CT影像組學(xué)鑒別兒童化膿性與結(jié)核性淋巴結(jié)炎

張蕊,徐曄,李偉

頸部淋巴結(jié)腫大是兒童頸部常見體征之一,是各種疾病的非特異性臨床表現(xiàn)。感染性淋巴結(jié)炎是兒童頸部淋巴結(jié)腫大最常見病因,以化膿菌和結(jié)核菌感染最為多見,腫大的淋巴結(jié)常伴有壞死?；摼徒Y(jié)核菌感染的治療方法完全不同,故準(zhǔn)確診斷具有重要的臨床意義[1]。頸部淋巴結(jié)活檢是確診不同病原感染的金標(biāo)準(zhǔn),影像檢查對(duì)于評(píng)價(jià)淋巴結(jié)病變具有重要作用,但存在淋巴結(jié)壞死時(shí),在CT圖像上通常難以準(zhǔn)確鑒別不同性質(zhì)的病變[2,3]。

目前有關(guān)兒童頸部伴有壞死的淋巴結(jié)炎的影像研究報(bào)道較少,本研究回顧性地分析本院過去8年伴有壞死的頸部淋巴結(jié)炎的CT影像資料,總結(jié)10個(gè)征象,并評(píng)價(jià)這些征象的診斷意義。此外,由于影像組學(xué)能提供客觀的定量信息,解決了傳統(tǒng)影像分析的主觀性問題[4,5];兒童淋巴結(jié)疾病的影像組學(xué)研究很少[6],有關(guān)兒童頸部炎性淋巴結(jié)病變的影像組學(xué)研究尚未見報(bào)道,因此,本研究基于頸部淋巴結(jié)CT圖像應(yīng)用影像組學(xué)方法對(duì)淋巴結(jié)炎進(jìn)行鑒別診斷,旨在進(jìn)一步提高對(duì)頸部淋巴結(jié)病變的診斷水平。

材料與方法

1.臨床資料

回顧性將 2014年9月-2022年5月在本院經(jīng)活檢或臨床確診為頸部化膿性或結(jié)核性淋巴結(jié)炎且CT增強(qiáng)顯示腫大淋巴結(jié)有壞死的101例患兒納入本研究。①本研究中共納入52例化膿性淋巴結(jié)炎患者,其中25例經(jīng)活檢病理證實(shí),其他經(jīng)臨床明確診斷,診斷標(biāo)準(zhǔn):患兒有發(fā)熱、頸部捫及腫大淋巴結(jié)、有壓痛,白細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和C反應(yīng)蛋白升高,無結(jié)核接觸史,抗生素治療有明顯療效。②本研究中全部結(jié)核病例進(jìn)行了穿刺活檢,43例病理報(bào)告為結(jié)核性淋巴結(jié)炎,其他為肉芽腫性炎,后者通過結(jié)合結(jié)核菌素試驗(yàn)、結(jié)核菌感染T細(xì)胞斑點(diǎn)試驗(yàn)、Xpert結(jié)核分枝桿菌/利福平試驗(yàn)、典型影像學(xué)表現(xiàn)(如淋巴結(jié)鈣化、淋巴結(jié)壞死、淋巴結(jié)腫大強(qiáng)化或胸部CT顯示有索條影、結(jié)核球、空洞等征象)、結(jié)核接觸史以及抗結(jié)核治療效果明顯而確診。排除標(biāo)準(zhǔn):①因運(yùn)動(dòng)偽影、對(duì)比劑注射方案不合理、掃描條件控制不佳或設(shè)備原因等導(dǎo)致成像質(zhì)量達(dá)不到研究要求;②合并其它系統(tǒng)性炎癥或非炎癥性疾病、免疫缺陷或腫瘤等疾病;③曾有面頸部外傷史和/或手術(shù)史,或合并有其它局灶性病變;④CT檢查前已行抗感染或抗結(jié)核治療≥3天。

2.CT檢查方法

使用GE LightSpeed VCT 64排螺旋 CT機(jī)進(jìn)行頸部CT平掃和靜脈期增強(qiáng)掃描。掃描參數(shù):100 kV,100 mAs,掃描層厚5.0 mm,層間距5.0 mm。對(duì)比劑為碘海醇(300 mg I/mL),劑量為2.0 mL/kg,注射流率2.0 mL/s,通過高壓注射器注入肘靜脈,于給藥后約60 s行增強(qiáng)掃描。

3.圖像分析

由兩位具有10年以上診斷經(jīng)驗(yàn)的高年資放射科醫(yī)師獨(dú)立分析CT圖像,對(duì)意見不一致的病例經(jīng)協(xié)商后達(dá)成一致意見。主要分析10個(gè)CT征象,包括最大壞死淋巴結(jié)的短徑(即選取伴有壞死的最大淋巴結(jié)的最大壞死區(qū)短徑,簡稱為最大短徑)、壞死區(qū)與淋巴結(jié)面積的比值(necrotic area/lymph node area,NA/LA)、壞死區(qū)內(nèi)有無分隔、壞死區(qū)邊緣是否光滑、平掃壞死區(qū)是否可見、有無鈣化、淋巴結(jié)強(qiáng)化的形態(tài)、淋巴結(jié)強(qiáng)化程度、淋巴結(jié)邊緣和有無淋巴結(jié)融合。淋巴結(jié)強(qiáng)化程度的測量由一位影像科醫(yī)師在增強(qiáng)靜脈期圖像上選取伴有壞死的淋巴結(jié)的最大層面,在淋巴結(jié)未壞死區(qū)內(nèi)勾畫ROI,由GE后處理系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算ROI的平均CT值(圖1a)。

圖1 最大壞死淋巴結(jié)ROI手動(dòng)分割方法。a)由一位影像科醫(yī)師在增強(qiáng)靜脈期圖像上選取伴有壞死的淋巴結(jié)的最大層面,在病灶實(shí)性區(qū)域內(nèi)勾畫ROI,應(yīng)用GE后處理功能自動(dòng)計(jì)算ROI的平均CT值;b)利用Radcloud平臺(tái)工具,由一位影像科醫(yī)師沿著淋巴結(jié)邊緣勾畫ROI,用于影像組學(xué)特征的提取。

影像組學(xué)分析采用匯影醫(yī)療科技(中國北京)有限公司開發(fā)的Radcloud影像組學(xué)平臺(tái),將101個(gè)病例的CT增強(qiáng)掃描靜脈期圖像導(dǎo)入此平臺(tái)進(jìn)行分析和后處理[7,8]。使用隨機(jī)法按照2:8的比例將101個(gè)病例分為訓(xùn)練集和測試集。圖像分割由同一位影像醫(yī)師在增強(qiáng)靜脈期圖像上選取伴有壞死的淋巴結(jié)的所有層面,沿淋巴結(jié)邊緣逐層手動(dòng)勾畫ROI(圖1b),獲得病灶的容積ROI(VOI)。淋巴結(jié)與周圍組織的區(qū)分標(biāo)志為強(qiáng)化程度(靜脈期炎性淋巴結(jié)的強(qiáng)化程度高于周圍軟組織)。

利用Radcloud平臺(tái)從靜脈期圖像上病灶的ROI中共提取了1409個(gè)定量特征,可分為3類:①一階統(tǒng)計(jì)特征,包括126個(gè)特征,這些特征是反映CT圖像上體素強(qiáng)度分布的定量指標(biāo)。②基于形狀和大小的要素,包含14個(gè)反映區(qū)域形狀和大小的三維要素。③根據(jù)灰度運(yùn)行長度和灰度共生紋理矩陣計(jì)算,將525個(gè)可量化區(qū)域異質(zhì)性差異的紋理特征歸為第3類特征(紋理特征)。為了減少冗余特征,使用單變量特征選擇的SelectKBest方法,該方法使用P值來分析特征與分類結(jié)果之間的關(guān)系,并選擇P<0.05的特征。

首先使用方差閾值法從1409個(gè)特征中篩選出378個(gè)特征,然后使用SelectKBest算法篩選出23個(gè)特征,最后使用最小絕對(duì)收縮和選擇算法篩選出9個(gè)特征與兩種淋巴結(jié)病變顯著相關(guān)。根據(jù)所選特征,采用k-最鄰近算法(k-Nearest Neighbor,KNN)、支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)、極限梯度提升(extrme gradient boosting,XGBoost)、隨機(jī)森林(random forest,RF)、邏輯回歸(logistics regression,LR)和決策樹(decision tree,DT)這6個(gè)分類器分別構(gòu)建影像組學(xué)模型,并利用5折交叉驗(yàn)證提高模型的有效性。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)及卡方檢驗(yàn)對(duì)化膿性淋巴結(jié)炎與結(jié)核性淋巴結(jié)炎的影像學(xué)征象進(jìn)行比較,檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。利用Radcloud平臺(tái)進(jìn)行影像組學(xué)特征的提取和建模。在測試集與訓(xùn)練集中采用ROC曲線分析不同模型的診斷效能,并計(jì)算AUC、符合率、敏感度和特異度等指標(biāo)值,并計(jì)算精確度、召回率和f1評(píng)分來以評(píng)估模型的預(yù)測效能。

結(jié) 果

1.一般臨床資料

52例化膿性淋巴結(jié)炎患兒(實(shí)驗(yàn)組)中,男、女各26例;年齡1個(gè)月～12歲,平均(2.9±3.1)歲;白細(xì)胞計(jì)數(shù)升高和(或)血小板計(jì)數(shù)升高41例,紅細(xì)胞計(jì)數(shù)減少12例。49例淋巴結(jié)結(jié)核患兒(對(duì)照組)中,男31例,女18例;年齡1～15歲,平均(7.8±4.5)歲。兩組患兒的主要臨床表現(xiàn)為頸部包塊、發(fā)熱和疼痛。兩組之間年齡的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。

2.CT征象的比較

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組主要CT征象的對(duì)比見表1和圖2～3。與對(duì)照組比較,實(shí)驗(yàn)組的最大短徑較大、未壞死區(qū)增強(qiáng)靜脈期CT值較高,且淋巴結(jié)融合87%(45/52)和壞死區(qū)內(nèi)分隔73%(38/52)更多見,而對(duì)照組中淋巴結(jié)邊緣清楚49%(24/49)、壞死區(qū)邊緣規(guī)則33%(16/49)和鈣化灶更多見,上述征象的組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。平掃時(shí)壞死區(qū)均可見和動(dòng)脈期環(huán)狀強(qiáng)化的出現(xiàn)率以及NA/LA在兩組之間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表1 化膿性淋巴結(jié)炎與結(jié)核性淋巴結(jié)炎主要CT征象的比較

圖2 伴有壞死的化膿性淋巴結(jié)炎的CT表現(xiàn)。a)男性患兒,8歲,CT增強(qiáng)靜脈期示左側(cè)頸部胸鎖乳突肌前方有一腫大淋巴結(jié)(黃箭),邊緣不清晰;b)女性患兒,4個(gè)月,CT增強(qiáng)靜脈期示右側(cè)咽后壁及頸動(dòng)脈旁有巨大淋巴結(jié)病變(黃箭),淋巴結(jié)最大短徑約35.50 mm(>20 mm);c)女性患兒,4個(gè)月,CT增強(qiáng)靜脈期示左側(cè)頸動(dòng)脈鞘內(nèi)有一腫大淋巴結(jié),中心壞死區(qū)表現(xiàn)為微弱強(qiáng)化的低密度區(qū)、邊緣不規(guī)則;d)女性患兒,7個(gè)月,CT增強(qiáng)靜脈期示右側(cè)頸部頜下腺后方有一腫大淋巴結(jié),淋巴結(jié)融合,其內(nèi)有分隔(黃箭)。

3.影像組學(xué)研究

特征提取和篩選:增強(qiáng)靜脈期圖像提取了1409個(gè)影像組學(xué)特征。使用方差閾值、SelectKBest、最小絕對(duì)收縮和選擇算法逐步降低高維特征的維數(shù),最終篩選出9個(gè)最優(yōu)特征(圖4)。

圖4 使用方差閾值、SelectKBest、最小絕對(duì)收縮和選擇算法逐步從1409個(gè)特征中選擇9個(gè)特征。

影像組學(xué)模型的診斷效能:將篩選獲得的9個(gè)最優(yōu)影像組學(xué)特征分別采用6種分類器構(gòu)建影像組學(xué)模型,對(duì)模型的預(yù)測效能進(jìn)行ROC曲線分析,結(jié)果詳見表2和圖5。SVM模型在測試集中的AUC、符合率、敏感度和特異度分別為0.89(95% CI:0.72～1.00)、0.88、0.78和0.90,優(yōu)于其它5種模型。

表2 基于CT增強(qiáng)靜脈期不同分類器組學(xué)模型的預(yù)測效能

討 論

低齡兒童機(jī)體抵抗力較差,淋巴結(jié)的防御屏障不完善,容易引起頸部化膿性淋巴結(jié)炎?；撔粤馨徒Y(jié)炎的病原菌中最常見的為金黃色葡萄球菌和溶血性鏈球菌[9]。結(jié)核性淋巴結(jié)炎常見于兒童及青年,其致病菌多系人型結(jié)核菌[10]。兩種類型淋巴結(jié)炎在CT圖像上均表現(xiàn)為淋巴結(jié)腫大和壞死,不易鑒別[11,12]。

本研究中頸部化膿性淋巴結(jié)炎患兒的發(fā)病年齡明顯小于結(jié)核性淋巴結(jié)炎,這可能與兩組患兒的活動(dòng)范圍、人際環(huán)境和免疫狀態(tài)等因素有關(guān)[13,14]。本研究中對(duì)兩組患兒的增強(qiáng)靜脈期CT 圖像進(jìn)行分析,對(duì)比了10個(gè)征象的出現(xiàn)率在2組間的差異,結(jié)果顯示:兩組之間最大短徑、淋巴結(jié)邊緣清楚與否、淋巴結(jié)有無融合、壞死區(qū)邊緣是否規(guī)則、壞死區(qū)是否有分隔、淋巴結(jié)鈣化以及未壞死區(qū)的強(qiáng)化程度等7個(gè)征象的出現(xiàn)率在兩組間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。較大的壞死淋巴結(jié)、模糊的淋巴結(jié)邊緣、出現(xiàn)壞死區(qū)內(nèi)分隔、不規(guī)則的壞死區(qū)邊緣和更明顯的實(shí)質(zhì)部分強(qiáng)化傾向于提示化膿性淋巴結(jié)炎。既往的研究中通常將壞死區(qū)在CT平掃圖像上淋巴結(jié)未顯示而在增強(qiáng)圖像上顯示作為判斷淋巴結(jié)壞死是否為干酪樣壞死的重要依據(jù)[15-17]。本組病例中,實(shí)驗(yàn)組中48%的淋巴結(jié)壞死區(qū)在CT平掃圖像上不可見,對(duì)照組中為47%,兩組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=0.01,P=0.91),提示CT平掃淋巴結(jié)壞死區(qū)是否顯示不宜作為結(jié)核性壞死與化膿性壞死的鑒別依據(jù)?；撔粤馨徒Y(jié)炎在急性期時(shí)炎性滲出導(dǎo)致淋巴結(jié)實(shí)質(zhì)部分密度降低,加上壞死物未充分崩解、液化,使得壞死區(qū)在CT平掃圖像上可以不顯示。淋巴結(jié)鈣化在結(jié)核組中的出現(xiàn)率明顯高于化膿組,與Kim等[18]的研究結(jié)果相似。鈣化灶的出現(xiàn)高度提示兒童結(jié)核性淋巴結(jié)炎,但尚需排除甲狀腺癌轉(zhuǎn)移、神經(jīng)母細(xì)胞瘤轉(zhuǎn)移和Castleman病等的可能性。結(jié)合年齡和CT影像特征有助于區(qū)分化膿性和結(jié)核性頸部淋巴結(jié)炎。

影像組學(xué)分析應(yīng)用自動(dòng)數(shù)據(jù)特征化算法將感興趣區(qū)的信息轉(zhuǎn)換為高通量定量特征值,這些定量特征可能是人類視覺無法感知的生物信息[19,20],對(duì)于頸部淋巴結(jié)病灶性質(zhì)的評(píng)估具有較大價(jià)值。有關(guān)兒童頸部淋巴結(jié)炎的CT影像組學(xué)的報(bào)道缺乏,本研究中基于靜脈期CT增強(qiáng)圖像利用影像組學(xué)方法提取并篩選影像組學(xué)特征作為重要的預(yù)測因子來構(gòu)建影像組學(xué)預(yù)測模型。結(jié)果表明,影像組學(xué)模型可以有效鑒別化膿性與結(jié)核性淋巴結(jié)炎。原因可能是,從增強(qiáng)后靜脈期圖像中提取的放射組學(xué)特征可以更好檢測和描述病灶的生物學(xué)特征?；撔粤馨徒Y(jié)炎與結(jié)核性淋巴結(jié)炎的病理生理過程不同,這種差異性使得病變淋巴結(jié)呈現(xiàn)不同的表現(xiàn),可以利用能獲取病灶高通量信息的影像組學(xué)分析方法將兩種病理過程不同的病變區(qū)分開來。

本研究存在一定的局限性:首先,本研究為回顧性研究,可能具有一定的選擇偏倚;其次,未包括其它類型的頸部炎性淋巴結(jié)病變,在未來的研究中將納入多種疾病類型,結(jié)合多中心和前瞻性研究,進(jìn)一步進(jìn)行分析。

總之,盡管對(duì)于伴有壞死的兒童頸部化膿性淋巴結(jié)炎和結(jié)核性淋巴結(jié)炎CT鑒別診斷有一定困難,但兩者在發(fā)病年齡和多個(gè)CT征象上仍存在一定差異,借助影像組學(xué)方法可以獲得更高的診斷效能。隨著影像組學(xué)作為精準(zhǔn)醫(yī)療的重要組成部分,未來可望更廣泛地地應(yīng)用于兒童疾病的診斷、評(píng)估及個(gè)體化治療。