פילוח CT ריאות לזיהוי איחודים ואיזורי זכוכית טחון עבור תבשיס כמותי של דלקת ריאות SARS-CoV

Summary

מטרת פרוטוקול זה היא לספק דרך יעילה בזמן לחלק אמצעי אחסון של עניין בסריקות CT ברזולוציה גבוהה לשימוש לניתוח רדיומי נוסף.

Abstract

פילוח היא משימה מורכבת, מול רדיולוגים וחוקרים כמו רדיומיקה ולמידת מכונה לגדול בפוטנציאל. התהליך יכול להיות אוטומטי, חצי אוטומטי, או ידני, הראשון לעתים קרובות לא להיות מדויק מספיק או לרבייה בקלות, והאחרון להיות זמן רב מדי בעת עירוב מחוזות גדולים עם רכישות ברזולוציה גבוהה.

CT ברזולוציה גבוהה של החזה מורכב ממאות תמונות, וזה הופך את הגישה הידנית גוזלת זמן רב מדי. יתר על כן, השינויים parenchymal דורשים הערכה מומחה כדי להבחין מן המראה הרגיל; לפיכך, גישה חצי אוטומטית לתהליך הפילוח היא, למיטב ידיעתנו, המתאימה ביותר בעת פילוח דלקת ריאות, במיוחד כאשר התכונות שלהם עדיין אינן ידועות.

עבור המחקרים שנערכו במכון שלנו על ההדמיה של COVID-19, אימצנו 3D Slicer, תוכנת freeware המיוצר על ידי אוניברסיטת הרווארד, בשילוב הסף עם כלי מברשת צבע כדי להשיג פילוח מהיר ומדויק של ריאה aerated, אטימות זכוכית טחון, וקונסולידציות. כאשר מתמודדים עם מקרים מורכבים, שיטה זו עדיין דורשת זמן רב להתאמות ידניות מתאימות, אך מספקת אמצעי יעיל ביותר להגדרת מקטעים לשימוש לניתוח נוסף, כגון חישוב אחוז פארנצ'ימה בריאה מושפעת או ניתוח מרקם של אזורי זכוכית הקרקע.

Introduction

בשנה הנוכחית, העולם עומד בפני מצב חירום בריאותי, מגפה שנגרמה על ידי הרומן נגיף הקורונה, Sars-CoV2. גם אם, עד היום, היבטים רבים לגבי הפיזיופתולוגיה של זיהום COVID-19 עדיין לא ברורים, היא חולקת מספר מאפיינים עם "אבותיו" SARS1 ו MERS. בפרט, הוכח כי חלבוני ספייק virion אינטראקציה עם אנגיוטנסין המרת אנזים Type-2, קולטן מיוצג היטב על תאי אנדותל alveolar, אבל בכל מקום האורגניזם האנושי, ובכך יש את הפוטנציאל לתת סימפטומים מערכתיים¹.

לאבחון, הסטנדרט הנוכחי הוא תגובת שרשרת תמלול-פולימראז הפוכה בזמן אמת (rt-PCR), בדיקה המבוצעת על ספוגיות גרון. למרות הדמיה רדיולוגית אינה מוכרת באופן רשמי בנתיב האבחון לזיהוי המחלה, טומוגרפיה ממוחשבת ברזולוציה גבוהה (HRCT) הוכיחה את עצמה כסיוע רב ערך לניהול הקליני והאפידמיולוגי של חולים מושפעים, בשל הרגישות הנמוכה יחסית של RT-PCR, המחסור הנוכחי במעבדות מיוחדות והריגנטים הנחוצים, והתלות במפעיל גבוה.

האגודה הרדיולוגית של צפון אמריקה (RSNA) פרסמה הצהרת קונצנזוס, שאושרה על ידי החברה של רדיולוגיה בית החזה והמכללה האמריקאית לרדיולוגיה (ACR), המסווגת את הופעת ה-CT של COVID19 לארבע קטגוריות על מנת לתקנן את הדיווח, תוך חלוקת דפוסי דלקת ריאות בין-זמנית ל"טיפוסי", "לא טיפוסי", "לא^{מוגדר" ו"שלילי" 2.}

התבנית ה"טיפוסית" מאופיינת בנוכחות אטימות זכוכית טחון (GGO) בצורת עגולה, בדרך כלל עם מיקום תת-צילי על מקטעי הבזל הגב. GGO יכול להיות קשור עם "ריצוף מטורף" אזורים של septa מעובה, או סימנים אחרים של ארגון דלקת ריאות. התבנית "לא מוגדרת" מאופיינת בהיעדר ממצאי דפוס "טיפוסיים", עם אזורי GGO מפוזרים עם התפלגות פריילר, עם או בלי אזורים מאוחדים. התבנית ה"לא טיפוסית" מאופיינת בהיעדר סימנים "טיפוסיים" או "לא מוגדרים", ובנוכחות של איחודי לובר, "עץ באיבו", עיבוי חלק של הספטה והתפליט הפלוראלי; במצגת זו אין GGO ניתנים לזיהוי. הדפוס ה"שלילי" מאופיין בהיעדר הממצאים הפתולוגיים הנ"ל.

על פי הספרות, חלק מהחולים עשויים להציג עם חשוד קליני גבוה של COVID-19 נתמך על ידי קריטריונים אפידמיולוגיים ומצא הדמיה עם שלילי rt-PCR^3,4. מצד שני, דווח כי חולים עם rt-PCR חיובי וממצאים קליניים מרמזים, אינם מציגים ממצאים פתולוגיים על HRCT⁵.

כיום, זה עניין עליון עבור הקהילה המדעית ליישם טכניקות ניתוח תמונה כאשר לומדים באופן כמותי את המאפיינים של מחלה זו. מחקר שנערך לאחרונה יישם טכניקת פילוח אוטומטית של parenchyma ריאות כדי לזהות את אחוז הריאה aerated בחולים המושפעים COVID-19, מתאם ערך זה עם הפרוגנוזה, והוכיח כי חולים עם מעורבות ריאות חמורה יותר הציגו סיכון גבוה יותר להיות מאושפזים ביחידה לטיפול נמרץ (טיפול נמרץ), ויש תוצאות גרועות^{יותר 6}.

פילוח הוא קווי המתאר של אזורים בעלי עניין (ROIs) בתוך אמצעי אחסון שנרכש באמצעות טכניקת הדמיה, כגון HRCT. פעילות זו עשויה להתבצע למרות שלוש שיטות: ידנית, חצי אוטומטית ואוטומטית. פילוח ידני, הודות לניסיון של רדיולוג מיומן, מורכב מסימון voxels השייכים לאזור הפתולוגי. החסרונות העיקריים של שיטה זו הם משך הזמן הגדול הנדרש והעובדה שהיא תלויה במפעיל.

שיטות חצי אוטומטיות מאפשרות להאיץ את פילוח כמו המפעיל יכול לשנות מסיכת פילוח שהושגה באמצעות השיטות הקלאסיות של עיבוד תמונה (למשל, סף על עוצמת פיקסל, קיבוץ באשכולות, וכו '). עם זאת, טכניקות אלה אינן קלות ליישום בפועל קליני כפי שהם דורשים התערבות ידנית נרחבת במקרים המסובכים ביותר¹⁸.

שיטות פילוח אוטומטיות, כיום לשימוש מוגבל, משתמשות בבינה מלאכותית כדי להשיג ROIs. בפרט, מחקר שנערך לאחרונה שואף להשתמש פילוח אוטומטי כימות של אזורי זכוכית טחון בחולים הסובלים מדלקת ריאות interstitial COVID-19¹⁹. ההגדרה של פרוטוקול פילוח עבור האזורים הפתולוגיים על תמונות HRCT הוא הצעד הראשון האמיתי לקראת ניתוח רדיומיה עוקבות, על מנת לזהות תכונות שיכולות לעזור להבין עוד יותר את הפיזיופתולוגיה של המחלה, ולשמש גורם פרוגנוסטי מדויק שעלול להשפיע על הטיפול.

מאמר זה מציע מדריך לקבלת מקטעים מדויקים ויעילים המייצגים את הממצאים הפתולוגיים של דלקת ריאות COVID-19 באמצעות "3D Slicer"^7,8,9,10.

Protocol

פרוטוקול זה פועל בהתאם להנחיות ועדת האתיקה של המחקר האנושי המוסדי.

1. הורדת תמונות DICOM

1. הורד את תמונות DICOM והעבר אותן בתחנת העבודה המוקדשת לפילוח, כאשר תוכנת תלת-מית-מיו מותקנת. אם בכוונתך לעבוד במחשב אישי, עשה אנונימיות את נתוני DICOM.

2. ייבוא מחקר HRCT על תוכנת כלי פריסה תלת-מימד

1. במסך פתיחת התוכנה (המתאים למקטע ברוך הבא לכלי פריסה בתפריט הנפתח) בחר טען נתוני DICOM. לחלופין, בחר בסמל DCM בפינה השמאלית העליונה של סרגל הכלים.
2. בפינה השמאלית העליונה של החלונית דפדפן DICOM בחר ייבוא, ולאחר מכן בחר את המיקום של מחקר HRCT. בחר את התיקיה עם תמונות DCM ולאחר מכן בחר יבא.
3. כעת, לאחר שהמחקר HRCT יובא בהצלחה, לחץ על לחצן טען.

3. יצירת המקטעים

1. צור מקטעים במקטע פילוחים בתפריט הנפתח או ישירות במקטע המשנה עורך מקטע שנמצא במקטע פילוח בתפריט הנפתח, או שוב כסמל ייעודי בסרגל הכלים.
2. בתפריט הנפתח לצד אמצעי אחסון ראשי, בחר את מחקר HRCT.
3. בחר הוסף וצור שלושה מקטעים חדשים, שיקראו באופן אוטומטי מקטע 1, 2 ו- 3. לחץ פעמיים על כל אחד מהם ושינה את שמם בהתאמה "tlv" (סה"כ פארנצ'ימה ריאות), "ggo" (אטימות זכוכית טחון) ו "חסרונות" (קונסולידציות). אם במחקר HRCT ממצאים פתולוגיים נוספים דו-קיום, כגון תפליט צדרי, סרטן ריאות, אזורים פיברוטיים וכן הלאה, ליצור קטעים נוספים. אותו הדבר חל על חפצים.

4. הגדרת מקטע TLP

הערה: הגדרה מדויקת של מקטע TLP היא בסיסית, כפי שהוא ישמש למסיכה HRCT במהלך ההגדרה של מקטעי GGO ותרנגולים.

1. כצעד ראשון, במקטע עורך המקטעים, לאחר בחירת מקטע TLP, בחר בכלי הסף.
2. קבע סף גדול מספיק כדי לכלול גם את פארנצ'ימה בריאה וגם את אטימות הזכוכית הטחון. באמצעות הערכים שדווחו בספרות המדעית עם ההתאמות הדרושות כדי לציית להגדרה ספר הלימוד של GGO, מצאנו כי הגדרת הסף בין -1000 HU ו -250 HU עובד^{היטב 6,14,15,16,17}. לאחר מכן בחר החל.
3. הקטע המוגדר כך יכלול הן את האוויר בתוך הריאות והן את האוויר מחוץ לחזה (כלומר, האוויר מחוץ למטופל). כדי לבודד את פארנצ'ימה הריאות, השתמש בכלי איים, שנמצא בעורך הקטעיםובחר השאר את האי הנבחר. לחץ על שמאל בתוך החזה כך שכל דבר מחוץ לחזה לא ייכלל בקטע.
4. לאחר מכן, כלול אזור ים-איחוד ים בתוך מקטע TLP. הקונסולידציות בדרך כלל יש ערכי היסוס (Hounsfield יחידות: HU) דומה לאלה של רקמות רכות המהוות את קיר החזה ואת mediastinum. זו הסיבה מדוע אין אפשרות להשתמש בכלי הסף למטרה זו ויש להוסיף את האיחודים באופן ידני, באמצעות כלי המספריים והצבע המצויים בעורך המקטע.
   1. השתמש בכלי מספריים כדי להוסיף חלקים של parenchyma ריאות למקטע. בחרו בפעולה 'מילוי בפנים', בחרו 'טופס חופשי' כצורה וסימטרית כחיתוך הפרוסה. בחר עובי המתאים לגודל האיחוד (לדוגמה, מ- 3 עד 20 מ"מ); ולאחר מכן, התחל להוסיף בהדרגה חלקים קטנים של TLP, עד שהאיחוד ייכלל לחלוטין.
   2. הכלי 'צייר' קל יותר ולעתים מהיר יותר לשימוש, אך עשוי להיות פחות מדויק, בהתאם לאזור שיש לכלול. כאשר האפשרות מברשת כדור פעילה, כלי זה יכול להוסיף חלקים תלת-מיוד של פרנכימה ריאות למקטע. ניתן לשנות בקלות את גודל המברשת.
   3. בעת הוספת האיחודים למקטע TLP, אינם כוללים חלקים של קיר בית החזה או מדיסטינום. זה יכול להוכיח קשה כמו בחולים מושפעים איחודים COVID19 סמוך לקיר בית החזה האחורי נפוצים למדי. השתמש בכלי מחיקה כדי לתקן את המפולח או בחר בטל כדי לבטל את הפעולה האחרונה.
   4. בשלב זה, השתמש באלגוריתם החלקה פעם נוספת כדי למחוק פגמים קטנים שאולי התרחשו במהלך החלק הידני של פילוח. כעת הגדרת מקטע TLP הסתיימה.

5. הגדרת מקטע GGO

1. כדי להגדיר את מקטע GGO, השתמש בכלי הסף.
   1. בחר את מקטע GGO.
   2. הגדר את הסף בין -750 HU ו -150 HU.
   3. לפני שתבחר באפשרות החל, עבור למקטע המסיכה ממש מתחת ובחר TLP בתפריט הנפתח אזור הניתן לעריכה. בתפריט הנפתח החלף מקטע אחר, בחר ללא. הדבר חשוב מאוד כמו, אם דילג, פעם הגדיר את פלח GGO, גם מקטע TLP ישונה. יש להימנע מכך, מכיוון שמקטע TLP הוא המסיכה שבה מוגדרים כל המקטעים האחרים.
   4. כעת בחר החל.
2. בשלב זה כנראה יהיה צורך להשתמש באלגוריתם החלקה שוב, על מנת להוציא את כל כלי הקטן ואת האלמנטים הבין-זמניים הפיזיולוגיים בעלי צפיפות דומה לזו של זכוכית טחון מהמקטע. התחל עם גודל ליבה של 3 מ"מ, ובמידת הצורך, הגדל אותו בהדרגה, למקסימום של 6-7 מ"מ. שים לב כי הגדלת גודל הליבה יותר מדי עשוי לקבוע את האובדן של אזורים קטנים של זכוכית טחון, אשר יישאר מחוץ למקטע GGO. בגלל זה, אלגוריתם החלקה יש להשתמש בזהירות המתאימה.
3. גם במקרה זה, להחיל תיקונים הדרושים עם הכלי צבע , מספריים ומחיקה. בשלב זה זכור לשמור על מסכת TLP פעילה בכל עת כדי להימנע מהכללת חלקים מקיר החזה הסמוך לאזורי "זכוכית הקרקע" בתוך הקטע. הסיבה לכך היא, אם מחולק בטעות, הם באופן אוטומטי לא ייכללו.
4. בעת קבלת קטע זה, לשים לב לנוכחות אפשרית של חפצים שנוצרו על ידי תנועות של הלב והסרעפת (זה קורה אם המטופל לא יכול לעצור את נשימתו במהלך הבדיקה). אם קיים וכללו בעבר במקטע TLP, בטל פריטים אלה מהמקטע "זכוכית טחון", לדוגמה באמצעות הכלי Islands עם האפשרות הסר את האי הנבחר או באמצעות כלי מספריים ומחיקה. בהתאם למטרת המחקר, החפצים עשויים להיות מחולקים בנפרד, באמצעות פלח ייעודי או כלולים במקטע TLP ולא נכללים במקטעים אחרים. כעת הוגדר מקטע GGO.

6. הגדרת מקטע התוועים

1. כדי להגדיר את מקטע התווים, המשך באותו אופן כדי להגדיר את מקטע GGO.
   1. בחר את המקטע 'CDs'. הקפד לעבוד עם מסיכת TLP פעילה תמיד.
   2. קבע סף הולם. עבור איחודים הטווח משתנה, בערך, מ -150 HU ל 100 HU.
   3. החל את אלגוריתם החלקה המשתנה בגודל הליבה כצורך.
   4. השתמש בשילוב של הכלים מספריים, למחוק, צבע ואיים על מנת לשמור בתוך הקטע רק את האיחודים האמיתיים, למעט כלי גדול, תפליט צדרי, חפצים, להקות נבזיות ונגעים אחרים שאינם COVID.
   5. במידת הצורך, ייתכן להחיל החלקה סופית.

7. שמירת המקטעים

1. שמור מקטעים כקובץ ".nrrd", או המר למפות תוויות בינאריות מהמודול "נתונים".

8. חילוץ אמצעי אחסון מהמקטעים המוגדרים.

1. מהמודול סטטיסטיקת מקטעים, השג טבלה עם פרטים על אמצעי אחסון ומשטחים של המקטעים.

Representative Results

השיטה המוצעת כבר מעודן באמצעות ניסויים ושגיאות, בדיקתו על 117 חולים מושפעים דלקת ריאות COVID-19 עם בדיקת RT-PCR חיובית.

לאחר עקומת למידה קצרה, הזמן הדרוש להשגת המקטעים עשוי להשתנות מ- 5 עד 15 דקות, בהתאם לתבנית המצגת.

כפי שמוצג על איור 1, השיטה מניבה מקטעים מדויקים: ניתן לצפות בכך על-ידי הבחנה בהתכתבות המדויקת עם ה- HRCT. עיבוד תלת-ממדי מסייע להעריך את ההתכתבות ולבדוק במהירות את תוצאות פילוח. הערכה כמותית של כמות parenchyma ריאות מושפע ניתן להשיג, כדי לשכפל את התוצאות שדווחו Colombi ואח^{'. 6} ו Lanza ואח^'.

איור 1: נפח תוצאות מייצג וניתוח פני השטח. צילום המסך מממשק כלי הפריסה תלת-ת-ראשי מייצג את התוצאות שהתקבלו מהמודול "סטטיסטיקת פלח שוק", שניתן להשתמש בו כדי להעריך באופן כמותי את נפח הפארנצ'ימה המושפעת מריאה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Discussion

פילוח מייצג צעד יסודי לביצוע מחקרי רדיולוגיה כמותית מודרנית, ויש צורך ליישם טכניקות רדיומיות או ניתוח מרקם. ממצאים פתולוגיים בריאות מייצגים את אחד המאתגרים ביותר למקטע, בשל היעדר גבולות אנטומיים מוגדרים והבדל קטן בערך ההיסוס בהשוואה לאזורים הבריאים.

תמונות המקור חייבות להציג עם מינימום של חפצים במידת האפשר, במיוחד באזורים הפתולוגיים, ולפעמים קשה להשיג את זה בעת לימוד מחלה שמהתפשרת על עוצר נשימה; לכן, החוקרים יכולים לשקול להוציא HRCTs בסכנה או הגדרת קטע המוקדש לחפצים שיש לחסל מניתוח נוסף.

ניתן להתקין הרחבה ל-3D Slicer, הנקראת "פלטפורמת הדמיית החזה"¹¹, המאפשרת פעולות מהירות ואוטומטיות יותר במקטעי ריאות, עם עניין מיוחד בריאה. הוחלט שלא לאמץ שיטה זו, שכן היא דורשת התערבות ידנית נרחבת כאשר GGO וקונסולידציות יש התפלגות תת-פלורלית, וזה המקרה של הפתולוגיה שנחקרה בנייר זה.

שיטת פילוח אוטומטית למחלות ריאות interstitial^{דווחה 12}; למרות זאת, שיטה זו דרשה ידע קודם על התכונות של האזורים המושפעים. הטכניקה המוצעת במחקר זה מייצגת גישה קלה ללמוד ולשחזור לפילוח של ממצאים פתולוגיים של הריאה, התכונות שחולצו מהם יכול לספק אמצעים עתידיים של פלח באופן אוטומטי מחלות ריאות בין-זמניות ויראליות, ולייצג גורמים פרוגנוסטיים מדויקים.

שיטת פילוח המוצעת כוללת כמה מגבלות.

קודם כל, הורדת תמונות DICOM מתחנות העבודה היא תהליך שעשוי לדרוש כמות משתנה של זמן, ולכן עושה זאת עבור מספר עצום של חולים עשוי להיות עבודה בעייתית. כל יישום פוטנציאלי של שיטת פילוח זו למרפאה חייב לשקול בעיה קריטית זו, עד לנקודה שבה תוספים פילוח הופכים לזמינים באופן נרחב בפלטפורמות PACS.

שנית, פילוח של אזורים פתולוגיים הקשורים COVID-19 עשוי להיות מסובך בחולים עם מחלת ריאות כרונית בו זמנית (למשל, סרטן ריאות, פיברוזיס ריאות, וכו ') אשר הממצאים הרדיולוגיים מורכבים באזורים עם צפיפויות זהות של אלה האופייניים לדפוסי COVID-19. אותה דאגה צריכה להיחשב בסריקות CT עם חפצים נשימתיים. חפצים אלה נפוצים למדי בחולים עם זיהום COVID-19, להיות קשור בדרך כלל dyspnea וכשל נשימתי, במיוחד בחולים בגיל מבוגר/ בגיל העמידה.

יתר על כן, חולים עם דלקת ריאות interstitial חמורה (מאופיין על ידי איחודי ריאות רבים אטימות ריצוף מטורף) דורש פילוח ידני נרחב יותר וכתוצאה מכך, כמות עצומה של זמן. באופן כללי, ככל שחומרת דלקת הריאות הבין-גולגולתית גבוהה יותר, כך הפילוח הידני הנדרש נרחב יותר, כך זמן הפילוח ארוך יותר.

עם זאת, מידת הדיוק המוצעת על ידי טכניקות הערכה מתקדמות כגון אלה המוצעות על ידי Lanza ו קולומבי יכול להוסיף מידע מוגבל על חולים עם תנאי ריאות חמורים כבר בהשוואה להערכות קליניות ורדיולוגיות^{סטנדרטיות 20}.

לבסוף, יש לצוין כי כל רדיולוג שאין לו ניסיון עם פורס 3D צריך זמן אימון הולם, כפי שהוא לא תוכנה אינטואיטיבית ודורש קצת זמן כדי להיות שולט גם בפונקציות basilar שלה.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
CT Scanner	General Electrics Healthcare	64-MDCT VCT lightSpeed	The CT scanner used for HRCT acquisitions
Desktop Computer	ThinkCentre		The computer used to download the DICOM files and run 3D Slicer