《Annals of Clinical and Translational Neurology》：Automatic Lesion Morphometrics Reliably Predict Sensorimotor Recovery After Spinal Cord Injury: A Longitudinal, Multicenter Neuroimaging Study
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目的：评估自动磁共振成像（MRI）衍生的病灶形态计量学与手动测量的一致性及其在表征脊髓损伤（SCI）后从急性期到慢性期不同神经功能恢复轨迹方面的预后价值。方法：研究人员开展了一项回顾性、多中心队列研究，纳入颈段及胸腰段SCI患者，患者在SCI后3–4周接受常规
目的：评估自动磁共振成像（MRI）衍生的病灶形态计量学与手动测量的一致性及其在表征脊髓损伤（SCI）后从急性期到慢性期不同神经功能恢复轨迹方面的预后价值。方法：研究人员开展了一项回顾性、多中心队列研究，纳入颈段及胸腰段SCI患者，患者在SCI后3–4周接受常规临床MRI检查，并在6个月内进行神经系统检查。采用已有的手动测量方法和新型自动方法对病灶严重程度进行量化。研究人员评估了MRI衍生病灶形态计量学（包括病灶长度、病灶宽度和组织桥宽度）的组间方法一致性，以及其根据6个月运动与感觉结局对患者进行分层的能力。采用数据驱动的预测模型识别具有临床意义的病灶测量指标及其相应阈值，以区分特定恢复特征的亚组。结果：共纳入来自8个中心的83例患者。自动衍生的病灶形态计量学与已有手动测量显示出中度至强一致性（Spearman's ρ：0.540–0.821，p < 0.001），能够捕捉病灶严重程度的个体间差异，并展现出相当的预后价值。病灶宽度是6个月神经功能结局的最强预测因子，可将患者分为恢复特征各异的亚组。病灶宽度较小（阈值：5.88–6.41 mm）的患者表现出更高的6个月感觉运动评分和更优的恢复轨迹，而组织桥（阈值：0.17 mm）进一步细化了受累更严重患者的基于运动预测的分层。解释：自动MRI病灶严重程度测量有望成为可扩展、省时的SCI预后体内生物标志物，具有临床推广潜力，可指导治疗决策和多中心试验设计。
**研究背景**
脊髓损伤（SCI）后严重神经功能障碍所涉及的复杂神经病理过程在不同个体间差异很大，很大程度上取决于损伤严重程度及随后的继发性改变。根据国际脊髓损伤神经学分类标准（ISNCSCI）评估，入院时临床表现相似的患者可能呈现不同的感觉运动恢复轨迹。这可归因于ISNCSCI的局限性，包括不同临床评估者之间的变异性、无法捕捉细微变化，以及对限制恢复的潜在结构损伤信息有限。这显著增加了康复规划和临床结局预测的复杂性。
MRI在SCI后亚急性期常规采集，可无创显示髓内病理改变，用于获取SCI预后生物标志物。其中最具前景的是T2加权（T2w）MRI衍生的病灶范围和保留神经组织数量的定量测量指标，包括矢状面头尾向病灶长度、横向病灶宽度和保留的脊髓组织桥。这些病灶形态计量学指标已被证明与创伤性和非创伤性SCI的运动和感觉恢复相关，且超越基线临床测量单独的预测价值。特别是组织桥，在独立队列中一致地与神经功能改善相关，并已被纳入近期一项多中心临床试验。
MRI衍生测量指标通常在单张矢状面中层切片上手动评估，虽然具有临床信息价值，但耗时、受评估者内和评估者间变异性影响，且难以在多中心推广。此外，临床采集的SCI MRI扫描通常层厚较厚（毫米级），使矢状面中层切片选择复杂化并限制可重复性。计算机视觉和人工智能的最新进展使得从常规MRI扫描中自动分割SCI病灶成为可能，包括研究人员开发的深度学习工具SCIseg。然而，目前缺乏在矢状面中层切片上自动计算病灶形态计量学的方法，阻碍了自动方法与金标准（手动病灶评估）的直接比较和验证。此外，自动衍生指标是否保留预测SCI后感觉运动恢复的能力——这是临床推广的关键特征——尚待证明。
因此，研究人员开展了这项多中心纵向研究，在急性和慢性颈段及胸腰段SCI患者的异质性队列中，比较自动MRI衍生病灶形态计量学（即矢状面中层病灶长度、病灶宽度和组织桥）与手动测量。由于与手动测量的一致性并不直接意味着自动指标具有等效的预后价值，研究人员使用数据驱动的预测分层模型比较了两种方法预测SCI后6个月感觉运动结局的能力。为进一步测试临床相关性，研究人员确定了自动病灶测量指标的截断值是否能定义6个月随访期内特定神经功能恢复特征的不同亚组。研究人员开发的方法为开源方法，已整合到脊髓工具箱（SCT）中，可用于从临床MRI扫描中自动计算病灶测量指标以表征SCI严重程度。
**关键技术方法**
研究人员开展了一项回顾性、多中心（8个中心）纵向研究，纳入来自两个队列的83例SCI患者：46例来自瑞士苏黎世Balgrist大学医院（2002年5月至2023年2月），37例来自Nogo抑制脊髓损伤（NISCI）干预试验的安慰剂组（ClinicalTrials.gov ID：NCT03935321）。纳入标准为颈段或胸腰段SCI（椎体C1–L2）、基线MRI评估及基线、1个月、3个月和6个月系列的临床检查。临床评估采用ISNCSCI方案。影像采集使用1.5 T或3.0 T Siemens、Philips或Toshiba系统，采集矢状面T2w序列。手动病灶量化由两名评估者在JIM软件上对矢状面中层切片进行盲法标注，测量病灶长度、病灶宽度及腹侧和背侧组织桥。自动病灶量化方法通过插值最接近损伤水平脊髓质心的两张矢状面切片自动获取矢状面中层切片，生成软（非二值）病灶掩膜以考虑部分容积效应（PVE），病灶和脊髓掩膜由基于深度学习的SCIsegV2算法自动获取，作为SCT v7.0的一部分。统计分析采用Spearman秩相关和Bland–Altman分析评估方法间一致性和一致性；采用无偏递归分割条件推断树（URP-CTREE）模型识别预测因子及截断值，将神经学异质性患者队列划分为结局差异最大化的更同质亚组；采用混合效应模型分析临床评分的纵向变化，使用对数损伤时间以考虑非线性恢复。
**研究结果**
**临床与影像特征**：队列包括83例颈段（n = 63）或胸腰段（n = 20）SCI患者（17例女性，66例男性；年龄49.5 ± 17.6岁）。患者AIS分级从基线到6个月随访逐步改善，临床评分在6个月随访期内升高，从3个月到6个月变化趋于平台期。自动获取的矢状面中层病灶长度、宽度和组织桥分别为13.5 ± 11.3 mm、4.6 ± 2.0 mm和1.2 ± 1.0 mm；手动获取的相应指标分别为19.7 ± 24.9 mm、5.0 ± 2.3 mm和2.0 ± 1.6 mm。通过对比自动与手动测量，得出两种方法在病灶形态计量学上具有中度至强一致性。
**手动与自动病灶形态计量学的比较**：通过Spearman相关和Bland–Altman分析，自动测量与手动测量在所有矢状面中层病灶指标上显示中度至强一致性。病灶长度呈强正相关（ρ = 0.821，p < 0.001），病灶宽度（ρ = 0.712，p < 0.001）和总组织桥（ρ = 0.540，p < 0.001）呈中度相关。Bland–Altman分析表明手动相对于自动测量存在小的系统性正偏倚，平均差异（手动?自动）为病灶长度6.19 mm、病灶宽度0.41 mm、总组织桥0.82 mm。
**基于结局预测的SCI患者分层**：通过URP-CTREE模型，从基线MRI测量指标和人口学变量中识别出显著预测因子及截断值。手动衍生病灶宽度以5.46 mm为截断值将患者分为6个月LEMS和总运动评分较高（≤ 5.46 mm）和较低（> 5.46 mm）亚组。自动衍生MRI测量指标发现相似的病灶宽度截断值（5.88 mm）将患者分为运动结局较高（≤ 5.88 mm）和较低（> 5.88 mm）组。6个月运动评分较低的患者（节点3）根据组织桥宽度≤ 0.17 mm或> 0.17 mm进一步分为结局较低或较高亚组。未将人口学变量确定为预测因子。对于6个月针刺觉和轻触觉评分，手动衍生病灶宽度被识别为预测因子，自动病灶测量中病灶宽度以6.41 mm为截断值将患者分为针刺觉和轻触觉评分较高（≤ 6.41 mm）和较低（> 6.41 mm）亚组。对MRI时间点> 3周亚组（n = 47）的URP-CTREE分析显示与全队列相似的自动病灶宽度阈值。将NLI加入预测因子集后，6个月运动结局的预测因子和截断值未改变；对于针刺觉评分，算法在病灶宽度之外识别了NLI，区分颈段与胸腰段损伤并进一步改善亚组分离。
**纵向运动和感觉恢复的不同亚组**：通过混合效应模型分析纵向恢复轨迹，基于自动测量URP-CTREE衍生截断值，病灶宽度较小的患者表现出更高的基线和随时间更大的改善。运动结局方面，病灶宽度≤ 5.88 mm的患者从基线到6个月随访LEMS和总运动评分持续改善。病灶宽度> 5.88 mm的患者中，保留组织桥（> 0.17 mm）者基线评分较低但运动恢复持续，与病灶宽度≤ 5.88 mm者相当；而组织桥极小或缺失（≤ 0.17 mm）者几乎无改善。感觉结局呈相似模式，病灶宽度≤ 6.41 mm的患者在所有时间点针刺觉和轻触觉评分更高，维持纵向平台期增益，而病灶宽度较大者恢复有限。
**讨论与结论**
在这项纳入两个队列83例SCI患者的多中心纵向研究中，自动衍生的MRI病灶形态计量学与已有手动测量显示稳健一致性，展现出相当的SCI后神经功能恢复预后价值。病灶宽度成为6个月运动和感觉结局的关键预测因子。预测分层模型对 manual 和自动测量得出相似的截断值和亚组结构，确定了SCI后前6个月不同的恢复轨迹。
自动病灶形态计量学与手动测量呈中度至强相关，系统性偏大的手动值可能反映两种方法固有的方法学差异。手动测量基于单张矢状面中层切片，可能因PVE、切片选择和宽松标注而高估病灶范围。自动流程整合了体积信息和软病灶掩膜，产生更保守的估计。尽管存在绝对差异，自动测量维持了与手动测量相似的患者相对排序，并再现了临床有意义的截断值、患者分层和恢复轨迹，表明系统性偏移不影响病灶形态计量学用于结局预后和临床试验规划的价值。预测分层树对两种方法得出相似的预测因子和截断值，进一步验证了两种方法的可比性。病灶宽度作为运动和感觉恢复主要预测因子的一致识别，凸显了横向损伤严重程度在决定SCI后神经功能结局中的重要性。在6个月运动损害更严重的患者中，自动衍生组织桥宽度的额外分层进一步细化结局预测，仅> 0.17 mm的组织桥即可导致显著运动恢复，强调了损伤保留组织的神经生物学相关性。未来需要在更大规模、协调一致的数据集中进行前瞻性研究，以确认所识别阈值的普适性和可重复性。总之，使用SCIseg的自动MRI病灶形态计量学量化与手动测量显示良好一致性，并关键性地保留了其预测SCI后神经功能恢复的预后相关性。自动病灶宽度和组织桥识别出与手动评估相当的截断值，将患者分层为具有特定结局的临床有意义亚组，并描绘了SCI后前6个月不同的恢复轨迹。这些发现支持自动病灶形态计量学作为一种可扩展、客观的影像生物标志物，可通过减少评估者内和评估者间变异性及时间负担来替代手动测量，有望促进SCI的结局预测、患者咨询和多中心试验设计，推进定量脊髓MRI向临床和研究实践的转化。
