三维重建CT影像组学诊断椎体急性轻度压缩性骨折

杨 鑫,黄京城,胡景卉,侯承师,王文剑,罗先富,徐 军*

(1.苏北人民医院医学影像科,江苏 扬州 225001;2.大连医科大学研究生院,辽宁 大连 116044)

椎体轻度压缩性骨折指高度塌陷<25%的椎体骨折[1],X线片中常无明显塌陷表现而易漏、误诊;及早发现及诊断具有重要临床意义[2]。椎体压缩性骨折急性期(15天内)可出现骨髓水肿,与骨折后组织形态学改变如骨小梁间隙增宽、水肿液体填充及出血等显著相关[3-4],MR T2WI及短时反转恢复(short-tau inversion recovery, STIR)序列呈高信号,是诊断椎体早期压缩性骨折的重要征象[5];但MR检查时间长并存在禁忌证。利用双能CT虚拟去钙技术可诊断急性骨折所致骨髓水肿[6],但需特定的双能量CT设备,且图像后处理过程繁琐。影像组学能提取图像中肉眼无法识别的高通量特征[7],可用于分割脊柱解剖结构、鉴别诊断骨肿瘤、骨质疏松等疾病[8]。本研究观察三维重建CT影像组学诊断椎体急性轻度压缩性骨折的价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性分析2018年1月—2022年10月362例于苏北人民医院急诊就诊的T1～L5椎体急性轻度压缩性骨折患者,男135例、女227例,年龄18～92岁、平均(61.3±14.1)岁;其中胸椎骨折127例(90例单发、37例多发椎体骨折)、腰椎骨折235例(184例单发、51例多发椎体骨折),就诊后7天内X线或CT均未见明显骨折移位且椎体高度塌陷<25%,MRI均见骨髓水肿。排除标准:①CT与MR检查时间间隔>7天;②骨折椎体相邻无正常椎体;③罹患原发骨疾病如骨肿瘤、骨感染性疾病;④既往椎体骨折史;⑤临床资料不全。检查前患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用GE Light Speed 64排螺旋CT机行胸椎或腰椎扫描,管电压120 kV,管电流300～350 mA,层厚5 mm,层间距5 mm,FOV 16 cm×16 cm;以层厚1.25 mm重建薄层轴位图像并导入上海联影智能科技有限公司“U-AI”科研平台,行轴位、矢状位及冠状位三维重建。采用GE SignaTMArtist 1.5T MR仪、脊柱线圈行胸椎或腰椎扫描,采集常规矢状位T1WI、T2WI及STIR图。

1.3 人工判读CT图像 参考MRI于三维重建CT图中以“1”标记骨折椎体(存在多发椎体骨折时选取其中最不明显者),以“0”标记相邻任一正常椎体,共纳入724个胸或腰椎椎体。由分别具有10年、12年工作经验的影像科副主任医师各1名(医师1、2)以盲法阅读CT图像,判断有无胸或腰椎椎体轻度压缩性骨折,意见有分歧时经讨论达成一致。

1.4 分割CT图像 由1名具有2年影像学诊断经验的医师(医师3)分别于正中轴位、正中矢状位及正中冠状位CT图中沿骨皮质内缘2 mm避开血管、椎间盘及椎体附件手动勾画椎体ROI,以U-AI平台内置椎体体积分割功能自动提取椎体感兴趣容积(volume of interest, VOI),见图1;再由1名具有15年工作经验的影像科副主任医师(医师4)审核。间隔1个月后由医师3重复上述过程;同时由1名具有5年骨骼肌肉影像学诊断经验的医师(医师5)随机选取60例,独立勾画椎体ROI并提取VOI。

图1 患者男,54岁,L2椎体轻度压缩性骨折 A、B.腰椎矢状位MR T1WI(A)及T2WI(B)示L2椎体骨折(红箭); C、D.矢状位(C)及冠状位(D)重建CT图中L2(红箭)未见明显骨折; E～H.于轴位(E、F)、矢状位(G)、冠状位(H)重建CT图中勾画骨折椎体(红色)和正常椎体(绿色)ROI; I.骨折椎体(红色)与正常椎体(绿色)VOI示意图 (绿箭示正常椎体)

1.5 提取及筛选CT影像组学特征 以60例最近1年内就诊患者的120个椎体为验证集,按7∶3比例将其余302例604个椎体分为训练集(211例,422个椎体)及测试集(91例,182个椎体)。以U-AI平台分别提取所有椎体的轴位、矢状位及冠状位ROI和VOI影像组学特征,各含104个原始图像特征(18个一阶特征、14个形态特征和72个纹理特征)和2 160个滤波器图像特征(采用25种滤波器),共2 264个特征。对基于训练集所获特征行最大最小归一化标准化处理,以最小绝对收缩和选择算子(least absolute shrinkage and selection operator, LASSO)回归分析降维,得到最优影像组学特征。

1.6 构建模型 对最优影像组学特征行logistic回归后,以随机森林及支持向量机分类器进行分类(1和0),基于轴位、矢状位、冠状位ROI及VOI构建影像组学模型,以测试集进行验证后遴选较佳者,于验证集进行验证。

1.7 统计学分析 采用SPSS 26.0及MadCalc 20.0统计分析软件。以χ2检验比较计数资料。采用组内相关系数(intra-class correlation coefficient, ICC)分析观察者内及观察者间提取最优特征的一致性,以ICC>0.75为一致性良好。绘制受试者工作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲线,计算曲线下面积(area under the curve, AUC),评估模型诊断椎体轻度压缩性骨折的效能,以DeLong检验比较AUC差异。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 人工判读结果 人工正确识别279个骨折椎体及292个正常椎体,诊断准确率为78.87%(571/724)。

2.2 影像组学特征 经LASSO回归分析,分别于轴位、矢状位、冠状位ROI及VOI特征中选出7、6、3及8个最优影像组学特征,其LASSO相关系数分别为-0.61～0.79、-0.59～0.32、-0.74～-0.23及-0.85～0.32。观察者内(ICC=0.81～0.92)及观察者间(ICC=0.76～0.83)提取最优特征的一致性均良好。

2.3 影像组学模型及其效能 基于轴位、矢状位、冠状位ROI及VOI构建模型在测试集的AUC均>0.80,以logistic回归分类器构建模型的AUC高于其他2个分类器模型,但差异均无统计学意义(Z=0.17～1.77,P均>0.05),见表1及图2。校准曲线(图3)显示,以logistic回归构建模型的预测结果与实际结果的一致性更佳。两两比较,基于轴位与冠状位ROI构建模型在验证集的AUC差异无统计学意义(Z=1.50,P=0.14)且均小于矢状位模型(Z=4.26、3.59,P均<0.01);基于VOI模型的AUC高于轴位及冠状位模型(Z=3.97、2.95,P均<0.01)而与矢状位模型差异无统计学意义(Z=0.23,P>0.05)。

表1 以不同分类器基于ROI或VOI构建模型诊断椎体轻度压缩性骨折的效能

图2 以不同分类器基于三维重建CT图中ROI及VOI构建影像组学模型诊断椎体轻度压缩性骨折的ROC曲线 A.训练集轴位ROI; B.测试集轴位ROI; C.训练集矢状位ROI; D.测试集矢状位ROI; E.训练集冠状位ROI; F.测试集冠状位ROI; G.训练集VOI; H.测试集VOI

图3 以不同分类器基于三维重建CT图中ROI及VOI构建影像组学模型诊断椎体轻度压缩性骨折的校正曲线 A.训练集轴位ROI; B.测试集轴位ROI; C.训练集矢状位ROI; D.测试集矢状位ROI; E.训练集冠状位ROI; F.测试集冠状位ROI; G.训练集VOI; H.测试集VOI

以logistic回归基于矢状位ROI和VOI所建为较佳模型,其在验证集的AUC分别为0.83和0.88;前者正确判断288个骨折椎体及322个正常椎体、准确率为84.25%(610/724),后者正确判断303个骨折椎体及313个正常椎体、准确率为85.08%(616/724),诊断准确率差异无统计学意义(χ2=0.08,P=0.77)且均高于人工诊断结果(χ2=4.04、6.77,P<0.05)。

3 讨论

CT可清晰显示椎体骨折形态及其程度[9]。椎体轻度压缩性骨折多表现为骨小梁断裂、嵌塞而骨皮质无明显移位,如未能及时诊治,可能继发骨折而致椎体塌陷及周围组织损伤。

影像组学用于诊断椎体骨折等已取得良好成果[10-14]。既往研究[11-12]发现,根据轴位及矢状位CT图像中的椎体纹理特征可准确识别存在椎体不全性骨折风险者,并有效检出椎体急性骨髓水肿;三维CT纹理分析可用于筛查脆性骨折及判断椎体骨折恶性程度[13-14]。本研究基于轴位、矢状位及冠状位重建CT获得椎体ROI及VOI并提取影像组学特征。一阶特征中的四分位数范围加大代表骨折椎体急性期发生骨髓水肿时骨小梁断裂及血管变化导致椎体内水分及脂肪成分增多、骨折与正常椎体的局部组织密度差异较大,使骨折椎体的灰度离散度高于正常椎体。灰度游程矩阵与图像灰度分布相关,灰度变化值反映骨折椎体的异质性;灰度共生矩阵反映具有某种空间关系的2个像素灰度的联合分布或体素对的空间关系。以上特征均能显示骨折椎体与正常椎体的差异,反映骨折椎体病理改变。

本研究采用不同分类器根据影像组学特征、联合机器学习算法构建的模型在测试集的AUC均>0.80,即均可用于鉴别骨折椎体及正常椎体;其中logistic回归分类器基于轴位、矢状位、冠状位ROI及VOI构建模型的AUC高于其他2个分类器所构模型但差异均无统计学意义,而其校准度较优;logistic回归基于矢状位ROI及VOI所构模型的AUC均高于其他模型,其在验证集的AUC分别为0.83和0.88,且整体诊断准确率高于人工诊断结果。

综上,基于三维重建CT影像组学可有效诊断椎体急性轻度压缩性骨折,尤以采用logistic回归基于椎体矢状位ROI及VOI所构模型的诊断效能较佳。但本研究为单中心回顾性分析,未进行外部验证,且目前缺乏统一、高精度自动分割椎体VOI方法,有待完善。