基于肺部CT 影像組學的慢性阻塞性肺疾病中醫(yī)辨證分型自動分類算法研究

李遠哲，許燁紅，陳佳陽，陳志堅，唐輝龍，賴清泉

1.福建醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院CT/MRI 室，福建 泉州 362000；2.福建省泉州市安溪縣中醫(yī)院放射科，福建 泉州 362400；3.福建省泉州市安溪縣中醫(yī)院中醫(yī)呼吸科，福建 泉州362400

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）是臨床常見病，嚴重影響老年人的生活質(zhì)量，并發(fā)癥嚴重時可增加患者的致殘率和死亡率［1-2］。我國2002—2004 年的人群性COPD 橫斷面調(diào)查顯示，40 歲以上人群的COPD 總體患病率為8.2%［3］。COPD 西醫(yī)治療主要采用消炎、支氣管擴張藥及吸氧等方法；中醫(yī)辨證施護可有效改善肺功能，提高患者的生活質(zhì)量［4］。中醫(yī)治療根據(jù)中醫(yī)辨證分型不同，使用不同方劑，因此準確的中醫(yī)辨證分型是COPD 治療的基礎。本研究依據(jù)COPD 患者的肺部CT 影像組學特征建立痰濁阻肺證、痰熱郁肺證及肺腎氣虛證這3 種中醫(yī)辨證分型的自動分類算法模型，以提高中醫(yī)辨證分型的準確性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性收集福建省泉州市安溪縣中醫(yī)院2019 年1 月至2020 年12 月診斷的COPD 患者276 例，其中男252 例，女24 例；年齡45～93 歲，平均（69±14）歲，排除38 例肺部CT 影像質(zhì)量差的患者，共入組238 例。由高年資中醫(yī)主任醫(yī)師根據(jù)《慢性阻塞性肺疾病中醫(yī)診療指南（2019 版）》［5］及患者的臨床信息，對患者進行中醫(yī)辨證分型：痰濁阻肺證98 例，痰熱郁肺證84 例，肺腎氣虛證56 例。將238 例按照7∶3 的比例，隨機分為訓練組和測試組，詳情見表1。

表1 中醫(yī)辨證分型訓練組及測試組數(shù)據(jù)分布情況 例

1.2 儀器與方法

采用64 排Philips CT 掃描儀行螺旋容積掃描。掃描參數(shù)：120 kV，自動mA，層厚1 mm，螺距1.0，準直寬度64×0.625 mm，層距1 mm?；颊呷⊙雠P位，兩臂上舉抱頭。掃描范圍自胸腔入口至肺下界膈面。

1.3 影像數(shù)據(jù)標注

由2 位具有5 年以上胸部診斷經(jīng)驗的影像醫(yī)師獨立使用ITK-SNAP 3.0 軟件對患者的肺部CT 圖像進行勾畫，分割出整個肺部區(qū)域（圖1）。

圖1 使用ITK-SNAP 軟件對患者肺部CT 圖像進行勾畫 注：圖1a～1c 分別為CT 冠狀位、矢狀位及分割后的肺部三維重建圖像

1.4 組學特征提取與建模

使用PyRadiomics 軟件對肺部圖像進行特征提取，總共提取1 316 維影像組學特征，包括一階統(tǒng)計學特征、形態(tài)學特征、灰度共生矩陣（GLCM）、灰度區(qū)域尺寸矩陣（GLSZM）、灰度運行長度矩陣（GLRLM）、灰色相鄰調(diào)差矩陣（NGTDM）、灰度相關矩陣（GLDM）［6］。使用最大相關-最小冗余（max-relevance and minredundancy，mRMR）和套索算法（least absolute shrinkage and selection operator，LASSO）2 種特征選擇方法來選擇特征：先行mRMR 去除冗余和無關特征，保留20 個特征；后行LASSO 回歸，選擇最優(yōu)的特征子集，構建最終的模型。采用支持向量機作為分類模型并使用訓練組進行模型訓練，使用測試組對模型進行性能評估，使用ROC 曲線及AUC 作為性能指標。

2 結果

經(jīng)LASSO 特征篩選后保留最后9 維特征（圖2），基于該特征建立中醫(yī)辨證分型自動分類模型。3 種中醫(yī)辨證分型影像組學分類模型的ROC 曲線見圖3～5，影像組學分類模型測試組的性能見表2。痰濁阻肺證影像組學分類模型測試組ROC 曲線示AUC 為0.903，準確率為0.835；痰熱郁肺證影像組學分類模型的ROC 曲線示AUC 為0.876，準確率為0.815；肺腎氣虛證影像組學模型的ROC 曲線示AUC為0.811，準確率為0.791。

表2 COPD 3 種中醫(yī)辨證分型的影像組學模型測試組的性能

圖2 經(jīng)套索算法（LASSO）選擇后的9 維影像組學特征名稱［5］及其相應系數(shù)

圖3 痰濁阻肺證影像組學分類模型ROC 曲線 注：圖3a 為訓練組ROC 曲線，圖3b 為測試組ROC 曲線 圖4 痰熱郁肺證影像組學分類模型ROC 曲線 注：圖4a 為訓練組ROC 曲線，圖4b 為測試組ROC 曲線 圖5 肺腎氣虛證影像組學分類模型ROC 曲線 注：圖5a 為訓練組ROC 曲線，圖5b 為測試組ROC 曲線

3 討論

慢性阻塞性的肺氣流受限是COPD 的主要特征，是由小氣道疾病和肺實質(zhì)破壞（肺氣腫）混合引起的，兩者速率發(fā)展不同，可不同時出現(xiàn)。雖然CT 不是COPD 診斷和治療的常規(guī)推薦方法，但隨著發(fā)展，其在評估COPD 患者肺部異常改變、并發(fā)癥及肺功能方面顯示出優(yōu)勢。多項研究證明，COPD 的分期與肺部CT 表現(xiàn)有明顯相關性［6-11］。COPD 的治療西醫(yī)主張采用消炎、支氣管擴張藥及吸氧等方法；中醫(yī)則認為辨證治療可有效改善COPD 患者的肺功能，提高患者生活質(zhì)量。中醫(yī)治療及護理可根據(jù)中醫(yī)辨證分型采用不同方劑和護理策略，因此準確的中醫(yī)辨證分型是COPD 中醫(yī)治療的基礎［12-14］。本研究依據(jù)中醫(yī)辨證分型與CT 影像組學建立COPD 中醫(yī)辨證分型的自動分類算法。結果表明，通過影像組學高通量特征計算和特征篩選建立的COPD 中醫(yī)辨證分型模型鑒別痰濁阻肺證性能良好，而對痰熱郁肺證、肺腎氣虛證的鑒別性能一般。本研究采用肺部CT 圖像結合影像組學方法，建立模型自動分類痰濁阻肺證、痰熱郁肺證和肺腎氣虛證的準確率＞79%、敏感度＞78%、特異度＞80%，平均AUC 分別為0.903、0.876 和0.811，可為醫(yī)師制訂中醫(yī)辨證治療與辨證施護方案提供量化參考依據(jù)，同時還可減少醫(yī)師工作量，提高中醫(yī)辨證分型的準確率，推進COPD 的精準治療。本研究的不足之處：受樣本量限制，建立的中醫(yī)辨證分型自動分類模型囊括的中醫(yī)辨證分型不全，今后將擴大樣本量，更新算法。