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          紋理分析在超聲醫學中的應用研究現狀

          學術期刊發表網 位置:醫學論文 時間:2020-10-22 09:30 (12)

          摘要:【摘要】隨著臨床醫生從患者身上獲取的醫學圖像數量快速增長,這些圖像的使用已從診斷工具擴展到個體化診療背景下醫學數據。目前,對如此大量的醫學影像數據的有效利用仍是一個挑戰。近些年在定量成像分析方面有了一個重要的進展,稱為影像組學。影像組學組

            【摘要】隨著臨床醫生從患者身上獲取的醫學圖像數量快速增長,這些圖像的使用已從診斷工具擴展到個體化診療背景下醫學數據。目前,對如此大量的醫學影像數據的有效利用仍是一個挑戰。近些年在定量成像分析方面有了一個重要的進展,稱為影像組學。影像組學組學是從醫學圖像中高通量提取高級定量特征,通常使用數學紋理分析。利用紋理分析可以量化醫學上的異質性,紋理特征從醫學圖像中提取出肉眼無法察覺的空間信息。紋理分析可能成為一種潛在的、有用的生物標記物,可以評估和量化腫瘤的空間異質性,從而更好地根據疾病,尤其腫瘤性疾病的影像組學特征選擇合適的治療方案。本文旨在綜述紋理分析在超聲醫學領域研究進展,存在的問題等,以期為紋理分析在超聲醫學領域的應用、發展提供一定的參考作用。

            【關鍵詞】超聲醫學;紋理分析;影像組學;灰度共生矩陣

          紋理分析在超聲醫學

            紋理一般指從圖像中觀察到的圖像像元的灰度變化規律,人們將圖像中存在的局部不規則的,二宏觀有規律的特征稱為紋理。在圖像分析學中用數字特征描述灰度變化特征稱為圖像的紋理特征。紋理分析的主要內容可以分為圖像變換和圖像量化兩大類。圖像變換將傳統的圖像濾除為其基本分量(空間、頻率等),生成派生的子圖像。紋理分析已經在諸多領域應用,醫學研究人員嘗試將紋理特征分析用于醫學圖像,探索疾病診斷、治療及預后等,并取得了一定的研究成果。

            1紋理分析方法

            紋理量化技術包括結構、模型(分形維數)、基于統計和頻率的方法。統計分析紋理特征的方法簡單,易于實現,所以目前醫學研究中應用的較多。統計分析方法是通過統計圖像的空間及邊界頻率、空間灰度依賴關系等,紋理的細致和粗糙程度與空間頻率有關,低空間頻率與粗糙的紋理相關,細致的紋理具有高空間頻率?;诮y計的方法:灰度共生矩陣、灰度行程統計、灰度差分統計、局部灰度統計、半方差圖、自相關函數等?;叶裙采仃?GLCM)是統計分析方法中最重要的方法。GLCM是建立在估計圖像的二階組合條件概率密度函數基礎上的統計方法,主要描述紋理基元或局部模式隨機和空間統計特征,以表示區域的一致性及區域間的相對性。其它方法在醫學影像研究中應用的較少,所以在此不再贅述。

            2紋理分析用于超聲醫學研究現狀

            國內外研究者嘗試利用各種紋理分析技術對多種醫學成像圖像(CT、MRI、數字X線片、超聲)進行分析,探索無創診療新途徑。在新興領域-影像組學中紋理分析也是一個重要組成部分,它通過評估圖像中像素或體素灰度的分布和關系,可以定量客觀地評估組織的異質性。紋理分析應用于計算機斷層掃描(CT)和磁共振成像(MRI)較超聲圖像較超聲圖像早,在預測病理特征、預后和對各種疾病的治療反應方面已經顯示出了良好的效果。近些年有學者將紋理分析用于超聲成像,并取得了一定的研究成果。超聲圖像的紋理是由于不同的組織、同一組織不同病變及正常組織對超聲脈沖的吸收、衰退、反射有差異,由超聲脈沖相互作用而形成。因此,研究者假設圖像的紋理的不同,可定量分析來區分不同疾病,甚至預測基因、蛋白表達等的差異。從而為疾病的無創診斷、疾病的分期、基因相關性分析及預后預測等提供新的可參考依據。

            2.1乳腺腫瘤研究現狀

            因全球女性發病率最高的惡性腫瘤,一直以來對乳腺癌的早期診斷和治療是臨床持續關注的熱點問題。超聲診斷是乳腺癌的普查和早期診斷的重要工具。超聲圖像紋理分析有望提高乳腺癌的診斷率,并有望為乳腺癌的分型及放化療預后等提供有價值的參考依據。種美玲等對113個病理證實的乳腺結節行灰階超聲及剪切波彈性成像回顧性分析,利用灰度共生矩陣特征提取,獲得對比度、同質性、相關性,角二距等4個參數建立診斷模型,實驗結果顯示灰階超聲及剪切波彈性圖像的多參數紋理分析及建立的診斷模型對乳腺結節良惡性有較高的診斷效能[1]。諸多關于乳腺病變的基于超聲圖像紋理特征分析的影像組學研究為無創分類乳腺腫瘤的可能性奠定了基礎。

            2.2肝臟疾病中的研究現狀

            紋理分析可以進一步提取和量化超聲圖像中的紋理特征,為進一步的視覺信息提供補充,對肝臟疾病,尤其對肝纖維化有較高的診斷準確性。張慧等對經病理檢查證實的120個肝臟超聲影像(其中包括正常肝臟、肝臟惡性病變、肝臟良性病變等)行紋理特征提取分析,并結合決策樹算法進行分類診斷,結果顯示提取的紋理特征對圖像內容有較好的分區性[2]。紋理分析作為影像組學圖像特征提取的重要方法多個實驗研究證實該方法可為臨床上輔助診斷腫瘤性疾病提供依據,也為后期圖像識別,圖像檢索和圖像數據挖掘提供了特征數據。

            2.3骨骼肌疾病的研究現狀

            灰度共生矩陣(GLCM)灰度分析是一種考慮圖像像素空間分布的圖像紋理分析方法。在研究運動誘導肌肉損傷(EIMD)中灰度共生矩陣(GLCM)一種很有前途的方法。Matta等跟蹤了骨骼肌偏心收縮后超聲圖像上兩個GLCM紋理參數(對比度、相關度)和回聲強度(EI)的時間變化。將13名未經訓練的婦女分為兩組,行肘部屈曲的偏心收縮。運動后24小時、48小時、72小時和96小時分別獲得超聲圖像。計算肱肌兩種GLCM紋理參數:對比(CON)和相關(COR)。測量峰值扭矩、EI、肌肉厚度(MT)和疼痛。與所有措施相比,干預后峰值扭矩和疼痛立即下降。干預后72hMT立刻升高(P<0.05)。COR(48、72、96h)和EI僅在72、96h時顯著升高(P<0.05),COR升高代表灰度級之間高度相似,這在肘關節屈肌偏心訓練后幾天的超聲圖像上可以觀察到。最終通過實驗得出結論:肌肉組織超聲圖像熵的變化與其能量消耗程度的相關度很高。肌骨超聲影像組學研究主要通過紋理分析方法實現,為運動醫學、康復醫學的發展提供了更多的定量診斷信息。

            2.4其它疾病中的研究現狀

            隨著紋理分析相關研究的發展,紋理特征被用于更多的領域,如甲狀腺腫瘤、卵巢腫瘤、心肌疾病及腎臟腫瘤等。Vidaurreta提出了一種基于神經網絡的附件腫瘤自動判別方法。研究者首先從卵巢超聲圖像中計算出7種不同類型的紋理特征(局部二進制模式、分形維數、熵、不變矩、灰度共生矩陣、法則紋理能量和Gabor小波),從中提取若干特征并隨臨床患者年齡一起收集。采用145例患者的卵巢腫瘤超聲圖像實驗,其中106張良性圖像,39張惡性圖像,將提取的圖像特征進行分類后,對分類器進行評價,其準確率為98.78%,靈敏度為98.50%,特異度為98.90%,曲線下面積為0.997。Priyank等對腎臟超聲圖像進行預處理后利用灰度共生矩陣方法生成能量、熵、均勻性、相關性、對比度、差異性等多個二階統計紋理特征,將特征行主成分分析(PCA)將得到的特征簡化為最優子集,經統計分析結果顯示出較高的分類準確率。

            3對醫學超聲圖像的紋理分析方法的問題及未來展望

            紋理分析雖發展較早,但用于醫學圖像,尤其用于超聲圖像較晚,在超聲醫學中的相關研究也較少,目前,對超聲圖像的紋理分析主要應用乳腺良惡性腫瘤的鑒別診斷,肝臟纖維化程度的分期,骨骼肌的損傷定量分析等疾病的診斷中,對惡性腫瘤的基因相關性研究、惡性腫瘤化療及放療效評估、腫瘤分級分期等研究仍較為缺乏。后續的更深入的研究中需要解決的問題仍有很多。最大的問題在于對圖像進行標準化。在不同的研究者采用的設備及參數設置、圖像的預處理、對興趣區的分割方式的不同、特征提取等過程差異很大,因此實驗的重復性較差[3]。今后的研究需要重新關注研究設計、報告實踐和圖像采集的標準化、特征計算和特征提取等,以推動紋理分析在醫學超聲領域的發展。近些年,基于先進計算機運算能力、云計算、大數據以及機器學習及深度學習應用于醫學圖像的紋理分析,為開發正在生成的大量圖像數據財富的潛力創造了有利條件大大加快臨床數據分析的步伐。紋理分析作為影像組學的重要圖像特征也因此成為了多學科合作研究的新的研究領域。超聲醫學以其實時、無創、操作簡單、廉價、便于多次重復檢查等優勢,用過紋理分析的定量診斷方法必將為精準醫療及疾病的個體化診療方案提供更多選擇,因此需要進一步研究及探索。

            【參考文獻】

            [1]種美玲,時白雪,張禧,等.超聲聯合紋理分析對乳腺結節良惡性的診斷價值[J].中華醫學超聲雜志(電子版),2019,16(08):581-585.

            [2]張慧,遲慶云,劉彩霞.基于灰度共生矩陣的肝癌B超紋理特征決策樹診斷分析[J].中國醫藥指南,2015,13(25):2-3.

            [3]仇清濤,段敬豪,鞏貫忠等.影像組學可重復性問題研究進展[J].中華放射腫瘤學雜志,2018,27(03):327-330.

            作者:吳昕怡 包呼和

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            論文導讀:在康復醫學中,超聲除了具有診斷及介入治療作用外,還具有實時成像的反饋作用。實時超聲成像可使康復醫師實時觀測深層肌肉(如腹橫機及多梨肌)的收縮,發現細微的損傷結構。在超聲實時成像下,患者可在康復醫師指導下進行肌肉精細等容收縮,實現深層肌肉的激活反饋,同時為康復治療措施的有效性提供直觀的依超聲已在醫學的各個領域提現了它的價值,在康復中是如何治療呢,對此做了論述。


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