文摘
介绍肺结节病是一种罕见的异构肺病的原因不明,有限的治疗方案。表现型依靠临床试验包括胸片的视觉评分。客观radiomic措施从高分辨率计算机断层扫描(HRCT)可能提供额外的信息来评估疾病状态。作为第一个radiomics分析结节病,我们调查的潜力radiomic措施作为结节病的生物标记物,通过评估1)HRCT结节病主题和健康对照组之间的差异,2)之间的关联radiomic措施和肺量测定法,和3)趋势之间的许多阶段。
方法Radiomic特性计算在HRCT在三个解剖的飞机。结节病学科之间的线性回归相比全球radiomic特性(n = 73)和健康对照组(n = 78)、和识别对肺量测定法。空间差异在肺协会进行了使用功能数据分析。相比subanalysis radiomic特性之间的许多阶段。
结果全球radiomic措施结节病学科和控制之间的差距显著(p < 0.001为偏态、峰态分形维数和吉尔里C),不同的空间radiomics优越和横向地区最为明显。在结节病,有重大关系radiomic措施和肺量测定法,与一个大型协会发现吉尔里的C与用力肺活量(FVC) (p = 0.008)。竹荚鱼阶段之间全球radiomic措施明显不同(p < 0.032),尽管非线性,第四阶段有更极端的radiomic值。Radiomics解释71.1%的变异FVC相比,51.4%由许多单独登台。
结论Radiomic HRCT措施客观区分疾病异常,与肺功能和识别趋势许多阶段,有望成为定量肺结节病的生物标志物。
文摘
Radiomic措施确定肺实质异常结节病与肺功能高度相关,表明radiomics增强视觉读取和可能导致改善病人分析、疾病分期和监控。http://bit.ly/2HMLaKm
介绍
肺结节病是一种罕见的异构不明的疾病病因学特点是肺肉芽肿的形成,以及其他器官。肺功能受损是常见的肺参与(1],它可以限制日常活动,并且经常表明治疗需要减少或反向异常。自发缓解据报道发生在多达三分之二的患者在某些人群(2),然而由于呼吸衰竭死亡率上升在美国(3]。
胸片影像质量综合评估,除了肺功能,用于临床监测结节病,胸片显示异常病例的90% (4]。竹荚鱼的分期系统,基于胸片,结节病是一种常见的视觉分类,把影像学表现分为五个阶段:阶段0(没有x光照片异常),I期(双侧肺门淋巴结病(BHL)),第二阶段与BHL(肺渗透),第三阶段(肺浸润没有BHL)和第四阶段(肺纤维化与体积损失)。尽管数字命名,没有顺序排序的许多阶段,受试者可能证明异常在不同时期在多个阶段。附加胸部影像学模式可能会观察到,不以竹荚鱼阶段,如沿着bronchovascular小结节状的透明包,焦合并,合并的小结节状的透明(大众集团),磨砂玻璃和纤维化等(2]。
最近,高分辨率ct (HRCT)扫描已经被用来描述肺结节病表现(5- - - - - -7]。尽管标准视觉评估工具有限HRCT结节病表现(8- - - - - -10],HRCT发现仍在视觉特征,耗费时间,依赖于读者的专长并受差两分的[可靠性11]。定量评价HRCT在结节病可能提供更快速、客观、量化的各种异常敏感,在结节病。
Radiomics一个新兴领域,大量的定量计算从医学图像成像特性,已经被证明是有效的为发展中定量生物标志物在肺气肿12- - - - - -15)、间质性肺疾病(16- - - - - -18)和肺癌(19- - - - - -23]。我们所知,在结节病radiomic措施还有待探索。鉴于radiomics其他疾病的作用,我们假设radiomic特性也将证明有用的作为一个潜在的成像生物标志物在结节病。
这里,我们执行一个早期调查radiomic措施作为潜在生物标志物在结节病,在“早期”引用生物标志物研究管道提出了Pepeet al。(24]。我们的目标是调查具体radiomic特性是否肺HRCT结节病主题和健康对照组之间的差异(图1和表1)。特别是,我们计算空间不同radiomic和全局特征,评估这些措施区分结节病受试者健康控制和竹荚鱼阶段之间。最后,我们与radiomics和肺功能的潜力radiomic措施作为结节病的生物标志物。
方法
研究人口和数据采集
补充部分E1包含一个详细描述研究的数量和成像采集。总之,结节病人口(n = 79)招募了犹太国民健康(美国科罗拉多州丹佛市)作为国家的一部分,心脏,肺、血液机构资助的基因组研究在alpha - 1抗胰蛋白酶缺乏症”和结节病(毕业生)研究[25]。一个不吸烟的健康控制人口(n = 108)从COPDGene获得研究[26]。受试者在毕业生18 - 85岁确诊结节病的诊断通过活组织检查或表现符合急性结节病(洛夫格伦综合征)25]。受试者在COPDGene研究45 - 80岁没有肺部疾病史和正常post-bronchodilator (BD)肺量测定法27]。毕业生和COPDGene、肺功能测试执行(包括pre-BD用力呼气量在1 s (FEV1)、用力肺活量(FVC))和胸部HRCT命令根据相同的成像协议(26),除了改变管电流平均(毕业生:180 - 330 mA不同身体质量指数(BMI);COPDGene: 400毫安)。根据Mackinet al。(28),我们不相信管电流的差异将影响我们的结果。73年的毕业生受试者HRCT。只有COPDGene受试者扫描机器来自同一制造商(西门子)作为毕业生科目进行分析研究(n = 78)。所有受试者签署知情同意提供通过毕业生或COPDGene研究。
Radiomic措施
图像数据预处理和radiomics中描述补充部分E2和E3。简而言之,肺分割和radiomic计算进行使用lungct R包(https://github.com/ryansar/lungct)。五个radiomic措施(偏态、峰态,分形维数(29日,莫兰我(30.)和吉尔里的C(31日])是预先确定的评估我们的研究基于统计特性和成功在先前的研究特发性肺纤维化和肺结节(20.,32,33]。五radiomic措施计算每片的科目在每两个肺和三个解剖的飞机。总结radiomic的分布特征为每个主题,获得肺癌和飞机,中值计算。详细描述每个测量以及定向的临床假设为每个测量中可以找到图1和表1。
统计分析
一个详细的统计分析中可以找到补充部分E4。描述性统计(如。为连续变量平均值和标准偏差;频率为分类变量)被用来总结人口,radiomic和肺量测定法数据(表2)。线性回归模型来测试不同的结节病主题之间全球radiomic措施和控制,调整年龄、性别和体重指数(表3,E1和E2补充表)。评估是否疾病状态(即。结节病与控制)肺功能改变之间的联系和全球radiomic措施,线性回归是配备一个疾病组之间的相互作用和全球radiomic测量(图2,补充表E3和E4)。在二级分析,使用惩罚函数回归平滑样条函数(34)拟合来确定是否存在空间不同学科之间的联系和没有结节病和radiomic措施,即。是否某些地区的肺结节病之间的不同的主题和控制比其他地区(图3和4,E1和E2补充数据)。分析结节病学科重复调查潜在趋势radiomic在竹荚鱼阶段和肺功能的措施。结果被认为是重要的在p < 0.05。
结果
为了简便起见,这里给出的结果是左肺轴向取向,除非另有注明。一般来说,类似的模式被认为正确的肺、冠状及矢状解剖飞机(见补充材料的更多信息)。
nonradiomic特征差异结节病学科和控制,在结节病和跨许多阶段
表2显示了人口在这个研究课题的特点。与对照组(n = 78)相比,结节病学科(n = 73)年轻(平均±sd54.1±8.6与64.5±8.3年;p < 0.001),高BMI(意味着±sd30.1±7.0与28.0±4.8公斤·m−2;p = 0.029),更大的白人(84.9%的人口与94.1%;p = 0.002)和有意义的,但不显著,男性(49.3%的比例更高一些与35.9%;p = 0.133)。调整的性别、种族、种族、年龄和身高、结节病受试者pre-BD FEV明显降低1都和FVC (p < 0.001),而与控制,但类似的FEV1/ FVC (p = 0.465)。
跨许多阶段主题特征相似(p > 0.05) (表2),BMI和FEV中观察到的差异1/ FVC (p = 0.040, p < 0.001,分别)。四期FEV最低1/ FVC,另一些人则FEV1/ FVC在正常范围内。
差异在全球radiomic结节病学科之间的观察和控制措施
均值±se全球偏态是积极的,但较低的结节病学科与控制(3.17±0.09与3.64±0.06;p < 0.001),全球峰度(12.7±0.7与16.7±0.6;p < 0.001),全球分形维数(2.404±0.004与2.429±0.003;p < 0.001)和全球吉尔里的C(0.212±0.002与0.226±0.002);全球莫兰我(平均±se0.702±0.005与0.691±0.004)在结节病学科更高(p < 0.001) (表3,E1和E2补充表)。
联想全球radiomic之间有明显的措施和肺功能,和结节病之间的不同主题和控制
峰度
峰度和pre-BD FEV之间的关系1(图2一个)结节病之间的不同主题和控制(p = 0.032);结节病学科有一个积极的峰度和FEV之间的联系1(β±se0.053±0.012 L;p < 0.001);然而,在控制峰度,FEV之间没有显著相关性1(p = 0.189)。峰度和FVC FEV之间的关系1/ FVC是积极的(图2 b和c),结节病学科和控制没有差异(p > 0.087)。
吉尔里的C
Geary之间的关系C和pre-BD FEV1(图2 d),pre-BD FVC (图2 e),FEV1/ FVC (图2 f)结节病之间的不同主题和控制(p < 0.001, p = 0.002, p < 0.001);在结节病受试者Geary之间存在着显著正关联C和FEV1、FVC和FEV1/ FVC (FEV1:β±se15.7±3.6 L;p < 0.001;FVC:β±se21.4±4.6 L;p = 0.008;FEV1/ FVC:β±se2.11±0.42;p < 0.001);然而,在控制Geary之间存在着严重的负面联想C和FEV1和FEV1/ FVC (FEV1:β±se−10.9±4.5 L;p = 0.016;FEV1/ FVC:β±se−1.06±0.51;p = 0.040)。
结节病之间的差异在空间radiomic措施指出主题和控制
Radiomic措施之间的不同在大部分肺结节病学科和控制在所有三个平面,所表现出的信心乐队的分离图3和t统计量大于1.96图4。偏态(上面一行图3,黄色图4)和峰度(第二行图3,亮绿色图4)在结节病主题显著降低与控制相比,最大的显著差异在上级和矢状肺中间区域;小,但仍然显著差异的观察冠状平面。分形维数(第三行图3蒂尔在图4)和莫兰我(第四行图3,深蓝色图4)明显高于,吉尔里C(底下一行图3,深紫色图4)显著降低,在结节病学科最重要的优越和侧肺区域差异;也有在冠状面分形维数之间存在较大的差异。看到E1和E2补充数据对肺的结果。
Radiomic HRCT措施根据竹荚鱼阶段分类不同
全球radiomic措施不同当病人被竹荚鱼分类阶段,所有解剖取向,由四期显著差异(表3)。毫不奇怪,radiomic措施没有遵循顺序增加或减少的模式在许多阶段。此外,各种radiomic措施没有遵循同样的模式在许多阶段的阶段有高(或低)平均值与他人相比。意味着全球偏态、峰态和分形维数是最高阶段我在四期主题主题和最低(p = 0.027, p = 0.032, p < 0.001,分别)。全球莫兰我,均值±se是最低阶段0科目(0.667±0.013)和最高的四期主题(0.729±0.008)(p < 0.001)。均值±se吉尔里的C第三阶段学科最高(0.229±0.005)和四期最低(0.195±0.002)(p < 0.001)。
重要的是,在结节病受试者,全球radiomic措施解释肺功能指标的变化比许多阶段的措施。对于pre-BD FEV1、竹荚鱼阶段随性别、年龄和体重指数解释pre-BD FEV的可变性的44.5%167.7%与全球radiomic措施和性别、年龄和体重指数。竹荚鱼阶段随性别、年龄和体重指数在pre-BD FVC解释51.4%的变异,而全球radiomic措施以及性别、年龄和体重指数在pre-BD FVC解释71.1%的变异。对于FEV1/ FVC、竹荚鱼阶段、性别、年龄和体重指数解释26.9%与40.2%的变异解释与全球radiomic措施,性别、年龄和体重指数。
讨论
我们所知,这是第一个radiomics分析结节病。我们展示的潜力radiomic措施作为结节病的生物标记物,通过1)检测HRCT结节病主题和健康对照组之间的差异,2)发现radiomic措施和肺功能之间的联系,和3)识别趋势之间的许多阶段。本研究可分为二期发育证据的证据radiomic措施为结节病治疗和疾病过程的预测生物标记(24]。
在我们的发现,全球radiomic措施差别明显结节病学科和控制在左、右肺各解剖平面。Hounsfield单位在HRCT上的分布从结节病学科更多的正态分布(即。偏度和峰度)与控制。这是由于增加浑浊(即。白区域)在结节病受试者HRCT扫描,有可能造成实质异常,尽管目前尚不清楚我们的发现异常所造成。这些radiomic发现的结果是一致的通过视觉评估,注意增加的不透明和实质的HRCT扫描异常结节病学科(2]。此外,我们二阶radiomic特性的显著差异(分形维数,莫兰我和吉里C)显示相邻像素更相似(Hounsfield单位)的HRCT扫描从结节病学科与控制。这可能是由于结节聚集和/或纤维化在结节病受试者HRCT扫描,结果是一致的通过视觉评估(2]。此外,空间radiomic措施显示显著的地理变异在肺结节病学科和控制之间的差异最明显优越,mid-to-outer矢状区域。这些空间发现上层和侧叶优势在结节病的影像学异常,在视觉评估的结果是一致的35]。因此,我们radiomic发现符合已知的视觉异常肺结节病。放心,这些结果支持,而不是冲突与视觉评分。下一步我们的工作将评估视觉评估和radiomic措施之间的相关性,并使用两个一起提供一个综合的放射学评估肺结节病。
全球radiomic措施也与肺量测定法显著相关。radiomic措施和肺功能之间的联系是结节病人口更强。在结节病受试者,降低偏态和峰态,可能造成更多的实质异常,降低肺量测定法。此外,较低的分形维数,莫兰的更高我和更低的吉尔里的C,可能造成结节聚集和/或纤维化,降低肺量测定法。特别有趣,有radiomic措施之间有着紧密的联系和肺功能考虑到以前的工作测量肺功能之间的关联和视觉评分在HRCT扫描结节病受试者没有显示一致的协会(2]。radiomic措施之间的关联和肺量测定法提供了进一步的证据的潜在临床效用radiomic分析评估肺结节病。
基于竹荚鱼阶段分类,我们发现全球radiomics不同显著的左、右肺各解剖平面,与大部分的显著差异由竹荚鱼四期。偏态、峰态,分形维数和吉尔里C最重要的两两之间的差异,第四阶段我和;莫兰的我之间,0和IV阶段。毫不奇怪,radiomic措施没有遵循顺序增加或减少的模式在许多阶段。此外,各种radiomic措施没有遵循同样的模式在许多阶段的阶段有高(或低)平均值与他人相比。这些发现符合我们的知识关于非连续性订购的竹荚鱼阶段(2),以及潜在的HRCT提供更敏感和具体信息关于实质异常肺结节病。此外,这些radiomic特性似乎敏感实质异常在竹荚鱼四期,如纤维化和/或上部叶体积损失与门的收缩。此外,我们发现radiomic措施更好地预测肺量测定法比许多阶段,与其他研究一致,注意竹荚鱼阶段预测能力差对肺功能(36,37]。
进一步调查的效用radiomic措施定量肺疾病的生物标记物,包括肺功能和其他临床特征,是合理的,特别是考虑到能够生成这些措施以自动化的方式。radiomic分析的一个主要好处是自动计算效率和重现性,增加了潜在的使用这些方法在临床的设置。我们分析151分段扫描∼3分钟/扫描,这可以说是速度比视觉评估。Radiomic算法可以被编程到扫描仪可用以及视觉读取为结节病进一步加强病人的图像轮廓分段和疾病监测。
我们的研究并非没有限制。这次调查进行适度的样本大小。重复这一分析在一个较大的结节病人口将重要的验证generalisability和再现性。基于COPDGene队列的方式构建,我们控制人口只有不吸烟者。我们不相信这介绍重大偏差的小结节病的吸烟人口比例,因为灵敏度分析删除结节病受试者吸烟主要结果显示结果相印证。虽然HRCT扫描的结节病学科和控制得到非常相似的协议下,我们注意到本研究的一个弱点是结节病主题和控制在不同西门子HRCT扫描机器不同管电流。这可能引入了偏差由于扫描仪和协议的差异。
最后,我们的工作标识的有效性在HRCT上radiomics通过有效地、客观地识别肺实质异常结节病。我们也强调了重大radiomics和肺功能之间的联系,尤其是那些与结节病,这表明radiomic措施,我们评估功能的影响。这项工作显示了radiomic激动人心的承诺措施作为结节病疾病的生物标志物,这应该进一步评估诊所和/或应用程序的研究。我们希望未来的研究与radiomics HRCT将导致更好的理解疾病进展、分类和治疗方案为结节病。
补充材料
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确认
本研究使用的数据生成的COPDGene研究由国家卫生研究院的基金支持U01HL089856 U01HL089897。COPDGene项目由COPD基金会还支持通过贡献一个行业顾问委员会由辉瑞、阿斯利康、勃林格殷格翰的发言,诺华,Sunovion。
脚注
可以从本文的补充材料www.qdcxjkg.com
利益冲突:克里瑞恩没有披露。
利益冲突:式样Fingerlin没有披露。
利益冲突:m . Mroz没有披露。
利益冲突:b .树皮没有披露。
利益冲突:n Hamzeh没有披露。
利益冲突:麦尔洛杉矶报道赠款从NIH / NHLBI期间进行的研究,国立卫生研究院的资助/ NHLBI aTYR Mallinckrodt ARD, Inc .)在提交工作。
利益冲突:N.E.卡尔森没有披露。
支持声明:提供了资金从美国健康和人类服务部门,国家卫生研究所,国家心脏,肺和血液研究所:R01 HL089856, R01 HL114587, R01 HL142049, U01 HL112695和U01 HL112707。资金信息,本文已沉积的Crossref资助者注册表。
早期版本的手稿被派往ArXiv2018年6月(arXiv: 1806.10281)(https://arxiv.org/abs/1806.10281)。与这个版本相比,目前的手稿实质性的改进其方法,结果和报告。
- 收到了2019年2月21日。
- 接受2019年5月24日。
- 版权©2019人队