Влияние параметров реконструкции компьютерных томограмм легких на погрешность волюметрии патологических очагов

Полный текст

Введение

Одним из ключевых способов оценки течения онкологического процесса является анализ динамики размеров очагов [1, 6]. Размеры можно оценить несколькими способами: измерение диаметра, объема, двух размеров в комбинации. Волюметрия очагов потенциально более чувствительная методика по сравнению с линейными измерениями [2]. Однако погрешность измерений может достигать 60 %, что значительно ограничивает применение метода [3]. Погрешность измерений зависит от размера очага [4], фильтра, которым обработаны изображения, и толщины среза [5].

Цель — оценка степени влияния параметров реконструкции изображений на погрешность волюметрии солидных очагов в легких.

Материалы и методы

Обследовано 32 пациента с метастатическим поражением легких, у которых было обнаружено 326 очагов.

Параметры сканирования и реконструкции

Все исследования были проведены на компьютерных томографах AquilionOne и Aquilion CX (Toshiba). Сканирование выполняли в 64-спиральном режиме с толщиной среза 0,5 мм, питчем 1, напряжением на трубку 120 кВт и автоматическим контролем тока с помощью программы SureExposure (Toshiba).

Каждое изображение было трижды реконструировано со стандартными вариантами толщины среза (0,5; 1,5 и 3 мм) и фильтра реконструкции (FC07, FC14) и разным началом уровня реконструкции.

Деление очагов по локализации

Все выявленные очаги были разделены на группы: интрапульмональные, не прилегающие ни к какой из нормальных структур грудной клетки, и контактирующие — парахилярные, параплевральные, параваскулярные. Автоматически определить объемы последних трех групп невозможно, поэтому выполняли «ручную» и потому субъективную коррекцию контуров.

Оконтуривание очагов

Оконтуривание интрапульмональных очагов программа производит автоматически, при этом неправильная форма реального очага приводится к форме идеального шара, вычисляется его диаметр, который в дальнейшем обозначается как «эффективный диаметр».

Оконтуривание осуществляли с помощью программы с функцией полуавтоматического оконтуривания Seg3d. Врач-рентгенолог визуально оценивал попадание в контур очага нормальных структур легкого и грудной стенки и, если обнаруживал прилегание, с целью уточнения измерения вручную корректировал контур.

Оценка погрешности измерения

Для каждого очага и сочетания толщины среза и кернеля реконструкции была рассчитана погрешность измерения как разница между измеренным и референтным объемами. Для оценки погрешности измерения в качестве референтного был выбран объем, определенный на реконструированных изображениях с толщиной среза 0,5 мм и фильтром FC14. Степень влияния факторов на погрешность измерения оценивали путем проведения регрессионного анализа. С помощью получаемой в итоге модели планировали определять систематическую компоненту погрешности измерения, а исходя из вариабельности распределения остатков модели — случайную компоненту.

Результаты

Произведена оценка влияния параметров реконструкции на результаты волюметрии.

График, представленный на рис. 1, демонстрирует зависимость ошибки измерения объема и эффективного диаметра при использовании разных фильтров и типов очагов. В трех вертикальных столбцах (слева направо) отображены реконструкции, выполненные с толщиной 0,5, 1,5; 3,5 мм. В двух горизонтальных рядах (сверху вниз) изучены кернели реконструкции FC07 и FC14. В каждом поле по шкале абсцисс отложен диаметр очага от 0 до 30 мм, по шкале ординат показана относительная погрешность измерения. Цветными точками обозначены варианты локализации очагов.

 

Рис. 1. График зависимости систематической погрешности оценки объема от эффективного диаметра очага, кернеля реконструкции и локализации очага

Fig. 1. The dependence of volume estimation systematic error on effective diameter of the lesion, reconstruction kernel and the lesion localization

 

Из графика следует, что и на случайную, и на абсолютную погрешность измерений влияет толщина среза, применяемый кернель реконструкции, локализация очага и его диаметр. При применении кернеля FC07 и увеличении толщины среза увеличивается систематическая погрешность. Обе компоненты погрешности уменьшаются с увеличением диаметра очага. Интрапульмональные очаги характеризуются наименьшей погрешностью измерений при всех параметрах реконструкции.

Для прогнозирования систематической погрешности вычисления объема для очагов различного диаметра с изменениями толщины среза создана математическая модель вида

$\Delta V=3·Толщина+\frac{183}{Диаметр}+{26}_{еслиFC07}+23$

Все коэффициенты модели были статистически значимы (p < 0,001). Коэффициент детерминации модели составил 0,85, стандартная ошибка модели — 6,7 %.

Выявлена связь между стандартным отклонением остатков модели (случайной погрешностью), диаметром очага, толщиной среза и кернелем реконструкции (рис. 2).

 

Рис. 2. График зависимости случайной погрешности оценки объема от эффективного диаметра очага

Fig. 2. The dependence of the volume estimate random error on the effective lesion diameter

 

Случайная погрешность при диаметре 6 мм, толщине среза 1 мм и кернеле FC14 составляет 6,84 мм. Она не изменяется при уменьшении диаметра и снижается на 0,09 мм при увеличении диаметра на 1 мм.

При увеличении толщины среза отмечается уменьшение стандартного отклонения остатков модели (рис. 3).

Случайная погрешность оценки объема снижается на 0,5 % при увеличении толщины среза на каждый миллиметр.

 

Рис. 3. График зависимости случайной погрешности оценки объема от толщины среза

Fig. 3. The dependence of volume estimate random error from slice thickness

 

При применении кернеля реконструкции FC07 случайная погрешность уменьшается на 2,5 % (рис. 4).

 

Рис. 4. График зависимости случайной погрешности оценки объема от кернеля реконструкции

Fig. 4. The dependence of volume estimate random error on the reconstruction kernel

 

Обсуждение

Анализ размеров патологических образований — ключевой этап оценки результатов лечения и особенно важен для разработки протоколов лечения. Определение погрешности измерений размеров имеет большое значение для формирования уверенности в достоверности полученных данных.

Важным является определение разных компонент этой погрешности: систематической и случайной. Случайная погрешность измерений напрямую определяет пороговое значения динамики размеров, ниже которого невозможно отличить реальную динамику размеров от ошибки измерения.

Динамика, выходящая за пределы случайной ошибки измерения, также не всегда говорит о том, что удалось оценить реальное изменение этих размеров, так как существует вероятность, что при измерении была разная систематическая погрешность. В этих случаях кажущаяся динамика размеров может быть связана с разной систематической погрешностью оценки объемов очагов.

Погрешности измерений зависят от размеров очага [4, 9], площади контакта с другими мягкотканными структурами и параметрами сканирования. В предлагаемой нами модели возможно прогнозировать как систематический, так и случайный компонент погрешности измерений. Это позволяет применять ее при сопоставлении изображений, выполненных с разными параметрами реконструкции.

Например, согласно нашим данным, применение кернеля FC07 при оценке объема очага диаметром 10 мм сопряжено с увеличением систематической погрешности на 26 % и случайной на 7 %. Если в ходе динамического наблюдения первые изображения получены с применением FC14, а вторые с FC07, объем очага должен увеличиться не меньше чем на 26 + 7 = 33 %, чтобы зарегистрированные изменения можно было принимать как достоверное увеличение. Если же измеренная разница составляет менее 26 – 7 = 19 %, значит, очаг не увеличился, а уменьшился.

Получаемые с помощью модели оценки соответствуют экспериментальным результатам Wormanns et al. [7] и Gietema et al. [8]. В обоих исследованиях пациенты с малыми метастазами в легкие были обследованы дважды за один и тот же день. Все другие факторы не менялись. И в том и в другом случае были отмечены похожие 95 % доверительные интервалы очагов диаметром до 10 мм, составляющие около ±25 %.

Исследования на фантоме показали, что стандартное отклонение измерений составляет 4–28 % в зависимости от диаметра очага [3].

Выводы

Таким образом, систематическая погрешность зависит от диаметра очага, толщины среза и кернеля реконструкции. Она может быть оценена с ошибкой 6 % с помощью предлагаемой модели. Случайная погрешность преимущественно зависит от диаметра очага.

Об авторах

Заур А. Альдеров

Государственное бюджетное учреждение здравоохранения Московской области «Мытищинская городская клиническая больница»

Автор, ответственный за переписку.
Email: zaurzz@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-6255-1583
Россия, Мытищи

Евгений В. Розенгауз

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Российский научный центр радиологии и хирургических технологий имени академика А.М. Гранова» Министерства здравоохранения Российской Федерации; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Северо‑Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: rozengaouz@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

Денис Нестеров

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Российский научный центр радиологии и хирургических технологий имени академика А.М. Гранова» Министерства здравоохранения Российской Федерации; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Северо‑Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова» Министерства здравоохранения Российской Федерации; Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии имени Н.Н. Петрова» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: cireto@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы