原始研究的文章

前面。地中海,09年2023年1月
秒。风湿病学
卷9 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fmed.2022.1069486

Radiomics预测患者的死亡率风湿性arthritis-associated间质性肺疾病:一个概念验证研究

Vincenzo Venerito ^{1 __‡},

Andreina曼 ^{2 __},

朱塞佩Lopalco ¹,

Marlea Lavista¹,

会只²,

Arnaldo Scardapane ³,

马可·塞巴斯蒂亚尼 ²和

Florenzo Iannone ^{1 *‡}

¹风湿病学单位、部门的紧急和器官移植,巴里,巴里莫罗大学意大利
²风湿病学单元,Azienda Ospedaliera亲自到迪摩德纳,摩德纳大学Reggio Emilia,意大利摩德纳
³跨学科医学放射学单位、部门,巴里,巴里莫罗大学意大利

目的:类风湿性关节炎(RA)患者和间质性肺病(ILD)与一般人群相比,增加了死亡率和因素预测RA-ILD长期临床结果缺乏的能力。在肿瘤学,radiomics允许肿瘤表型的量化分析医学图像的特点。使用特定的软件,可以部分器官在高分辨率计算机断层扫描(HRCT)图像和提取许多功能可能会发现疾病特征不被肉眼。我们旨在调查是否功能从全肺HRCT radiomic分析可能单独预测RA-ILD病人的死亡率。

方法:高分辨率计算断层的RA患者从2012年1月至2022年3月进行了分析。之间的时间第一个可用的HRCT和最后一个后续访问或ILD-related死亡被记录。我们进行了3 d切片机的容量分析,自动分段整个肺部和气管通过肺CT分析仪。LASSO-Cox模型是由考虑ILD-related死亡作为结果变量,提取radiomic特性暴露变量。

结果:我们检索的hrct 30 RA-ILD病人。平均存活时间(四分位范围)48个月(36 - 120个月)。十三在30个(43.33%)病人在观察期间去世。整个线分割是快速和可靠的。模型包括的平均灰度值强度在整个肺分割(高分辨率(人力资源)9.35,95%可信区间1.56 - -55.86)是一个积极的预测死亡和第十百分位的数量包括压(HR 0.20, 95% CI 0.05 - -0.84),分布预处理信息(HR 0.23, 95%可信区间0.06 - -0.82)和平坦(HR 0.42, 95% CI 0.18 - -0.98),负相关死亡率。各自的体素灰度级值的相关性(HR 1.52 95%可信区间0.82 - -2.83)也作为“保留。

结论:Radiomic分析可能预测RA-ILD病人的死亡率和数字生物标志物可能促进HRCT不管疾病的临床特点。

介绍

类风湿性关节炎(RA)患者生存与一般人群相比,下降(1,2)。RA-associated间质性肺疾病(RA-ILD)是一种常见的风湿性关节炎的关节外表现。RA-ILD患者的生存中值是3 - 7年,这是明显下降而RA患者没有ILD和一般人群(3- - - - - -5)。由不同的研究方法检测RA-ILD差别很大。因此,报告发病率RA-ILD反映了如此高的方差,研究基于胸部计算机断层扫描(CT)扫描显示RA-ILD在10 - 30%的患者。尽管最近进步与潜在诊断生物标记物如MUC5B发起人变体(6)或水泡低语的声音分析(7),有一个短缺的因素可以预测RA-ILD长期临床结果。在肿瘤学,radiomics允许全面肿瘤表型量化研究医学图像的特征。总之,使用特定的软件,可以部分器官在CT图像中提取大量特性,有可能揭示疾病的特征,无法被肉眼看到。radiomics是独特的成像特性的假设之间的疾病形式可能有助于预后和预测治疗反应的各种条件,从而为个体化治疗提供有价值的信息和病人管理(8)。我们旨在调查是否功能从全肺radiomic分析高分辨率计算机断层扫描(HRCT)可能单独预测RA-ILD病人的死亡率。

材料和方法

我们检索的连续hrct与RA患者的影响根据2010年欧拉/ ACR标准(9),RA-ILD跟着两名意大利风湿病学部门的三级中心从2012年1月至2022年3月。包含在这样的回顾性分析,hrct不得不一直在进行放射学部门相同的中心之一,和DICOM文件必须被存储在各自的图像存档和通信系统(PACS)。我们之间的时间间隔记录第一个可用的HRCT和最后一个后续访问或最终死亡physician-reported ILD-related导致每个病人的死亡证书。我们也一起记录临床和人口特征类风湿因子(RF)和anti-cyclic citrullinated肽抗体(ACPA)状态。我们排除了已知的重叠的结缔组织疾病患者或继发性干燥综合征。特别是,我们认为只有HRCT检查0.625 - -1.25 mm切片厚度和深吸气扫描从肺顶端以下costo-phrenic角度。这两个中心使用以下参数:管电压设定在120 kV;管电流:固定mAs根据患者体重;节距:0.8以上,调整患者呼吸困难的严重性,准直:0.6毫米;图像重建从原始数据用一片厚度0.6毫米0.4毫米使用edge-enhancing算法的索引。 All images were viewed at a window setting optimised for assessment of the lung parenchyma (width 1,500 HU; level −700 HU).

这项研究是由当地伦理委员会审议批准和n (Biopure注册表,IRB审批。5940年,Azienda Ospedaliera大学联盟di巴里)。所有的病人给他们书面知情同意。

分割和radiomic特征提取

我们进行了容量分析和可视化三维切片机¹整个肺部和气管,自动分段通过肺CT分析仪项目²。如前所述(其他地方10),这样的一个扩展允许完全重现自动化整个肺部和气管分割使用13手动标记点。三分被放置在轴向和冠状视图,左肺,气管和一个点(更多细节补充材料)。对于每个HRCT,分割出现2次风湿病学家和放射科医生为了检查radiomic特性稳定(见下文)。两个专家放射科医生然后综述了后者肺实质分割确认所有被适当隔离。

癌症研究PyRadiomics平台开发与美国国家癌症研究所资助5 u24ca194354 (8)。它可以从医学影像提取radiomic数据加载、图像预处理和分割地图,计算特性使用不同的功能类,返回结果为连续变量在CSV格式。在Python 3.9环境中,PyRadiomics API(3.01版)是实现提取120特性分段区域(见补充材料为进一步的技术细节)。这样的特性,包括偏态和峰态,更具体的texture-related一起的,符合所描述的特性定义成像生物标志物标准化倡议(IBSI) (8)。

共线性检查,和所有冗余特性(即删除。的相关性高于0.8作为一个绝对值,明白了补充材料)。我们进行下一步之前特性z分数标准化。

统计数据

组内相关系数(ICC)被用来测试radiomic特性稳定通过比较上述分割。的生存函数绘制kaplan meier估计风险表在一起。Cox生存分析、最绝对的收缩和选择算子(套索)回归单变量分析来评估每个协会radiomic特性与死亡。的值p< 0.20变量被选为候选人。套索的方法被用来确定预测等过程比逐步消除了优越的精度(11)。作为一个概念验证研究中,人口和疾病的特点不包括在回归模型演示功能的可行性和研究协会单独与RA患者的死亡。Cox-Snell残差绘制反对Nelson-Aalen累积风险率函数来测试模型的可靠性。占据17(美国TX StataCorp),连同Python 3.9在此调用Pystata API, numpy 1.22, 3只熊猫,和scikit-learn 1.1.2库,用于终端由苹果™硅M1Max 64 GB的RAM。

结果

我们检索hrct 30 RA-ILD病人,11名男性(36.67%)和年龄中位数(四分位范围(差)72(65 - 78)年的仪器检查。他们建立了RA疾病持续时间中值(差)132(65 - 278)个月。ACPA积极性被发现在25的30例(83.33%),而RF-positive个人被发现在18 29例(62.97%)。通常的间质性肺炎(摘要)是最常见的发现在HRCT(18/30, 60%),其次是不可归类的模式(8/30,26岁,67%)。非特异性间质性肺炎(NSIP)两个病人(6.67%),而组织肺炎(OP)和淋巴细胞性间质性肺炎(LIP)被发现在一个病人,分别为(3.33%)。十三的30个病人(43.33%)在甲氨蝶呤HRCT检查,而其中19(63.33%)治疗与生物制剂和两个baricitinib (6.67%)。完成病人特点和ILD模式所示表1。平均随访时间(±标准差)是37.99±29.50个月(MST-IQR) 48个月平均存活时间(36 - 120个月)。十三30例(43.33%)患者的观察期间去世,死因是归因于ILD根据医生。kaplan meier生存函数绘制图1一个。

表1

表1。病人的特点。

图1

图1所示。(一)生存函数使用kaplan meier估计显示,高危表。死亡已报告在括号中。(B)对Nelson-Aalen Cox-Snell残差绘制累积故障率函数来测试模型的可靠性。风险函数后45度线紧密,除了巨大的时间值。

死亡原因是急性ILD发作在38.46%的情况下(5/13)和肺炎,23.07% (3/13)。最后,另一个38.46%(5/13)的死亡证书和健康记录报道通用“RA-ILD”死因。

全面和精确的自动分割允许隔离RA-ILD肺实质和上呼吸道连贯的放射科医师判断第一次尝试在所有情况下(图2)。分割过程意味着平均3.13±2.11分钟。这样一个过程显示优点稳定与刑事法庭= 1,表明运营商之间完美的可靠性。检查共线性后(补充图4保留(见),只有22岁的特性补充材料的完整列表)。

图2

图2。自动化整个肺部和气管分割使用3 d切片机(http://www.slicer.org)通过肺CT分析仪项目(https://github.com/rbumm/SlicerLungCTAnalyzer/)。

LASSO-Cox过程后,模型包括的特性:

●平均灰度级强度在整个肺分割掩模(编码为original_firstorder_median,高分辨率(人力资源)9.35,95%可信区间1.56 - -55.86)。

●第十百分位的像素点的数量包括在整个肺分割掩模(编码为original_firstorder_10Percentile人力资源0.20,95% CI 0.05 - -0.84)。

●3 d切片机分布预处理信息(编码为diagnostics_Imageoriginal_Mean,人力资源0.23,95% CI 0.06 - -0.82)。

●Flatness-the最大的和最小的主成分之间的关系在整个肺面具(编码为original_shape_Flatness,人力资源0.42,95%可信区间0.18 - -0.98)。

●相关灰度级值各自像素点的灰度值同现矩阵(编码为original_glcm_Correlation, HR 1.52 95%可信区间0.82 - -2.83),作为“保留。

我们观察到的风险函数后的45度线紧密,除了庞大的价值时间(图1 b)。

讨论

RA-ILD会增加患者疾病负担,降低生活质量,身体功能、严重的呼吸道症状,更糟糕的是RA疾病。ILD也会导致大量的医疗成本和交互;72%有全因住院住院,76%全因急诊服务。最后,正如上面提到的,与一般人群相比,他们也体验超额死亡率和没有ILD的RA患者(1,2,12)。在这个场景中,可以想见,提高病人管理和后续是至关重要的。许多已经努力改善早期ILD诊断。调查潜在的扰动肺粘膜的作用在航空公司似乎是一个方法用混凝土的潜力。事实上,MUC5B发起人变体在RA患者有关ILD的风险增加3倍(6)。

此外,一个算法(向量)检测尼龙搭扣的存在充满在肺的声音展示出了有前景的结果筛选RA患者涉嫌ILD和谁应该指向HRCT诊断(12)。但是,只有少数工具似乎有潜在的治疗策略(开车13- - - - - -15),主要涉及选择的血清蛋白水平的变化,如CXCL11 / I-TAC矩阵metalloproteinase-13,不得在日常临床实践。Radiomics有助于表现型癌症(8,16,17)。可以量化大型面板的表型特征,如形状和纹理,可能反映出生物属性内部和inter-tumour异构性问题和相关的不同的治疗反应(8)。radiomics的一个优点是提取的标准化过程,依靠开源库,但依赖于医学图像的分割区域的利益,可以通过专家放射科医生或机器学习算法。

在这项研究中,我们应用radiomics基线HRCT RA患者的肺部ILD搜索预测死亡率。为此,我们使用了一个自动分割工具允许整个肺和气管分割。在文学,这种过程出现精确和高用户可靠性(占10,18)。也是如此,当我们使用这个工具在ILD薄壁组织在所有患者中,尽管两种不同CT机和切片厚度,使我们能够提取120 radiomic功能为我们系统地分析。我们发现一个模型包括n。5radiomic features associated with RA_ILD patients’ death, with good fitting except for large values of the time. Adjusting for original_glcm_Correlation, the radiomic feature original_firstorder_median was positively correlated, whereas original_firstorder_10Percentile, diagnostics_Imageoriginal_Mean and original_shape_Flatness radiomic features were negatively correlated to ILD-related mortality.

我们的研究结果证实,肺部成像潜力预测。在这方面,他们有些符合报告哦等人使用定量HRCT QCT RA-ILD分数预测死亡率(19)。他们分析了144名RA-ILD患者诊断的回顾性队列一个中心在1999年和2015年之间。所有患者HRCT表现在RA-ILD诊断和基线临床资料包括自身免疫状态、炎症标志物,肺功能测试,和药物使用。评估基线,hrct是由一个自动量化评估系统(aq)每个肺图像划分为感兴趣的小区域,每个区域感兴趣的网状物的存在,建筑变形、毛玻璃不透明和蜂窝。通过结合这些分数,生成的aq定量肺纤维化评分(QLF)能够独立预测RA-ILD结果还与年龄调整死亡率后,基线红细胞沉降率(ESR)和肺功能测试(20.)。虽然类似的基本面,radiomics方法提供了几个优势。Radiomic特性可能导致所谓的radiogenomics用于基因组数据,显示潜在的肿瘤诊断和预后研究8)。这看起来特别有趣RA-ILD鉴于最近发现MUC5B相关ILD风险(6)。此外,整个肺radiomics小姐信息明显不健康的实质,导致图像分析和组织特征,肉眼的方法永远不会考虑。最后,新创radiomic特征提取可以很容易标准化,不依赖于算法训练。

我们必须承认我们的研究的一些弱点。首先,作为概念验证方法,我们分析了一个小型回顾性队列。正如前面提到的,我们没有运用非线性的机器学习方法,这可能提供更好的造型radiomic特性比线性方法。这初步研究表明,几种radiomics特性预测RA-ILD病人的死亡率没有人口和疾病特征。这是可以想象的,使用一个大的带注释的数据集从HRCT-segmented radiomics特性全部肺实质,它有可能歧视RA-ILD从肺间质参与不同的结缔组织疾病。更广泛的研究与内部和外部验证独立军团需要确认radiomics方法可以采用常规临床实践。进一步的研究需要启用HRCT提供数字生物标志物RA-ILD结果。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

道德声明

涉及人类受试者的研究回顾和批准Comitato Etico Interregionale。患者/参与者提供了他们的书面知情同意参与这项研究。

作者的贡献

VV,我和女士设计了学习和写的手稿。和和数据分析。毫升和GC收集患者的数据。FI监督整个研究的每一步。所有作者的文章和批准提交的版本。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fmed.2022.1069486/full补充材料

脚注

引用

1。吉田K,林温度系数,魏M, Malspeis年代,楚SH, Camargo CA, et al . post-diagnosis积累的角色超额总发病率以及生活方式的改变和死因别死亡率风险类风湿性关节炎。关节炎治疗Res(霍博肯)。(2021)73:188 - 98。doi: 10.1002 / acr.24120