【揭秘】VPD的MRI-PalqueView软件为何成为全球最广泛应用的血管斑块分析诊断工具


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编者按:MRI-PlaqueView是市场上唯一一款经美国FDA及中国国家食品药品监督管理总局核准的临床用血管斑块分析系统。该系统可基于常规临床MRI图像定性及定量分析血管斑块成分,鉴别斑块类型,评估卒中风险。其核心算法的准确性、可重复性以及有效性已经在临床和学术界得到了充分的验证,是国际上这个领域内广泛采用标准化工具。目前已经被用于数十项医学临床研究项目并在国际学术期刊发表(详情见MRI-PlaqueView支持文献汇总),并且在近百家国内外医院中已经安装提供为患者临床服务。

VPD的MRI-PlaqueView系统不仅有优越的血管形态学自动分析功能,而且拥有一项目前其他产品不具备的核心技术,即血管管壁内的斑块成分自动识别。这项技术是集血管外科专家,病理学家,磁共振技术专家,图像处理专家及软件科学家多学科的诸多学者共同努力多年的学术成果。其基础文献发表于2006年(Magnetic Resonance in Medicine 55:659 – 668 ,2006,Automated In Vivo Segmentation of Carotid Plaque MRI with Morphology-Enhanced Probability Maps)。文中介绍了VPD产品MRI-PlaqueView的底层技术原理:基于最大后验概率贝叶斯理论,将轴向、多对比度加权图像划分为坏死核心、钙化、疏松基质和纤维组织。该方法的主要优点是在模型中加入了形态学信息,例如局部壁厚和到管腔的距离,来限制噪声和伪影的影响。并有助于后续出血斑块的自动检测。

研究中的主要数据包括对受试者术前扫描的142 组多对比磁共振图像,以及颈动脉内膜切除术后获取的组织病理切片。通过采用本文提出的方法分割斑块成分,与病理学切片对比,相关性指数 (R2) 分别为 0.78、0.83、0.41 和 0.82。相比之下均高于手动识别的斑块成分与病理学切片的相关性指数( 0.71、0.76、0.33 和 0.78 )。此项技术目前已经获得美国专利批准(US8131336B2)。

这些结果表明,在进行大量磁共振病例的斑块分析处理中,利用VPD的产品MRI-PlaqueView进行的血管斑块成分的自动识别及分割的正确性及可靠性,并且在量化斑块成分方面相较于人工识别甚至更优。相比近年来出现的AI等其他方法,VPD的斑块分析由于是基于病理切片(金标准),因此具备机理明确且严谨的优势,每一个参数均具有明确的病理学意义及物理学定义,这也是PlaqueVIew之所以被国际医学界广泛认可的核心原因之一。





Magnetic Resonance in Medicine 55:659 – 668 ,2006,Automated In Vivo Segmentation of Carotid Plaque MRI with Morphology-Enhanced Probability Maps文献翻译如下:)


01/ 背景
大量研究表明:不同成分在不同MRI扫描序列下的成像特征不同,可结合多对比图像,识别斑块成分。已有研究证实,基于影像特征手动分割的斑块成分与组织学坏死核心、钙化、疏松基质和纤维组织的体积密切相关。然而,用自动分割方法代替主观的手动分割,可以节省图像审查的时间,减少读取图像所需的大量培训以及评分者间差异性。我们工作的目标是开发一种灵活的多对比度斑块分割技术,在体测量斑块成分,并通过组织学验证该方法的有效性。在本研究中,我们将形态分布信息视为确定斑块成分的重要因素,因此,我们将此方法称为“形态增强概率斑块分割”(Morphology-Enhanced Probabilistic Plaque Segmentation ,MEPPS)。
02/ 方法
研究人群:招募31名受试者,在 GE Signa 1.5T MR 扫描仪上进行成像,以获得 T1 (TR 800ms, TE 11ms)、T2 (TR 3150ms, TE 66ms)、质子密度(PD;TR 2770ms,TE 9.3ms),飞行时间(TOF;TR 23ms,TE 2.8ms)和增强T1(TR 800ms,TE 11ms)图像。随后受试者行颈动脉内膜切除术,获取组织学标本,确定组织切片坏死核心(包括斑块内出血)、钙化和疏松基质,并与 MR 图像比对。疏松基质包括所有松散编织的组织,例如富含蛋白多糖的纤维基质、组织血栓和肉芽肿。所有未列出的剩余组织都被认为是致密的纤维基质。
切割算法31名受试者中,5名受试者因图像质量过低被排除,剩余26人纳入数据分析。在这26人中,14人提供的84个位点的图像被用于训练集(training dataset),12人提供的58个位点用于验证集(testing dataset)。训练集中的 84 个位置用于训练 MEPPS 算法,该算法已集成到 CASCADE 中。MEPPS 算法首先确定每个像素属于 4 种组织类型(坏死核心、钙化、疏松基质、纤维组织)中某一种的的概率。然后,采用主动轮廓模型(competing active contour)识别每种组织类型的高概率边界。
在设计 MEPPS 算法时,我们尝试模仿放射科医生在人工审查中使用的思维过程。首先,人工审查通常依赖于相对强度(例如,超强度、低强度或等强度)来描述图像特征。因此,我们对图像进行预处理,为每个图像建立基线等强度,并相对于该基线调整所有像素值。其次,审稿人在对区域进行分类时,除了强度之外,还会使用形态学线索,例如局部壁厚。因此,我们根据强度和形态分配概率。最后,审阅者直观地使用最具附加值的对比度权重对区域进行分类。(更详细的算法内容请移步原文)
图1展示了不同图像处理方式的成分分割结果:(a) 高斯分类器自动标注结果;(b) 仅基于强度的概率图和区域轮廓,绿色为坏死核心,红色为钙化,蓝色为疏松基质,灰色为纤维组织;(c) 纳入形态学信息之后的概率图和区域轮廓;(d) 在 T2 加权图像上显示的手动分割结果;(e) 组织学标本 。
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03/ 结果
表1(Table 1)展示了不同方法识别的斑块成分与组织学成分的相关性指数(R方)。在解读这个表之前,我们先明确一下一些名词的统计学含义:


相关性:指两个变量的关联程度。一般地,从散点图上可以观察到两个变量有以下三种关系之一:两变量正相关、负相关、不相关。例如:如果一个变量随着某个变量的升高而增加,那么这两个变量正相关。

相关性系数:变量之间线性相关程度的量,一般用字母 r 表示,取值范围为[-1,1],越接近1,说明存在线性关系,相关程度越高。

相关性指数:R2,取值范围为[0,1],越接近1,说明实际观测点离样本线越近,拟合优度越高。

由表1可以看出,MEPPS算法的分类结果与组织学分类的相关性指数最高,与4 种组织类型(坏死核心、钙化、疏松基质、纤维组织)的相关性指数分别为 0.78、0.83、0.41 和 0.82。


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表2(Table 2)比较了MEPPS和人工分割斑块成分的敏感性和特异性。可以看出,MEPPS方法明显优于人工手动识别。


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表3(Table 3)比较了不同扫描序列下,MEPPS分类结果与组织学分类的相关性指数,可以看出最优序列组合为T1_T2_PD_TOF
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04/ 结论
这项研究表明,在体颈动脉 MRI 的自动分割是可以实现的,其确定的坏死核心、钙化、疏松基质和纤维组织区域,与人工识别相似,甚至表现更优。因此,MRI斑块自动分割技术定性定量分析斑块成分,可用于研究斑块成分特征与斑块易损性的关联,也可根据斑块成分的动态变化评估治疗效果。

统计学名词解释
最大后验概率贝叶斯理论:参数为一个已知分布的随机变量(先验),结合似然估计得到接近其真实分布的后验分布,后验分布的最大值 即为的估计值。



— THE END —

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