基于薄層CT病變區(qū)肺質(zhì)量參數(shù)與新型冠狀病毒肺炎臨床特征的相關(guān)性

傅鋼澤，陶潔潔，孫厚長，楊運(yùn)俊，王美豪

溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 放射科，浙江 溫州 325015

隨著多層螺旋CT 和人工智能（artificial intelligence,AI）技術(shù)不斷發(fā)展，軟件能實(shí)現(xiàn)肺內(nèi)病灶自動(dòng)分割和三維容積數(shù)據(jù)測定。CT定量分析在胸部疾病的運(yùn)用較為廣泛，如慢性阻塞性肺炎的全肺定量評(píng)估與肺結(jié)節(jié)的定量分析[1-4]。CT檢查是病毒性肺炎篩查的重要檢查手段[5]，近期也有報(bào)道[6-7]將病毒性肺炎的CT定量分析應(yīng)用于臨床研究。然而以往在病毒性肺炎的影像學(xué)上基本采用半定量分析評(píng)估，缺乏相對(duì)精準(zhǔn)的定量評(píng)估方法。本研究以48例COVID-19患者作為研究對(duì)象，將其醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine,DICOM）格式CT薄層資料用AI軟件測量并計(jì)算出病變區(qū)域肺質(zhì)量，旨在探討病變肺質(zhì)量與病毒性肺炎患者發(fā)病早期常見臨床特征及實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)的相關(guān)性。

1 對(duì)象和方法

1.1 對(duì)象 收集2020年1月19日至2月31日期間溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院、溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院及樂清市人民醫(yī)院經(jīng)核酸檢測陽性，并確診為COVID-19，且可獲得完整CT薄層DICOM格式電子版的患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①首次CT檢查沒有發(fā)現(xiàn)肺炎的患者；②CT檢查偽影明顯或病灶邊界不清無法準(zhǔn)確分割；③CT檢查在發(fā)病時(shí)間10 d以上。最終獲得具有DICOM格式薄層CT資料的患者48例，記錄性別、年齡、體溫、發(fā)病時(shí)間、白細(xì)胞計(jì)數(shù)、淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)、C反應(yīng)蛋白值等臨床資料。本研究通過溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 檢查方法 使用的C T 機(jī)型為Phillips Brilliance 16 層、GE LightSpeed VCT 64 層。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，管電流30～150 mAs，層厚5.00 mm，重建層厚0.625～1.5 mm，螺距0.99～ 1.20，矩陣512×512。所有患者采取仰臥位在深吸氣后屏氣狀態(tài)下完成1次胸部CT掃描，掃描范圍為從肺尖至肺底。圖像分析采用高分辨率算法肺窗（窗寬 1 500 Hu，窗位-500 Hu）和縱隔窗（窗寬400 Hu，窗位40 Hu）。

1.3 分組方法 按體溫不同分為無發(fā)熱組（≤37.3 ℃）、低度發(fā)熱組（＞37.3～38.0 ℃）、中高度發(fā)熱組（＞38.0 ℃）；根據(jù)發(fā)病時(shí)間分發(fā)病≤4 d組和發(fā)病≥5 d組；根據(jù)C反應(yīng)蛋白值分升高組和正常組；根據(jù)白細(xì)胞計(jì)數(shù)分升高組、正常組和降低組；根據(jù)淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)分升高組、正常組和降低組。比較各組之間病灶的質(zhì)量、體積、密度的差異。

1.4 AI及后處理方法 IDICOM格式薄層CT傳輸至后處理軟件采用德信肺炎模塊（V1.7.1.1）AI自動(dòng)分割病灶，分別經(jīng)兩位高年資醫(yī)師獨(dú)立復(fù)審校正分割界限，得到兩次病灶的體積和平均密度取其平均值。感興趣區(qū)勾畫要求較大的血管和支氣管除外，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成病灶三維圖像。記錄病灶的體積和密度，并將體積與密度換算成病灶質(zhì)量。換算公式：質(zhì)量（g）=（1 000+CT值）×體積（mL）/1 000[8]。分別統(tǒng)計(jì)病灶質(zhì)量、體積、密度與臨床特征（性別、年齡、體溫、發(fā)病時(shí)間、白細(xì)胞計(jì)數(shù)、淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)及C反應(yīng)蛋白值）的相關(guān)性。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法 采用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。資料正態(tài)檢驗(yàn)用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)。正態(tài)分布資料用±s表示，兩組間比較用t檢驗(yàn)，多組間比較用單因素方差分析；非正態(tài)分布資料用M（Q1，Q3）表示，兩組間比較用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)，多組間比較用Kruskal-WallisH檢驗(yàn)。定量參數(shù)值與不同臨床特征采用Spearman相關(guān)分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 患者一般資料 AI輔助測量COVID-19患者48例，年齡28～81（45.2±16.5）歲，男26例，女22例，發(fā)病時(shí)間3（1，5）d；發(fā)熱患者38例（占79%），其他癥狀有咳嗽6例（占13%），咽痛5例（占10%），肌肉酸痛2例（占4%），胃腸道癥狀6例（占3%），乏力5例（占10%）；白細(xì)胞計(jì)數(shù)下降7例（占15%），淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)下降15例（占31%），C反應(yīng)蛋白升高33例（占69%）。有肝炎病史2例，肝硬化病史1例，高血壓病史7例，抑郁癥1例。

2.2 CT定量參數(shù)和臨床特征的相關(guān)性分析 COVID-19患者肺內(nèi)病灶A(yù)I輔助分割得到病灶密度、體積和質(zhì)量參數(shù)見圖1、圖2；病灶的定量參數(shù)值與臨床特征的相關(guān)性見表1。病灶的體積和質(zhì)量與C反應(yīng)蛋白值存在強(qiáng)相關(guān)性（均P＜0.001）；病灶的體積、質(zhì)量分別與體溫、發(fā)病時(shí)間存在相關(guān)性（均P＜0.05）。病灶密度與白細(xì)胞計(jì)數(shù)、C反應(yīng)蛋白存在弱相關(guān)性（P＜0.05）。

表1 CT定量參數(shù)和臨床特征的相關(guān)性分析

圖1 COVID-19患者，男，28歲，發(fā)熱2 d，體溫37.9 ℃，白細(xì)胞計(jì)數(shù)3.29× 109/L，淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)0.94×109/L，C反應(yīng)蛋白0.64 mg/L。CT示兩下肺少許斑片，橫段位、冠狀位及矢狀位分別示左下肺病灶呈“鋪路石征”的磨玻璃斑片的分割界限；三維立體示圖顯示紅色區(qū)域是兩下肺少許炎癥病灶，左肺病灶明顯。病灶容積11.4 mL，平均CT值約-465 Hu，質(zhì)量6.1 g

圖2 COVID-19患者，男，43歲，體溫38.4 ℃，白細(xì)胞計(jì)數(shù)3.48×109/L，淋巴細(xì)胞0.77×109/L，C反應(yīng)蛋白45.8 mg/L。CT橫段位、冠狀位、矢狀位示肺炎分布：兩肺胸膜下多發(fā)磨玻璃斑片影，兩下肺分部為主；AI實(shí)現(xiàn)肺內(nèi)炎性病灶的自動(dòng)分割，感興趣區(qū)去除較大的血管、支氣管；三維立體圖像示綠色是右肺，藍(lán)色是左肺，紅色區(qū)域是炎性病灶區(qū)。病灶容積173.8 mL，平均CT值約-450 Hu，質(zhì)量95.6 g

2.3 不同臨床特征組病灶的質(zhì)量及體積、密度比較 不同體溫組病灶質(zhì)量、體積和密度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；中、高度發(fā)熱組病變肺質(zhì)量明顯大于低度發(fā)熱組和無發(fā)熱組（P＜0.05）。發(fā)病時(shí)間≥5 d組質(zhì)量大于發(fā)病時(shí)間≤4 d組，C反應(yīng)蛋白升高組質(zhì)量大于正常組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表2。

表2 不同臨床特征組別的病灶體積、密度及質(zhì)量比較

3 討論

盡管有研究[9-10]表明COVID-19患者臨床癥狀及實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)與COVID-19嚴(yán)重程度具有相關(guān)性，但仍缺乏一個(gè)精準(zhǔn)量化肺炎程度的影像學(xué)指標(biāo)。HRCT不僅能夠高清顯示病毒性肺炎的細(xì)微征象、病變范圍，而且可以進(jìn)一步利用AI軟件自動(dòng)識(shí)別肺炎區(qū)域，測量病灶體積和平均肺密度從而實(shí)現(xiàn)肺炎程度上的量化。本研究基于CT病變肺體積和密度計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)病變肺質(zhì)量指標(biāo)，并研究實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)及臨床癥狀與其相關(guān)性。

COVID-19、嚴(yán)重急性呼吸綜合征（severe acute respiratory syndrome,SARS）和中東呼吸綜合征（middle east respiratory syndrome,MERS）引起的病理特征類似[11]。病毒性肺炎肺部損傷源于肺間質(zhì)，CT密度可反映間質(zhì)增厚和肺炎肺泡填充的程度。肺炎進(jìn)展期病灶成形并與正常肺組織之間的界限相對(duì)明顯，CT圖像上容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分割。以往研究采用半定量參數(shù)評(píng)估病變程度。如CASARINI等[12]評(píng)估肺結(jié)核，將兩肺野按氣管隆突與下肺靜脈兩條水平線劃分兩肺6個(gè)區(qū)域，各個(gè)區(qū)域根據(jù)病灶所占比例進(jìn)行5級(jí)評(píng)分法。FENG等[13]對(duì)H7N9肺炎評(píng)分采用上述評(píng)分的基礎(chǔ)上，另外按肺部影像正常、磨玻璃密度、實(shí)性密度分為1～3 級(jí)別。謝浩鋒等[14]根據(jù)肺孢子菌肺炎滲出性病變與對(duì)正常區(qū)域的密度差進(jìn)行測量，多發(fā)病灶區(qū)域測量的密度差進(jìn)行累加。最近有文獻(xiàn)報(bào)道[15]采用目測法對(duì) COVID-19評(píng)分，5個(gè)肺葉各按病灶所占比例計(jì)分，存在個(gè)人主觀視覺判斷的差異性偏倚，也缺乏密度上的因素。

本研究中病灶的質(zhì)量、體積和發(fā)病時(shí)間具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性。已有研究證明[16]總體肺內(nèi)病灶的個(gè)數(shù)以及伴有實(shí)變的病灶個(gè)數(shù)均隨著發(fā)病時(shí)間的延長而增多，所得結(jié)論與本研究一致。本研究顯示發(fā)病≥5 d的患者肺內(nèi)病灶平均質(zhì)量顯著大于發(fā)病≤4 d患者病灶的質(zhì)量。發(fā)熱的程度與肺內(nèi)病灶的體積、密度、質(zhì)量存在正相關(guān)，隨著發(fā)熱程度的遞增，病變肺的質(zhì)量顯著升高，中高度發(fā)熱組的質(zhì)量顯著大于低度發(fā)熱組。病灶肺體積、密度和質(zhì)量均能有效反映肺炎患者的癥狀及發(fā)病時(shí)間，尤其是病變肺體積和質(zhì)量和癥狀具有顯著相關(guān)性。

本研究顯示白細(xì)胞計(jì)數(shù)和病灶密度存在負(fù)相關(guān)，細(xì)菌性肺炎白細(xì)胞計(jì)數(shù)增高常見，通常肺內(nèi)感染灶密度高于病毒性肺炎。COVID-19典型影像學(xué)表現(xiàn)為胸膜下分布的磨玻璃為主多發(fā)斑片影，可伴有實(shí)變，部分病灶見“暈征”“反暈征”“鋪路石征”等征象[5，15-17]。本研究中COVID-19患者的白細(xì)胞及淋巴細(xì)胞的數(shù)量和病灶的體積、質(zhì)量均無顯著相關(guān)性，或許與本研究的患者肺炎程度基本偏輕有關(guān)。但也有文獻(xiàn)[15]用視覺評(píng)估法研究得到肺炎分值與白細(xì)胞計(jì)數(shù)和淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)具有弱相關(guān)。本研究C反應(yīng)蛋白升高占69%，C反應(yīng)蛋白值和肺內(nèi)炎癥的體積和質(zhì)量有強(qiáng)相關(guān)性，C反應(yīng)蛋白增高組的病灶質(zhì)量和體積比正常組高出5倍以上。C反應(yīng)蛋白是反映炎癥水平的敏感指標(biāo)，本研究結(jié)果C反應(yīng)蛋白與病變肺質(zhì)量的相關(guān)性要比體積和密度好，也說明了將質(zhì)量作為新型指標(biāo)的優(yōu)勢。

病變肺質(zhì)量與COVID-19患者的臨床癥狀和實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)具有顯著相關(guān)性?；诒覥T病變肺質(zhì)量計(jì)算值兼顧病灶體積和密度兩個(gè)因素，可作為反映COVID-19嚴(yán)重程度的一個(gè)影像學(xué)定量指標(biāo)。