推想与中日友好医院共研特发性肺纤维化疾病进展的定量分析方法

　　近日,推想医疗携手中日友好医院合作的论文“Lung shrinking assessment on HRCT with elastic registration technique for.monitoring idiopathic pulmonary fibrosis”发表于权威期刊European Radiology,论文研究了肺萎缩与特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)的疾病进展之间的相关性。研究回顾性纳入具有至少两次高分辨率计算机体层成像(HRCT)扫描及肺功能测试(PETs)的IPF患者,对基线及随访HRCT进行弹性配准,获得全肺形变场。基于变形场计算雅可比行列式,并经由对数变换得到映射图以描述患者肺内部变化情况,同时评估雅可比行列式的对数值(log_jac)与PFT之间的相关性。值得一提的是,该论文提出了在HRCT上利用弹性配准技术量化得到的肺弹性收缩评估结果有可能成为IPF定量分析中的一种新型成像生物标志物。

　　研究背景

　　特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一种弥漫性疾病,其特征是肺实质进行性和不可逆性纤维化和呼吸衰竭,并且死亡率较高。IPF的病理特征为弥漫性肺泡炎症、肺泡结构紊乱和纤维化。肺功能检查(如用力肺活量(FVC)和一氧化碳弥散量(DLco))是评价IPF进展的最常见指标。

　　此外,近年来,肺血管重塑在间质性肺疾病(ILD)发展和预后中的作用越来越受到关注,其可能是除肺纤维化之外评估IPF患者疾病严重程度的新型影像学生物标志物。肺血管结构的变化可能与相应部位的肺纤维化和其他部分代偿性扩张引起的肺萎缩有关。IPF患者的肺纤维化病变通常伴有肺部相同区域的萎缩,并导致肺血管结构和数量的变化。同时,随着纤维化的进展,肺萎缩逐渐恶化。因此,肺血管结构的改变不仅与肺萎缩有关,还与IPF的预后有关。

　　高分辨率计算机体层成像(HRCT)是评估ILD的关键重要影像学方法,然而,HRCT对IPF进展的目视评估通常是主观的。肺萎缩情况需要将同一患者不同时间的CT图像进行并排比较。图像弹性配准对一个或多个运动图像应用各种几何变换,以便与目标图像匹配并建立对应关系。雅可比映射是通过计算变形场的每个体素的雅可比行列式的对数(log_jac)获得的。在ILD方面,弹性配准已被证明可用于评估和量化局部肺变形。

　　近年来,有研究在系统性硬化症相关间质性肺病(SSc-ILD)患者中对吸气呼气MRI进行了弹性配准。该研究发现,与纤维化患者相比,没有纤维化的患者的肺底部明显萎缩,且log_jac较小,从而表明肺纤维化患者的呼吸变形较少。随后,该研究的研究者证明CT扫描上的弹性配准可以评估SSc-ILD随访期间的疾病进展。目前,还未有研究基于弹性配准法对IPF进行定量分析。

　　验证基于CT的肺萎缩量化结果

　　评估IPF纵向变化

　　在该项目中,研究团队回顾性收集了2015年1月至2021年5月在中日友好医院诊断出IPF的患者。所纳入的患者需满足:至少接受了两次HRCT和PFT,并且相应的HRCT和PFT是在同一天完成。对于在随访期间进行了两次以上数据采集的患者,则仅包括最早和最近的HRCT。排除了具有明显呼吸运动伪影的低质量HRCT相关数据;合并其他肺部疾病或手术或胸腔积液的患者;以及PFT数据不完全的患者。最终,共收集了满足条件的69名患者的成对数据用于本研究分析。

　　在研究时,采用以下方法进行相关实验。首先,将所有HRCT各向异性的体素大小转换为各向同性,随后使用推想InferRead?CT Lung中深度学习模型进行肺区域分割,并基于肺分割结果完成肺区域提取。对提取后的肺区域使用基于对称仿射和可变形变换的配准方法ElasticSyN对随访组与基准组进行对齐。基于配型配准得到的变形域得到雅可比行列式矩阵,并计算相应的雅可比行列式矩阵均值(mean log_jac)。

　　本研究基于肺功能检查结果将患者分为两组:功能性稳定和功能性恶化;此外,基于视觉评估将患者分为三组:形态稳定、形态恶化以及形态改善。实验结果表明,功能稳定性患者的log_jac均值为0(IQR,-0.02至0.02),其log_jac均值高于功能恶化的患者(log_jac均值为-0.10(IQR,-0.61至0.02),p=0.03)。log_jac均值与VC%(r=0.394,p<0.05)和FVC%(r=0.395,p<0.05)呈弱正相关,与肺血管容积(r=0.438,p<0.01)以及肺动脉容积(r=0.530,p<0.01)呈中度正相关。下图显示了进行性和稳定性ILD患者的基线和随访高分辨率CT图像以及雅可比图。

　　雅可比图可视化结果:(a)进行性ILD患者,随访间隔30个月。随访CT显示,与基线CT相比,蜂窝和网状结构显著增加。该ILD患者在视觉评估以及功能性评估中均表明疾病进展。雅可比图显示弥漫性肺萎缩与纤维化病变增加的区域相对应,平均log_jac值为负。(b)稳定性ILD患者,随访间隔7个月。随访CT显示,与基线CT相比,病变无明显变化。视觉和功能评估均表明疾病稳定,平均log_jac值为0

　　基于log_jac值分布的雅可比图被证明在不同群体之间存在显着差异。由下图中的矢状面可视化表明,log_jac值在功能或形态稳定性组中是均匀的。相反,在功能或形态学恶化的患者中,在肺基底的后部发现明显的肺收缩(负log_jac值),而对于形态学改善的患者,在同一部位观察到扩张(阳性log_jac值),这也可说明基于HRCT的弹性配准有助于定量评估IPF肺萎缩的形态和功能性进展情况。

　　雅可比行列式矢状位投影图:根据功能变化分为两组(A),根据形态变化分为三组(B)

　　在该研究项目中,推想医疗与中日友好医院王辰院士团队共同协作,充分体现了医工交叉的优势,利用已有的产品以及模型,高效完成了数据量化与分析并为医生提供了良好的临床研究环境,推想InferRead?CT Lung中的基于深度学习技术的肺分割模型的充分利用大大减少医生的标注成本,缩短了研究时间。此外,推想研究团队根据研究需求,基于弹性配准技术完成CT图像配准任务,计算相关量化指标以及输出相关图像可视化结果,为最终的分析提供了必要的支持。