引用本文： 賈穎, 黃子星, 汪翊, 魏鴻, 宋彬. 基于CT增強圖像紋理分析對急性胰腺炎合并急性腎損傷的診斷價值. 中國普外基礎與臨床雜志, 2019, 26(7): 865-869. doi: 10.7507/1007-9424.201905101 復制
急性胰腺炎（acute pancreatitis，AP）是臨床常見急腹癥，常并發多器官功能障礙綜合征[1-2]，其中急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）的發生率為 14%～43%，僅次于肺功能損害[3]。有文獻[4]報道，重癥急性胰腺炎（severe acute pancreatitis，SAP） 合并 AKI 患者的死亡率較未合并 AKI 患者的死亡率呈 10 倍增加（7% 比 74.7%）。AKI 是 SAP 的獨立死亡因素，因此，對其進行早期識別和干預具有重要的臨床意義。AP 合并 AKI 在增強 CT 上的主要表現為腎臟皮髓質分界不清，早期 AKI 的 CT 影像表現缺乏特異性。圖像紋理分析是一種影像組學技術手段，通過定量提取肉眼無法識別的紋理特征，客觀地反映病灶內潛在的病理異質性，現已用于全身多個器官疾病的鑒別診斷、分級分類診斷、療效評估及風險預測。目前，關于 AP 合并 AKI 在影像組學方面的研究國內鮮有報道。本研究擬基于 CT 增強圖像紋理特征分析初步探討 AP 合并 AKI 的診斷價值。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
回顧性搜集 2016 年 9 月至 2018 年 9 月期間四川大學華西醫院臨床及 CT 影像資料齊全的 AP 患者。AKI 的納入標準如下（符合其中任意一條即滿足）：① 入院 48 h 內，血清肌酐升高≥26.5 μmol/L（0.3 mg/dL）；② 或在 7 d 內，血清肌酐升高超過基礎值的 1.5 倍及以上。AKI 的排除標準如下：① 其他原因引起的急性或慢性 AKI；② CT 圖像質量不佳，無法用于分析。
1.2 檢查技術
所有患者采用 Siemens Definition Flash CT 行腹部平掃、動脈期和門脈期增強掃描，掃描范圍自膈頂至髂窩或至盆腔。增強掃描采用非離子型對比劑碘海醇，劑量為 1.5 mL/kg，由高壓注射器以 2.5～3.5 mL/s 的注射流率經前臂靜脈團注，造影劑注射量 80～100 mL，分別于注射對比劑之后 30 s 和 80 s 采集動脈期和門靜脈期圖像。掃描參數：管電壓 120 kV，參考管電流 210 mAs，準直器層厚 128 mm×0.6 mm，掃描層厚為 2～5 mm，螺距 0.7。
1.3 圖像分析
從 PACS 系統中導出所有納入病例的腹部增強 CT 圖像，提取動脈期及門靜脈期橫斷面圖像導入 ITK-Snap 軟件，手動進行感興趣區勾畫，盡量避開雙腎的囊性病變、鈣化區域及血管影；分別逐層勾畫左腎、右腎輪廓，最終構建雙腎三維容積感興趣區，見圖 1。將勾畫完成的動脈期及門靜脈期的雙腎圖像分別導入 A.K.軟件（Analysis-Kit，GE healthcare）進行紋理特征的提取。
圖1
示用 ITK-Snap 軟件勾畫左側腎臟三維容積感興趣區（紅色區域）截圖
1.4 紋理分析特征篩選
對提取出的紋理特征采用單因素方差分析（analysis of variance，ANOVA）、曼-惠特尼秩和檢驗（Mann-Whitney U test）、Spearman 相關性分析及 LASSO 回歸進行特征降維，用 logistic 回歸篩選出紋理分析特征。采用受試者操作特征（receiver operation characteristic，ROC）曲線對各個紋理特征診斷 AP 合并 AKI 的效能進行分析，計算其敏感度、特異度、準確率、截斷值及曲線下面積（area under curve，AUC）。統計分析軟件為 R 軟件 3.4.3。
2 結果
2.1 納入的患者一般資料及 AP 影像表現
本研究共搜集了 2016 年 9 月至 2018 年 9 月期間四川大學華西醫院臨床及 CT 影像資料齊全的 AP 患者 62 例，其中男 42 例，女 20 例；發病年齡為 23～86 歲、（46±11）歲。合并 AKI 者 39 例，未合并 AKI 者 23 例。合并 AKI 者均為 SAP，有 4 例死亡，21 例患者出院時合并較多嚴重并發癥并無明顯好轉；CT 圖像上可見合并胰周 1 處積液 2 例，合并胰周 2 處及 2 處以上區域積液 37 例，合并胰腺壞死 37 例，合并胸腔積液 38 例，合并腹膜后炎癥 38 例。未合并 AKI 者無死亡病例，出院時病情均有明顯好轉或痊愈；CT 圖像上可見合并胰周 1 處積液 7 例，合并胰周 2 處及 2 處以上區域積液 11 例，合并胰腺壞死 11 例，合并胸腔積液 15 例，合并腹膜后炎癥 19 例。
2.2 紋理分析特征選擇結果及其診斷效能評估
A.K.軟件對分別在動脈期及靜脈期分割出的雙側腎臟三維容積感興趣區進行紋理分析，共提取出 396 項紋理特征，經 ANOVA+Mann-Whitney、Spearman 和 LASSO 交叉分析后篩選出了 6 項紋理特征，分別是相關性、慣性、平均像素值、集群突出、短游程高灰階矩和表面面積，其診斷 AP 合并 AKI 的效能結果見表 1 及圖 2。
表1
篩選出的 6 項紋理特征診斷 AP 合并 AKI 的效能結果
圖2
示 6 項紋理分析特征的診斷效能評估結果
a：相關性；b：慣性；c：集群突出；d：平均像素值；e：短游程高灰階矩；f：表面面積
在篩選出的 6 個紋理特征中，相關性、平均像素值、集群突出及短游程高灰階矩的 AUC 值較高（均>0.9），診斷效能較好，且平均像素值及短游程高灰階矩的特異度均達 100%，但是短游程高灰階矩的敏感度較平均像素值略低（76.6%）。綜合而言，在篩選出的 6 個紋理特征中，平均像素值的診斷效能最優。
3 討論
3.1 AP 合并 AKI 評估的意義及現狀
AP 系指多種原因引起的胰酶激活、繼以胰腺局部炎癥反應為主要特征、伴或不伴其他器官功能改變的疾病，是臨床常見的急腹癥之一[5]。AP 的炎癥反應可局限于胰腺本身，亦可波及胰腺周圍的脂肪組織和鄰近器官，甚至遠處臟器，從而引起多器官功能衰竭[6]。
AP 導致 AKI 的發生機制尚不明確，其可能的發病機制包括低氧血癥、胰腺損傷導致胰腺淀粉酶釋放、腎微循環受損或腹腔間隔室綜合征導致腎灌注壓降低、腹內高壓或低血容量等[7]。當 AP 合并 AKI 時，不僅會增加病死率風險，同時也會加重疾病治療的經濟成本。有 2 篇文獻[8-9]報道 AP 合并 AKI 患者的總死亡率分別為 81% 和 75%。因此，如何在發生腎小管功能障礙之前早期對 AKI 做出準確診斷對于指導臨床干預和疾病預后有重要意義。
雖然血清肌酐可評估腎小球濾過功能受損，是預測和診斷 AKI 最常用的指標，但當腎小球濾過率損失達 50% 時血清肌酐水平才開始發生變化[10-12]；此外，血清肌酐檢測結果受較多因素影響，如年齡、性別、肌肉代謝、蛋白質攝取、脫水、尿路梗阻等。因此，血清肌酐對于 AKI 的診斷具有一定的局限性，僅僅依賴血清肌酐指標診斷 AKI 將錯過從 AKI 到急性腎功能衰竭的治療時間窗，從而大大增加 AKI 的病死率，因而臨床上迫切需要能早期預測 AKI 的指標。
3.2 CT 圖像紋理分析診斷 AP 合并 AKI 的價值
圖像紋理分析是指通過對圖像的像素灰度值局部特征、像素灰度值變化規律及其分布模式的研究提取出紋理特征，獲得對紋理特征定性或定量描述[13]。紋理特征的定量或定性變化可以反映機體的病理及生理變化，為探索疾病診斷和治療提供了新的途徑，是近年影像組學發展的重要組成部分。
近年來，紋理特征分析除了在腎臟腫瘤的診斷、分型、鑒別診斷等研究中取得了進展之外[14-19]，也被應用于部分腎臟非腫瘤疾病的精確診療。Ding 等[20]提出基于 MRI 的彌散加權成像、血氧依賴成像和磁敏感加權成像 3 種技術的紋理特征分析可以用于評估腎功能障礙。Abbasian 等[21]認為，紋理特征分析可以輔助醫生利用超聲圖像診斷腎移植后腎功能衰竭。
周海龍等[22]發現碘對比劑可能有助于突顯圖像紋理特征之間的細微差異，而且當 AP 合并 AKI 時，腎周間隙常伴有大量積液，部分平掃圖像上腎臟邊緣與積液分界欠清，腎周橋隔增厚，不利于腎臟邊緣的勾畫，從而導致感興趣區分割的準確性有可能受到影響；而增強圖像上，腎臟邊緣與積液分界較清楚，對于感興趣區的勾畫也更精確。所以本研究通過雙期增強 CT 圖像的紋理特征分析來診斷 AP 合并 AKI，經過降維篩選出了 6 個紋理特征，分別是相關性、慣性、平均像素值、集群突出、短游程高灰階矩、表面面積。慣性和相關性反映病灶局部像素灰度差異性的大小，慣性值越大而局部差異越大，相關性值越大而局部差異越小[23]。短游程高灰階矩用于描述病灶局部的明暗程度和復雜程度。游程矩陣可以表征感興趣區內一組像素間的灰度相關性，進而評估紋理異質性[24-25]。集群突出表示灰度共生矩陣的傾斜度或不對稱性，值越大，越不對稱。平均像素值反映的是一幅圖像（病灶）的平均像素值。表面面積屬于形狀特征，用于描述感興趣區大小的特征。當 AP 患者并發 AKI 時，CT 增強圖像上可表現為皮髓質強化程度減低、邊界模糊，這可能與腎臟發生損傷時，皮髓質血流灌注減低有關，也與本研究篩選出的紋理特征相符：不合并 AKI 者的圖像較合并 AKI 者清晰，且不合并 AKI 者較合并 AKI 者成分較均一、局部差異較小，局部灰度相關性較大、矩陣元素灰度值更相近。本研究中篩選出的 6 個紋理特征中，相關性、平均像素值、集群突出及短游程高灰階矩的 AUC 值較高（均>0.9），診斷效能較好，且平均像素值及短游程高灰階矩的特異度均達 100%，但是短游程高灰階矩的敏感度較平均像素值略低（76.6%）。綜合而言，在篩選出的 6 個紋理特征中，平均像素值的診斷效能最優。
3.3 本研究的局限性
本研究的不足之處在于：① 本研究樣本量較小，所納入病例的 AP 嚴重程度不等，可能導致數據存在一定偏倚，研究結果有待具有更大樣本量的前瞻性研究進一步證實，在以后的研究中，我們將進一步完善研究設計，擴大樣本量；② 本研究為回顧性研究，對圖像的掃描條件無法做到完全一致，如圖像的層厚等，我們將在今后的研究中進一步優化統一掃描條件。
總之，從本研究結果看，基于增強 CT 圖像紋理分析有助于診斷 AP 合并 AKI，對該疾病的早期識別有重要的臨床意義。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們沒有相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：賈穎和汪翊設計研究方案，賈穎負責收集、分析數據及論文撰寫，汪翊提供了部分數據，黃子星對論文的主要內容作了批評性審閱，魏鴻對論文進行了校對及修改，宋彬對研究及撰寫論文提供指導及支持。
倫理聲明：本研究通過了四川大學華西醫院生物醫學倫理委員會審批（倫理編號：2019 年審 117 號）。
急性胰腺炎（acute pancreatitis，AP）是臨床常見急腹癥，常并發多器官功能障礙綜合征[1-2]，其中急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）的發生率為 14%～43%，僅次于肺功能損害[3]。有文獻[4]報道，重癥急性胰腺炎（severe acute pancreatitis，SAP） 合并 AKI 患者的死亡率較未合并 AKI 患者的死亡率呈 10 倍增加（7% 比 74.7%）。AKI 是 SAP 的獨立死亡因素，因此，對其進行早期識別和干預具有重要的臨床意義。AP 合并 AKI 在增強 CT 上的主要表現為腎臟皮髓質分界不清，早期 AKI 的 CT 影像表現缺乏特異性。圖像紋理分析是一種影像組學技術手段，通過定量提取肉眼無法識別的紋理特征，客觀地反映病灶內潛在的病理異質性，現已用于全身多個器官疾病的鑒別診斷、分級分類診斷、療效評估及風險預測。目前，關于 AP 合并 AKI 在影像組學方面的研究國內鮮有報道。本研究擬基于 CT 增強圖像紋理特征分析初步探討 AP 合并 AKI 的診斷價值。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
回顧性搜集 2016 年 9 月至 2018 年 9 月期間四川大學華西醫院臨床及 CT 影像資料齊全的 AP 患者。AKI 的納入標準如下（符合其中任意一條即滿足）：① 入院 48 h 內，血清肌酐升高≥26.5 μmol/L（0.3 mg/dL）；② 或在 7 d 內，血清肌酐升高超過基礎值的 1.5 倍及以上。AKI 的排除標準如下：① 其他原因引起的急性或慢性 AKI；② CT 圖像質量不佳，無法用于分析。
1.2 檢查技術
所有患者采用 Siemens Definition Flash CT 行腹部平掃、動脈期和門脈期增強掃描，掃描范圍自膈頂至髂窩或至盆腔。增強掃描采用非離子型對比劑碘海醇，劑量為 1.5 mL/kg，由高壓注射器以 2.5～3.5 mL/s 的注射流率經前臂靜脈團注，造影劑注射量 80～100 mL，分別于注射對比劑之后 30 s 和 80 s 采集動脈期和門靜脈期圖像。掃描參數：管電壓 120 kV，參考管電流 210 mAs，準直器層厚 128 mm×0.6 mm，掃描層厚為 2～5 mm，螺距 0.7。
1.3 圖像分析
從 PACS 系統中導出所有納入病例的腹部增強 CT 圖像，提取動脈期及門靜脈期橫斷面圖像導入 ITK-Snap 軟件，手動進行感興趣區勾畫，盡量避開雙腎的囊性病變、鈣化區域及血管影；分別逐層勾畫左腎、右腎輪廓，最終構建雙腎三維容積感興趣區，見圖 1。將勾畫完成的動脈期及門靜脈期的雙腎圖像分別導入 A.K.軟件（Analysis-Kit，GE healthcare）進行紋理特征的提取。
圖1
示用 ITK-Snap 軟件勾畫左側腎臟三維容積感興趣區（紅色區域）截圖
1.4 紋理分析特征篩選
對提取出的紋理特征采用單因素方差分析（analysis of variance，ANOVA）、曼-惠特尼秩和檢驗（Mann-Whitney U test）、Spearman 相關性分析及 LASSO 回歸進行特征降維，用 logistic 回歸篩選出紋理分析特征。采用受試者操作特征（receiver operation characteristic，ROC）曲線對各個紋理特征診斷 AP 合并 AKI 的效能進行分析，計算其敏感度、特異度、準確率、截斷值及曲線下面積（area under curve，AUC）。統計分析軟件為 R 軟件 3.4.3。
2 結果
2.1 納入的患者一般資料及 AP 影像表現
本研究共搜集了 2016 年 9 月至 2018 年 9 月期間四川大學華西醫院臨床及 CT 影像資料齊全的 AP 患者 62 例，其中男 42 例，女 20 例；發病年齡為 23～86 歲、（46±11）歲。合并 AKI 者 39 例，未合并 AKI 者 23 例。合并 AKI 者均為 SAP，有 4 例死亡，21 例患者出院時合并較多嚴重并發癥并無明顯好轉；CT 圖像上可見合并胰周 1 處積液 2 例，合并胰周 2 處及 2 處以上區域積液 37 例，合并胰腺壞死 37 例，合并胸腔積液 38 例，合并腹膜后炎癥 38 例。未合并 AKI 者無死亡病例，出院時病情均有明顯好轉或痊愈；CT 圖像上可見合并胰周 1 處積液 7 例，合并胰周 2 處及 2 處以上區域積液 11 例，合并胰腺壞死 11 例，合并胸腔積液 15 例，合并腹膜后炎癥 19 例。
2.2 紋理分析特征選擇結果及其診斷效能評估
A.K.軟件對分別在動脈期及靜脈期分割出的雙側腎臟三維容積感興趣區進行紋理分析，共提取出 396 項紋理特征，經 ANOVA+Mann-Whitney、Spearman 和 LASSO 交叉分析后篩選出了 6 項紋理特征，分別是相關性、慣性、平均像素值、集群突出、短游程高灰階矩和表面面積，其診斷 AP 合并 AKI 的效能結果見表 1 及圖 2。
表1
篩選出的 6 項紋理特征診斷 AP 合并 AKI 的效能結果
圖2
示 6 項紋理分析特征的診斷效能評估結果
a：相關性；b：慣性；c：集群突出；d：平均像素值；e：短游程高灰階矩；f：表面面積
在篩選出的 6 個紋理特征中，相關性、平均像素值、集群突出及短游程高灰階矩的 AUC 值較高（均>0.9），診斷效能較好，且平均像素值及短游程高灰階矩的特異度均達 100%，但是短游程高灰階矩的敏感度較平均像素值略低（76.6%）。綜合而言，在篩選出的 6 個紋理特征中，平均像素值的診斷效能最優。
3 討論
3.1 AP 合并 AKI 評估的意義及現狀
AP 系指多種原因引起的胰酶激活、繼以胰腺局部炎癥反應為主要特征、伴或不伴其他器官功能改變的疾病，是臨床常見的急腹癥之一[5]。AP 的炎癥反應可局限于胰腺本身，亦可波及胰腺周圍的脂肪組織和鄰近器官，甚至遠處臟器，從而引起多器官功能衰竭[6]。
AP 導致 AKI 的發生機制尚不明確，其可能的發病機制包括低氧血癥、胰腺損傷導致胰腺淀粉酶釋放、腎微循環受損或腹腔間隔室綜合征導致腎灌注壓降低、腹內高壓或低血容量等[7]。當 AP 合并 AKI 時，不僅會增加病死率風險，同時也會加重疾病治療的經濟成本。有 2 篇文獻[8-9]報道 AP 合并 AKI 患者的總死亡率分別為 81% 和 75%。因此，如何在發生腎小管功能障礙之前早期對 AKI 做出準確診斷對于指導臨床干預和疾病預后有重要意義。
雖然血清肌酐可評估腎小球濾過功能受損，是預測和診斷 AKI 最常用的指標，但當腎小球濾過率損失達 50% 時血清肌酐水平才開始發生變化[10-12]；此外，血清肌酐檢測結果受較多因素影響，如年齡、性別、肌肉代謝、蛋白質攝取、脫水、尿路梗阻等。因此，血清肌酐對于 AKI 的診斷具有一定的局限性，僅僅依賴血清肌酐指標診斷 AKI 將錯過從 AKI 到急性腎功能衰竭的治療時間窗，從而大大增加 AKI 的病死率，因而臨床上迫切需要能早期預測 AKI 的指標。
3.2 CT 圖像紋理分析診斷 AP 合并 AKI 的價值
圖像紋理分析是指通過對圖像的像素灰度值局部特征、像素灰度值變化規律及其分布模式的研究提取出紋理特征，獲得對紋理特征定性或定量描述[13]。紋理特征的定量或定性變化可以反映機體的病理及生理變化，為探索疾病診斷和治療提供了新的途徑，是近年影像組學發展的重要組成部分。
近年來，紋理特征分析除了在腎臟腫瘤的診斷、分型、鑒別診斷等研究中取得了進展之外[14-19]，也被應用于部分腎臟非腫瘤疾病的精確診療。Ding 等[20]提出基于 MRI 的彌散加權成像、血氧依賴成像和磁敏感加權成像 3 種技術的紋理特征分析可以用于評估腎功能障礙。Abbasian 等[21]認為，紋理特征分析可以輔助醫生利用超聲圖像診斷腎移植后腎功能衰竭。
周海龍等[22]發現碘對比劑可能有助于突顯圖像紋理特征之間的細微差異，而且當 AP 合并 AKI 時，腎周間隙常伴有大量積液，部分平掃圖像上腎臟邊緣與積液分界欠清，腎周橋隔增厚，不利于腎臟邊緣的勾畫，從而導致感興趣區分割的準確性有可能受到影響；而增強圖像上，腎臟邊緣與積液分界較清楚，對于感興趣區的勾畫也更精確。所以本研究通過雙期增強 CT 圖像的紋理特征分析來診斷 AP 合并 AKI，經過降維篩選出了 6 個紋理特征，分別是相關性、慣性、平均像素值、集群突出、短游程高灰階矩、表面面積。慣性和相關性反映病灶局部像素灰度差異性的大小，慣性值越大而局部差異越大，相關性值越大而局部差異越小[23]。短游程高灰階矩用于描述病灶局部的明暗程度和復雜程度。游程矩陣可以表征感興趣區內一組像素間的灰度相關性，進而評估紋理異質性[24-25]。集群突出表示灰度共生矩陣的傾斜度或不對稱性，值越大，越不對稱。平均像素值反映的是一幅圖像（病灶）的平均像素值。表面面積屬于形狀特征，用于描述感興趣區大小的特征。當 AP 患者并發 AKI 時，CT 增強圖像上可表現為皮髓質強化程度減低、邊界模糊，這可能與腎臟發生損傷時，皮髓質血流灌注減低有關，也與本研究篩選出的紋理特征相符：不合并 AKI 者的圖像較合并 AKI 者清晰，且不合并 AKI 者較合并 AKI 者成分較均一、局部差異較小，局部灰度相關性較大、矩陣元素灰度值更相近。本研究中篩選出的 6 個紋理特征中，相關性、平均像素值、集群突出及短游程高灰階矩的 AUC 值較高（均>0.9），診斷效能較好，且平均像素值及短游程高灰階矩的特異度均達 100%，但是短游程高灰階矩的敏感度較平均像素值略低（76.6%）。綜合而言，在篩選出的 6 個紋理特征中，平均像素值的診斷效能最優。
3.3 本研究的局限性
本研究的不足之處在于：① 本研究樣本量較小，所納入病例的 AP 嚴重程度不等，可能導致數據存在一定偏倚，研究結果有待具有更大樣本量的前瞻性研究進一步證實，在以后的研究中，我們將進一步完善研究設計，擴大樣本量；② 本研究為回顧性研究，對圖像的掃描條件無法做到完全一致，如圖像的層厚等，我們將在今后的研究中進一步優化統一掃描條件。
總之，從本研究結果看，基于增強 CT 圖像紋理分析有助于診斷 AP 合并 AKI，對該疾病的早期識別有重要的臨床意義。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們沒有相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：賈穎和汪翊設計研究方案，賈穎負責收集、分析數據及論文撰寫，汪翊提供了部分數據，黃子星對論文的主要內容作了批評性審閱，魏鴻對論文進行了校對及修改，宋彬對研究及撰寫論文提供指導及支持。
倫理聲明：本研究通過了四川大學華西醫院生物醫學倫理委員會審批（倫理編號：2019 年審 117 號）。
