CC BY
34COMPUTED TOMOGRAPHY WITH AUTOMATIC QUANTITATION IN PATIENTS WITH
PNEUMONIA CAUSED BY COVID-19
Zelter P.,
Ph.D.,assistant
Chair of Radiology and Radiation Therapy with a course of medical
informatics
FSBEI HE SamSMU MOH Russia, Samara, Russia
Kolsanov A.,
Ph.D., professor
Rector FSBEI HE SamSMU MOH Russia, Samara, Russia
Chaplygin S., Ph.D., associate professor, Chair of Operative Surgery and Topographic Anatomy with a course of
innovative technology FSBEI HE SamSMU MOH Russia, Samara, Russia
Ponyatov A.,
consultant
Head of Data Analysis & CDSS Team FSBEI HE SamSMU MOH Russia, Samara, Russia
Pervushkin S.
assistant
Chair of Radiology and Radiation Therapy with a course of medical
informatics
FSBEI HE SamSMU MOH Russia, Samara, Russia
КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА У БОЛЬНЫХ С ПНЕВМОНИЕЙ, ВЫЗВАННОЙ COVID-19
Зельтер П.М.,
к.м.н., доцент,
кафедра лучевой диагностики и лучевой терапии с курсом
медицинской информатики Самарский государственный медицинский университет,
г. Самара Колсанов А.В.,
профессор РАН, доктор медицинских наук, профессор Ректор ФГБОУ ВО СамГМУМинздрава России, заведующий кафедрой оперативной хирургии и
клинической анатомии с курсом инновационных технологий
г. Самара Чаплыгин С.С., К.м.н., доцент,
Кафедра оперативной хирургии и топографической анатомии с
курсом инновационных технологии Самарский государственный медицинский университет, г. Самара
Понятов А.А., консультант,
Заведующий отделом Анализа данных и СППВР
Первушкин С.С.
ассистент,
кафедра лучевой диагностики и лучевой терапии с курсом
медицинской информатики Самарский государственный медицинский университет,
г. Самара
Abstract
The article is devoted to the assessment of various patterns of lung tissue of the chest organs in pneumonia caused by COVID-19, as well as the automatic and visual assessment of lung tissue damage. 187 chest CT of patients with verified pneumonia COVID-19 of varying severity were analyzed. The visual assessment was performed by a radiologist with 8 years of experience in thoracic radiology. The presence of CT patterns was assessed:
ground-glass opacities, consolidation, reticular changes, "crazy paving". Automatic analysis of CT scans performed in the "service of automatic diagnosis of patients with COVID-19", which is determined by the amount of light and the amount of "ground glass" and consolidation. The average prevalence of lesions in all groups was 17.0% according to visual analysis. According to the automatic analysis, the prevalence was 9.3%. The most common pattern of lung involvement on CT in the group of hospitalized patients is a decrease in ground-glass pneu-matization. Visual assessment significantly overestimates the volume of the lesion compared to the automated assessment, in which the information is more objective due to the analysis methodology, in which the number of pixels with changed density is considered.
Аннотация
Статья посвящена оценке различных паттернов поражения легочной ткани на КТ органов грудной клетки при пневмониях, вызванных COVID-19, а также сравнению автоматической и визуальной оценок объема поражения легочной ткани. Были проанализированы 187 КТ органов грудной полости пациентов с подтвержденной пневмонией COVID-19 различной тяжести. Визуальную оценку проводил врач с опытом в торакальной радиологии 8 лет. Оценивалось наличие КТ-паттернов: «матовое стекло», консолидация, ретикулярные изменения, «булыжная мостовая». Автоматический анализ компьютерных томограмм проводился в системе «Сервис автоматической оценки тяжести поражения легких у пациентов с COVID-19», в которой определялся объем легких и объем поражения "матовое стекло" и консолидация. Средняя распространенность поражения по всем группам составила по данным визуального анализа составила 17,0%. По данным автоматического анализа распространенность составила 9,3%. Наиболее распространенный паттерн поражения легких по данным КТ в группе госпитализированных пациентов - снижение пневма-тизации по типу «матового стекла». Визуальная оценка значительно завышает объем поражения по сравнению с автоматизироавнной оценкой, при которой информация носит более объективный характер из-за методологии анализа, при которой считается количество пикселей с измененной плотностью.
Keywords: COVID-19, pneumonia, 3-D modelling, CT, CAD, neural network.
Ключевые слова: COVID-19, пневмония, 3-D моделирование, МСКТ, CAD, нейросети.
Эпидемия коронавируса началась в декабре 2019 года в Китае, 11 марта 2020 года была классифицирована ВОЗ как пандемия. Количество инфицированных людей к декабрю 2020 года превысило 66 миллионов человек, смертность составилаболее 1,5 миллионов [1]. В условиях резкого роста торакальных исследований по всему миру, особую значимость приобретает оценка паттернов КТ-исследований в различных медицинских учреждениях
Компьютерная томография играет центральную роль в диагностике, оценке тяжести поражения и течения СОУГО-1 ассоциированных пневмоний [2]. Изменения легких достаточно вариабельны, однако большинство авторов сходятся во мнении, что наиболее частыми изменениями являются снижения воздушности по типу «матового стекла», а также сочетание этих изменений с консолидацей и ретикулярными изменениями. Наиболее часто COVID- пневмонии манифестируют на КТ как билатеральные изменения с преимущественно субплевральной локализацией при отсутствии плеврального выпота. При этом наиболее типично дорсальное расположение изменений с вовлечением нескольких долей легких, преимущественно нижних [3].
КТ имеет высокую чувствительность в выявлении изменений в легких, характерных для СОУГО-19. Применение КТ целесообразно для первичной оценки состояния органов грудной клетки у пациентов с тяжелыми прогрессирующими формами заболевания, а также для дифференциальной диагностики выявленных изменений и оценки динамики процесса. КТ позволяет выявить характерные изменения в легких у пациентов с СОУГО-19 еще до появления положительных лабораторных тестов.
Ограничениями КТ в сравнении с рентгенографией являются меньшая доступность технологии в отдельных медицинских организациях, городах и регионах; недоступность исследования для части пациентов, находящихся на ИВЛ; высокая потребность в КТ-исследованиях для диагностики других заболеваний.
Оценка выраженности изменений в легких при КТ у пациентов с предполагаемой пневмонией COVID-19 может проводиться несколькими способами:
1. С помощью применения полуколичественных шкал
2. На основании программ компьютерной оценки плотности легких и составления карт плотности легочной паренхимы.
3. «Эмпирическая» визуальная шкала. Она основана на визуальной оценке примерного объема уплотненной легочной ткани в обоих легких в легких.
«Эмпирическая» шкала основана на визуальной оценке примерного объема уплотненной легочной ткани в обоих легких. Согласно российским методическим рекомендациям выделяют: 1. Отсутствие характерных проявлений (КТ-0); 2. объем/распространенность до 25% объема легких (КТ-1) ); 3. объем/распространенность до 50% объема легких (КТ-2) ); 3. объем/распространенность до 75% объема легких (КТ-3) 4. объем/распространенность более 75% объема легких (КТ-4) [4].
Компьютер-ассистированная диагностика проводится с применением приложений, которые предназначены для автоматического или полуавтоматического выделения и измерения объема зон «матового стекла» и консолидации. Применение таких
программ позволяет проводить оценку объема измененной легочной ткани более объективно, чем «эмпирический» метод. При использовании таких компьютерных программ врач-рентгенолог контролирует корректность выделения патологических зон в легких и дает согласие на включение тех или иных зон в итоговую оценку, т.е. в конечном итоге решение о номе или патологии той или ной области принимает врач [5].
Цель исследования: оценить распространенность различных КТ-паттернов у пациентов, госпитализированных в COVID-стационар, сравнить результаты визуальной оценки компьютерных томограмм легких и автоматической оценки.
основанной на неиросетевых технологиях в разработанной системе на базе АПК «Автоплан».
Материалы и методы: нами были изучены компьютерные томограммы 187 пациентов, которые были госпитализированы в COVTD-госпиталь Клиник СамГМУ с апреля по ноябрь 2020 года. Всем пациентам проводилась компьютерная томография легких на сканере Toshiba Aquilion 32 (Япония). Томография проводилась в рутинном режиме при напряжении на рентгеновской трубке 120кВ. Визуальную оценку проводил врач с опытом в торакальной радиологии 8 лет.
Рис.1. Области общего объема легких (красный), участки «матового стекла» (зеленый) и консолидации (синий) на 2х-мерном изображении и их 3D-модели
Оценивалось наличие КТ-паттернов: «матовое стекло», консолидация, ретикулярные изменения, «булыжная мостовая». Автоматический анализ компьютерных томограмм проводился в системе «Сервис автоматической оценки тяжести поражения легких у пациентов с COVID-19». Это программное обеспечение, разработанное в Институте инновационного развития СамГМУ в рамках
предоставления гранта №°3/32-ИП/2020 от «14» сентября 2020. Сервис автоматической оценки тяжести поражения легких у пациентов с COVID-19 представляет собой программное обеспечение, написанное на языке C++, на базе нескольких типов алгоритмов, включая нейронные сети (CNN) и алгоритмы классификации по типу случайный лес
(RandomForest). Подобное гибридное решение связано с тем что одни алгоритмы могут более успешно разделять изображение на части (классы) учитывая характеристики нескольких классов, например, бронхов, сосудов, консолидации и матового стекла, и здорового легкого, а другие лучше справляются с двухклассовой классификацией на легкие и иное изображение, что позволяет сформировать бинарную маску легких вне зависимости от их плотностных характеристик, которые естественно имеют существенную волатильность для различных степеней пневмонии коронавирусной этимологии. В программу загружались серии КТ изображений грудной клетки с толщиной среза 1 мм. В автоматическом режиме выделялись области легких в целом, участки «матового стекла» и консолидации, реконструировались соответствующие трехмерные модели и производился расчет их объема в см3 (Рис.1).
Результаты.
Наиболее частым симптомом при КТ легких являлось «матовое стекло». Этот паттерн представляет собой незначительное уплотнение паренхимы
без ее объемного уменьшения, с частичным сохранением пневматизации, за счет чего прослеживаются бронхиальные и сосудистые структуры. Симптом был выявлен у 100% обследуемых.
Вторым по частоте симптомом стала консолидация легочной ткани, он наблюдался у 121 пациента (65%). На томограммах консолидация характеризуется значительным повышением плотности паренхимы, на фоне чего бронхиальные и васкулярные структуры не дифференцируется вследствиеихизоденсности по сравнению с измененной зоной.
Симптом «булыжной мостовой» представляет собой сочетание изменений по типу матового стекла и выраженного утолщения интерстициаль-ных внутри- и междольковых септ. Данный симптом встречался у 31 пациента (16,5%).
Ретикулярные изменения представляют собой утолщениевнутри- и междольковых перегородок, а также множественные криволинейные утолщения. Симптом наблюдался у 119 пациентов (64%).
Описанные паттерны часто сочетались между собой как на рис. 2.
Рис. 2. КТлегких, «легочное окно», аксиальная плоскость. Определяются выраженные зоны «матового стекла» и консолидации, картина «булыжной мостовой» и ретикулярные изменения.
После оценки распространенности паттернов был проанализирован объем поражения. Пациенты были разделены на 4 группы согласно временным
методическим рекомендациям. Распределение показано на диаграмме (рис. 3).
Группы по степени поражения легочной паренхимы
12 3 4
7,00^ r 1,00
37,00
142,00
Рис.3. Структура исследуемой группы по КТ-тяжести.
Средняя распространенность поражения по всем группам составила по данным визуального анализа составила 17,0%. По данным автоматического анализа распространенность составила 9,3%. Наибольшая корреляция (г=0,41) выявлена во второй группе при поражении от 26 до 50%.
Рис.4. Компьютерная томограмма легких, «легочное окно», аксиальная плоскость. С обеих сторон определяются множественные зоны снижения воздушности по типу консолидации и «матового
стекла».
Рис.5 Результат обработки в разработанной системе. Справа представлена томограмма в аксиальной плоскости с выделенными зеленым цветом зонами консолидации и «матового стекла». Слева показан объем легких и отдельно объем поражения.
Различия в уровне визуальной и автоматической оценке значительно разняться по группам: в КТ-1 разница находится в пределах 5-7%, при этом в КТ-3 может достигать десятков процентов, рис 6.
Частой ситуацией стала переоценка поражения при визуальном анализе. Пример такой переоценки показан на рис. 4,5. У пациента по данным визуального осмотра выставлена распространенность в 50%. При этом реальный объем поражения 18,2%.
80 70 60 50 40 30 20 10 0
{
X
r—
0
1
zl I О ш
к =I
о ш т
к <
I
л
«
со к
S I
ш
! £
о а
2 3 4 ^
Тяжесть КТ 0-4
Рис. 6. Диаграмма средних значений визуальной и автоматической оценки объема поражения по группам тяжести. Отмечается рост разницы между автоматической и визуальной оценками пропорционально увеличению групп тяжести поражения.
Выводы.
1. Наиболее распространенный паттерн поражения легких по данным КТ в группе госпитализированных пациентов - снижение пневматизации по типу «матового стекла»
2. Большую часть госпитализированных пациентов можно было отнести в группу КТ-1.
3. Визуальная оценка значительно завышает объем поражения по сравнению с автоматизироавн-ной оценкой, при которой информация носит более объективный характер из-за методологии анализа, при которой считается количество пикселей с измененной плотностью.
4. Визуальный и автоматический анализ более соответствуют друг другу при поражении в группах КТ-1 и КТ-2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. https://www.worldometers.info/coronavirus/
2. Wang Y, Dong C, Hu Y, Li C, Ren Q, Zhang X, Shi H, Zhou M. Temporal Changes of CT Findings in 90 Patients with COVID-19 Pneumonia: A Longitudinal Study. Radiology. 2020 Mar 19:200843
3. Ran Yang, Xiang Li, Huan Liu, Yanling Zhen, Xianxiang Zhang, Qiuxia Xiong, Yong Luo, Cailiang Gao, and Wenbing Zeng. Chest CT Severity Score: An Imaging Tool for Assessing Severe COVID-19. Radiology: Cardiothoracic Imaging 2020 2:2
4. Временные методические рекомендации Министерства здравоохранения Российской Федерации «Профилактика, диагностика и лечение новой коронавирусной инфекции (COVID-19)», версия 9 (26.10.20).
5. Inui S. et al. Chest CT Findings in Cases from the Cruise Ship "Diamond Princess" with Coronavirus Disease 2019 (COVID-19). Radiology: Cardiotho-racicImaging. 2020;2:e200110. doi:10.1148/ryct.2020200110
