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        肺結(jié)節(jié)二維與三維體積測量的觀察者內(nèi)重復(fù)性比較

        2014-09-09 09:29:28郭小皖王穎李東張翀曹陽蘇大同于鐵鏈
        中國肺癌雜志 2014年4期
        關(guān)鍵詞:橢球測量方法容積

        郭小皖 王穎 李東 張翀 曹陽 蘇大同 于鐵鏈

        在世界范圍內(nèi),肺癌目前所導(dǎo)致的癌癥死亡在所有腫瘤中居于首位[1]。早期發(fā)現(xiàn)、治療可以明顯提高肺癌的5年生存率[2]。隨著計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)提高及其高分辨率的優(yōu)勢,大量的肺小結(jié)節(jié)在檢查中被發(fā)現(xiàn)[3]。惡性結(jié)節(jié)常表現(xiàn)為持續(xù)快速增長的特征[4],對肺內(nèi)定性困難的結(jié)節(jié)進(jìn)行隨訪確定其生長性是目前臨床常采用的策略。因此,精確測量結(jié)節(jié)體積對于肺癌的早診早治至關(guān)重要。

        目前,計(jì)算機(jī)體積測量軟件已經(jīng)逐步應(yīng)用于肺癌篩查及臨床實(shí)踐中[5-8],相對于傳統(tǒng)二維體積測量而言,具有更好的可重復(fù)性?,F(xiàn)有的眾多研究多針對肺結(jié)節(jié)計(jì)算機(jī)三維體積測量技術(shù)的準(zhǔn)確性及可重復(fù)性[9-16],但很少直接對肺結(jié)節(jié)的二維及三維測量進(jìn)行直接比較。因此,本研究目的是回顧性分析肺結(jié)節(jié)患者胸部CT平掃影像資料,比較肺結(jié)節(jié)三維體積測量與傳統(tǒng)二維測量方法間觀察者內(nèi)的重復(fù)性,評估結(jié)節(jié)形態(tài)及位置對三維體積測量的影響。

        1 材料和方法

        1.1 臨床資料 回顧性分析2011年1月-2012年12月在天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院放射科行64排螺旋CT檢查發(fā)現(xiàn)肺結(jié)節(jié)并在我院進(jìn)行隨訪的患者。入選條件:肺內(nèi)無鈣化結(jié)節(jié),結(jié)節(jié)大小在3 mm-30 mm之間。共有79例符合條件的患者(男性50例,女性29例),年齡范圍32歲-83歲,平均年齡61±10.7歲,符合條件的結(jié)節(jié)共86個,結(jié)節(jié)平均直徑7.3 mm±3.3 mm,直徑范圍3 mm-23 mm。結(jié)節(jié)的特性包括其形態(tài)及位置,形態(tài)分為四種:邊緣光滑、分葉、毛刺及不規(guī)則,位置分為3種:結(jié)節(jié)完全在肺實(shí)質(zhì)內(nèi)、與血管相貼、胸膜相貼(表1)。

        1.2 CT圖像采集 所有的檢查均在64排螺旋CT機(jī)(GE Light Speed)進(jìn)行,掃描范圍自胸廓入口至肺底部,患者一次吸氣后屏氣完成全肺掃描,螺旋掃描方式,120 kV、300 mA,螺距1.375:1,機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周時間0.4秒,顯示野(field of view, FOV)360 mm,圖像矩陣512×512,掃面層厚為5 mm,默認(rèn)重建算法為標(biāo)準(zhǔn)算法,然后重建1.25 mm層厚軸位圖像。

        1.3 結(jié)節(jié)體積定量 二維及三維測量均在GE AW4.6工作站進(jìn)行,由一位放射科醫(yī)生間隔一周行2次測量。二維體積測量的方法:在1.25 mm層厚標(biāo)準(zhǔn)算法的橫斷面圖像上選取結(jié)節(jié)最大層面,應(yīng)用電子卡尺測量其最大徑(X),相應(yīng)垂直徑(Y),并根據(jù)結(jié)節(jié)層厚的數(shù)目乘以1.25確定結(jié)節(jié)的頭尾徑(Z)。我們采用兩種體積計(jì)算模型計(jì)算[14,15],一種為球體模型,體積計(jì)算公式為V=1/6*π*X3,另一種為橢球體模型,體積計(jì)算公式為V=1/6*π*X *Y*Z。三維體積測量應(yīng)用ALA(advanced lung analysis)軟件進(jìn)行。具體操作步驟:選擇要進(jìn)行容積定量的一組數(shù)據(jù),進(jìn)入容積分析界面后,在打開的橫斷面圖像上由觀察者用鼠標(biāo)單擊要分析的結(jié)節(jié),軟件自動實(shí)現(xiàn)對結(jié)節(jié)的分割并顯示出結(jié)節(jié)的三維及軸位的分割圖像并顯示容積。操作者可在軸位圖像觀察軟件的分割情況,對分割不滿意的結(jié)節(jié)可以通過調(diào)整鼠標(biāo)的選取點(diǎn)、設(shè)定結(jié)節(jié)周圍提取范圍(3 mm-30 mm)、根據(jù)結(jié)節(jié)形態(tài)及位置不同選擇應(yīng)用相應(yīng)算法對結(jié)節(jié)的分割進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到最佳效果,如果經(jīng)調(diào)整后結(jié)節(jié)分割的區(qū)域剛好完整的包繞肺結(jié)節(jié),則結(jié)果為分割滿意,否則確定為分割不滿意(圖1)。

        圖1 女性,55歲,查體發(fā)現(xiàn)左上葉結(jié)節(jié)(白色箭頭),第一次容積測量結(jié)果顯示結(jié)節(jié)容積為475 mm3,三維方向最大徑線分別為(X、Y、Z)10.3 mm、7.3 mm、11.25 mm;第二次容積測量結(jié)果結(jié)節(jié)容積為467 mm3,三維方向最大徑線分別為(X、Y、Z)10.0 mm、7.8 mm、11.25 mm。Fig 1 Female, 55 years old , a nodule (white arrow) was incidentally detected in left upper lobe during a routine physical examination. The software-generated volume of the nodule was 475 mm3, and the largest diameter in X, Y, Z is 10.3 mm, 7.3 mm and 11.25 mm at first time; The software-generated volume of the nodule was 465 mm3, and the largest diameter in X, Y, Z is 10 mm, 7.8 mm and 11.25 mm at second time.

        1.4 統(tǒng)計(jì)分析 以結(jié)節(jié)三維軟件分割效果作為應(yīng)變量,結(jié)節(jié)形態(tài)及位置作為自變量,應(yīng)用Logistic回歸分析評估結(jié)節(jié)的形態(tài)及位置對肺結(jié)節(jié)三維體積分割結(jié)果的影響。應(yīng)用方差分析評估三種體積測量方法之間的差異。應(yīng)用Spearman相關(guān)分析確定三維體積測量和二維體積測量兩種模式之間的相關(guān)性。計(jì)算二次重復(fù)測量的相對差值(relative difference,RD = V1/V2-1,V1為首次測量肺結(jié)節(jié)體積值,V2為間隔一周測量肺結(jié)節(jié)體積值),應(yīng)用Bland-Altman法計(jì)算RD的95%一致性區(qū)間確定測量重復(fù)性。 所有統(tǒng)計(jì)分析都在統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 17.0中完成,P<0.05定義為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

        2 結(jié)果

        2.1 86例結(jié)節(jié)兩次三維軟件體積測量結(jié)果 81.4%(140/172)結(jié)節(jié)軟件分割效果滿意,18.6%(32/172)分割效果不滿意。Logistic回歸分析提示結(jié)節(jié)邊緣不規(guī)則及與胸膜或血管相連軟件分割不滿意的比率明顯增高,OR(odds ratios)分別為1.4、1.1、1.6,而結(jié)節(jié)其它特性對結(jié)節(jié)分割不具有明顯影響(表1)。

        2.2 三維及二維體積測量的差異及相關(guān)性 二維球體模型體積測量、橢球體模型體積測量及三維體積測量方法結(jié)節(jié)體積間具有明顯差異(F=6.5, P=0.012),同一方法兩次重復(fù)測量結(jié)節(jié)體積間無明顯差異(F=1.813,P=0.182)。三維測量體積與橢球體模型體積相關(guān)系數(shù)為0.974(P<0.001),與球體模型體積相關(guān)系數(shù)為0.892(P<0.001)(圖2)。

        2.3 三維及二維體積測量的重復(fù)性 通過觀察Bland-Altman散點(diǎn)圖及三種體積估算方法二次測量RD的95%一致性區(qū)間發(fā)現(xiàn),3D測量法的可重復(fù)性最好,其次為2D橢球體模型測量方法,2D球體模型測量法最差。分割滿意結(jié)節(jié)3D體積測量RD均值-1.2%,95%一致性區(qū)間為-14%-11.6%,而2D橢球體模型體積RD均值為1.1%, 95%一致性區(qū)間為-37.7%-39.9%,2D球體模型體積RD均值為1.5%,95%一致性區(qū)間為-39.8%-42.8%(圖3)。

        表1 86例肺結(jié)節(jié)形態(tài)、位置分布及其對軟件體積分割效果的影響:Logistic回歸分析Tab 1 The effect of morphology and location on software segmentation in 86 pulmonary nodules: the result of Logistic regression analysis

        圖2 三維軟件測量體積與二維球體模型、橢球體模型體積相關(guān)分析Fig 2 The correlation between 3D software-oriented volume and 2D volume calculated by spherical and elliptical model

        3 討論

        肺結(jié)節(jié)體積測量的準(zhǔn)確性及可重復(fù)性對判斷結(jié)節(jié)的良惡性有著決定性的作用,本研究通過回顧性分析的方法,比較同一觀察者三種體積估算方法可重復(fù)性高低。選擇最佳的體積估算方法,提高肺結(jié)節(jié)體積測量的可重復(fù)性,對肺結(jié)節(jié)的隨訪觀察有著重要的臨床意義。

        體積測量一致性區(qū)間在結(jié)節(jié)的隨訪過程中對確定結(jié)節(jié)是否生長及生長率具有重要意義,我們研究發(fā)現(xiàn),與二維容積測量相比三維體積測量方法具有很高的可重復(fù)性,其一致性區(qū)間幾乎是二維體積測量方法的二分之一。一致性區(qū)間的上限在臨床中可設(shè)定為結(jié)節(jié)是否生長的界限,假設(shè)應(yīng)用三維體積測量方法,結(jié)節(jié)體積變化率為15%,超過95%一致性區(qū)間的上限,這時我們可以認(rèn)為結(jié)節(jié)較前增長,而應(yīng)用二維體積測量方法,15%仍位于可信區(qū)間之內(nèi),無法確定是由于測量的誤差引起還是結(jié)節(jié)真正的生長引起。其次,容積倍增時間常用來量化肺結(jié)節(jié)在一定時間內(nèi)的生長率,目前已經(jīng)應(yīng)用于肺癌篩查試驗(yàn)中,容積倍增時間小于400天已作為肺結(jié)節(jié)陽性生長的標(biāo)準(zhǔn)[16]??紤]到二維測量重復(fù)性較差,其在容積倍增時間的計(jì)算過程中受限:假設(shè)結(jié)節(jié)在3個月內(nèi)二維測量方法觀測到30%的體積增長,則容積倍增時間為237天,完全符合快速生長結(jié)節(jié)的定義,但根據(jù)我們的研究,此30%的增長完全可由于觀察者內(nèi)的差異引起。因此,三維體積測量是未來結(jié)節(jié)生長率量化的重要工具。

        圖3 Bland-Altman分布圖:兩次體積測量之間的分布圖:實(shí)線代表均值,虛線代表95%一致性區(qū)間的上限及下限。Fig 3 The Bland-Altman plots of two repeated measurement with three methods. Bland-Altman: The dash line represents the mean Relative difference (RD), the dot line represents the upper and lower value of 95% limits of agreement.

        三維容積軟件目前尚不完美,我們研究發(fā)現(xiàn)18%的肺結(jié)節(jié)利用軟件分割并不令人滿意,因此探尋潛在的負(fù)面影響因素并尋找解決方法就顯得尤為重要。結(jié)節(jié)形態(tài)不規(guī)則及結(jié)節(jié)鄰近支氣管血管束時,結(jié)節(jié)分割較為困難,通過手動調(diào)節(jié)感興趣區(qū)大小和(或)結(jié)節(jié)形狀算法后仍有部分結(jié)節(jié)得不到滿意分割。相反對于橢球體模型體積測量方法,結(jié)節(jié)的三條徑線都是在觀察者目測認(rèn)為最佳的位置獲得,通過橢球體體積計(jì)算公式得到的體積均可視為滿意結(jié)節(jié),但橢球體模型測量方法仍具有局限性,首先是目測徑線的選取存在一定的隨機(jī)性,其次結(jié)節(jié)本身形狀與標(biāo)準(zhǔn)橢球體勢必存在差異,這樣就增加了結(jié)節(jié)測量結(jié)果的變異。相對于二維球體模型,橢球體模型體積測量方法需度量三個維度的徑線,尤其對不規(guī)則結(jié)節(jié)來說,其更能反映結(jié)節(jié)的真實(shí)體積。

        我們的結(jié)果和目前的研究結(jié)果相近。Wormanns等[12]利用計(jì)算機(jī)自動體積分割技術(shù)對肺內(nèi)轉(zhuǎn)移結(jié)節(jié)的體積進(jìn)行定量時發(fā)現(xiàn),短期內(nèi)對肺結(jié)節(jié)進(jìn)行體積定量,體積的變化為±20%,體積定量觀察者內(nèi)變異性是-3.9%-5.7%,變異性均較小。這與我們的研究結(jié)果一致,但未進(jìn)一步分析肺結(jié)節(jié)位置的影響,值得一提的是他們研究的肺結(jié)節(jié)多為轉(zhuǎn)移性結(jié)節(jié),多為邊緣光滑的實(shí)性結(jié)節(jié)。Iwano等[17]通過對60個確診為周圍型肺癌的結(jié)節(jié)進(jìn)行肺結(jié)節(jié)計(jì)算機(jī)體積分割定量的重復(fù)性及潛在影響因素的研究中發(fā)現(xiàn),結(jié)節(jié)體積、密度、邊緣有無毛刺、是否鄰近支氣管血管束或鄰胸膜之間的變異系數(shù)相差不大,但結(jié)節(jié)邊緣模糊不清與結(jié)節(jié)邊界清晰肺結(jié)節(jié)間的變異系數(shù)相差甚遠(yuǎn)(P<0.01)。在最近的研究報(bào)道中,Kim等[18]在比較兩種計(jì)算機(jī)分割軟件對磨玻璃密度結(jié)節(jié)分割的可重復(fù)性及潛在危險因素中,發(fā)現(xiàn)肺結(jié)節(jié)鄰近支氣管血管束這一位置特點(diǎn)是分割軟件均有的負(fù)面影響因素,Wang等[19]曾利用半自動體積分割技術(shù)分析肺結(jié)節(jié)形態(tài)特點(diǎn)變化對體積測量的影響,發(fā)現(xiàn)結(jié)節(jié)形態(tài)不規(guī)則及結(jié)節(jié)鄰近支氣管血管束對體積變化影響最大,他們的OR值分別為15.7、3.5,與我們分析得到的結(jié)果近 似。

        我們的研究也存在局限性,需要進(jìn)一步克服。首先我們分析的是結(jié)節(jié)體積測量觀察者內(nèi)的變異性,而不同掃描方式之間測量的差異對容積也會有影響,例如患者每次的呼吸狀態(tài)及位置、掃描位置不同所致部分容積效應(yīng)等等,但由于對患者進(jìn)行短期重復(fù)掃描具有放射損害,不符合倫理,利用肺體模結(jié)節(jié)的掃描將會幫助評估掃描之間的體積差異。其次,本研究結(jié)節(jié)樣本量較小,還需進(jìn)一步擴(kuò)大以便得出最接近真實(shí)的結(jié)果。

        總之,計(jì)算機(jī)三維體積估算方法在肺結(jié)節(jié)體積的測量中具有較高的可重復(fù)性,可以常規(guī)應(yīng)用于肺結(jié)節(jié)生長性的評估,但體積分割的變異受結(jié)節(jié)位置,形態(tài)的影響,當(dāng)三維體積分割無法得到滿意的結(jié)果時可以通過二維測量結(jié)節(jié)三維徑線,然后通過估計(jì)結(jié)節(jié)的形狀,選擇最接近的體積估算模型代替。

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