图像重采样和离散化对肥厚型心肌病 T1 和 T2 映射估计心肌放射组学特征的影响

科学报告|(2022) 12:10186| https://doi.org/10.1038/s41598-022-13937-01 打开图像重采样和离散化效果关于 T1 心肌放射组学特征的估计肥厚型心肌病的 T2 标测Daniela Marfisi1,8, Carlo Tessa2,8, Chiara Marzi3, Jacopo Del Meglio4, Stefania Linsalata1, Rita Borghesi1, Alessio Lilli4, Riccardo Lazzarini5, Luca Salvatori5, Claudio Vignali5, Andrea Barucci3, Mario Mascalchi6, Giancarlo Casolo4, Stefano Diciotti7,Antonio Claudio Traino1 & Marco Gianneli1放射组学正在成为心脏磁共振 (CMR) 成像应用中一种很有前途和有用的工具。因此，本研究的目的是首次研究图像重采样/离散化和滤波对定量 CMR T1 和 T2 映射的放射组学特征估计的影响。具体来说，使用 26 名肥厚型心肌病 (HCM) 患者的 T1 和 T2 图来估计 7 种不同重采样体素大小（固定箱宽度）、9 种不同箱宽度（固定重采样体素大小）和 7 种不同空间过滤器（以固定的重采样体素大小/bin 宽度）。虽然我们发现来自 T1 和 T2 映射的心肌放射组学特征对图像滤波器的显着依赖性，但许多放射组学特征在类内相关系数 (> 0.75) 和变异系数 (< 30%）。大多数纹理放射组学特征的估计显示出与重采样体素大小/bin 宽度的线性显着相关（p < 0.05）。总体而言，事实证明，T2 地图的放射组学特征对图像预处理的敏感性低于 T1 地图的放射组学特征，尤其是在改变 bin 宽度时。我们的结果可能证实了来自 T1/T2 映射的放射组学在 HCM 中的潜力，并有望在其他心肌疾病中发挥作用。肥厚型心肌病 (HCM) 是一种遗传决定的疾病，在一般成年人群中影响约 1:500 人1.它的特点是左心室 (LV) 肥大、肌原纤维紊乱和心肌纤维化。心脏磁共振 (CMR) 成像在 HCM 的诊断、风险分层和治疗计划中具有重要作用，根据欧洲心脏病学会指南，至少应作为初步评估，对所有 HCM 患者进行心脏磁共振 (CMR) 成像2.实际上，CMR 成像被认为是评估心室形态和功能以及评估心室壁厚度的金标准3.此外，晚期钆增强 (LGE) 成像能够识别局灶性心肌纤维化，这已被证明具有1 医学物理单元，比萨大学医院“Pisan University Hospital”，Via Roma 67, 56126 Pisa, Italy。 2 放射科，USL Toscana Nord Ovest，Apuane 医院，54100 马萨，意大利。 3 应用物理研究所“Nello Carrara”，意大利国家研究委员会，50019 Sesto Fiorentino，意大利。 4 心脏病科，USL Toscana Nord Ovest，Versilia 医院，55041 Lido di Camaiore，意大利。 5 放射科，USL Toscana Nord Ovest，Versilia 医院，55041 Lido di Camaiore，意大利。 6 佛罗伦萨大学实验和临床生物医学科学系“Mario Serio”，意大利佛罗伦萨 50121。 7 博洛尼亚大学电气、电子和信息工程系“Guglielmo Marconi”，意大利切塞纳 47522。 8这些作者的贡献相同：Daniela Marfisi 和 Carlo Tessa。电子邮件：m.giannelli@ao-pisa.toscana.it 科学报告|(2022) 12:10186 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-13937-02HCM 患者的阴性预后价值3.最近，已经采用心脏 T1 和 T2 映射技术来获得对心肌组织特征的更定量评估。以前的研究一致发现，HCM 患者的 T1 和 T2 值以及从对比前后 T1 图获得的细胞外体积 (ECV) 值增加，并具有潜在的预后作用5.实际上，天然（即未使用造影剂）T1 和 ECV 值都被认为是心肌纤维化的标志物12.另一方面，T2 映射目前被认为是评估心肌水肿的金标准。 T2 值升高，可能与轻度心肌炎症和扩张的淋巴管有关13，已在 HCM 患者中得到证实，并已被证明与心律失常风险增加有关15，以及更严重的心肌损伤17.然而，这些映射技术的实用性受到 HCM 患者与健康对照之间以及 HCM 患者与其他心肌疾病患者之间 T1 和 T2 值部分重叠的限制18.放射组学是一种新颖的工具，它涉及从数字医学图像中提取大量定量的形态和纹理特征（即放射组学特征）22.其基本思想是医学图像是包含客观和定量信息的数据，这些信息不能像常规临床实践中通常执行的那样从定性视觉检查中获得。除了来自人口统计学、病理学、血液生物标志物和基因组学的其他可用数据外，放射组学特征还可用于利用统计或机器学习 (ML) 方法的诊断、预后或预测目的22.虽然放射组学分析主要应用于肿瘤学领域，但人们越来越关注通过利用放射组学技术提高 CMR 成像的诊断准确性和预后价值25.最近，放射组学已成为揭示 HCM 患者心肌组织特征的有用工具18.在这方面，以往的研究主要集中在传统的 T1 加权、T2 加权、电影和 LGE 图像上18.然而，鉴于其固有的定量性质，T1 和 T2 图可能特别适合放射组学分析。到目前为止，只有少数研究将纹理分析应用于 HCM 患者的 T1 图19.他们发现纹理特征能够区分高血压心脏病 (HHD)、HCM 和健康受试者19, 在具有不同基因突变的 HCM 患者之间20，以及 LGE 和 LGE-患者之间36.尽管对 CMR 成像的放射组学越来越感兴趣，但它的正确应用值得谨慎，并对可能依赖于各种因素的放射组学特征进行初步评估。事实上，放射组学工作流程的每一步（即图像采集和重建、图像分割、图像预处理、图像过滤和特征提取）都可能影响特征估计，从而可能影响它们的判别或预测能力37.先前的几项研究已经评估了放射组学特征估计对计算机断层扫描 (CT) 中各种元素的敏感性39和核医学（NM）42成像，以及磁共振成像 (MRI)，适用于各种应用44.另一方面，只有三项研究评估了 CMR 成像中的一些问题56.特别是，Jang 等人。56研究了模型、健康参与者和被转诊进行临床 CMR 成像的患者的重测可重复性以及观察者间和观察者内的可重复性。他们在体内测试-再测试研究中观察到采集序列之间的不同可重复性模式。此外，在观察者间和观察者内的可重复性分析中，1023 个特征中分别有 32-47% 和 61-73% 被确定为可重复性，显示组内相关系数 (ICC) ≥ 0.8。在所有分析中，一阶和灰度共现矩阵是最常识别的可再现放射组学特征类。 Jang 等人的另一项 CMR 成像研究。57已经在一组健康参与者和一组异质患者中评估了放射组学特征估计对采集序列参数变化的敏感性，包括翻转角、平面内空间分辨率、切片厚度和平行成像技术。总体而言，他们发现，在 4007 个考虑的放射组学特征中，大约 60% 对任何采集参数（即标准化 Cohen 平均差 < 0.2）的变化具有稳健性，具有定性采集序列（即电影平衡稳态自由进动、T1 加权破坏梯度回波、T2 加权涡轮自旋回波）和定量 T1/T2 映射分别对面内空间分辨率和翻转角的变化最敏感。阿里斯等人。58 已经评估了影像学特征的观察者间再现性，以及心脏相位（即收缩期、舒张期或覆盖心动周期的 4D 电影图像叠加）对影像学特征估计的影响，来自非增强电影 CMR 图像健康的受试者。对于观察者间分析，他们发现ICC>0.8/0.85/0.9的放射组学特征的数量随着心动周期的不同阶段而变化，属于灰度级大小区域矩阵的纹理特征表现最差。此外，在 352 个放射组学特征中，大约 55% 的变异性（就变异系数而言）在整个心动周期中 > 20%，与其他特征类相比，灰度依赖矩阵和灰度运行长度矩阵类显示出更少的变异性。图像重采样和离散化以及空间滤波是放射组学工作流程的一些步骤，可以在从采集的图像数据中提取放射组学特征之前作为预处理执行59.特别是，相同体素大小的图像插值是一种常见且推荐的做法（尤其是在回顾性研究中），以减少采集体素大小的任何异质性，而需要图像离散化以减少纹理特征估计的计算负担42.此外，在放射组学特征估计之前应用空间滤波器可以揭示更多的组织特征。值得注意的是，这样的预处理实际上会改变获取的图像数据，并可能改变它们的放射学特征。尽管如此，到目前为止，还没有工作专门评估图像重采样/离散化和空间滤波对 CMR 成像放射组学特征估计的影响。因此，这项工作旨在首次全面评估预处理（在体素大小重采样、地图值离散化和空间过滤方面）对一组 HCM 患者的 CMR T1 和 T2 映射估计的放射组学特征的影响. 科学报告|(2022) 12:10186 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-13937-03临床和 CMR 衍生特征年龄（岁）66 ± 11LV ED 体积 (ml/m2)74 ± 15LV ES 体积 (ml/m2)23 ± 14LV 每搏输出量 (ml/m2)51 ± 13左室射血分数 (%)70 ± 15质量（克/米2)96 ± 21RV ED 体积 (ml/m2)61 ± 13RV ES 体积 (ml/m2)23 ± 6右室每搏输出量 (ml/m2)38 ± 9RV 射血分数 (%)63 ± 6厚度（毫米）19 ± 3LGE19/26表格1。26 名 HCM 患者的临床和 CMR 衍生特征（平均值±标准差）。 LV 左心室，ED 舒张末期，ES 收缩末期，RV 右心室，LGE 晚期钆增强。方法科目。我们回顾性地确定了 26 名受试者（12 名女性，14 名男性），在 2013 年 11 月至 2020 年 7 月期间因已知或疑似 HCM 而转诊进行临床 CMR 成像，并对其进行了包括 T1 和 T2 映射序列的综合 MRI 研究。 HCM 诊断遵循最新的欧洲心脏病学会指南，并基于一个或多个心肌节段中存在 LV 壁厚 ≥ 15 mm，而不是仅仅通过负荷条件来解释2.患者组的临床特征详见表 1。该研究得到了 Azienda USL Toscana Nord Ovest（意大利比萨）当地伦理委员会的批准。所有受试者均获得书面知情同意书，所有实验均按照相关指南和规定进行。CMR 成像。所有 CMR 成像检查均使用配备 45 mT/m 梯度强度和 12 通道相控阵线圈的 1.5 T MRI 扫描仪系统（MAG-NETOM Avanto，Siemens Healthcare，Erlangen，Germany）进行。使用 TrueFISP 序列（TR = 2.5 ms，TE = 1.2 ms）在 2 室和 4 室视图平面（每个 3 片）和短轴视图（包含整个 LV 的 8-14 片）中执行电影图像，切片厚度 = 8 毫米）。 T1 和 T2 图均在短轴视图中获得（单个切片位于心肌厚度，用电影图像评估，最大）。 T1 映射是利用修改后的锁定反转恢复 (MOLLI) 脉冲序列和 3-3-5 采集方案进行的61.脉冲序列参数如下：TE/TR = 1.14/2.5 ms，翻转角 = 35°，矩阵尺寸 = 126 × 192，面内分辨率范围为1.77 mm × 1.77 mm 至 2.34 mm × 2.34 mm，典型视野 = 380 mm × 275 mm，切片厚度 = 8 mm。使用 T2 制备的 TrueFISP 序列获得 T2 图62具有以下参数：T2 准备时间 = 0/24/55 ms，TR = 4 × R–R，翻