMI=20～25 kg/m2者设置初始DA为40%,调整范围为30%～50%;体质量>75 kg或BMI>25 kg/m2时,初始DA设置值为60%,调整范围为50%～80%。延迟20 min采集肝胆期图像。

1.3 分析图像 由1名具有10年以上工作经验的影像科医师采用盲法以Medixant Radiant DICOM阅览器(版本2021.2.2)挑选DICOM图像并进行匹配,对连续4层幅值图及95%CI弹性图加以融合;于融合图中勾画无网格屏蔽的可测量肝脏面积和肝脏解剖面积(图1),计算可测量肝脏容积百分比(percent measurable liver volume, pMLV),即4幅95%CI弹性图中可测量肝脏面积之和除以肝脏解剖面积之和×100%。于轴位增强扫描蒙片、T2WI、肝胆期图像及MRE融合图显示肝脏最大层面图像中参考T1WI于肝左、右叶各勾画3个圆形ROI,避开大血管、肝包膜下1 cm区域和肝内病变,测量其特异性增强前肝脏背景信号(SIpre-liver)、肝实质T2WI信号(SIT2-liver)、肝胆期肝脏背景信号(SIpost-liver)、肝左叶平均弹性(mean stiffness of left liver lobe, MSLL)、肝右叶平均弹性(mean stiffness of right liver lobe, MSRL)及肝脏平均弹性(mean stiffness of whole liver, MSWL),并计算特异性增强肝胆期相对强化比值(relative enhancement ratio, RE):RE=(SIpost-liver-SIpre-liver)/SIpre-liver。分别以肝左、右叶各ROI的SIpre-liver、SIT2-liver及MSWL均值为最终结果,分别取肝左及肝右叶ROI的MSLL及MSRL均值进行分析。记录R2*,以R2*>58.9/s为铁过载[4]。

图1 勾画可测量肝脏面积(棕色区域)和肝脏解剖面积(棕色区域+黄色网格区域)示意图

1.4 统计学分析 采用SPSS 21.0统计分析软件。根据pMLV中位数划分优良组和不良组,以7∶3比例划分训练集(n=82)和测试集(n=34)。以±s表示符合正态分布的计量资料,行独立样本t检验。采用χ2检验分析计数资料。以特异性增强肝胆期RE、SIT2-liver、DA及患者屏气状态(breath holding status, BHS)或MSLL、特异性增强肝胆期RE、SIT2-liver、DA及BHS为自变量,以pMLV为因变量,采用Orange Data Mining软件[5](版本3.34,https://orangedatamining.com)基于训练集建立预测MRE图像质量的随机森林模型及线性回归模型,选择MRE适应证及优化MRE扫描参数;以均方误差(mean squared error, MSE)、均方根误差(root mean squared error, RMSE)、平均绝对误差(mean absolute error, MAE)及决定系数(R2)评估2种模型在测试集的预测效能,绘制柱状图,评估各自变量的重要性。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

116例中,18例脂肪肝(脂质定量>5%),25例铁过载,22例腹腔积液;根据MSWL,肝纤维化程度为48例F0、26例F1、16例F2、16例F3、10例F4。74例于呼气末屏气、42例于吸气末屏气接受MRE检查。根据pMLV中位数(96.60%),优良组59例,不良组57例。

2.1 不同成像质量MRE各参数比较 经方差齐性检验,MSWL和MSRL方差不齐(F=8.70、16.13,P均<0.01),MSLL、RE、SIT2-liver、DA方差均齐(F=2.62、2.33、1.32、1.05,P=0.11、0.13、0.25、0.30),纳入MSLL、RE、SIT2-liver、DA及BHS进行分析。

组间MSLL、DA及BHS差异均有统计学意义(P均<0.05),而年龄、性别、RE、SIT2-liver差异均无统计学意义(P均>0.05)。见表1。

表1 优良组与不良组一般资料、MSLL、RE、SIT2-liver、DA和BHS比较

2.2 自变量及因变量基线情况 训练集与测试集之间,自变量和因变量差异均无统计学意义(P均>0.05),满足建模要求。见表2。

表2 训练集与测试集自变量及因变量基线情况比较

2.3 评估模型预测效能 对于选择MRE适应证模型及MRE参数优化模型,测试集中,随机森林模型的R2值均高于线性回归模型,而其MSE、RMSE及MAE均低于线性回归模型,见图2及表3。柱状图(图3)显示,基于训练集选择MRE适应证的随机森林模型,自变量重要性由低至高依次为MSLL、BHS、RE、SIT2-liver和DA。

表3 各模型预测测试集pMLV效能

3 讨论

随着人工智能的飞速发展,利用模型控制图像质量越来越受重视[4]。肝脏MRE图像质量控制是其临床推广之前面临的重要挑战[6],而选择量化肝脏MRE质量指标是目前亟待解决的问题。BALLARD等[7]分析以1.5T MR仪、梯度回波序列采集的肝脏MRE,认为pMLV是评估肝脏MRE质量的有效工具。

本研究参考文献[7]方法,以3.0T MR设备采集SE-EPI-MRE并构建模型预测图像质量,发现组间MSLL、DA及BHS差异均有统计学意义,而RE与SIT2-liver差异均无统计学意义。根据临床经验及文献[8-11]报道,RE及SIT2-liver均与肝功能状态密切相关,故以MSLL、RE、SIT2-liver、BHS及DA为自变量,以pMLV为因变量,建立肝脏MRE质量预测随机森林及线性回归模型,发现随机森林模型在测试集中的R2值均高于线性回归模型、而其MSE、RMSE及MAE均低于线性回归模型,提示随机森林模型的预测效能较佳;自变量重要性分析结果显示,MSLL对肝脏MRE图像质量影响最大,肝脏炎症或肝纤维化引起的硬度增大均有利于剪切波传播入肝脏,进而提高图像质量[12]。本研究发现RE和SIT2-liver对预测肝脏MRE图像质量亦具有重要作用:二者均可反映肝细胞功能[8-11],肝细胞受损时,肝细胞炎症水肿,特异性对比剂摄取减少,RE降低、SIT2-liver升高,肝脏硬度随之增大,剪切波通过肝脏的传导效率提高,易得到质量较好的MRE图像。另一方面,RE和SIT2-liver亦可反映接受扫描肝脏组织的功能,且较实验室检查更精确、客观;故推荐对活动性肝炎或肝纤维化患者优先行肝脏MRE检查。

本研究自变量重要性分析结果显示,BHS对MRE图像质量的影响仅次于MSLL, BHS不理想可降低图像质量[13]。若于呼气末屏气状态下扫描失败时,可尝试于吸气末屏气状态下进行扫描;但此时MRE设备被动驱动器与体表压力可能潜在增加,适当降低DV或有助于保证图像质量,有待后续进一步观察。DA对肝脏MRE图像质量的影响同样不可忽视:DA过小可致图像质量差、肝硬度失真,DA过大则可致受试者不适甚至肋骨骨折。MRE检查过程应根据受试者呼吸状态、体型及其所能接受的腹带松紧度适当调整DV,在呼吸状态和松紧度固定的前提下,可根据体质量和BMI进行调测。

综上,本研究所获随机森林模型可用于预测肝脏2D-SE-EPI-MRE图像质量,为临床选择肝脏MRE适应证及优化扫描方案提供参考。但本研究为单中心回顾性观察,仅涉及单一型号设备,样本量有限,且未经穿刺活检验证肝功能,有待后续进一步完善。