【摘要】：目的:骨關(guān)節(jié)炎是最常見的關(guān)節(jié)疾病,也是導致長期殘疾的主要原因,給個人和社會帶來沉重的經(jīng)濟負擔。由于骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展與老齡化、肥胖、性別、吸煙、遺傳、炎癥、生物力學等諸多因素相關(guān),所以骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機制尚不清楚,亦無明確的生物標記物對骨關(guān)節(jié)炎進行早期診斷。早期的研究認為,骨關(guān)節(jié)炎是以關(guān)節(jié)軟骨的退變?yōu)橹饕±砀淖?近年來一系列研究認為骨關(guān)節(jié)炎是累及軟骨、韌帶、半月板、軟骨下骨的全關(guān)節(jié)病變,并且軟骨下骨的結(jié)構(gòu)變化通常先于關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生變化這一觀點已被廣泛接受。紋理分析是根據(jù)圖像或感興趣區(qū)域的灰度(像素)值的分布和空間布局進行統(tǒng)計分析的方法,具有識別疾病早期細微變化的潛能。應用紋理分析方法自動分析X線、CT、MRI等醫(yī)學影像學圖像來診斷疾病,已成為人工智能領(lǐng)域研究的熱點。目前已有少量關(guān)于紋理分析軟骨下骨預測骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生的回顧性研究,但系統(tǒng)分析紋理變化與關(guān)節(jié)炎進展的研究鮮有報道。我們通過建立豚鼠自發(fā)性膝骨關(guān)節(jié)炎模型,確立軟骨下骨紋理參數(shù)與骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上篩選構(gòu)建豚鼠脛骨平臺內(nèi)側(cè)軟骨下骨X線紋理局部二值模式結(jié)合灰度共生矩陣分析角度、步長的最佳組合,利用從軟骨下骨X線圖像中提取的局部二值模式結(jié)合灰度共生矩陣紋理特征值擬合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別模型來對不同程度骨關(guān)節(jié)炎進行鑒別,同時對臨床膝關(guān)節(jié)X線軟骨下骨紋理參數(shù)進行分析,預測膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。材料與方法:一、豚鼠膝骨關(guān)節(jié)炎的紋理分析1.基于局部二值模式和灰度共生矩陣的理論,對不同月齡的45只豚鼠行離體膝關(guān)節(jié)X線檢查;2.取豚鼠離體膝關(guān)節(jié)行特殊染色,并根據(jù)病理結(jié)果將45只豚鼠骨關(guān)節(jié)炎分為0級、1級、2級、3級;3.在不同移動角度θ和移動步長d下構(gòu)建豚鼠脛骨平臺內(nèi)側(cè)軟骨下骨感興趣區(qū)的局部二值模式結(jié)合灰度共生矩陣的圖像,并提取軟骨下骨的6個紋理特征參數(shù)(能量、對比度、相關(guān)性、熵、同質(zhì)性、異質(zhì)性),對這6個紋理特征參數(shù)進行單因素方差分析,采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對不同程度關(guān)節(jié)炎進行驗證,并用留一法驗證不同局部二值模式結(jié)合灰度共生矩陣紋理分析方法對豚鼠骨關(guān)節(jié)炎的分類效果。二、紋理分析預測膝骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生的研究1.從骨關(guān)節(jié)炎公用數(shù)據(jù)庫(Osteoarthritis initiative,OAI)中選取滿足基線雙膝關(guān)節(jié)KL分級為0級,隨訪36個月后右膝關(guān)節(jié)KL≥2級的受試者納入骨關(guān)節(jié)炎影像學進展組,36個月后KL分級仍為0級的納入對照組;2.應用局部二值模式結(jié)合灰度共生矩陣的紋理分析方法提取膝關(guān)節(jié)X線圖像上脛骨平臺內(nèi)側(cè)軟骨下骨的紋理參數(shù);3.應用受試者工作特征曲線下面積對紋理參數(shù)預測膝骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生的能力進行評估。結(jié)果:一、豚鼠膝骨關(guān)節(jié)炎的紋理分析1.45只豚鼠中病理學分級為:0級20只,1級18只,2級7只,3級0只;2.當移動角度為0°,移動步長為2個像素時,除熵值外,其他紋理參數(shù)兩兩比較均有統(tǒng)計學意義(p0.05);3.交互檢驗結(jié)果顯示建立于放射學紋理定量指標基礎(chǔ)上的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別模型對豚鼠無骨關(guān)節(jié)炎組(0級),輕度骨關(guān)節(jié)炎組(1級),中度骨關(guān)節(jié)炎組(2級)分級的準確率分別為100.00%、100.00%、100.00%,本實驗組所有豚鼠均能夠被準確分級。二、紋理分析預測膝關(guān)節(jié)炎發(fā)生的研究1.按條件對OAI數(shù)據(jù)庫基線期及隨訪36個月的數(shù)據(jù)進行篩選,基線期34人納入影像學進展組,30人納入對照組。兩組在基線期的臨床特征資料(性別、年齡、體質(zhì)量指數(shù)、老年人體力活動量)無統(tǒng)計學差異;隨訪36個月后,兩組受試者的臨床特征資料也無統(tǒng)計學差異;2.多因素回歸分析,老年人體力活動量是發(fā)生膝骨關(guān)節(jié)炎的危險因素,臨床特征資料無法預測膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生;3.將具有統(tǒng)計學意義的所用不同角度和步長的紋理參數(shù)分別計算受試者工作特性曲線下面積,單一紋理參數(shù)的曲線下面積在0.5-0.67;聯(lián)合各紋理參數(shù)曲線下面積在0.67-0.7,診斷比值比在4-7.1;紋理參數(shù)聯(lián)合臨床特征參數(shù)的曲線下面積在0.68-0.76,診斷比值比在5.6-10.45。結(jié)論:1、移動角度為0°,移動步長為2個像素下構(gòu)建軟骨下骨的局部二值模式結(jié)合灰度共生矩陣紋理分析方法所獲得的豚鼠內(nèi)側(cè)軟骨下骨X線紋理分類效果最佳;2、基于局部二值模式結(jié)合灰度共生矩陣的紋理特征值擬合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在豚鼠不同程度膝骨關(guān)節(jié)炎中具有非常高的分類準確性;3、當普通膝關(guān)節(jié)放射學檢查尚無明顯變化時,圖像的紋理分析的參數(shù)可能會預測放射學膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生,同時也可以識別高�；颊哌M行未來的臨床試驗。
【學位授予單位】：中國醫(yī)科大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：R684.3;R816.8
【圖文】：

動物膝關(guān)節(jié)保存于4%多聚甲醛中，X線成像前取出、瀝水，離體標本的膝關(guān)節(jié)前后位X光片。小動物X線數(shù)字成像檢測系集團提供，射線源是日本濱松公司產(chǎn)品（型號：L9421-02；Hs K.K.，Iwata City，Shizuoka Pref.，Japan），數(shù)字平板探測器產(chǎn)品（型號：PaxScan 2530HE；Varian Medical Systems，Salt LSA）。管電壓：65Kv，管電流：100μA，像素分辨率：5μm，靶片距：560mm。離體膝關(guān)節(jié) X 線骨紋理圖像處理興趣區(qū)域的選取鼠膝關(guān)節(jié)X線中選取軟骨下骨板和軟骨下骨小梁感興趣區(qū)（ROIs），兩者的解剖位置如圖1.1所示。ROIs均選取內(nèi)側(cè)脛骨平臺小梁ROI大小為100 50像素，軟骨下骨板ROI大小為70 8像素

了圖像上位置關(guān)系為d的兩個像素灰度分別為1和0的情況出現(xiàn)的次數(shù)。以下圖為例，圖像大小為5×5，灰度范圍為1-4，選取距離為1，角度為0°，計算得到的灰度共生矩陣如圖1.4所示。圖1.4 灰度共生矩陣計算過程示例為了能更直觀地以灰度共生矩陣描述紋理狀況，一般不直接應用得到的共生矩陣，而是在其基礎(chǔ)上獲取二次統(tǒng)計量，可以得到 14 種紋理特征參數(shù)，但部分特征參數(shù)計算量大且存在重復表述的問題，本研究采用角二階距（能量）、對比度、相關(guān)性、熵、同質(zhì)性、異質(zhì)性這 6 種常用的特征參數(shù)來提取圖像紋理特征[33,34]。定義及公式具體如下：（1）角二階距（Angular second moment，ASM）：又稱能量（Energy）。反映圖像灰度分布的均勻程度。如果灰度共生矩陣的各元素值分布比較均勻，則該值小。如果各元素值大小分布不均勻，則該值大。

12性。輸出層是骨關(guān)節(jié)炎軟骨下骨病理的4個分級：0級、1級、2級、3級。模型的激活函數(shù)采用Sigmoid函數(shù)，利用反向傳播算法對模型進行訓練（圖1.6）。圖1.6 基于X線紋理的LBP-GLCM參數(shù)的骨關(guān)節(jié)炎分級診斷的多層ANN模型3、分類模型驗證分類模型建立后，應用豚鼠軟骨下骨X線紋理特征數(shù)據(jù)對模型進行訓練及驗證。在本研究中，共收集豚鼠軟骨下骨X線影像45份，對應病理分級。選用特征分布最優(yōu)的LBP-GLCM特征數(shù)據(jù)。通過留一法交互檢驗對模型進行循環(huán)訓練及數(shù)據(jù)驗證，獲得平均準確率。2.4 膝關(guān)節(jié)標本制片及染色所用主要試劑及儀器設(shè)備2.4.1 標本固定液與脫鈣液1、固定液：4%多聚甲醛。2、10%EDTA 脫鈣液：雙蒸水 900ml，加 NaOH 粉末 11g 攪拌溶解后，加EDTA-2Na(乙二胺四乙酸二鈉)(科密歐化學試劑有限公司，中國) 100g

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本文編號：2769604