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作者：

蔡恒1，范晟昱2，边钺岩2，杨旗3，龙镇海4，陈亮宇1，唐伟1，张楠1，甄永煜4，李志清1

作者单位：

1. 中国医科大学附属盛京医院神经外科

2. 南京京钺曦医疗科技有限公司

3. 北京朝阳医院放射科

4. 辽宁省阜新市中心医院

[REF: Cai H, Fan S, Bian Y, et al. Two-way comparison of brain perfusion image processing software for patients with acute ischemic strokes in real-world.

Neuroradiology. 2022;64(1):161-169. doi:10.1007/s00234-021-02771-2] PMID: 34331546

摘 要

目的

灌注成像分析缺血组织区域已成为对缺血性脑卒中患者辅助临床决策有效手段。然而，不同灌注后处理分析结果的可信度和一致性存在不确定性，特别是针对与小梗死灶患者。本文主要对imSTROKE软件与RAPID软件在缺血区体积测量方面的表现展开研究。

方法

本文采集611例急性缺血性脑卒中患者治疗前脑部影像检查数据，其中349例患者采用CTP检查，262例患者采用PWI、DWI、ADC多模影像检查。核心梗死区和低灌注区体积分别由imSTROKE软件和RAPID软件进行处理。通过对体积达到25mL、50mL、70mL的精度进行评估，使用Bland–Altman分析和类内相关系数判断两种软件处理方法间的一致性。

结果

imSTROKE软件处理得到低灌注区体积中值为68.20mL，核心梗死区体积中值为29.18mL。RAPID软件处理得到低灌注区体积中值为68.55mL，核心梗死区体积中值为29.53mL。两种软件处理得到低灌注区体积类内相关系数（95%置信区间）为0.9885（0.9865~0.9902），核心梗死区体积类内相关系数（95%置信区间）为0.9880（0.9860~0.9898）。

结论

imSTROKE软件与RAPID软件处理结果具有高度一致性，两种均可利用CTP、PWI、DWI和ADC影像，分析获得低灌注区和核心梗死区体积。对于小体积的梗死核心灶，imSTROKE的检测结果比RAPID具有更高的灵敏度。

【关键词】

灌注成像；急性缺血性卒中；缺血区体积；脑部后处理软件

计算机断层扫描灌注成像(Computed Tomography Perfusion,CTP)、磁共振灌注成像(Perfusion Weighted Imaging,PWI)、弥散成像(Diffusion Weighted Imaging,DWI)及表观弥散系数(Apparent Diffusion Coefficient,ADC)已证明在急性缺血性脑卒中血管内治疗中扮演关键性作用，尤其对于不明时间窗卒中或超过6h时间窗卒中患者的筛选。目前已有多种通过设定固定阈值的方法，从最大达峰时间(Time to Maximum Peak,Tmax)、脑血流速(Cerebral Blood Flow,CBF)及ADC图像中提取低灌注区及核心梗死区的体积，以此作为对急性缺血性脑卒中超窗患者血管内治疗筛选标准之一。通过反卷积计算方法对CTP和PWI图像进行处理，生成包含脑血流量(Cerebral Blood Volume,CBV)、CBF、平均通过时间(Mean Transit Time,MTT)、Tmax。在CTP检查处理流程中，Tmax大于6s的由大脑中动脉供血的脑组织被认为是低灌注区（包含核心梗死区和缺血半暗带），而大脑异常侧CBF值低于30%正常侧CBF值的由大脑中动脉供血的脑组织被认为是核心梗死区。在PWI检查处理流程中，低灌注区的测量方法与CTP相同，但核心梗死区由ADC值低于620区域定义。目前已有多种针对脑灌注影像处理软件可提供全自动的缺血半暗带和核心梗死区体积量化的功能。

由于缺少标准的影像扫描协议，不同脑部医学影像分析软件针的处理结果存在一定差异，因此评价不同软件处理结果的一致性至关重要。本文中对比的两款脑部医学影像分析软件分别为RAPID和imSTROKE，其中RAPID软件已用于DAWN、DIFFUSE3等多个临床试验中对急性缺血性脑卒中患者进行筛选，而imSTROKE软件目前在多家医院进行应用，能够提供全自动核心梗死区和缺血半暗带体积量化服务。因此本文目的为对比imSTROKE与RAPID软件处理结果间的差异。

资料和方法

一

研究对象

共采集611例急性缺血性脑卒中患者治疗前脑灌注影像检查数据，其中349例患者采用CTP检查，262例患者采用磁共振PWI、DWI、ADC多模影像检查。纳入的患者需要符合以下标准：临床诊断急性缺血性脑卒中，美国国立卫生研究院脑卒中量表（National Institutes of Health Stroke Scale，NIHSS）为5分或以上，CT或磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）检查中未发现出血，CT血管造影证实前循环颅内大动脉闭塞。影像数据覆盖病人大脑需要超过100mm。排除存在严重运动伪影及低质量的图像数据。所有患者记录及图像均在采集过程中进行匿名化脱敏，并已从所有患者或其法律代表处获得书面知情同意。

二

研究方法

部分患者的影像数据采集协议存在差异。表1显示CTP、PWI、DWI及ADC扫描方案的详细信息。所有的数据集都分别用imSTROKE与RAPID软件进行处理，其参数见表2。所有的软件包都包含自动配准、运动矫正、动脉输入函数提取与区域分割。两种软件均将低灌注脑组织区定义为Tmax大于6s，且为大脑中动脉供血区的脑组织，在CTP检查中核心梗死区定义为大脑异常侧CBF值低于30%正常侧CBF值且由大脑中动脉供血的脑组织，在PWI检查中核心梗死区定义为ADC值低于620且由大脑中动脉供血的脑组织。

三

统计学方法

采用SPSS17.0和Medcalc19.6.3软件进行数据分析。不符合正态分布的数据中位数和均值表示，分类变量以数字(百分比)表示，采用配对差异的Wilcoxon检验作为非参数检验。采用Bland-Altman分析95%置信度(Confidence Interval，CI)和类内相关系数(Intra-class Correlation Coefficient，ICC)来确定RAPID、imSTROKE之间的一致性。ICC值由Koo等提出的标准进行解释:<0.50（较差）,0.50-0.75（中等）,0.75-0.90（良好）,>0.90（优秀）。

为分析两种软件是否具有一致性，本文设定不同阈值区间计算准确率、精确率、敏感性、特异性。本文检测梗死核心区体积≤25mL、≤50mL和≤70mL的一致性。根据DEFUSE3试验的上四分位数范围（p75）选择25mL阈值，根据DAWN、EXTEND-IA和DEFUSE3试验的数据（纳入上限）选择50mL和70mL阈值。P值<0.05认为有统计学意义。

结 果

本文分别对两种软件的处理结果进行统计分析。表3、表4和表5分别显示利用CT、MR和所有图像处理的核心梗死区体积结果的中值、四分位距、均值和标准差。表6、表7和表8分别显示利用CT、MR和所有图像处理的低灌注区体积结果的中值、四分位距、均值和标准差。

本文整理了imSTROKE和RAPID软件对所有611例患者数据处理结果，并分别对核心梗死区和低灌注区体积结果进行统计分析，得到p值分别为0.0689,0.0597，均无明显统计学差异。通过分析两款软件的核心梗死区的处理结果发现，对于体积偏小（0~15mL）,数据点分布较为分散，存在少量偏离点；对于体积在15~30mL范围内的，数据点分布较为集中；而体积在40mL以上时，数据点分布较为分散。经Bland-Altman分析，其平均差异为-0.5mL,95%置信区间为-6.3~5.4mL。利用上述方法对低灌注区体积进行统计分析，结果显示体积超过110mL数据点分布相比体积小于110mL的数据点分布分散，而其Bland-Altman图显示其平均差异为-1.8mL,95%置信区间为-16.5~12.8mL，详情请见图1。

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图1 611例缺血性脑卒中患者的CT及MR影像经imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区、低灌注区体积散点图和对应的Bland-Alman分析图。

A：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区散点图，虚线代表y=x参考线；

B：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围。

由于在两款软件中对CT和MR检查中运用的处理方法不同，为了能进一步对比两款软件分别在CT和MR检查中的一致性，本文将imSTROKE和RAPID软件对349例以CT检查和262例以MR检查为影像评估的患者的处理结果分别进行了统计分析。在CT检查组中，两款软件对核心梗死区和低灌注区体积的统计分析p值分别为0.0584和0.0635，均无明显统计学差异。Bland-Altman分析显示，平均差异分别为-0.4mL和-1.9mL,95%置信区间范围分别为-6.4~5.6mL和-16.1~12.3mL，详情见图2。在MR检查组中，两款软件对核心梗死区和低灌注区体积的统计分析p值分别为0.0789和0.0828，同样均无明显统计学差异。经Bland-Altman分析，平均差异分别为-0.5mL和-1.8mL，95%置信区间范围分别为-6.3~5.2mL和-17.0~13.5mL，详情见图3。

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图2 349例缺血性脑卒中患者CTP影像检查经imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区、低灌注区体积散点图和对应的Bland-Alman分析图。

A：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区散点图，虚线代表y=x参考线；

B：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围；

C：imSTROKE和RAPID软件测量低灌注区散点图，虚线代表y=x参考线；

D：imSTROKE和RAPID软件测量低灌注区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围。

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图3 262例缺血性脑卒中患者PWI\DWI和ADC影像检查经imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区、低灌注区体积散点图和对应的Bland-Alman分析图。

A：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区散点图，虚线代表y=x参考线；

B：imSTROKE和RAPID软件测量核心梗死区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围；

C：imSTROKE和RAPID软件测量低灌注区散点图，虚线代表y=x参考线；

D：imSTROKE和RAPID软件测量低灌注区Bland-Alman分析图，实线代表均值差异，虚线代表95%置信度范围。

本文还分别对CT检查组、MR检查组及全数据集进行ICC的统计分析，结果显示在所有分组中ICC均超过0.98，95%置信区间下限均超过0.98，详见表9。同时为了分析在不同体积范围两者的一致性情况，本文对两款软件对≤25mL、≤50mL、≤70mL体积范围的核心梗死区，≤45mL、≤90mL、≤125mL体积范围的低灌注区分别计算准确率、精确率、特异度和敏感度，结果显示各个分组均具有较好的表现，详见表10、11。

在对比两种软件的过程中，发现Rapid在进行梗死区标记时，经常会出现错漏。根据算法工程师的分析，其主要原因是在对PWI和DWI进行多模态配准后，DWI序列的层数发生了改变，DWI的值也因插值产生了变化，这些处理引起了小梗死核心标记错误。

本文专门针对这一现象进行了比较，这一部分的样本选择比较特殊，一些患者只有一个小的梗死核心，这样就可以直接对体积进行比对；而另一些患者有多个梗死核心，其中有一个以上是小梗死核心。由于梗死核心数和每个梗死核心的体积是未知的，这种情况差异不能反映在整体的梗死核心体积上，而两款软件都只提供梗死核心的整体体积，不能提供梗死核心数和每个梗死核心的体积。因此，这一部分的对比需要人工对标注结果进行对比来得到最终结论。本文分别选择小于1mL和1mL到3mL之间的梗死核心。标注覆盖小梗死核心的一半以上定义为阳性，低于一半为阴性。因为人工挑选出的都是具有小梗死核心的样本，所以是没有负样本的。因此假阳性和真阴性样本数都是0。

梗死核心体积小于1mL的扫描数据为25例，共含有27个小梗死核心。软件imSTROKE所得出结果的真阳性样本数为20，假阴性样本数为7；软件Rapid所得出的结果分别为18个真阳性，9个假阴性。二者的假阳性和真阴性数都是0。

梗死核心体积在1mL到3mL之间的扫描数据为68例，共含有85个小梗死核心。软件imSTROKE所得出结果的真阳性样本数为79，假阴性样本数为6；软件Rapid所得出的结果分别为63个真阳性，22个假阴性。二者的假阳性和真阴性数都是0。

所以，无论是在1mL以下，还是1mL到3mL的区间，Rapid对小梗死核心的检测灵敏度都低于imSTROKE。

下图为3个急性缺血性卒中患者，梗死核心为洋红色，缺血半暗带为绿色。imSTROKE检测出的结果分别为1.2mL、22.3mL和190mL；Rapid检测结果为0mL、22mL和187mL，对于案例中的小梗死核心，imSTROKE比Rapid性能更好。

讨 论

本文分别对imSTROKE和RAPID软件处理得到的核心梗死区和缺血半暗带体积的结果进行了一致性比较，结果显示两者具有非常高的一致性，虽然在个别体积范围内存在差异，但从整体来看一致性很好。

为了能够对比两款软件在不同体积范围内的核心梗死区和低灌注区分析的一致性，本文为核心梗死区和低灌注区分析分别设定了三个体积阈值范围。因为DAWN和DIFFUSE3试验中显示符合CT或MR检查筛选条件的患者，在血管内治疗后有显著获益，因此核心梗死区体积阈值范围的设定是基于EXTEND-IA、DAWN和DIFFUSE3临床试验数据而来的。而对于低灌注区体积阈值范围的设定，因为在DIFFUSE3中将低灌注区体积与核心梗死区比值超过1.8作为超窗患者的筛选条件，因此低灌注区体积阈值范围被设定为1.8倍的核心梗死区体积阈值范围。结果显示在不同体积阈值范围上，两款软件的分析结果的准确率、精确率、特异度和敏感度均非常高，具有高度一致性。

通常情况下，影像扫描参数的不同会引起影像质量的变化，从而引起分析结果的差异。本文纳入数据集的扫描协议共10种，其中CT扫描协议6种、MR扫描协议4种。不同扫描协议之间的差异主要在设备类型、扫描范围、打药速度、对比剂类型。尽管数据整体一致性较高，但本文未针对不同扫描协议数据集的分析结果对比，后续将进行进一步研究。同时本文将进一步对ASL影像技术测量的核心梗死区与低灌注区体积的计算结果与现有CT和MR检查结果进行对比分析，对比各个技术间一致性。

总体而言，相比与手动的影像测量和分析方法，全自动式的影像分析工具可大大节省时间，提高诊疗效率，同时可重复性高，评价标准较为客观。

imSTROKE和RAPID软件在利用CTP、PWI、DWI和ADC图像进行核心梗死区、低灌注区的体积测量功能上拥有非常高的一致性。尽管两款软件在分析结果上拥有较高的一致性，但在临床实际应用过程中，我们推荐医生优先选用操作更为便捷、快速的软件进行图像处理，以在最短的时间内完成影像评估。未来我们将增加扫描设备类型、更多的扫描协议类型等进行更大范围的试验验证一致性。

通讯作者简介

李志清

中国医科大学附属盛京医院

医学博士，博士后

神经外科副教授，副主任医师，硕士研究生导师

从事放射诊断专业4年、神经外科脑血管病介入治疗工作19年，在国内较早地获得血管介入治疗的资格证书，专注于脑血管病介入和显微外科手术治疗，共完成脑血管造影12000余例，各类脑血管病介入手术超过1万例，动脉瘤、动静脉畸形、脑肿瘤、脑出血及脑外伤等外科手术950余例

一直致力于降低脑血管病治疗的并发症和改善远期疗效，对颅内动脉瘤、动静脉畸形、颈动脉及颅内动脉狭窄、颈内动脉海绵窦瘘、硬脑膜动静脉瘘等外科治疗具有较深的造诣

在东北地区率先开展了颈内动脉、大脑中动脉及基底动脉闭塞血管内再通、颅内动脉栓塞急性期取栓、血流导向装置治疗大型宽颈动脉瘤、静脉窦血栓抽吸及溶栓术、脑静脉系统狭窄支架成形、国产覆膜支架治疗颈内动脉海绵窦瘘和球囊辅助Onyx栓塞硬脑膜动静脉瘘等新技术

研究方向为脑血管病外科与介入治疗，脑血管病基础研究与人工智能诊疗，神经介入新材料和新器械研发

主持多项国家、省部级课题项目，发表中英文学术论文80余篇，其中SCI论文17篇。获得军队及省部级科技奖项6项，实用新型专利授权1项

目前担任中国生物医学工程学会介入医学工程分会神经介入学组委员，辽宁省医学信息与健康工程学会副理事长，辽宁省细胞生物学会脑性瘫痪专业委员会理事

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