膀胱腫瘤MR影像三維厚度特征的初步研究.pdf

1、美國癌癥協(xié)會(American Cancer Society)去年發(fā)布的《Cancer facts& figures2013》指出:2013年膀胱腫瘤位居全美惡性腫瘤發(fā)病率排行榜第四,致死率則位于惡性腫瘤排行第七位。中華醫(yī)學(xué)會泌尿外科分會編撰的《中國泌尿外科疾病診斷治療指南(2011版)》指出,中國男性膀胱腫瘤的發(fā)病率位居第六,且發(fā)病率和致死率逐年增長。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,非浸潤肌層的膀胱腫瘤患者的五年生存率高達(dá)96％,隨著腫瘤浸潤程度的加深

2、,五年生存率顯著下降,因此膀胱腫瘤的早期篩查對于提高患者生存率具有顯著意義。更為重要的是,膀胱腫瘤的復(fù)發(fā)率很高,文獻(xiàn)指出約有10-70%的局限于粘膜層的膀胱腫瘤患者在五年內(nèi)會復(fù)發(fā)或新發(fā)腫瘤;約有50%的非浸潤肌層的膀胱腫瘤患者,術(shù)后18個月中再次發(fā)現(xiàn)膀胱腫瘤,而有7%的膀胱腫瘤浸潤肌層的患者在術(shù)后5年內(nèi)仍然有腫瘤復(fù)發(fā)的現(xiàn)象。為防止膀胱腫瘤的復(fù)發(fā),患者每三到六個月必須進(jìn)行定時隨訪檢查。
　　現(xiàn)有的膀胱腫瘤檢查手段中,膀胱鏡檢查是金標(biāo)

3、準(zhǔn)。但膀胱鏡的局限性在于其有創(chuàng),侵入性,存在視野盲區(qū),且只能提供膀胱腔內(nèi)的可視化信息,對膀胱壁壁厚的細(xì)微變化和周圍軟組織器官的變化難以獲取,因此在早期篩查與隨訪中難以廣泛應(yīng)用。綜上所述,快速無創(chuàng)的膀胱腫瘤早期篩查與隨訪檢查技術(shù),對于膀胱癌的防治具有重要意義。
　　近期多個影像學(xué)研究結(jié)果表明,膀胱腔內(nèi)病變可引起膀胱內(nèi)、外壁的形態(tài)特征變化,其中膀胱壁厚度特征的局部變化,被臨床公認(rèn)為是膀胱壁上病變發(fā)生的有說服力指標(biāo)。針對膀胱壁厚度特征的

4、研究與分析對于膀胱壁上病變的檢出、正常組織與病變組織的區(qū)分是非常有意義的。然而由于不同個體的膀胱形態(tài)各不相同,同一個體在不同時刻、不同充盈狀態(tài)下的膀胱形態(tài)也不盡相同,因此難以對膀胱壁厚度特征進(jìn)行定量分析與比較。
　　針對以上問題,本論文基于膀胱MRI成像,首先建立了一套完整的膀胱壁厚度特征測量與分析流程,能夠?qū)Σ煌颊?、同一患者不同狀態(tài)下的膀胱壁進(jìn)行分割提取、厚度特征計算及標(biāo)準(zhǔn)化分析。在此基礎(chǔ)上,基于志愿者及膀胱腫瘤患者影像數(shù)據(jù),

5、對膀胱壁病變組織與壁組織的三維厚度特征進(jìn)行了實驗及分析,實驗結(jié)果對于了解膀胱壁厚度特征變化及進(jìn)行膀胱壁病變檢測有較高應(yīng)用價值。
　　本研究的工作主要分為以下兩大部分:
　　第一部分,膀胱壁三維厚度測量與分析流程的建立。該流程主要包括以下關(guān)鍵環(huán)節(jié):MR成像序列選擇與數(shù)據(jù)采集;膀胱內(nèi)外壁信息的提取;膀胱壁三維厚度的計算;厚度數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化,膀胱形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化等。具體算法及步驟如下:
　　1、MR成像序列選擇與數(shù)據(jù)采集:獲得清晰的膀

6、胱內(nèi)外壁MR影像是后續(xù)分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。根據(jù)成像是否快速高效、膀胱內(nèi)外壁的成像效果是否清晰、與周圍尿液或軟組織是否有較好的對比度為原則,選取了T2加權(quán)快速回波序列作為基本采集序列。
　　2、膀胱內(nèi)外壁的分割提取:若要對膀胱壁三維厚度進(jìn)行計算分析,首先需要準(zhǔn)確獲取膀胱內(nèi)外壁的完整輪廓。論文采用課題組前期提出的針對T2加權(quán)序列圖像的coupled directional level-set膀胱內(nèi)外壁自動分割算法,對獲得的MRI數(shù)據(jù)膀胱內(nèi)

7、外壁進(jìn)行自動分割。對個別自動分割結(jié)果不準(zhǔn)確的區(qū)域,由放射科醫(yī)師檢查并進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖止ふ{(diào)整。
　　3、膀胱壁三維厚度的計算:在得到準(zhǔn)確的膀胱內(nèi)外壁信息后,采用三維拉普拉斯偏微分方程法對膀胱壁三維厚度進(jìn)行定義與計算,以得到更準(zhǔn)確一致的厚度估計。
　　4、厚度數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化:由于三維厚度特征值的變化受到膀胱個體差異的影響,難以定量比較,本研究采用均值比標(biāo)準(zhǔn)化、極差標(biāo)準(zhǔn)化、Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化等數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化方法對三維壁厚的計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值標(biāo)

8、準(zhǔn)化。
　　5、膀胱形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化:在對三維厚度特征進(jìn)行了數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化后,為了克服不同膀胱形態(tài)差異的影響,利用課題組前期提出的Free-Form Deformation(FFD)參數(shù)模型對膀胱形態(tài)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,并將三維厚度特征映射到標(biāo)準(zhǔn)化模型上,實現(xiàn)了不同形狀膀胱壁厚的定量比較。提出的形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化方法,亦可用于其他特征如灰度、紋理特征的映射比較。
　　第二部分,膀胱壁厚度變化的影像實驗分析。采集膀胱MR影像數(shù)據(jù)共20例,其中患者與志愿

9、者數(shù)據(jù)各10例,每套數(shù)據(jù)約85-90層,兩組人員不存在年齡的統(tǒng)計學(xué)差異。基于提出的三維厚度特征測量與分析流程,本研究對正常壁組織及膀胱壁病變組織的三維厚度特征進(jìn)行了實驗與分析。主要包括以下五個實驗:
　　1、測量與分析流程中關(guān)鍵算法性能的驗證:對coupled directional level-set膀胱內(nèi)外壁自動分割算法、基于拉普拉斯偏微分方程的三維厚度計算方法、FFD參數(shù)模型變形與特征映射算法進(jìn)行了模型與臨床數(shù)據(jù)驗證。結(jié)果表

10、明三種算法均適用于本研究建立的膀胱壁三維厚度測量與分析流程。
　　2、志愿者組與患者組間膀胱壁三維厚度特征的顯著性差異分析:為了研究志愿者組與患者組間的厚度特征是否存在差異,計算出患者組與志愿者組共20例數(shù)據(jù)的膀胱壁三維厚度值,并進(jìn)行兩組厚度樣本的雙邊t檢驗。結(jié)果顯示志愿者數(shù)據(jù)與患者數(shù)據(jù)的膀胱壁三維厚度值存在統(tǒng)計學(xué)上的顯著差異,患者組均值高于志愿者組均值。
　　3、膀胱壁三維厚度特征數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化分析:為了消除個體差異對壁厚分析

11、的影響,本研究分別采用均值比標(biāo)準(zhǔn)化(NBWT)和極差標(biāo)準(zhǔn)化(SBWT)對膀胱壁三維厚度值進(jìn)行數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化,并對兩組間的差異進(jìn)行分析。
　　(1)用NBWT=1.5作為閾值對腫瘤和壁組織進(jìn)行區(qū)分,可篩選出腫瘤組織的主體部分,但腫瘤組織與壁組織的過渡區(qū)域沒有被準(zhǔn)確篩選出。
　　(2)對志愿者組與患者組的SBWT值進(jìn)行雙邊t檢驗,檢驗結(jié)果顯示,志愿者組與患者組的SBWT值存在統(tǒng)計學(xué)上的顯著性差異,患者組均值低于志愿者組均值。

12、　　(3)為分析尿液會否引起膀胱壁上下厚度的變化,對志愿者組數(shù)據(jù)頂部與底部厚度樣本進(jìn)行雙邊t檢驗,結(jié)果顯示志愿者數(shù)據(jù)頂部與底部厚度無統(tǒng)計學(xué)上的顯著性差異。
　　4、膀胱形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化、特征映射及正常膀胱標(biāo)準(zhǔn)化厚度模板的建立:膀胱形態(tài)的較大差異使得不同膀胱間的定量比較難以進(jìn)行。通過采用FFD參數(shù)模型進(jìn)行膀胱形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化,并將三維厚度特征映射到標(biāo)準(zhǔn)模型上,可有效解決該問題。
　　(1)將10組志愿者膀胱數(shù)據(jù)分別標(biāo)準(zhǔn)化為橢球體,再進(jìn)行尺

13、度變化、球心平移后,將對應(yīng)位置體素的厚度值進(jìn)行平均,建立了一個正常膀胱的標(biāo)準(zhǔn)化厚度模板。此模板形狀為標(biāo)準(zhǔn)橢球體,反映了正常膀胱的厚度特征分布,可用作壁厚分析的標(biāo)準(zhǔn)模板。
　　(2)為了進(jìn)一步研究正常膀胱頂部與底部的厚度特征是否存在差異,對正常膀胱標(biāo)準(zhǔn)化厚度模板分為頂部體素和底部體素兩組,兩組間體素厚度進(jìn)行雙邊t檢驗,檢驗結(jié)果顯示模板頂部與底部的厚度特征不存在統(tǒng)計學(xué)上的顯著差異。
　　(3)利用正常膀胱標(biāo)準(zhǔn)化厚度模板與患者膀胱

14、數(shù)據(jù)做Z-Score分析。對10例腫瘤數(shù)據(jù)的Z-Score分析結(jié)果表明,閾值范圍在[2,2.5]間時,可從壁組織中有效篩選出腫瘤組織。
　　5、膀胱充盈程度與三維厚度變化的分析:
　　(1)為研究患者組與志愿者組間的膀胱容積特征是否因三維厚度特征的顯著性差異而存在差異,對兩組間的容積值進(jìn)行雙邊t檢驗。檢驗結(jié)果表明,兩者不存在顯著性差異。
　　(2)為研究志愿者組內(nèi)容積與壁厚的關(guān)系,對10例志愿者膀胱容積與膀胱壁三維厚度

15、均值行相關(guān)性分析。分析結(jié)果顯示,二者不存在顯著相關(guān)性。
　　(3)為進(jìn)一步研究同一個體在不同充盈程度時容積與壁厚的變化關(guān)系,對志愿者膀胱充盈動態(tài)過程中容積與厚度的變化關(guān)系進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明,膀胱壁厚值與容積的立方根呈反向變化關(guān)系,并根據(jù)已有數(shù)據(jù)點擬合出厚度與容積立方根的變化關(guān)系曲線,得出了厚度與容積立方根變化關(guān)系函數(shù)。
　　綜上所述,本研究創(chuàng)新建立了一套完整的膀胱壁三維厚度特征測量與分析流程,并在此基礎(chǔ)上,對正常壁組織