利用可解释的诊断算法，发现了与间质性肺病相关的超极化129Xe磁共振成像特征

《Academic Radiology》：Hyperpolarized 129Xe MRI Features Associated with Interstitial Lung Disease Identified Using an Interpretable Diagnostic Algorithm

【字体：大中小】 时间：2026年05月10日 来源：Academic Radiology 3.9

编辑推荐：

杜克大学生物医学工程系，北卡罗来纳州达勒姆（F.L.、S.L.、B.D.）

研究理由与目标

超极化¹²⁹Xe磁共振成像与光谱技术（MRI/MRS）已用于识别多种成像和光谱特征，这些特征能够区分间质性肺病（ILD）与慢性阻塞性肺病（COPD）以及健康对照组。然而，目前尚不清楚哪些特定的¹²⁹Xe MRI/MRS特征，以及在什么阈值下，这些特征与ILD的关联最为显著，相对于COPD和健康对照组而言。

材料与方法

对155名参与者（年龄56.6 ± 17.8岁；80名为女性）的¹²⁹Xe MRI/MRS数据进行了分析，其中包括84名ILD患者、21名COPD患者和50名健康对照组，以得出八个定量指标。通过L1正则化逻辑回归结合SHapley Additive exPlanations（SHAP）分析方法，选出了最具信息量的指标。这些选定的指标随后被用于构建决策树，并评估了其全面的诊断性能。其稳定性通过自助法重采样进行了验证。

结果

决策树采用了以下¹²⁹Xe指标：高膜摄取率（Mem_high）、通气缺陷百分比（VDP）、红细胞（RBC）转运缺陷梯度（ΔRDP_BA）以及RBC化学位移。总体分类准确率为93.5%。健康对照组、COPD组和ILD组的特异性敏感性/特异性分别为90.0%/95.2%、100%/100%和94.1%/92.9%，这些指标的稳定性通过自助法得到了确认。

结论

这种可解释的方法突出了四个与ILD密切相关的生理学意义的¹²⁹Xe MRI/MRS指标，支持进一步开发这些指标用于早期检测和个体化生理评估。

章节摘录

引言

超极化¹²⁹Xe磁共振成像（MRI）是一种新兴的非侵入性技术，能够对各种肺部疾病的肺功能进行空间分辨评估。吸入后，¹²⁹Xe从气腔扩散通过间质膜进入肺毛细血管，产生反映气体、膜和红细胞（RBC）成分的独特共振频率变化。这些特性使得可以三维绘制气体分布图

受试者招募

共有191名参与者按照Xenon Consortium的标准方案接受了¹²⁹Xe MRI/MRS检查。经过质量控制后（详见下文），有155名参与者进入了分析阶段（表1）：50名健康对照组、21名COPD患者和84名ILD患者。ILD亚型包括12例慢性汉森-普卢姆病（CHP）、30例特发性肺纤维化（IPF）、11例特发性NSIP、27例与结缔组织疾病相关的ILD以及4例未分类的ILD。健康参与者没有肺部疾病史，吸烟史不超过5包年，并且在过去五年内未吸烟

诊断算法开发

诊断算法是基于124例数据（占数据集的80%）建立的。为了评估哪些成像和光谱参数是COPD或ILD状态的最佳预测因子，我们采用了L1正则化逻辑回归结合SHAP方法来分析每个预测因子对模型输出的贡献。L1正则化用于促进稀疏性并选择每个类别最具信息量的特征，而SHAP值量化了每个特征的整体重要性

各组特征

图2展示了代表性的图像和光谱结果，反映了各组的特征模式，图3报告了各组的定量¹²⁹Xe MRI/MRS指标。COPD患者以及部分CHP患者的VDP显著升高。Mem_high在所有ILD组和部分健康参与者中升高，但在COPD患者中未升高，后者以MDL为主；在一些健康受试者中也观察到这种情况。RDL在所有患者组中均显著升高。ΔRDP_BA

讨论

本研究采用基于树的框架，利用超极化¹²⁹Xe气体交换MRI和光谱指标将个体划分为健康组、COPD组和ILD组。在先前的人群水平研究基础上，结合了八个¹²⁹Xe MRI/MRS生物标志物，我们识别出一组4个标志物及其对应的阈值，这些标志物在个体患者层面具有最大的区分潜力。最终的诊断算法简洁且易于解释

局限性

需要承认几个局限性。首先，我们并未尝试区分ILD的不同亚型。除了CHP患者的VDP略有升高外，¹²⁹Xe MRI/MRS指标在不同ILD类别间相似；进一步的区分可能需要无监督聚类或复杂的空间异质性测量方法。此外，本研究使用的队列可能存在选择偏差，因为ILD亚型主要集中在特发性肺纤维化和与结缔组织疾病相关的类型

结论

本研究建立了一个框架，用于识别关键的¹²⁹Xe MRI特征，以帮助诊断早期或未分类的疾病，并评估原因不明的呼吸困难。通过将定量成像和光谱指标整合到分层诊断算法中，我们得出了在准确性和可解释性之间取得平衡的生理学阈值。高膜摄取率、升高的基底-顶端RBC转运梯度以及降低的RBC位移与ILD显著相关

资助

本研究得到了美国国立卫生研究院/国家心肺血液研究所（NIH/NHLBI）、Genentech和Boehringer Ingelheim的支持。

CRediT作者贡献声明

Aparna Swaminathan： 文章撰写 – 审稿与编辑、监督、数据管理。David Mummy： 文章撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源获取、数据管理、概念构思。Hong Qin： 文章撰写 – 审稿与编辑、数据管理。Bryan O’Sullivan-Murphy： 文章撰写 – 审稿与编辑、监督、研究调查。Bastiaan Driehuys： 文章撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论设计、资金获取、数据管理。

利益冲突声明

B.D.在Polarean Imaging担任股东和顾问。D.M.在Polarean Imaging担任科学顾问。

致谢

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