开放科学(资源服务)标识码(OSID)的开放科学计划以二维码为入口,提供丰富的线上扩展功能,包括作者对论文背景的语音介绍、该研究的附加说明、与读者的交互问答、拓展学术圈等。读者“扫一扫”此二维码即可获得上述增值服务。
结核病为全球十大致死因素之一, 据世界卫生组织《2021年全球结核病报告》统计,2020年全球新增结核病患者约1000万例左右,死亡数约为150万例左右,预计在2021年和2022年形势会更加严峻[1]。因此,早期判断肺结核的活动性及早期治疗是控制结核病的关键。目前,临床上仍以CT扫描为判断肺结核活动性的首选方案,但由于常规CT阅片法主要通过病灶形态来判断肺结核的活动性,没有量化标准,不能满足临床精准治疗的需求。故笔者自2019年开始对肺结核患者胸部CT容积值的量化进行研究,探讨该方法是否具有判断肺结核活动性的辅助诊断价值,以及是否达到精准医疗的目的。
资料和方法
一、研究对象
回顾性分析浙江大学医学院附属杭州市胸科医院2013年1月至2017年5月临床确诊的224例肺结核患者胸部CT影像资料。将肺结核病灶按照形态分为纤维性病变、结节灶、块状病灶、厚壁空洞、实变、肺实质钙化灶[2],通过ITK-SNAP软件(www.itksnap.org)勾画以上结核病灶的感兴趣区(region of interest,ROI)。通过2年的结核病灶随访,明确活动性肺结核患者120例,其中男性62例(51.7%),女性58例(48.3%),中位年龄为33(26,40)岁,活动性肺结核病灶216个;非活动性肺结核患者104例,其中男性56例(53.8%),女性48例(46.2%),中位年龄为33(31,38)岁,非活动性肺结核病灶128个;两组患者间性别和年龄的比较差异均无统计学意义(χ2=0.106,P=0.745;Z=-0.922,P=0.357)。本研究获得杭州市红十字会医院医学伦理委员会批准[批准号为(2020)快审(193)号]。
入组标准:(1)结核病患者均符合《WS 288—2017肺结核诊断》标准,所有肺结核病灶均经痰涂片、痰GeneXpert MTB/RIF检测、组织病理或CT扫描,以及抗结核药物治疗有效等方法确诊;(2)纳入的结核病灶均边界清晰,且在纵隔窗上最短径线均>5mm,但常规CT阅片法均难以判断其活动性;(3)所有肺结核患者影像资料均为规范抗结核药物治疗后复查的胸部CT。
活动性肺结核判断标准[2]:入组患者经过2年随访,若结核病灶2年内无变化、临床上无活动性肺结核相关症状和体征、细菌学检查阴性,则判断为非活动性肺结核;若结核病灶增大或缩小,则无论临床上有无活动性肺结核相关症状和体征、细菌学检查阳性或阴性,均判断为活动性肺结核。
二、研究方法
1.图像采集:检查所用CT机为美国GE Bright Speed Elite 16排多层螺旋CT,管电压为120kV,管电流为150mAs,螺距为0.81~0.94。训练患者在吸气末屏气扫描,扫描范围从肺尖到肺底,扫描层厚、层间距均为2.5mm,纵隔窗重建层厚5mm,矩阵512×512。
扫描完成后再将CT图像以DICOM格式导入ITK-SNAP软件,勾画结核病灶的ROI。勾画ROI时,均应在纵隔窗上选取软组织密度、钙化密度部分进行勾画,并在病灶边界的各个方向后退1~2个像素,以减少部分容积效应的影响。再通过软件volume and statistic选项测算出病灶的容积CT值,再将勾画测得的肺结核病灶容积CT值数据导入SPSS 25.0软件中,选择平均值选项,可以得到平均容积CT值。ROI应不包括正常肺组织、支气管扩张、空洞空腔和气体部分等未含病理组织的成分,以免造成误差。另外,本研究将钙化灶纳入测量,发现有个别病灶通过容积CT值判断活动性与临床随访结果不相符,但从统计数据来看,对结果没有造成较大的影响。勾画结核病灶ROI、测量结核病灶容积CT值均严格按照上述标准由两位10年以上肺结核诊断经验的放射科主治医师和1名20年以上肺结核诊断经验的放射科副主任医师操作,如果对边界产生分歧则相互讨论,以副主任医师判断为主。
2.图像分析:所有CT图像均由2名高年资放射科副主任医师以双盲法进行阅片,分析CT图像的征象特点,判断肺结核的活动性。如果结论不一致,则由放射科集体讨论达成一致意见。正确率=判断正确的结核病灶数量/所有结核病灶的数量×100%。
三、统计学处理
采用SPSS 25.0软件对数据进行统计分析。非正态分布的计量资料采用“中位数(四分位数)”描述,组间差异的比较采用Mann-Whitney U检验,以P<0.05为差异有统计学意义。采用受试者工作特征(receive operating characteristic, ROC)曲线预测肺结核活动性的最佳分类阈值并计算敏感度、特异度及ROC曲线下面积(AUC),以及两种方法的检出效能和一致性Kappa检验。其中,Kappa值≥0.75为一致性较好,0.4~0.75为一致性一般,<0.4为一致性较差。
结果
一、活动性和非活动性结核病灶的容积CT值检测情况
216个活动性结核病灶的平均容积CT值[32.38(28.17,36.23)HU]明显低于128个非活动性结核病灶的平均容积CT值[78.89(57.78,120.27)HU],差异有统计学意义(Z=-15.439,P<0.001)。
二、活动性和非活动性结核病灶容积CT值的ROC曲线分析
通过绘制ROC曲线进一步分析活动性和非活动性肺结核病灶容积CT值,结果显示:当约登指数(敏感度+特异度-1)取最大值0.958时,最佳临界值为45.79HU,对肺结核活动性判断的诊断敏感度为96.3%、特异度为100.0%,ROC曲线下最大面积为0.998(图1)。
图1
三、 常规CT阅片与容积CT值判断肺结核活动性情况
以病灶活动性的诊断标准为参照,344个肺结核病灶中,纤维性病变48个、结节灶90个、块状病灶84个、厚壁空洞48个、实变66个、肺实质钙化128个。
用常规CT阅片法判断正确的结核病灶共计246个,正确率为71.5%;其中,活动性肺结核病灶155个,非活动性肺结核病灶91个。敏感度、特异度、一致率分别为71.8%、71.1%和71.5%。通过容积CT值判断正确的结核病灶为336个,正确率为97.7%;其中,活动性肺结核病灶208个,非活动性肺结核病灶128个,判断错误的8个病灶为伴有钙化灶的活动性肺结核实变病灶和结节灶,将其误诊为非活动性肺结核病灶,其敏感度、特异度、一致率分别为96.3%、100.0%、97.7%(表1)。
表1 以最终诊断结果为参照常规CT阅片法与容积CT值判断肺结核活动性的诊断效能
| 方法 | 确诊结核病灶(个) | 敏感度 (%) | 特异度 (%) | 阳性预测值 (%) | 阴性预测值 (%) | 一致率 (%) | Kappa值 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 活动性 | 非活动性 | |||||||
| 常规阅片法 | 71.8 | 71.1 | 80.7 | 59.9 | 71.5 | 0.413 | ||
| 活动性 | 155 | 37 | ||||||
| 非活动性 | 61 | 91 | ||||||
| 容积CT值 | 96.3 | 100.0 | 100.0 | 94.1 | 97.7 | 0.951 | ||
| 活动性 | 208 | 0 | ||||||
| 非活动性 | 8 | 128 | ||||||
注 敏感度=真阳性个数/(真阳性个数+假阴性个数)×100%;特异度=真阴性个数/(真阴性个数+假阳性个数)×100%;阳性预测值=真阳性个数/(真阳性个数+假阳性个数)×100%;阴性预测值=真阴性个数/(真阴性个数+假阴性个数)×100%;一致率=(真阳性个数+真阴性个数)/总个数×100%
四、两种方法判断肺结核活动性临床示例
病例1~4,均行胸部CT扫描,以常规CT阅片法判断其活动性,均出现误诊;而以45.79HU为测量的容积CT临界值判断其活动性,均与随访2年后病灶变化的最终临床诊断相一致,诊断准确率明显提高。具体示例见图2~20。
图2~4
图2~4
患者,男性,39岁,常规CT阅片法将非活动性肺结核误诊为活动性左上肺结核。
讨论
目前,临床医师通过胸部CT判断活动性肺结核的主要依据为病灶具有磨玻璃样改变、树芽征、小叶中心结节征、实变和厚壁空洞等征象;判断非活动性肺结核的主要依据为病灶呈纤维化、钙化改变。但是,这种目视方法没有量化标准,不能精确判断肺结核的活动性。而容积CT值法可以量化判断肺结核的活动性,容积CT值越小,活动性肺结核的可能性越大,容积CT值越大,非活动性肺结核的可能性越大。在本研究中,常规CT阅片法判断肺结核活动性的敏感度、特异度、一致率、Kappa值分别为71.8%、71.1%、71.5%和0.413,低于以往类似研究[3],究其原因可能与本研究选择的研究对象的临床表现及常规CT征象均为难以判断的活动性肺结核有关。而通过容积CT值判断肺结核活动性的敏感度、特异度、一致率、Kappa值分别为96.3%、100.0%、97.7%和0.951,明显高于常规CT阅片法。说明通过容积CT值判断肺结核活动性的价值高,尤其是当阈值为45.79HU时,其判断肺结核活动性的敏感度、特异度、一致率与Kappa值均达到了最佳状态。
马骐[7]曾研究发现,活动性肺结核病灶与非活动性肺结核病灶的CT值差异有统计学意义,并将二者的分界CT值定为41HU,这与本研究结果相似,但其分界CT值即阈值没有经过统计分析,且该研究只选取病灶中央部位的一个层面进行测量,因而其测量结果只能反映病灶中一个层面的密度。由于病灶每个层面的密度不一样,测量的结果也会有区别,使得测量结果可重复性不高。而本研究纳入了更多的肺结核患者,选择容积CT值测量整个结核病灶的平均密度,测量方法更规范,可重复性更高,结果更精确。杨钧等[8]将空洞分为浸润型空洞和纤维型空洞。浸润型空洞壁的组成成分为渗出性病变或干酪性病变,空洞壁的CT值较低,治疗后多明显好转,多诊断为活动性空洞性肺结核;纤维型空洞壁的组成成分为纤维灶、钙化灶,空洞壁的CT值较高,治疗后复查无明显变化,多诊断为非活动性空洞性肺结核,与本研究的结果一致。周树辉和段友方[9]对70例结核瘤患者从抗结核治疗前到6个月疗程结束时均进行了一系列胸部X线摄片及CT片动态观察,发现结核瘤早期瘤体松散,密度较低。而抗结核治疗后,随着治疗时间的延长,瘤体吸收体积缩小,密度增高,常伴钙化灶增多,这与本研究的结果也是相符的。
ITK-SNAP软件是一种交互式的医学图像分割工具,主要用于医学图像的预处理,分割及配准。康书朝等[11]使用ITK-SNAP软件对60例经病理证实良恶性的肺结节进行分割,通过影像组学特征提取为良恶性肺结节鉴别诊断提供了客观依据。郭静丽等[12]通过ITK-SNAP软件对磁共振DWI上高信号梗死区和FLAIR上对应的急性脑梗死区进行分割,并通过人工智能深度学习构建了急性脑卒中发病时间的预测模型,从而使临床医生能够更快速准确地判断醒后卒中的发病时间,有利于指导临床个性化的溶栓治疗。曹明明和刘树学[13]应用ITK-SNAP软件在磁共振图像上手动分割32个严重退变的膝关节软骨,定量评价了膝关节的退变程度。在本研究中,笔者通过ITK-SNAP软件手动分割结核病灶并获得容积CT值是该软件的一个基本功能。今后若将其应用于影像组学分析及人工智能,期望可以更有利于提高肺结核活动性判断的准确性。
尽管容积CT值判断肺结核的活动性具有精确量化的优点,但也具有一些局限性:(1)为减小部分容积效应影响,笔者在本研究中选择的研究对象局限于肺窗上病灶边界清晰、无渗出性的病变,且在纵隔窗上最短径线大于5mm的病灶,而在实际工作中,病灶符合该入选条件的比例并不高,比如磨玻璃影、树芽征、细纤维灶、粟粒小结节灶等均不符合纳入标准,存在选择性偏移,这同时也导致了本研究的统计学结果与临床随访结果非常接近,因此如何使该方法更广泛地适用于更多类型的结核病灶,尚有待于进一步研究解决。(2)由于人工勾画每个结核病灶各个层面的ROI,费时较长,导致这项研究的样本数量有限,有待于收集更多患者,使结果更加精确。(3)多层螺旋CT部分容积效应会导致测量的容积CT值不够准确,尤其是对较小病灶的影响更大。(4)由于是回顾性研究,CT扫描图像没有使用薄层扫描标准,将在进一步的研究中规范扫描条件,使结果更加精确。以上因素均会导致容积CT值的测量产生偏差,有待于进一步提高精确测量。
综上所述,通过测量肺结核病灶的容积CT值,量化了活动性肺结核与非活动性肺结核之间的差异,对于判断肺结核的活动性具有重要的临床应用价值,而将常规CT阅片法结合容积CT值综合判断肺结核活动性,有望进一步提高肺结核活动性判断的准确性。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
作者贡献 魏赣辉:提出、设计及实施研究,收集整理并分析数据,论文起草及修订;张加成和邱小伟:协助收集和整理数据
参考文献
Global tuberculosis report 2021
Pulmonary Tuberculosis: Role of Radiology in Diagnosis and Management
Tuberculosis is a public health problem worldwide, including in the United States-particularly among immunocompromised patients and other high-risk groups. Tuberculosis manifests in active and latent forms. Active disease can occur as primary tuberculosis, developing shortly after infection, or postprimary tuberculosis, developing after a long period of latent infection. Primary tuberculosis occurs most commonly in children and immunocompromised patients, who present with lymphadenopathy, pulmonary consolidation, and pleural effusion. Postprimary tuberculosis may manifest with cavities, consolidations, and centrilobular nodules. Miliary tuberculosis refers to hematogenously disseminated disease that is more commonly seen in immunocompromised patients, who present with miliary lung nodules and multiorgan involvement. The principal means of testing for active tuberculosis is sputum analysis, including smear, culture, and nucleic acid amplification testing. Imaging findings, particularly the presence of cavitation, can affect treatment decisions, such as the duration of therapy. Latent tuberculosis is an asymptomatic infection that can lead to postprimary tuberculosis in the future. Patients who are suspected of having latent tuberculosis may undergo targeted testing with a tuberculin skin test or interferon-γ release assay. Chest radiographs are used to stratify for risk and to assess for asymptomatic active disease. Sequelae of previous tuberculosis that is now inactive manifest characteristically as fibronodular opacities in the apical and upper lung zones. Stability of radiographic findings for 6 months distinguishes inactive from active disease. Nontuberculous mycobacterial disease can sometimes mimic the findings of active tuberculosis, and laboratory confirmation is required to make the distinction. Familiarity with the imaging, clinical, and laboratory features of tuberculosis is important for diagnosis and management. RSNA, 2017.
The Accuracy of Emergency Physicians’ Suspicions of Active Pulmonary Tuberculosis
Pulmonary tuberculosis: CT and pathologic correlation
Typical CT findings of active postprimary pulmonary tuberculosis include centrilobular nodules and branching linear structures (tree-in-bud appearance), lobular consolidation, cavitation, and bronchial wall thickening. The CT findings of inactive pulmonary tuberculosis include calcified nodules or consolidation, irregular linear opacity, parenchymal bands, and pericicatricial emphysema. The typical appearance of primary tuberculosis on CT scans is homogeneous, dense, well-defined segmental or lobar consolidation with enlargement of lymph nodes in the hilum or the mediastinum. Miliary nodules may be seen in primary and postprimary tuberculosis. On CT, tuberculomas appear as a nodule with surrounding satellite nodules and internal cavitation on CT. Atypical radiologic manifestations of tuberculosis, encountered in as many as one third of the cases of adult-onset tuberculosis, are single or multiple nodules or masses, basilar infiltrates, miliary tuberculosis with diffuse bilateral areas of ground-glass opacity, and reversible multiple cysts. Underlying histopathologic findings of typical and atypical CT findings of tuberculosis are caseating granulomas or pneumonia in the active phase and fibrosis and dystrophic calcification in the inactive phase.
Cavitary tuberculosis: the gateway of disease transmission
肺结核空洞的CT表现及病理基础
肺结核瘤影像学表现及抗痨治疗前后影像学动态变化
CT评价肺结核病灶活动性的作用
基于影像组学良恶性肺结节定量特征的初步研究
基于DWI和FLAIR的机器学习预测急性脑卒中发病时间的研究
手动图像分割技术在严重膝关节骨性关节炎定量研究中的应用
京公网安备11010202007215号
