MRI减影图像对多发硬化的应用研究

摘要

多发硬化(Multiple Sclerosis，MS)是一个反复发作，逐步进展和进行性的中枢神经免疫性疾病。目前磁共振成像是唯一能够客观地监测和评价该疾病的方法。MRI减影图像部分取消解剖和稳定病变的结构，可以直观显示病变的变化。然而，这种以像素为基础的算法的有一定的局限。病人的移动，扫瞄时MR仪器的变化、磁共振的场强、MR图像的序列、MR图像的层厚、MR图像的伪影、图像处理内插法的计算、再次扫描的病人的位置和角度的变化均可以造成MR图像的再排列的误差。这样，一定程度上限制了MR减影的应用。相关研究采用固定扫描参数和扫描仪提高了MR减影的重复性和精确性。在不同的读者之间判定新病灶变化已具有很好的重复性，但在增大的和溶解的病灶具有一定误差。MRI图像进行排列后，如何减少MRI减影的误差是一个具有关键性的课题。MRI减影优势可以克服T2WI图像上的缺陷和不足，一定程度上反映弥漫性疾病的改变(像炎症，胶质增生、水肿，脱髓鞘、wallerian退化和轴突损失)。但是目前还没有见到关于直接在MRI减影图像上进行病灶变化分割的研究报道。 为减少MRI减影的误差和提高MRI减影技术对MS病灶变化的探测，对MRI减影的伪影进行系统分析和分型。进一步比较两种图像分析方法的敏感性和重复性一传统半自动的图像分割相减的差别(Conventional Semi Automated Segmentation CSEG)和MRI减影的分割(Subtraction Images Segmentation(SSEG))。分析每个方法所测的病变变化和脑实质因子变化(BPF，Brain Parenchymal Fraction)、疾病周期和MRI扫描间隔的相关性。 方法： 采用10例MS病人为扫描再扫描组：复发缓和型9例、继发型1例；平均32.20岁，男4例、女6例。该组的每个病人的磁共振扫描间隔为30分钟。另外的21例MS病人为长期随访组：复发缓和型20例、继发型1例；平均年龄43.6岁，男4例、女17例。随访组的平均两次的磁共振扫描的间隔为3.1±0.86年(1.5-4.71年)。在1.5 T磁共振扫描仪系统(Signa，GE Medical Systems，Milwaukee，Wisconsin)应用双梯度回波PD/T2WI：TE=30/80 ms、TR=3000 ms、相位编码192、像素大小0.93×0.93x3mm3。用带真空垫的标准环形极化头线圈减少病人头部运动的伪影。两次扫描的质子密度图像(PD)和T2WT进行排列(co-registered)、密度标准化(intensity-normalized)和分别减影(subtracted)。比较排列的MRI和其减影图像，增大的、溶解的和新的病灶分别定义为连续两个层面的每个层面增加、减少的像素值等于或大于4个像素和直径大于3毫米。在双盲的基础上，两个独立、经验丰富的放射科医生使用阴阳伪影的标准对比排列MR图像和减影图像，标记病灶的变化特征——像新的、增大的和溶解的病灶。其中一个放射科医生分别在采用和未采用阴阳伪影的标准条件下，盲法进行标记病灶的变化。在扫描和再扫描组内，在总的病灶的基础上计算病灶出现阴阳伪影的阳性率。在MRI减影图像上，结合原始图像对阴阳伪影进行分型，计算各型所占的比例。对一个放射科医生进行组内的两种方法(未使用阴阳的伪影及使用阴阳伪影)比较。同时，比较两个放射科医生间采用阴阳伪影判断病变的差别，并用B1and-Altman方法评价它们的重复性。 其中一个放射科医生在31对传统的自动MRI图像分割(TDS+)的病灶容积基础上，以原始MRI图像病变为背景进行必要的修改，达到精确的病变容积的测量。对31例MS病人的两次扫描图像进行再排列、密度标准化和高斯平滑过滤图像后处理，然后相减得到MRI减影图像。分别用方形的感兴区在MRI连续的层面圈定新的，增大的和溶解的病灶。从方形的感兴趣区进行病变变化的图像的分割，参考MRI减影图像进行在不匹配的病变处进行必要的修改。 在扫描和再扫描组内，每个方法病灶容积的差别的平均绝对值(平均误差)定义为该方法的精确性和重复性。用Bland-Altman 和变异系数Coefficients of Variability(COV)方法来评价重复性。在以上两种方法，每个个体的扫描间的变异数通过标准差比其均值计算，总体的COV平均值和标准差的由每个个体得出。在扫描和再扫描组误差百分比定义为病变净误差比上扫描组的病变容积。 Wilcoxon检验评价两种方法(CSEG和SSEG)的平均误差的差异。脑萎缩因子(Brain Parenchymal fraction，BPF)定义为脑实质的容积与颅内容积(intracranial cavity(ICC))的比值，即：BPF=1-CSF/ICC(CSF为cranial spinal fluid)。用Spearman Rank Correlation 检验评价21例随访组的病灶变化(平均变化、年平均变化和年平均变化的百分比)和临床指标(疾病周期、MRI间隔和BPF)的变化的相关性。21例随访组的病变的年平均变化百分比是病灶的年平均变化与初始容积的比值。 结果： 在MRI减影上判断病灶变化时，阴阳伪影是MR减影病灶的主要的伪影，占MRI减影总的病灶的24.61％。根据MRI减影图像的像素偏移的方向(x、y、z、xy、xz、yz和xyz)分为四型，单纯型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型)和复杂型(Ⅳ型)。各类型阴阳伪影所占比例：Ⅰ(15.12％)、Ⅱ(5.06％)、Ⅲ型(53.16％)和Ⅳ型(26.58％)。Ⅲ型伪影约是Ⅳ型的两倍和Ⅰ型的3.5倍，最少的为Ⅱ型。在不同读者间采用阴阳伪影标准(Kappa值=0.488)判定MS病灶特征的一致性相对好于同一读者采用和未采用阴阳伪影标准的(Kappa值=0.454)。SSEG的重复性好于CSEG的方法。CSEG方法的年平均变化百分比、病灶变化和每年病灶变化分别11.390±16.62％、0.895±1.625 cm3和0.279±0.474 cm3(均值±标准差)；而SSEG方法的年平均变化百分比、病灶变化和每年病灶变化分别为26.70±42.16％、1.160±1.564 cm3和0.356±0.447cm3。在年平均变化百分比上，两者的Wilcoxon test检验有统计学差意义(p<0.05)。SSEG方法病灶的变化与BPF的变化有明显的负相关性(r=-0.446，p=0.0463，Spearman Rank);而CSEG的方法没有相关性(r=-0.180，p=0.4209)。CSEG(r=-0.514，p=0.0215)和SSEG(r=0.552，p=0.0135)的每年病变容积变化百分比与疾病周期明显负相关性(Spearman Rank相关性)。SSEG方法每年病变变化的容积与疾病周期有统计学意义的相关性(r=-0.508 p=0.0231)，而CSEG没有统计学意义(r=-0.360 p=0.1077)。MRI扫描的间隔与两种方法测量的病变的容积没有相关性。 结论： 阴阳伪影是在MRI减影的图像上，病灶周围出现局限性、对称性的亮和暗信号区的现象。良好的图像排列结合采用阴阳伪影判断标准可以达到较好的评价MS的病变变化。阴阳伪影是MRI减影主要的伪影，阴阳伪影在辨别MRI减影病灶变化时具有相对好的重复性。利用阴阳伪影在MRI减影图像上判断病灶的变化时，可以减少了误差，提高MRI减影对MS病灶改变探测的敏感性。在利用MRI减影判断MS病灶变化上，它具有潜在的应用价值。SSEG方法比CSEG方法对MS病灶的大小和密度变化更敏感，具有好的重复性。SSEG方法在临床上，为多发硬化的治疗和监测提供重要的方法，并与临床的监测指标有明显的相关性。

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论文一 多发硬化MRI减影的阴阳伪影分析及临床应用

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方法

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结论

论文二 MRI减影图像分割对MS病变探测的应用研究

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方法

结果

讨论

结论

本研究创新性的自我评价

参考文献

综述：脑多发硬化（MS）的MRI影像研究

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