基于CTA影像組學在預測動脈瘤破裂風險中的價值

王玙璠 陳艾琪 譚詩琪 杜小萌 李 想 馬宜傳,*

1.蚌埠醫學院第二附屬醫院放射科 (安徽 蚌埠 233017)

2.蚌埠醫學院第一附屬醫院放射科 (安徽 蚌埠 233004)

顱內動脈瘤(imtracranial aneurysm，IA)是人類健康的危害元兇之一，其病因尚不清楚。根據流行病學研究顯示，蛛網膜下腔出血的主要病因是顱內動脈瘤的破裂[1]。顱內動脈瘤的起病不易被察覺，及早的發現治療就可以降低控制危害。但是，大部分動脈瘤被發現時已經破裂出血，因此錯過了最佳治療時機。隨著科學的進步，影像技術也日益成熟，這使得未破裂動脈瘤的檢出率大大提高，越來越多的患者由于發現后得到及時的治療，終身未發生破裂[2]。所以，適當的預防對于降低顱內動脈瘤破裂的風險是至關重要的，并且在破裂的情況下及時處理去減少并發癥和預防再次出血也是重中之重。目前關于顱內動脈瘤破裂預測的研究大多是基于形態學參數，通過對比顱內動脈瘤破裂前后的CTA、MRA、DSA圖像進行研究，發現動脈瘤破裂前后其形態學未見明顯變化[3]，故而本研究便基于其形態學去構建影像組學模型，進而對其破裂風險進行預測。

影像組學(radiomics)是指可以自動提取醫學圖像特征進行分析，并為醫療精準決策構建模型的個性化工具。近年來，影像組學已經在醫學領域被廣泛應用，大多是在腫瘤分期及良惡性鑒別方面[4-7]，但是隨著技術的逐漸成熟，影像組學運用于顱內動脈瘤破裂風險的研究已卓有成效。Osamah Alwalid等[8]和QingLin Liu，MD等[9]已經證實影像組學構建模型對動脈瘤破裂的研究是具有價值的。

目前，臨床公認的檢出顱內動脈瘤的金標準是DSA，但是DSA作為一項有創性檢查，不僅對患者是有傷害的，并且仍然存在無法避免的并發癥。CTA作為無創性血管成像技術，更多的應用于顱內動脈瘤的普查中[10]，所以本研究是基于CTA檢查去構建預測模型。相對于傳統的DSA、CTA、MRA及形態學，我們僅憑肉眼觀察圖像難以準確鑒別未破裂動脈瘤及破裂動脈瘤的影像學特征，恰恰影像組學可以觀察到人肉眼無法分辨的細微差異，并且將影像圖像中的特征進行高質量提取、分析，所以本研究旨在探討基于CTA構建的影像組學特征模型去預測顱內動脈瘤破裂風險的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料收集2020年6月至2022年4月于蚌埠醫學院第一附屬醫院及蚌埠醫學院第二附屬醫院收治的144例顱內動脈瘤患者的影像資料進行回顧性分析。根據顱內破裂與否，將其分為未破裂組及破裂組，未破裂組包括CTA識別顱內動脈瘤，但無蛛網膜下腔出血或相關臨床癥狀的患者；破裂組包括CT平掃存在蛛網膜下腔出血的患者，其動脈瘤在CTA上被識別并經DSA證實，無其他潛在破裂因素(外傷、感染或夾層等)。

納入標準：18歲以上的成年患者；CTA診斷為顱內動脈瘤，無論動脈瘤是否破裂。排除標準：多發動脈瘤；顱內梭形動脈瘤、夾層動脈瘤、創傷性動脈瘤、感染性動脈瘤及先前治療過的動脈瘤；運動偽影嚴重的CTA圖像；無臨床診療記錄的病例；無法提取影像組學特征的病例。根據納入、排除標準，共納入144例顱內動脈瘤患者，其中未破裂組71例，破裂組73例。數據集按照7：3隨機分成訓練集和測試集，訓練集100例，其中未破裂組49例，破裂組51例；測試集44例，其中未破裂組22例，破裂組22例。

1.2 CTA圖像采集采用GE Revolution 256排CT、GE Light Sped 64排 CT、飛利浦Βrilliance 64排CT 和ANATOM Precision 64排CT進行掃描，掃描層厚及重建間隔(0.625mm，0.625mm)，管電壓及管電流(120kV、250mA)；掃描范圍均由主動脈弓水平至顱頂，打瞄基準線為OML線。囑患者仰臥位，使用高壓注射器經一側肘正中靜脈注射非離子型造影劑(碘克沙醇，含碘為每毫升320mgI)，流速為每秒4.5mL，劑量為每千克1.0mL。

1.3 提取影像組學特征將符合入組標準的病例以DICOM格式從PACS系統中導出CTA圖像，由兩名資深影像科醫生隨機對顱內動脈瘤的CTA圖像進行逐層勾畫獲取3D圖像(圖1-2)，當兩名醫師意見相左時，需要通過討論達成一致?；卺t準-達爾文科研平臺，篩選提取出來的影像組學特征，順序如下：(1)最大絕對值歸一化：將每一維度特征線性拉伸到[-1,1]之間。無需配置參數。(2)最優特征篩選百分比：通過統計方法，篩選出對分類重要的特征；條件是Percentile為10，score_func為f_classif。(3)模型選擇支持向量機(support vector machine，SVM)進行實驗。

圖1A-圖1D 顱內動脈瘤未破裂患者，男，77歲。1A：顱腦CT平掃無蛛網膜下腔出血；1B、1C：前交通動脈瘤CTA及VR圖像；1D：在CTA圖像上對病灶邊緣進行逐層勾畫ROI。圖2A-圖2D 顱內動脈瘤破裂患者，男，65歲。2A：顱腦CT平掃存在蛛網膜下腔 出血；2B、2C：前交通動脈瘤CTA及VR圖像；2D：在CTA圖像上對病 灶邊緣進行逐層勾畫ROI。

1.4 統計學方法采用SPSS 22.0軟件進行統計學分析，通過ROC曲線(receiver operating characteristic curve，受試者工作特征曲線)及AUC(area under curve，曲線下面積)去評估模型的預測效果及能力。P<0.05為差異具有統計學意義。

2 結 果

2.1 影像組學特征通過醫準-達爾文科研平臺，共提取出來1316個影像組學特征，通過最大絕對值歸一化、最優特征篩選百分比及SVM篩選出14個影像組學特征(圖3)。

圖3 醫準-達爾文科研平臺篩選影像組學特征

2.2 統計學分析結果基于CTA所構建的影像組學模型訓練集AUC值為0.87，測試集AUC值為0.83(表1、圖4)，使用選擇支持向量機模型進行五折交叉驗證，結果顯示模型P=0.04具有統計學意義(P<0.05)(圖5)。

表1 模型在訓練集及驗證集中的統計學參數

圖4 CTA圖像訓練集及測試集影像組學模型ROC曲線圖5 CTA影像組學模型五折交叉驗證

3 討 論

顱內動脈瘤是顱內動脈血管的管壁由于局限性的病理擴張所引起的瘤樣凸起[11-12]。顱內動脈瘤是引發蛛網膜下腔出血的主要原因，亦是腦血管病中致死率排名靠前的疾病，所以對未破裂動脈瘤的積極治療干預和評估動脈瘤的破裂風險是至關重要的[13]。但是根據統計，相比于未破裂動脈瘤的自然破裂所導致的風險，手術所帶來的風險將會更大[14]，所以對于未破裂動脈瘤患者是否應該進行手術治療依舊存在爭議。根據研究表明，有超過一半的顱內動脈瘤患者因為及時發現治療，其預后效果良好，并且動脈瘤始終未破裂[2]。因此，對于動脈瘤患者臨床治療的關鍵決策手段的制定需要根據其動脈瘤破裂風險及手術治療風險去雙重考量。目前關于顱內動脈瘤破裂預測的研究大多是基于形態學參數，例如李不言等[15]對顱內動脈瘤破裂因素的研究中闡述動脈瘤大小是動脈瘤破裂出血最為重要的關鍵因素之一。盡管形態學參數有廣泛的應用，但是對于其獲取，現在仍然存在著不足之處，例如不同測量者對于動脈瘤的測量存在差異，其參數特征隨之發生變化，然而使用影像組學進行數據提取分析將會使這種人為誤差大大減少，并且可以獲取很多基礎形態學所無法提取的信息。影像組學通過計算機運算演練將醫學影像圖像轉化為客觀的數據信息，將無法捕捉的圖像細節具象化，大大提高了醫師對診斷的可控性和可把握性。近些年，關于影像組學在腫瘤中的研究已卓有成效，如Zhang Q等[16]發現基于MRI影像組學可以鑒別診斷乳腺良惡性病變。但是很少應用于顱內動脈瘤破裂風險評估中，因此本研究旨在探討基于CTA影像組學在顱內動脈瘤破裂風險評估中的價值。

本研究是引用影像組學特征所構建的模型去預測顱內動脈瘤的穩定性，通過所選取的144例顱內動脈瘤患者，使用醫準-達爾文平臺對CTA感興趣區進行逐層勾畫，將獲取的3D影像組學特征進行提取并構建模型，結果顯示基于CTA圖像建立的影像組學模型訓練集及測試集AUC分別為0.87和0.83，其敏感度、特異度及準確率也都表明此模型在預測顱內動脈瘤破裂風險的研究中的應用價值成效良好。Liu等[17]利用影像組學在3D-DSA圖像上成功識別與側壁破裂和分叉動脈瘤相關的形態學特征，證實影像組學已經成功運用于顱內動脈瘤的形態分析。Osamah Alwalid等[8]回顧性分析了393例顱內動脈瘤患者的CTA圖像，結果表明利用影像組學對未破裂動脈瘤及破裂動脈瘤進行分類是可以成功實現的。QingLin Liu，MD等[9]利用影像組學提取719個動脈瘤形態學特征成功預測動脈瘤的穩定性。王豪等[18]通過回顧性分析38例大腦中動脈鏡像動脈瘤形態學及影像組學特征，證實影像組學對于動脈瘤的破裂預測是有較高的臨床價值和學習應用。本研究采用3D勾畫所提取的CTA影像組學特征去構建模型，結果顯示該模型具有統計學意義(P<0.05)，證實了基于CTA圖像構建的影像組學模型在顱內動脈瘤破裂風險的研究中是有價值的。

無論是顱內動脈瘤的病因、機制還是危險因素等多個角度，都對其破裂風險有很多探索和鉆研。本文通過回顧性分析研究，提取顱內動脈瘤影像組學參數，構建其破裂風險模型，從而評估其破裂危險，故無法避免的存在一定局限性：(1)本研究的患者主要分布于安徽及其周邊地區，這樣的單中心研究容易出現樣本偏移；(2)本研究為回顧性分析，收集病例較少，未來將納入更多病例，并且盡量通過前瞻性實驗及多中心參與，以獲得更準確的預測模型。

綜上所述，基于CTA圖像構建的影像組學模型在顱內動脈瘤破裂風險的研究中具有不可忽視的價值，可以幫助臨床制定更為詳細精準的手術治療方案，更好地服務于臨床及患者。