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珠江医院丁长海团队在影像医学顶刊Radiology发文揭示定量纹理分析技术在预测膝骨关节炎中的新应用

时间:2022-06-07 18:53:12  来源:珠江医院   编辑:张淼  作者:  点击:

近日,bat365平台官网珠江医院临床研究中心丁长海教授团队在影像医学领域顶级期刊Radiology杂志在线发表了题为“MRI-based Texture Analysis of Infrapatellar Fat Pad to Predict Knee Osteoarthritis Incidence”的论著文章。Radiology杂志隶属于北美放射学会(RSNA),创刊于1923年,长期以来被认为是影像医学领域最新和最高质量研究的权威参考。在2021年全年发表的239篇论著中,中国学者作为第一作者的论著有30篇,但仅有1篇骨骼肌肉领域文章。

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(bat365平台官网珠江医院是论文的第一作者和通讯作者单位)

膝骨关节炎(KOA)是老年人慢性致残的最常见原因之一,已经成为重大公共卫生问题。目前研究认为,KOA是一种全关节疾病,涉及关节内软骨、软骨下骨、滑膜、韧带、肌肉和关节内脂肪等多种结构改变,但迄今为止KOA的病理机制尚未完全阐明。髌骨下脂肪垫(IPFP)作为膝关节最大的脂肪组织,主要起缓冲机械应力和调节关节内炎症作用,其病变可造成膝关节内环境紊乱。IPFP病变常见于KOA早期,可体现为MRI信号改变,被认为是KOA炎症表型的重要影像标志物。

一直以来,MRI主要发展方向是提高空间和时间分辨率以及图像质量,以更好呈现病变组织器官的结构形态。然而,随着影像医学的进步,MRI不再被视为捕捉形态图像的简单相机,而是作为量化组织病变的科学标尺。MRI骨关节炎评分(MOAKS,0-3级)是目前IPFP病变评估最常用的半定量评价标准,可MOAKS对于IPFP病变的评价依赖于对IPFP病变形态的主观认知,可重复性差,对IPFP病变的细微变化不敏感,大大制约了其在临床的推广应用以及作为影像诊断标志物的潜力。相较于半定量评价方法,高阶定量MRI评价指标具有更客观、更稳定和更敏感的优势,成为解决这一问题的关键。纹理分析(TA)是用计算机算法定量分析医学影像中灰度级信号强度和像素/体素的相邻位置及空间分布规律的先进技术,可用于MRI以量化病变的不规则性和组织成分的异质性,有助于早期明确病灶性质以及疾病疗效评价、预后判断等。与平滑纹理图像相比,粗糙纹理图像在高信号和低信号强度方面的变化率较高。在医学影像中,不同病理条件下组织内的空间异质性不同,而这种异质性的增加往往代表了组织病变程度的加剧。

丁长海教授团队聚焦IPFP病变程度的量化问题,首次将基于MRI的三维纹理分析技术应用于IPFP影像学研究中,采用前瞻性的巢式病例对照研究设计,经大样本队列研究(共纳入690例膝关节,其中500例作为训练集,190例作为测试集)证实在不同时间点IPFP纹理分数均可很好地预测KOA的发生。研究者首先分割了 MRI中的IPFP感兴趣区域(ROI),将其进行三维重建(VOI)后提取其中的纹理特征(20种),观察者内和观察者间信度检验证实所有纹理特征均达到理想可重复性(> 0.75)。随后,研究者以4年内发生的KOA作为研究结局,通过最小绝对收缩和选择算子(LASSO)逻辑回归模型对IPFP纹理特征和临床特征进行筛选,去除不重要特征,对剩余特征赋予不同权重进行线性组合,从而生成IPFP纹理分数和临床分数。使用接受者操作特征 (ROC) 曲线比较IPFP纹理分数与临床分数及MOAKS有效影像标志物(软骨、软骨下骨、半月板、滑膜炎等)在不同时间点(P0、P-1、BL)对KOA的预测性能,结果表明训练集和测试集在三个时间点的表现一致,IPFP纹理分数的预测性能最佳(AUC≥0.75),均显著优于临床分数(AUC≤0.69)和其他有效影像标志物的MOAKS评分(AUC≤0.66)。最后,研究者对IPFP纹理分数和MOAKS评分的等效效度也进行了验证,结果表明两者间显著相关,IPFP病变的MOAKS评分等级越高,IPFP纹理分数也越高,表明其空间异质性越严重,进一步印证了IPFP纹理分析的临床价值。

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(文章封面:IPFP纹理热图揭示其不同病变程度)

该研究揭示了IPFP病变对KOA发生的重要影响以及纹理分析技术的临床应用价值,定量的IPFP 纹理特征可反映易被视觉评估忽略的早期病变,为靶向IPFP病变治疗KOA提供了新视角。该研究系由丁长海教授团队与bat365平台官网生物医学工程学院马建华教授团队合作完成,bat365平台官网珠江医院李嘉博士后和生物医学工程学院符帅硕士生是论文的共同第一作者,bat365平台官网珠江医院丁长海教授为论文通讯作者,bat365平台官网珠江医院是第一作者单位。

在同期Radiology杂志上,来自瑞士苏黎世大学医学院的Michael A. Fischer教授发表了题为“From Morphology to Biomarker: Quantitative Texture Analysis of the Infrapatellar Fat Pad Reliably Predicts Knee Osteoarthritis”的评论文章对该工作进行了充分肯定,认为IPFP纹理特征准确可靠,可作为早期诊断IPFP病变的影像标志物。

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(2022年5月31日同期在线发表的评论文章)

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