兩款腦部醫學影像分析軟件對急性缺血性腦卒中患者數據處理及結果對比

溫宏峰， 陳 宇， 王培福， 邊鉞巖， 范晟昱

計算機斷層掃描灌注成像(Computed Tomography Perfusion，CTP)、磁共振灌注成像(Perfusion Weighted Imaging，PWI)、彌散成像(Diffusion Weighted Imaging,DWI)及表觀彌散系數(Apparent Diffusion Coefficient，ADC)已證明在急性缺血性腦卒中血管內治療中扮演關鍵性作用，尤其對于不明時間窗卒中或超過6 h時間窗卒中患者的篩選[1～7]。目前已有多種通過設定固定閾值的方法，從最大達峰時間(Time to Maximum Peak，Tmax)、腦血流速(Cerebral Blood Flow，CBF)及ADC圖像中提取低灌注區及核心梗死區的體積，以此作為對急性缺血性腦卒中超窗患者血管內治療篩選標準之一[8～11]。通過反卷積計算方法對CTP和PWI圖像進行處理，生成包含腦血流量(Cerebral Blood Volume，CBV)、CBF、平均通過時間(Mean Transit Time，MTT)、Tmax。在CTP檢查處理流程中，Tmax大于6 s的由大腦中動脈供血的腦組織被認為是低灌注區(包含核心梗死區和缺血半暗帶)，而大腦異常側CBF值低于30%正常側CBF值的由大腦中動脈供血的腦組織被認為是核心梗死區。在PWI檢查處理流程中，低灌注區的測量方法與CTP相同，但核心梗死區由ADC值低于620區域定義[10]。目前已有多種針對腦灌注影像處理軟件可提供全自動的缺血半暗帶和核心梗死區體積量化的功能。

由于缺少標準的影像掃描協議，不同腦部醫學影像分析軟件針的處理結果存在一定差異，因此評價不同軟件處理結果的一致性至關重要。本文中對比的兩款腦部醫學影像分析軟件分別為RAPID和imSTROKE，其中RAPID軟件已用于DAWN、DIFFUSE3等多個臨床試驗中對急性缺血性腦卒中患者進行篩選[12,13]，而imSTROKE軟件目前在多家醫院進行應用，能夠提供全自動核心梗死區和缺血半暗帶體積量化服務。因此本文目的為對比imSTROKE與RAPID軟件處理結果間的差異。

1 資料和方法

1.1 臨床資料 共采集611例急性缺血性腦卒中患者治療前腦灌注影像檢查數據，其中349例患者采用CTP檢查，262例患者采用磁共振PWI、DWI、ADC多模影像檢查。納入的患者需要符合以下標準：臨床診斷急性缺血性腦卒中，美國國立衛生研究院腦卒中量表(National Institutes of Health Stroke Scale,NIHSS) 為5分或以上，CT或磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)檢查中未發現出血，CT血管造影證實前循環顱內大動脈閉塞。影像數據覆蓋患者大腦需要超過100 mm。排除存在嚴重運動偽影及低質量的圖像數據。所有患者記錄及圖像均在采集過程中進行匿名化脫敏，并已從所有患者或其法律代表處獲得書面知情同意。

1.2 方法 部分患者的影像數據采集協議存在差異。所有的軟件包都包含自動配準、運動矯正、動脈輸入函數提取與區域分割。兩種軟件均將低灌注腦組織區定義為Tmax大于6 s，且為大腦中動脈供血區的腦組織，在CTP檢查中核心梗死區定義為大腦異常側CBF值低于30%正常側CBF值且由大腦中動脈供血的腦組織，在PWI檢查中核心梗死區定義為ADC值低于620且由大腦中動脈供血的腦組織。

1.3 統計學分析 采用SPSS 17.0和Medcalc 19.6.3軟件進行數據分析。不符合正態分布的數據中位數和均值表示，分類變量以數字(百分比)表示，采用配對差異的Wilcoxon檢驗作為非參數檢驗。采用Bland-Altman分析95%置信度(Confidence Interval，CI)和類內相關系數(Intra-class Correlation Coefficient，ICC)來確定RAPID、imSTROKE之間的一致性。ICC值由Koo等提出的標準進行解釋:<0.50(較差)；0.50～0.75(中等)；0.75～0.90(良好)；>0.90 (優秀)[14]。為分析兩種軟件是否具有一致性，本文設定不同閾值區間計算準確率、精確率、敏感性、特異性。本文檢測梗死核心區體積 ≤ 25 ml、≤ 50 ml和 ≤ 70 ml的一致性。根據DEFUSE3試驗的上四分位數范圍(p75)選擇25 ml閾值，根據DAWN、EXTEND-IA和DEFUSE3試驗的數據(納入上限)選擇50 ml和70 ml閾值。P值<0.05認為有統計學意義[12，13，15]。

2 結 果

2.1 CTP、PWI、DWI及ADC掃描方案的詳細信息(見表1) 所有的數據集都分別用imSTROKE與RAPID軟件進行處理，其參數(見表2)。

表1 CT和MR影像掃描信息

表2 軟件處理參數設定

2.2 本文分別對兩種軟件的處理結果進行統計分析 結果顯示利用CT、MR和所有圖像處理的核心梗死區體積結果的中值、四分位距、均值和標準差(見表3～表5)。顯示利用CT、MR和所有圖像處理的低灌注區體積結果的中值、四分位距、均值和標準差(見表6～表8)。

表3 CT 核心梗死區體積統計

表4 MR 核心梗死區體積統計

表5 CT和MR核心梗死區體積統計

表6 CT低灌注區體積統計

表7 MR低灌注區體積統計

表8 CT和MR低灌注區體積統計

2.3 本文整理了imSTROKE和RAPID軟件對所有611例患者數據處理結果 并分別對核心梗死區和低灌注區體積結果進行統計分析，得到P值分別為0.0689、0.0597，均無明顯統計學差異。通過分析兩款軟件的核心梗死區的處理結果發現，對于體積偏小(0～15 ml)，數據點分布較為分散，存在少量偏離點；對于體積在15～30 ml范圍內的，數據點分布較為集中；而體積在40 ml以上時，數據點分布較為分散。經Bland-Altman分析，其平均差異為0.5 ml，95%置信區間為6.3～5.4 ml。利用上述方法對低灌注區體積進行統計分析，結果顯示體積超過110 ml數據點分布相比體積小于110 ml的數據點分布分散，而其Bland-Altman圖顯示其平均差異為1.8 ml，95%置信區間為16.5～12.8 ml(見圖1)。

圖1 611例缺血性腦卒中患者的CT及MR影像經imSTROKE和RAPID軟件測量核心梗死區、低灌注區體積散點圖和對應的Bland-Alman分析圖。A：imSTROKE和RAPID軟件測量核心梗死區散點圖，虛線代表y=x參考線；B：imSTROKE和RAPID軟件測量核心梗死區Bland-Alman分析圖，實線代表均值差異，虛線代表95%置信度范圍；C：imSTROKE和RAPID軟件測量低灌注區散點圖，虛線代表y=x參考線；D：imSTROKE和RAPID軟件測量低灌注區Bland-Alman分析圖，實線代表均值差異，虛線代表95%置信度范圍

2.4 由于在兩款軟件中對CT和MR檢查中運用的處理方法不同 為了能進一步對比兩款軟件分別在CT和MR檢查中的一致性，本文將imSTROKE和RAPID軟件對349例以CT檢查和262例以MR檢查為影像評估的患者的處理結果分別進行了統計分析。在CT檢查組中，兩款軟件對核心梗死區和低灌注區體積的統計分析P值分別為0.0584和0.0635，均無明顯統計學差異。Bland-Altman分析顯示，平均差異分別為0.4 ml和1.9 ml，95%置信區間范圍分別為6.4～5.6 ml和16.1～12.3 ml，詳情(見圖2)。在MR檢查組中，兩款軟件對核心梗死區和低灌注區體積的統計分析P值分別為0.0789和0.0828，同樣均無明顯統計學差異。經Bland-Altman分析，平均差異分別為0.5 ml和1.8 ml，95%置信區間范圍分別為6.3～5.2 ml和17.0～13.5 ml，詳情(見圖3)。

圖2 349例缺血性腦卒中患者CTP影像檢查經imSTROKE和RAPID軟件測量核心梗死區、低灌注區體積散點圖和對應的Bland-Alman分析圖。A：imSTROKE和RAPID軟件測量核心梗死區散點圖，虛線代表y=x參考線；B：imSTROKE和RAPID軟件測量核心梗死區Bland-Alman分析圖，實線代表均值差異，虛線代表95%置信度范圍；C：imSTROKE和RAPID軟件測量低灌注區散點圖，虛線代表y=x參考線；D：imSTROKE和RAPID軟件測量低灌注區Bland-Alman分析圖，實線代表均值差異，虛線代表95%置信度范圍

圖3 262例缺血性腦卒中患者PWI/DWI和ADC影像檢查經imSTROKE和RAPID軟件測量核心梗死區、低灌注區體積散點圖和對應的Bland-Alman分析圖。A：imSTROKE和RAPID軟件測量核心梗死區散點圖，虛線代表y=x參考線；B：imSTROKE和RAPID軟件測量核心梗死區Bland-Alman分析圖，實線代表均值差異，虛線代表95%置信度范圍；C：imSTROKE和RAPID軟件測量低灌注區散點圖，虛線代表y=x參考線；D：imSTROKE和RAPID軟件測量低灌注區Bland-Alman分析圖，實線代表均值差異，虛線代表95%置信度范圍

2.5 本文還分別對CT檢查組、MR檢查組及全數據集進行ICC的統計分析 結果顯示在所有分組中ICC均超過0.98，95%置信區間下限均超過0.98(見表9)。同時為了分析在不同體積范圍兩者的一致性情況，本文對兩款軟件對≤25 ml、≤50 ml、≤70 ml體積范圍的核心梗死區;≤45 ml,≤90 ml,≤125 ml體積范圍的低灌注區分別計算準確率、精確率、特異度和敏感度，結果顯示各個分組均具有較好的表現(見表10、表11)。

表9 ICC 和P值統計

表10 核心梗死區體積的準確度、精確度、特異度、敏感度統計

表11 低灌注區體積的準確度、精確度、特異度、敏感度統計

3 討 論

本文分別對imSTROKE和RAPID軟件處理得到的核心梗死區和缺血半暗帶體積的結果進行了一致性比較，結果顯示兩者具有非常高的一致性，雖然在個別體積范圍內存在差異，但從整體來看一致性很好。為了能夠對比兩款軟件在不同體積范圍內的核心梗死區和低灌注區分析的一致性，本文為核心梗死區和低灌注區分析分別設定了3個體積閾值范圍。因為DAWN和DIFFUSE3試驗中顯示符合CT或MR檢查篩選條件的患者，在血管內治療后有顯著獲益[12,13]，因此核心梗死區體積閾值范圍的設定是基于EXTEND-IA、DAWN和DIFFUSE3臨床試驗數據而來的。而對于低灌注區體積閾值范圍的設定，因為在DIFFUSE3中將低灌注區體積與核心梗死區比值超過1.8作為超窗患者的篩選條件[14,15]，因此低灌注區體積閾值范圍被設定為1.8倍的核心梗死區體積閾值范圍。結果顯示在不同體積閾值范圍上，兩款軟件的分析結果的準確率、精確率、特異度和敏感度均非常高，具有高度一致性。

通常情況下，影像掃描參數的不同會引起影像質量的變化，從而引起分析結果的差異[16～18]。本文納入數據集的掃描協議共10種，其中CT掃描協議6種、MR掃描協議4種。不同掃描協議之間的差異主要在設備類型、掃描范圍、打藥速度、對比劑類型。盡管數據整體一致性較高，但本文未針對不同掃描協議數據集的分析結果對比，后續將進行進一步研究。同時本文將進一步對ASL影像技術測量的核心梗死區與低灌注區體積的計算結果與現有CT和MR檢查結果進行對比分析，對比各個技術間一致性。

總體而言，相比與手動的影像測量和分析方法，全自動式的影像分析工具可大大節省時間，提高診療效率，同時可重復性高，評價標準較為客觀。

imSTROKE和RAPID軟件在利用CTP、PWI、DWI和ADC圖像進行核心梗死區、低灌注區的體積測量功能上擁有非常高的一致性。盡管兩款軟件在分析結果上擁有較高的一致性，但在臨床實際應用過程中，我們推薦醫生優先選用操作更為便捷、快速的軟件進行圖像處理，以在最短的時間內完成影像評估。未來我們將增加掃描設備類型、更多的掃描協議類型等進行更大范圍的試驗驗證一致性。