Дифференциальная диагностика туберкулемы и округлых образований легких

Автореферат диссертации по медицине на тему Дифференциальная диагностика шаровидных образований легких при мультиспиральной компьютерной томографии на основе многомерной обработки денситометрических параметров

На правах рукописи

Лобанов Михаил Николаевич

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА ШАРОВИДНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ЛЕГКИХ ПРИ МУЛЬТИСПИРАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

14.01.25 - пульмонология 14.01.13 - лучевая диагностика и лучевая терапия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стененп кандидата медицинских наук

Шойхет Яков Нахмановнч, доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАМН

Коновалов Владимир Константинович, доктор медицинских наук, профессор Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования и степень ее разработанности

Болезни органов дыхания преобладают в структуре заболеваемости детей и взрослых и являются одной из основных причин временной утраты трудоспособности и экономических потерь государства [Лукомский Г.И. и соавт., 1982; Власов П.В., 2004].

Проблема рака легкого с каждым годом приобретает все большую актуальность. В России злокачественные новообразования трахеи, бронхов, легкого занимают первое место в структуре заболеваемости мужчин в возрасте 60 лет и старше (19,4%).В Алтайском крае заболеваемость раком легкого в 2010 году составила 76,9 среди мужчин и 8,4 среди женщин на 100000 населения [Злокачественные новообразования в России в 2010 году (заболеваемость и смертность)].

По данным Чучалина А.Г. (2000), инфекционные заболевания дыхательных путей в общей клинической практике составляют более 25%. Пневмония относится к числу наиболее распространенных заболеваний и, в то же время, к патологии с низким уровнем диагностики. Расхождение клинических и патологоанатомических диагнозов при пневмонии достигает 22,7% [Юдин А.Л., 2000; Ищенко Б.И., 2001; Стеблецова Т.В. и соавт., 2008].

Современные способы диагностики и реализуемые с использованием этих способов аппаратурные средства не всегда позволяют установить природу ШОЛ, что вызвано наличием сходных черт опухолевых, специфических, неспецифических воспалительных и иных патологических процессов при их визуализации интроскопическими методами [Га-мова Е.В., 2006; Тюрин И.Е., 2007].

Структура шаровидных образований легких традиционно оценивается с чисто описательной, качественной позиции - однородная, неоднородная, недостаточно однородная и так далее, что зависит от личностных зрительных впечатлений врача [Найдич Б.Г., 1989; Розенштраух Л.С., 1994]. Эти описания субъективны, неоднозначны, неточны, что приводит к поливариантной трактовке заключений и, как следствие, к неверной диагностике.

Денсигометрия является одной из основополагающих методик мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ), позволяющей уточнить характер патологических изменений органов грудной полости. Однако возможности денситометрии в оценке ШОЛ изучены недостаточно [Гончаренко Г.В. и соавт., 1989; Al-Kadi O.S., 2008].

Увеличение контингента больных с заболеваниями органов грудной полости требует постоянного совершенствования форм и методов диагностики и дифференциальной диагностики шаровидных образований легких, разработки новых объективных критериев оценки получаемых интроскопических данных, что подчеркивает актуальность темы, а также определяет цель и задачи, поставленные перед данным исследованием.

Цель и задачи исследования

Повышение эффективности дифференциальной диагностики шаровидных образований легких путем применения многомерной обработки денситометрических параметров при мультиспиральной компьютерной томографии.

1. Определить возможности количественной оценки плотности шаровидных образований легких на последовательно расположенных срезах при мультиспиральной компьютерной томографии.

2. Оценить погрешности данных при мультиспиральной компьютерной томографии шаровидных образований легких, разработать способ их корректировки с использованием крови в аорте в качестве интракорпорального репера.

3. Разработать способ прицельной объемной денситометрии шаровидных образований легких и анализ полученных параметров распределения для оценки их внутренней структуры.

4. Провести статистический анализ средних значений денситометрических параметров шаровидных образований легких при первичном раке, пневмонии и инфильтративном туберкулезе.

5. Разработать искусственный нелинейный нейрон для попарного разделения первичного рака, пневмонии и инфильтративного туберкулеза на основе многомерной обработки денситометрических параметров, оценить эффективность дифференциальной диагностики.

Впервые для количественного определения внутренней структуры шаровидных образований легких применен разработанный способ прицельной объемной денситометрии на последовательно расположенных срезах, заключающийся в выделении объемов интереса, свободных от участков деструкции и/или кальцинации.

Предложен алгоритм корректировки средних значений плотностей шаровидных образований легких с использованием крови в аорте в качестве интракорпорального репера, повышающий точность анализа этих образований.

Впервые предложен перечень наиболее значимых денситометрических параметров шаровидных образований легких для дифференциальной диагностики первичного рака, пневмонии и инфильтративного туберкулеза.

Теоретическая н практическая значимость

1. Использование при мультиспиральной компьютерной томографии шаровидных образований легких способа прицельной объемной денситометрии на последовательно расположенных срезах, позволяет устранить из анализа включения, искажающие изучаемые параметры образования.

2. Применение в качестве интракорпорального репера аорты при денситометрии шаровидных образований легких, позволяет повысить точность анализа их структуры.

3. Попарное разделение нозологических форм шаровидных образований легких на основе многомерной обработки денситометрических параметров с применением искусственного нелинейного нейрона позволяет повысить точность дифференциальной диагностики.

Методология и методы исследования

Исследование ретро- и проспективное, рандомизированное, сравнительное, динамическое.

При обследовании больных использовалась мультиспиральная компьютерная томография органов грудной клетки; при постпроцессинговом анализе изображений применялась программа Image J (Image Processing and Analysis in Java, CUIA).

Цифровые данные о состоянии ШОЛ обработаны с использованием табличного процессора Microsoft Excel.

Оценку размеров корреляции проводили в соответствии с рекомендациями А.М. Мер-кова, Л.Е. Полякова [Санитарная статистика. Л., 1974].

В работе использована Международная классификация болезней 10 пересмотра.

Чувствительность, специфичность и точность метода оценивались в соответствии с рекомендациями ВОЗ ( 1992), предложенными для определения показателей диагностической значимости методов визуализации при скрининговых исследованиях [43, 76].

Алгоритмы расчетов и программное обеспечение для обработки денситометрических параметров ШОЛ разработаны с участием д.т.н.. проф. С Л. Леонова (кафедра технологии автоматизированных производств Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова) и д.ф.-м.н., проф. А.М. Шайдука (кафедра физики и информатики Алтайского государственного медицинского университета).

Примененные методы исследования современны, позволяют решать поставленные в работе задачи.

Положения, выносимые на защиту

1. Возможность количественной оценки внутренней структуры шаровидных образований легких при мультиспиральной компьютерной томографии с помощью разработанного способа прицельной объемной денситометрии. .

2. Необходимость коррекции результатов денситометрии шаровидных образований легких, с .учетом денситометрических данных интракорпорального репера для повышения точности анализа.

3. Необходимость использования перечня наиболее значимых денситометрических параметров шаровидных образований легких для дифференциальной диагностики первичного рака, пневмонии и инфильтративного туберкулеза

4. Целесообразность применения методики дифференциальной диагностики первичного рака, пневмонии и инфильтративного туберкулеза на основе искусственного нейрона.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность определена тем, что структура исследования соответствует поставленным цели и задачам, данные получены у достаточного количества (328 человек) верифицированных групп больных, использовались современные методы диагностики, статистического и математического анализа, позволившие решить поставленные в работе задачи. Основные результаты исследования были представлены на совещаниях кафедры факуль-

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Хараетернстнка больных и методика исследования

На первом этапе было отобрано 1211 человек с наличием в легких на архивных и/или вновь выполненных пленочных рентгенограммах, пленочных, цифровых флюорограммах одиночного или множественных патологических образований круглой или близкой к ней формы (ШОЛ). .

На втором этапе у 733 больных наряду с традиционной интерпретацией интроскопиче-ских данных при МСКТ была проведена прицельная объемная денситометрия ШОЛ для оценки их внутренней структуры по вновь разработанному способу и денситометрия крови в левой общей сонной артерии или нисходящем отделе грудной аорты.

На третьем этапе из компьютерных баз данных выше указанных ЛПУ было отобрано 328 больных с верифицированными диагнозами.

Критериями исключения были

Критериями включения в исследование лиц второй группы были наличие

Распределение больных по формам заболеваний Формы заболеваний_ Абс. число

Инфильтративный туберкулез Всего:

Среди больных всех групп преобладали лица в возрасте трудовой активности - 21- 60 лет. С момента появления первых признаков заболевания или рентгенологически выявленных изменений в легких до поступления в клинику проходило от двух недель до двух лет. У подавляющего количества больных первичным раком легкого ШОЛ были одиночными - 138 (94,5%). У 87 (92,5%) больных пневмонией и у 53 (60,2%) больных инфиль-тративным туберкулезом отмечались множественные ШОЛ. Из сопутствующих заболеваний у больных всех групп преобладали заболевания сердечно-сосудистой системы - 67 (44,1%) случаев.

МСКТ осуществлялась на компьютерных томографах Aquillion 64 и Asteion 4 (Toshiba Medical Systems) в фазе максимального вдоха. Применялась мультипланар-ная реконструкция в стандартных проекциях и прицельная 3D реконструкция.

Анализ погрешностей данных и их корректировка при мультиспиралыюй компьютерной томографии шаровидных образований легких

Для исследования величины погрешностей денситометр™ сравнивались статистические параметры изображений водного репера и грудной отдел аорты. Выбор водного фантома в качестве репера обоснован тем, что удельный вес воды (1,0 г/см3)близок удельному весу крови (1,050-1,060 г/см3), а также тем, что вода и кровь являются изотропными и однородными средами с позиций МСКТ) [Шевчук Ю.А., Коновалов В.К., Шойхет Я.Н., Лобанов М.Н., Бобров И.П., Колмогоров В.Г.; 2012].

Наблюдаемые значения средних плотностей имеют значительные искажения, связанные с неравномерной плотностью рядом расположенных тканей в теле пациента, что треб)'ет выбора репера для корректировки фактической плотности. Водный репер, находящийся вне пациента, слабо учитывает искажения средней плотности и не может быть использован для расчета фактической плотности. В качестве интракорпорального репера было предложено использовать аортуг-выравнивая плотности пикселей изображений в соответствии с известной плотностью крови.

Для корректировки значений денситометрических плотностей использована парабола, Коэффициенты которой определяются из условия прохождения через три точки: 1) нифаст (-1000) = -1000; 2) Нифакт(+Ш00) = +1000; 3) Нифа„(Ни*„а6л) = Ни*ф,„.

Коэффициенты параболы определяются из системы уравнений:

а+10006+ 106с = 1000 0. (2)

Коэффициенты рассчитывались с помощью метода наименьших квадратов для наилучшего разделения нозологии. Расчеты производились в среде табличного процессора Excel с использованием языка программирования VBA. Для каждой пары нозологий производилось обучение нейрона (расчет коэффициентов Ь,). Фактически алгоритм представляет собой нейронную сеть с тремя независимыми нейронами специального вида. Обучение нейрона на основе описанной базы данных позволило получить результаты, представленные на рисунках 7-9.

' > где п, - количество пациентов из базы, попавших с соответствующий интервал значений.

туберкулез ■ первичный рак

0.07 0.21 0,36 0,50 0,64 0.79 0.93 V - сравнительная характеристика нозологий

Рисунок 10. Цифровые рентгенограммы органов грудной клетки в прямой (А) и боковой (Б) проекциях. Больной, 48 лет.

Рисунок 11.Трансверзальный срез (А) и мультипланарные реконструкции компьютерных томограмм в прямой (Б) и боковой (В) проекциях органов грудной клетки. Больной, 48 лет.

Выполнена прицельная объемная денситометрия ШОЛ по разработанному способу. Статистический анализ полученных данных показал распределение денситомегрических параметров, характерное для инфильтративного туберкулеза (таблица 4).

Данные полученных параметров ШОЛ. Больной, 48 лет.

№ Параметры Обозначение Данные

1 Средняя плотность всех срезов ШОЛ Ср 19,74903

2 Коэффициент корреляции средней по срезам плотности ШОЛ при описании параболической зависимостью I" ср. параб 0,964123

3 Среднее среднеквадратичных отклонений плотности ШОЛ по срезам СКО ср 10,92002

4 Коэффициент корреляции среднеквадратичного отклонения плотности ШОЛ по срезам при описании параболической зависимостью Г С КО параб 0,848418

5 Средняя по срезам фрактальная размерность ШОЛ РЭ 2,616415

6 Среднеквадратичное отклонение фрактальной размерности ШОЛ ¿го -0,435416

Прицельная объемная денситометрия ШОЛ у больного позволила исключить первичный рак легкого. Данное наблюдение демонстрирует распределение денситометрических параметров, характерное для инфильтративного туберкулеза. " "

Эффективность дифференциальной диагностики шаровидных образований легких при ' мультиспиральной компьютерной томографии на основе многомерной обработки денситометрических параметров При оценке эффективности метода анализировались истинно положительные результаты (ИПР), истинно отрицательные результаты (ИОР), ложноотрицательные результаты (ЛОР), ложноположительные результаты (ЛПР): ИПР

чувстительность = —-х 100%;

специфичность =-х 100%:

точность = —--х 100%

ЛПР + ИОР + ИПР + ЛОР

Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:

1. Денситометрическая оценка плотности шаровидных образований легких на последовательно расположенных срезах дает возможность количественно определять их структуру-

2. Использование крови в аорте в качестве интракорпорального репера позволяет вносить поправки в расчет средней плотности шаровидных образований легких, обеспечивая повышение точности анализа.

3. Разработанный способ прицельной объемной денситометрии шаровидных образований легких и анализ полученных параметров распределения повышает точность оценки их внутренней структуры.

4. Имеются значимые различия средних значений денситометрических параметров шаровидных образований легких при первичном раке, пневмонии и инфильтративном туберкулезе.

Полученные данные обосновывают возможность практических рекомендаций:

1. При мультиспиральной компьютерной томографии органов грудной полости целесообразно применять денситометрическую оценку плотности шаровидных образований

легких на последовательно расположенных срезах с использованием крови в аорте в качестве интракорпорального репера. . . .

2. Для повышения точности оценки внутренней структуры шаровидных образований легких рекомендуется использовать способ прицельной объемной денситометрии.

3. Для попарного разделения нозологических форм шаровидных образований легких на основе многомерной обработки денситометрических параметров рекомендуется применять искусственный нелинейный нейрон.

В перспективе предполагается разработка дифференциально-диагностических методик на основе многомерной обработки денситометрических параметров с применением искусственной нейронной сети у пациентов с острыми и хроническими интерстициальными заболеваниями легких.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Коновалов, В. К. Опыт применения трехмерных реконструкций при мультиспи-ральной компьютерно-томографической диагностике шаровидных образований легких / В. К. Коновалов, В. Г. Колмогоров, М. Н. Лобанов, Ю. А. Шевчук // Радиология-практика- 2012,- №3.-С. 45-50.

2. Шайдук, А.М. Проблема стандартизации масштаба при вычислении фрактальной размерности медицинских изображений / А.М. Шайд\тс, С.А. Останин, В.К. Коновалов, С.Л. Леонов, Д.Ю. Козлов, В.Г. Колмогоров, М.Н. Лобанов // Известия Алтайского государственного университета. -2012. - №1. -С. 233 -235.

3. Шевчук, Ю.А. Опыт использования ЗО реконструкций при диагностике заболевании легких на. компьютерных томографах / Ю. А. Шевчук, В.К. Коновалов, Я. Н.Шойхет, М. Н. Лобанов, И. П. Бобров, В. Г. Колмогоров // Биотехносфера. - 2012. - № 3^. - С. 32 -38.

4. Коновалов, В.К. Применение ЗО реконструкций при топографической мультиспи-ральной компьютерно-томографической диагностике шаровидных образований легких /

B.К. Коновалов, Я.Н. Шойхет, М.Н. Лобанов, Ю.А. Шевчук, И.П. Бобров, В.Г. Колмогоров//Проблемы клинической медицины.-2011.1-2.-С. 52-59.

5. Коновалов, В.К. Прицельная ЗО реконструкция при изучении качественных характеристик поверхности шаровидных образований легких / В.К. Коновалов, Я.Н. Шойхет, В В. Федоров, М.Н. Лобанов, С.Л. Леонов, А.М. Шайдук, В.Г. Колмогоров, Д.Ю. Козлов,

C.А. Останин. А.Е. Цеймах// Проблемы клинической медицины. -2011. - № 3-4. - С. 20 -25.

6. Леонов, С.Л. Анализ погрешностей данных при мультиспиральной компьютерной томографии шаровидных образований легюгх / С.Л. Леонов. Я.Н. Шойхет, В К. Конова-

лов, A.M. Шайдук, Д.Ю Козлов, В.Г. Колмогоров, Ю.А. Шевчук, С.А.Останин, М.Н. Лобанов // Проблемы клинической медицины. -2011. -№ 3-4. - С. 16-19.

Методическое пособие 7. Шайдук, A.M. Постпроцессинговая обработка медицинских изображений / A.M. Шайдук, В.К. Коновалов, М.Н. Лобанов // Учебное пособие по медицинской технике для студентов медико-биологических специальностей. Барнаул. -2012. -22 с.

Подписано в печать 14.03.13 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Печать ризографная.

УДК: 616-002.5:579.873.21:615.281.873.21
Год издания: 2015

Инновационные технологии в дифференциальной диагностике туберкулеза и рака легкого

Цель- провести сравнительную оценку лабораторных, инструментальных, хирургических методов, аллергена туберкулезного рекомбинантного (диаскинтеста) в дифференциальной диагностике туберкулеза и рака легкого.

Несмотря на достаточно изученную семиотику инфильтративно-пневмонических, диссеминированных процессов, округлых образований в легких, далеко не всегда можно провести дифференциальную диагностику только по данным лучевого исследования. Определяющим в диагностике и выборе тактики лечения у пациентов с туберкулезом и раком легкого является гистологическое, молекулярно-генетическое и бактериологическое исследование.

С 2012 по 2015 гг. проведено комплексное обследование 166 пациентов в возрасте от 18 до 95 лет с подозрением онкологических заболеваний легких с рентгенологическими синдромами: инфильтративно-пневмонический (61), диссеминированный процесс (47), округлые образования (58).

Всем пациентам проведены клинико-рентгенологические обследования, (рентгенография и мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ) органов грудной клетки), микробиологические исследования мокроты на наличие кислотоустойчивых микобактерий (КУМ), M.tuberculosis (МБТ) (микроскопия, использование бактериологической системы Bactec MGIT 960). У 96 пациентов исследовалась мокрота, у 5 - резекционный материал легочной ткани, полученный при видеоассистированной торакоскопии (ВАТС), торакотомии, с использованием нового молекулярно-генетического теста Xpert MTB/Rif. У 12 пациентов с округлыми образованиями в легких проводилась МСКТ с контрастным усилением (с йогексолом в дозе 350 мг/кг). Активность аденозиндезаминазы в сыворотке крови оценивалась у 80, онкомаркеров CYFRA 21-1, CEA, ProGRP, SCC в сыворотке крови иммунохемилюминесцентным методом - у 34, диаскинтест выполнен у 34, QuantiFERON-TB Gold тест - у 21 пациента. Видеоассистированная торакоскопия с гистологическим исследованием резекционной ткани легкого произведена у 21 пациента (в т.ч. с атипичной резекцией легкого - у 15), торакотомия с гистологическим исследованием резекционной ткани легкого - у 55.

Проведена сравнительная оценка лабораторных, инструментальных и хирургических методов в дифференциальной диагностике туберкулеза и рака легкого.

При диссеминированных процессах в легких эффективность выявления ДНК МБТ в мокроте с использованием теста Xpert MTB/Rif - 76,47% [60,0; 87,56] (χ2=3,91, p=0,0481), МБТ в мокроте с использованием системы Bactec MGIT - 100% [89,85; 100,0] (χ2 = 22,71, p=0,00001), диаскинтеста в диагностике туберкулеза - 53,85% [29,14; 76,79], QuantiFERON-TB Gold теста - 83,33% [43,65; 96,99] (чувствительность теста - 80% [37,55; 96,38]).

При округлых образованиях в легких эффективность выявления ДНК МБТ в мокроте - 77,78% [54,78; 91,0] (χ2 = 3,86, p=0,0494), МБТ в мокроте - 83,33% [64,15; 93,32] (χ2 = 9,19, p=0,0024), оценки уровня аденозиндезаминазы - 61,9% [40,88; 79,25], диаскинтеста - 81,82% [52,30; 94,86], QuantiFERON-TB Gold теста - 62,50% [30,57; 86,32].

При инфильтративно-пневмонических процессах в легких эффективность выявления ДНК МБТ в мокроте с использованием теста Xpert MTB/Rif - 70,45% [55,78; 81,84] (χ2 = 10,49, p=0,0012), МБТ в мокроте - 100,0% [93,36; 100,0] (χ2 = 48,92, p=0,00001), оценки уровня аденозиндезаминазы - 73,33% [55,55; 85,82] (χ2 = 7,66, p=0,0057), диаскинтеста - 80,0% [49,02; 94,33], QuantiFERON-TB Gold теста - 85,71% [48,69; 97,43].

При диссеминированных процессах в легких эффективность МСКТ в диагностике рака составила 74,07% [55,32; 86,83] (χ2 = 3,69, p=0,0546).

При округлых образованиях в легких эффективность МСКТ в диагностике рака составила 50,0% [37,33; 62,67], МСКТ с контрастным усилением с йогексолом - 91,7% [64,61; 98,51] (χ2 = 5,49, p=0,0192).

При инфильтративно-пневмонических процессах в легких эффективность МСКТ в диагностике рака составила 78,69% [66,88; 87,1] (χ2 = 6,16, p=0,0131).

При анализе диагностической значимости онкомаркеров установлено, что наиболее информативными были CYFRA 21-1 (площадь под ROC кривой (AUC) -0,686) и CEA (AUC - 0,646). Чувствительность исследования CYFRA 21-1 составила 55,0% [34,21; 74,18], эффективность - 58,82% [42,22; 73,63]. При комплексном исследовании онкомаркеров (CYFRA 21-1, CEA, ProGRP, SCC) чувствительность возросла и составила 70,0% [48,1; 85,45], эффективность - 64,71% [47,91; 78,51].

При оценке диагностической значимости хирургических методов в дифференциальной диагностике рака легкого и туберкулеза при наличии инфильтративно-пневмонического, диссеминированного процессов, округлого образования в легких установлена высокая эффективность ВАТС с атипичной резекцией легкого, которая составила 90,48% [71,09; 97,35] (χ2=10,22, p=0,0014), торакотомии с атипичной резекцией легкого - 100,0% [93,47; 100,0] (χ2=50,91, p=0,00001). У 2 (9,52% [1,17; 30,38]) пациентов из 21, которым выполнялась ВАТС, произведена торакотомия из-за наличия спаек в плевральной полости.

Новые инновационные технологии расширяют диагностические возможности, повышают эффективность дифференциальной диагностики рака и туберкулеза легких. Наиболее эффективными методами являются: молекулярно-генетическое исследование с использованием Xpert MTB/Rif респираторных образцов, тканевого материала, полученного при хирургической диагностике.

Область применения: фтизиатрия, онкология.
Рекомендации по использованию: результаты исследования могут быть внедрены в противотуберкулезных и онкологических учреждениях здравоохранения республики.
Предложения по сотрудничеству: консультативная помощь при внедрении.