肺部CT分割以识别实变和磨玻璃区域用于SARS-CoV肺炎的定量评估

摘要

本方案的目的是提供一种高效的时间方法，用于在高分辨率CT扫描图像上分割感兴趣区域，以便进一步进行放射组学分析。

摘要

分割是一项复杂的任务，随着放射组学和机器学习潜力的不断提升，放射科医生和研究人员正面临这一挑战。该过程可以是自动的、半自动的或手动的；其中自动分割往往不够精确或难以重复，而手动分割在处理大范围区域和高分辨率图像时则过于耗时。

胸部高分辨率CT包含数百幅图像，这使得手动方法耗时过长。此外，肺实质的改变需要专家评估才能与正常表现区分开来；因此，据我们所知，在分割肺炎病灶时，尤其是当其特征尚不明确时，半自动分割方法是最为合适的选择。

在本研究所开展的 COVID-19 影像学研究中，我们采用了哈佛大学开发的免费软件 3D Slicer，结合阈值工具与画笔工具，实现了对通气肺组织、磨玻璃样阴影及实变区域的快速而精确的分割。尽管在面对复杂病例时，该方法仍需耗费一定时间进行适当的手动调整，但其为定义用于进一步分析的区域提供了极为高效的手段，例如计算受累肺实质的百分比或对磨玻璃区域进行纹理分析。

引言

今年，全球正面临一场由新型冠状病毒Sars-CoV2引发的公共卫生紧急事件。尽管截至目前，关于COVID-19感染的许多病理生理学特征仍不明确，但它与其“祖先”SARS1和MERS具有多个共同特征。特别是已有研究证实，病毒的刺突蛋白可与血管紧张素转换酶2型（ACE2）受体相互作用，该受体在肺泡内皮细胞上高度表达，但在人体各组织中广泛存在，因此可能导致全身性症状¹。

在诊断方面，目前的标准是实时逆转录聚合酶链式反应（rt-PCR），该检测通过咽拭子样本进行。尽管影像学检查尚未被正式纳入该疾病的诊断流程，但由于rt-PCR的敏感性相对较低、专业实验室及所需试剂目前较为稀缺，以及检测结果高度依赖操作人员技术水平，高分辨率计算机断层扫描（HRCT）已被证明在患者临床管理和流行病学管理中具有重要辅助价值。

北美放射学会（Radiological Society of North America, RSNA）发布了一份共识声明，该声明得到了胸部放射学会和美国放射学会（American College of Radiology, ACR）的认可，将 COVID-19 的 CT 影像表现分为四类，以规范报告标准，将间质性肺炎模式划分为“典型”、“不典型”、“不确定”和“阴性”²。

“典型....

方案

本方案遵循机构人类研究伦理委员会的指导方针。

1. 下载DICOM图像

1. 下载DICOM图像，并将其传输至安装有3D软件的专用分割工作站。若计划在个人计算机上操作，需对DICOM数据进行匿名化处理。

2. 在 3D Slicer 软件中导入 HRCT 研究数据

1. 在软件启动界面（对应下拉菜单中的 Welcome to Slicer 部分），选择 Load DICOM Data。或者，点击工具栏左上角的 DCM 图标。
2. 在 DICOM Browser 面板的左上角，点击 Import，然后选择高分辨率CT（HRCT）检查数据的存储位置。选择包含DCM图像的文件夹，然后点击 Import。
3. 当HRCT检查数据成功导入后，点击 Load 按钮。

3. 创建片段

1. 在下拉菜单的 Segment....

结果

该方法通过反复试验进行优化，并在117例经rt-PCR检测呈阳性的新型冠状病毒肺炎患者中进行了验证。

经过短暂的学习适应期后，获取这些片段所需的时间可能因呈现模式的不同而介于5到15分钟之间。

如图1所示，该方法可获得精确的分割结果：通过观察其与高分辨率CT（HRCT）的精确对应关系即可证实。三维重建有助于评估对应情况，并快速回顾分割结果。可定量评估受累肺实质的范围，以重复Colombi等人⁶和Lanza等人¹³所报道的结果。

讨论

分割是开展现代定量放射学研究的基本步骤，也是应用放射组学或纹理分析技术的必要前提。肺部的病理改变是分割最具挑战性的对象之一，因其缺乏明确的解剖边界，且与健康区域相比其衰减值差异较小。

源图像应尽可能少地出现伪影，尤其是在病理区域，但在研究影响屏气能力的疾病时，这一点有时难以实现；因此，研究人员可考虑排除存在伪影的高分辨率CT图像，或定义一个专门包含伪影的区域，以便在后续分析中将其剔除。

可以安装一个名为“chest imaging platform”的 3D Slicer 扩展¹¹，该扩展能够实现对肺段（尤其是通气肺组织）进行更快速、更自动化的操作。但本研究决定不采用此方法，因为当磨玻璃影（GGO）和实变病灶呈胸膜下分布时，该方法需要大量人工干预，而本文所探讨的病理情况正是如此。

已有研究报道了一种用于间质性肺疾病的自动分割方法¹²；然而，该方法需要预先了解病变区域的特征。本研.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CT 扫描仪	通用电气医疗	64-MDCT VCT lightSpeed	用于高分辨率 CT 图像采集的 CT 扫描仪
台式计算机	ThinkCentre		用于下载 DICOM 文件并运行 3D Slicer 的计算机