杨守鑫, 吴宁, 张丽, 等. CT采集和重建参数对纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征稳定性的影响[J]. 中华肿瘤杂志, 2022, 44(9):981-986.
DOI: 10.3760/cma.j.cn112152-20201127-01024.
目的
探讨CT重建算法、辐射剂量和对比剂3种参数对纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征稳定性的影响。
方法
前瞻性选取2018年于中国医学科学院肿瘤医院就诊的35例肺结节患者(50枚纯磨玻璃密度肺结节)，对同一患者肺结节的原始图像重建后共获得6种不同参数的序列，使用ITK－SNAP软件分别对不同序列的纯磨玻璃密度肺结节进行分割，将所有扫描数据通过美国GE公司的A.K.软件进行肺结节影像组学特征提取，通过组内相关系数选取复测信度好的影像组学特征，使用R语言统计学软件对特征参数进行分析，将不同序列的所有特征值配对比较，分别统计改变采集和重建参数导致变化的影像组学特征的数量，比较不同采集和重建参数对纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征稳定性的影响。采用配对样本 t检验或Wilcoxon检验比较不同序列特征值分布的差异，采用 χ 2检验比较改变不同参数后发生变化的影像组学特征数量的差异。
结果
50枚纯磨玻璃密度肺结节共提取391个影像组学特征，组内相关系数>0.75的特征为320个。同时改变CT重建算法、辐射剂量和对比剂3种参数时，发生变化的纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征达到60.9%(195/320)，其中包括6.7%(1/15)的形态学特征、100.0%(40/40)的直方图特征和58.1%(154/265)的纹理特征。仅改变1种参数(保持其他2种参数不变)的情况下，分别改变CT重建算法、辐射剂量和对比剂，发生变化的纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征分别为10.6%(34/320)、30.9%(99/320)和50.6%(162/320)，差异有统计学意义(均 P<0.05)。当辐射剂量和对比剂改变时，与50%自适应迭代重建技术(ASiR－V)比较，滤波反投影(FBP)重建算法获得的影像组学特征发生变化更小( P＝0.001)。
结论
CT重建算法、辐射剂量和对比剂会影响纯磨玻璃密度肺结节的影像组学特征，其中对比剂对纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征的影响最大，辐射剂量次之，CT重建算法最小；与形态学特征比较，直方图特征和纹理特征容易受到CT重建算法、辐射剂量和对比剂的影响；与50% ASiR－V比较，FBP重建算法获得的影像组学特征受辐射剂量与对比剂的影响更小，在影像组学分析中应充分考虑到这些参数的影响。
【关键词】肺肿瘤; 腺癌; 纯磨玻璃密度肺结节; 影像组学; 可重复性
肺癌是目前全世界最常见的恶性肿瘤，占所有恶性肿瘤的11.6%，也是男性和女性恶性肿瘤死亡的主要原因。由于早期肺癌临床表现不明显，大部分患者就诊时已是中晚期，很多患者也因此失去手术机会。现有研究表明，对肺癌高危人群常规进行低剂量CT筛查可以有效降低肺癌的死亡率。随着低剂量CT筛查的普及，越来越多的磨玻璃密度肺结节在筛查中被发现，且研究显示，持续存在的磨玻璃密度肺结节病理为恶性的可能性更大，后续需要进行特殊的管理。随着人们对磨玻璃密度肺结节关注度的提升以及认识的提高，CT影像组学也被广泛应用在鉴别磨玻璃密度肺结节的良恶性和侵袭程度上。除此之外，CT影像组学在肺结节的检出、良恶性诊断以及预后和疗效预测等方面都有长足的进展。
但是，影像组学在临床实际应用中仍然存在挑战。有研究显示，鉴于不同机构间患者群体、采集参数和重建技术的差异会产生混杂效应，影像组学应用效果的普适性还有待进一步研究。现阶段以体模为对象的研究结果已经证实，改变重建核、管电流和重建算法等可以影响50%以上的影像组学特征，这也就意味着参数的改变很有可能影响到预测模型特征的纳入，最终影响预测模型的准确性。虽然体模研究在很大程度上可以模仿肿瘤在人体内的表现，但其根本上无法真正模拟实际病变内富含的生物学信息所形成的影像组学特征。本研究旨在分析在改变CT重建算法、辐射剂量或对比剂的情况下，对纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征稳定性的影响，为影像组学CT采集和重建参数标准化提供数据支持。
1．临床资料：
前瞻性选取2018年7—12月于中国医学科学院肿瘤医院就诊的患者。纳入标准：(1)在我院行胸部CT平扫和增强检查；(2)临床拟诊为肺结节；(3)胸部CT显示至少有1枚大小为3~30 mm的纯磨玻璃密度肺结节。排除标准：(1)肺部CT图像显示结节为实性结节或磨玻璃结节内含有实性成分；(2)肺部CT图像显示结节边界不清难以准确勾画。35例患者(共50枚纯磨玻璃密度肺结节病灶)中，男10例，女25例；年龄为(58.8±9.3)岁。轴位CT肺结节长径为(7.8±2.5)mm。肺结节位于右肺上叶22例，右肺中叶3例，右肺下叶8例，左肺上叶12例，左肺下叶5例。本研究经本院伦理委员会批准(审批号：19－018/1840)，所有患者均签署知情同意书。
2．CT检查方法：
所有患者均采用美国GE Revolution 256排螺旋CT进行肺部扫描。扫描范围从肺尖至肺底，常规层厚及层间距均为5 mm，重建层厚均为1.25 mm，层间距为0.8 mm，螺距为0.992，管电压固定为120 kV，自动毫安秒技术。重建算法包括滤波反投影(filtered back projection, FBP)和50%自适应迭代重建技术(adaptive statistical iterative reconstruction Veo, ASiR－V)。图像的辐射剂量采用两种噪声指数(noise index, NI)来进行控制，包括低剂量(NI＝40)和常规剂量(NI＝10)。每例患者均有平扫和增强图像，增强扫描为压力注射器经周静脉注射非离子型碘对比剂(300 mg/ml)85 ml，速率3 ml/s，静脉注射后35 s开始扫描。将平扫和增强的原始图像进行重建后共有6种组合方式，分别为S1(50% ASiR－V+低剂量+平扫)、S2(FBP+低剂量+平扫)、S3(50% ASiR－V+常规剂量+平扫)、S4(FBP+常规剂量+平扫)、S5(50% ASiR－V+常规剂量+增强)和S6(FBP+常规剂量+增强)。
3．图像分割：
采用ITK－SNAP 3.4.0软件对图像进行手动分割，选取重建层厚为1.25 mm的6种序列的肺部图像，在包含肺结节的所有层面沿病灶轮廓逐层勾画感兴趣区(region of interest, ROI)。所有ROI的勾画均由同一名有5年工作经验的放射科医师手动完成。另外，从50枚纯磨玻璃密度肺结节中选取30例纯磨玻璃密度肺结节，间隔2周时间，在序列S6(FBP+常规剂量+增强)图像上由同一名放射科医师进行第2次ROI勾画，进行一致性检验。
4．图像特征提取：
将不同序列的肺结节原始图像和勾画好的肺结节的体积ROI图像导入美国GE公司A.K.软件进行图像特征提取。在提取的402个特征中去除11个无法获得具体数值的异常特征，最后共提取391个特征，分别为直方图特征(42个)、形态学特征(15个)和纹理特征(334个)。
5．统计学方法：
统计分析应用R语言进行处理。采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient, ICC)评价影像组学特征的复测信度，ICC>0.75认为前后提取的影像组学特征之间具有良好的复测信度。采用配对样本 t检验或Wilcoxon检验比较不同序列特征值分布的差异，用Benjamini－Hochberg法进行错误率的控制，采用 χ 2检验比较改变不同参数后发生变化的影像组学特征数量的差异。检验水准α＝0.05。
一、30例患者的磨玻璃密度肺结节进行一致性检验后纳入的特征值
在提取的391个影像组学特征中，ICC>0.75的特征为320个，分别为直方图特征40个、形态学特征15个和纹理特征265个。
二、CT重建算法、辐射剂量和对比剂3种参数对影像组学特征的影响
选定序列S6、S4作为相应的参考序列，将其他序列与之比较，得出改变CT采集方式和重建参数对纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征的影响(表1)。
1．同时改变3种参数的结果：
同时改变重建算法、辐射剂量和对比剂3种参数，对纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征的影响大，发生变化的特征数达60.9%(195/320)。同时改变3种参数，发生变化的直方图特征和纹理特征的百分比分别为100.0%(40/40)和58.1%(154/265)，均高于发生变化的形态学特征[6.7%(1/15)]，差异均有统计学意义( χ 2值分别为45.28和15.20, P值分别为<0.001和<0.001)。
2．分别改变3种参数的结果：
分别改变重建算法、辐射剂量和对比剂3种参数，改变比剂对纯磨玻璃密度结节影像组学特征的影响最大，发生变化的影像学组学特征达50.6%(162/320)，包括92.5%(37/40)的直方图特征、6.7%(1/15)的形态学特征以及46.8%(124/265)的纹理特征；改变辐射剂量的影响次之，发生变化的影像学组学特征达到30.9%(99/320)，包括42.5%(17/40)的直方图特征、13.3%(2/15)的形态学特征以及30.2%(80/265)的纹理特征；而改变重建算法的影响最小，发生变化的影像学组学特征仅为10.6%(34/320)，包括2.5%(1/40)的直方图特征、0(0/15)形态学特征以及12.5%(33/265)的纹理特征，差异有统计学意义(均 P<0.05)。
三、50% ASiR－V与FBP重建算法获得的影像组学特征稳定性比较
如表2所示，当辐射剂量改变时，与50% ASiR－V比较，FBP平扫获得的纯磨玻璃密度结节影像组学特征变化更小( χ 2＝15.83, P<0.001)；当对比剂改变时，与50%ASiR－V常规剂量比较，FBP常规剂量获得的纯磨玻璃密度结节影像组学特征变化小( χ 2＝11.81, P＝0.001)；在辐射剂量和对比剂均改变的情况下，与50%ASiR－V比较，FBP重建算法获得的纯磨玻璃密度结节影像组学特征变化小( χ 2＝10.56, P＝0.001)。
本研究是以临床患者为对象的前瞻性研究，结果表明，CT重建算法、辐射剂量和对比剂对纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征均有影响，并且同时改变3种参数会导致60.9%(195/320)的影像组学特征发生变化。有学者回顾性分析42例患者的42枚肺结节或肿块，结果显示，重建算法会影响60.0%(9/15)的影像组学特征。Kim等以肺结节体模为研究对象比较2种不同辐射剂量对影像组学特征的影响，结果显示，不同辐射剂量会影响90.0%(18/20)的影像组学特征。以上研究结果与本研究结果一致，且本研究以前瞻性选取的实际肺结节为对象，研究参数更加全面，结果充分表明，大部分影像组学特征会受到CT采集和重建参数的影响。
2011年国际肺癌研究协会、美国胸科学会和欧洲呼吸学会联合发布了肺腺癌的新分类，即浸润前病变、微小浸润性腺癌和浸润性腺癌，其中浸润前病变包括不典型腺瘤样增生和原位腺癌。而随着低剂量CT筛查和高分辨率CT的应用，表现为磨玻璃密度肺结节的早期肺癌迅速增加，并且同时发现的多灶性磨玻璃密度肺结节目前一般认为是多原发肺癌。分辨出侵袭程度最高的病变并且将浸润性病变与浸润前病变区分开来，对单发或者多发磨玻璃密度肺结节患者非常重要。借助于CT影像组学独特的预测模型优势，Song等回顾性纳入187例表现为纯磨玻璃密度肺结节的肺腺癌患者(浸润前病变66例，浸润性病变121例)，结果显示，影像组学模型在鉴别表现为纯磨玻璃密度肺结节的肺腺癌浸润性病变和浸润前病变方面显示了良好的预测性能。尽管CT影像组学展示了良好的预测潜能，但将影像组学模型应用于临床还是受到多种因素的影响，其中就包括CT采集和重建参数的多变性对影像组学模型广泛应用和可重复性的影响。
本研究结果显示，CT采集和重建参数的变化对纯磨玻璃密度肺结节不同类型影像组学特征的影响也不尽相同。与直方图特征和纹理特征比较，形态学特征更不容易受到CT重建算法、辐射剂量和对比剂的影响，同时改变辐射剂量、重建算法和对比剂导致变化的形态学特征仅为6.7%(1/15)，该结果与既往研究结果一致，说明形态学特征的稳定性会更好一些。同时改变辐射剂量、重建算法和对比剂很容易影响直方图特征和纹理特征，其发生变化的特征数分别为100.0%(40/40)和58.1%(154/265)，这也意味着3种参数的改变会对预测模型的准确性有着非常大的影响。已有研究表明，形态学特征在预测肺癌和头颈部肿瘤生存率方面可以提供重要的临床相关信息，直方图特征和纹理特征在肺结节的良恶性诊断和区分肿瘤对免疫疗法的敏感性上有重要作用。
本研究中，我们探讨了碘对比剂对影像组学特征稳定性的影响，结果显示，对比剂在3种参数中对纯磨玻璃密度结节影像组学特征影响最大，50.6%(162/320)的影像组学特征发生了改变，其原因可能是由于纯磨玻璃密度肺结节内走行血管的造影剂混淆了影像组学特征所能描述的生物异质性。本研究结果显示，重建算法主要影响纹理特征，而辐射剂量对直方图特征和纹理特征均有一定的影响。但有研究显示，重建算法对直方图特征和纹理特征均有影响，且辐射剂量对纹理特征影响较小，出现这一差异的原因可能在于本研究共纳入320个影像组学特征，而相关研究仅包含23个影像组学特征，除此之外，本研究主要关注于纯磨玻璃密度肺结节，且本研究纳入50枚肺结节要多于Solomon等研究的9枚肺结节。
FBP重建算法是基于线性分析方程对图像进行高效准确的重建，但为了有完备的投影数据量以确保能重建出达到临床诊断要求的图像，FBP重建算法对CT的辐射剂量有较高的要求。临床上为了减少辐射剂量，同时保持诊断信息和图像质量，开发了许多CT图像降噪技术，其中使用最多的就是迭代重建算法。而Midya等对体模和1例患者的腹部CT图像进行研究，共提取248个影像组学特征，结果表明，FBP重建算法获得的可重复特征的数量要多于ASiR－V。该结果与本研究结果相同，本研究显示，无论是单独还是同时改变辐射剂量和对比剂，FBP重建算法获取的可重复性的影像组学特征均多于50%ASiR－V算法。出现这种情况的原因可能是由于ASiR－V算法是通过创建独特的图像纹理和属性来实现降噪和提高图像质量，而这些独特的图像纹理和属性会对CT定量特征产生影响，可能继而影响到获取的影像组学特征的稳定性。
本研究有局限性，由于本研究为前瞻性单中心研究，样本量相对较小，可能存在一定的选择偏倚，后续研究中样本量的扩充会对验证研究结果的准确性提供帮助。
综上所述，CT重建算法、辐射剂量和对比剂会影响纯磨玻璃密度肺结节的影像组学特征，其中对比剂对纯磨玻璃密度肺结节影像组学特征的影响最大，辐射剂量次之，CT重建算法最小；与形态学特征比较，直方图特征和纹理特征容易受到CT重建算法、辐射剂量和对比剂的影响；与50%ASiR－V比较，FBP重建算法获得的影像组学特征受到辐射剂量与对比剂的影响更小，在影像组学分析中应充分考虑到这些参数的影响。
苏公网安备32059002004080号
