Low-dose computed tomography in COVID-19: systematic review

Ivan A. Blokhin; Блохин Иван Андреевич; Ivan A. Blokhin; Denis А. Rumyantsev; Румянцев Денис Андреевич; Denis А. Rumyantsev; Maria M. Suchilova; Сучилова Мария Максимовна; Maria M. Suchilova; Anna P. Gonchar; Гончар Анна Павловна; Anna P. Gonchar; Olga V. Omelyanskaya; Омелянская Ольга Васильевна; Olga V. Omelyanskaya

doi:10.17816/DD119870

Низкодозная компьютерная томография органов грудной клетки в диагностике COVID-19: обзор литературы

Авторы: Блохин И.А.¹, Румянцев Д.А.¹, Сучилова М.М.¹, Гончар А.П.¹, Омелянская О.В.¹
Учреждения:
1. Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий
Выпуск: Том 4, № 1 (2023)
Страницы: 25-37
Раздел: Систематические обзоры
Статья получена: 22.12.2022
Статья одобрена: 06.02.2023
Статья опубликована: 19.04.2023
URL: https://jdigitaldiagnostics.com/DD/article/view/119870
DOI: https://doi.org/10.17816/DD119870
ID: 119870

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Обоснование. Повышение числа исследований компьютерной томографии во время пандемии COVID-19 актуализировало задачу снижения лучевой нагрузки на пациента, так как воздействие радиационного излучения достоверно связано с повышением риска развития онкологических заболеваний. В работе отделений лучевой диагностики даже в условиях пандемии должен соблюдаться принцип минимальной дозы облучения при максимальном уровне качества диагностики ― ALARA (as low as reasonably achievable), предложенный Международной комиссией по радиационной защите.

Цель ― систематизация данных о возможностях снижения лучевой нагрузки при диагностике поражения лёгких при COVID-19 методом компьютерной томографии.

Материалы и методы. Проведён анализ релевантных отечественных и зарубежных источников литературы в научных библиотеках PubMed и eLIBRARY по запросам «low dose computed tomography COVID-19» и «низкодозная компьютерная томография COVID-19», опубликованных в период с 2020 по 2022 год. Публикации включались в обзор после оценки их соответствия теме обзора путём анализа названия и абстракта. Списки литературы также были проанализированы на предмет выявления пропущенных при поиске статей, попадающих под критерии включения.

Результаты. Изучение опубликованных результатов исследований позволило обобщить современные данные о лучевой диагностике поражения лёгких при COVID-19 и использовании компьютерной томографии, а также определить возможные варианты снижения дозы лучевой нагрузки.

Заключение. Представлены способы уменьшения лучевой нагрузки при компьютерной томографии органов грудной клетки и сохранения высокого качества диагностического изображения, потенциально достаточного для надёжного выявления признаков COVID-19. Снижение дозы облучения является оправданным подходом к получению актуальной диагностической информации, сохраняющим возможности внедрения технологий продвинутого компьютерного анализа в клиническую практику.

Ключевые слова

компьютерная томография, низкодозная компьютерная томография, обзор литературы, COVID-19, диагностика COVID-19

Полный текст

ОБОСНОВАНИЕ

Количество случаев заболевания новой коронавирусной инфекцией COVID-19 на момент написания статьи (22 декабря 2022 года) достигает 650 миллионов¹. Распространение заболевания и, соответственно, случаи смерти могут быть предупреждены и снижены благодаря комплексу мер, включающих раннюю диагностику².

Основным методом лабораторной диагностики является полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией. На первом пике коронавирусной пандемии обнаружились недостатки этого метода: высокая частота ложноположительных результатов, ограниченная доступность и длительность получения ответа [1]. При этом ложноотрицательные результаты могут быть получены у пациентов с признаками COVID-19 по данным компьютерной томографии (КТ) органов грудной клетки [2].

В соответствии с российскими [3] и международными³ рекомендациями, методами лучевой диагностики COVID-19-ассоциированной пневмонии являются в том числе рентгенография и КТ. Рентгенография органов грудной клетки обладает низкой чувствительностью в диагностике вирусных пневмоний [4], поэтому КТ играет важную роль в диагностике COVID-19-ассоциированной пневмонии и её осложнений [5].

Активное использование КТ во время пандемии создаёт проблему высокой радиационной нагрузки на население [6, 7]. За время пребывания в лечебном учреждении для оценки динамики заболевания пациенту в течение короткого промежутка времени выполняется от 2 до 6 КТ-исследований, поскольку чёткая тенденция к регрессии изменений по данным КТ является одним из критериев к выписке [3]. Лицам с подозрением на COVID-19 могут быть выполнены 1–2 КТ для выявления признаков заболевания в амбулаторных условиях [8, 9].

Воздействие радиационного излучения достоверно связано с повышением риска развития онкологических заболеваний [10]. В работе отделений лучевой диагностики даже в условиях пандемии должен соблюдаться принцип ALARA (as low as reasonably achievable ― минимальная доза облучения при максимальном уровне качества диагностики), предложенный Международной комиссией по радиационной защите (International Commission of Radiological Protection) [11]. В марте 2020 года Z. Kang и соавт. предложили использовать низкодозную КТ (НДКТ) в качестве первого этапа лучевой диагностики проявлений коронавирусной пневмонии [6]. Важность использования НДКТ при COVID-19 подчеркнул и проведённый в апреле 2020 года вебинар «COVID-19 and Chest CT: Protocol and Dose Optimization», в котором приняли участие 1633 человека из 100 стран. В ходе видеоконференции было установлено, что 55% учреждений используют стандартные протоколы (CTDIvol 5–10 мГр), 43% ― низкодозные протоколы (CTDIvol <5 мГр), 2% ― высокодозные (CTDIvol >10 мГр) [12]. Однако даже поверхностное знакомство с рабочей станцией рентгенолаборанта показывает значительное количество параметров сканирования, влияющих на лучевую нагрузку [13], при этом взаимосвязь между различными настройками протокола и дозой облучения может быть неочевидной, особенно в зависимости от изучаемого патологического процесса.

Целью настоящего литературного обзора является систематизация данных о возможностях снижения лучевой нагрузки при КТ-диагностике поражения лёгких, обусловленного COVID-19.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Проведён анализ релевантных отечественных и зарубежных источников литературы в научных библиотеках PubMed и eLIBRARY по запросам «low dose computed tomography COVID-19» и «низкодозная компьютерная томография COVID-19», опубликованных в период с 2020 по 2022 год.

Публикации включались в обзор после оценки их соответствия теме обзора путём анализа названия и абстракта. В обзор включали оригинальные исследования и метаанализы, исключали ― обзоры литературы, клинические случаи, тезисы конференций. Списки литературы также были проанализированы на предмет наличия релевантных исследований по общим принципам снижения лучевой нагрузки при КТ, которые могли быть опубликованы ранее 2020 года. При обнаружении схожих статей в обзор включали наиболее позднее исследование.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Всего было проанализировано 45 статей иностранных авторов и 5 ― отечественных. Последняя дата поиска ― 22 декабря 2022 года.

Методы уменьшения дозы лучевой нагрузки

Методы снижения лучевой нагрузки, согласно проведённому обзору литературы, можно разделить на аппаратные и программные. К первым относятся напряжение трубки, сила тока трубки, питч-фактор, фильтрация рентгеновского пучка; ко вторым ― фильтр реконструкции, толщина среза и итеративные реконструкции.

Аппаратные методы. Напряжение трубки (tube potential, kVp) нелинейно связано с лучевой нагрузкой [14]. F. Zarb и соавт. [15] показали, что снижение напряжения трубки на 14–17% приводит к снижению дозы облучения на 32–38%. Снижение напряжения трубки при этом приводит к повышению уровня шума на исследованиях без контраста: согласно результатам фантомного исследования, эти параметры связаны друг с другом через показатель степени -1,3 [16]. В то же время снижение напряжения трубки в исследованиях с контрастным усилением позволяет улучшить качество изображения, существенно понижая лучевую нагрузку [17].

Сила тока трубки (tube current, mAs) линейно связана с лучевой нагрузкой [18]. Например, уменьшение силы тока трубки на 50% приводит к уменьшению эффективной дозы на 50% [17], при этом отношение «сигнал–шум» обратно пропорционально квадратному корню силы тока [19].

Питч-фактор (pitch) на мультиспиральных компьютерных томографах практически не влияет на лучевую нагрузку [20]. При увеличении питч-фактора снижается отношение «сигнал–шум», и томограф автоматически увеличивает силу тока трубки для предотвращения ухудшения качества изображений [21].

Фильтрация пучка рентгеновского излучения используется для поглощения низкоэнергетических фотонов, не проходящих насквозь ткани пациента и не достигающих детекторов, поэтому использование дополнительного оловянного фильтра позволяет значительно снизить лучевую нагрузку при проведении КТ [22], но требует дополнительных затрат на модификацию сканера.

Программные методы. Выбор фильтра реконструкции (convolution kernel) не влияет на лучевую нагрузку, но оказывает воздействие на отношение «сигнал–шум», подчёркивая или сглаживая разницу между пикселями различных органов или структур [23].

Низкое значение толщины среза уменьшает качество изображения, при этом положительно влияет на риск пропуска патологических изменений малых размеров, поэтому толщину среза можно оптимизировать: например, для оценки лёгочных узлов этот показатель составляет 2 мм [24].

Основным же способом снижения «шума» являются итеративные реконструкции, позволяющие проводить КТ-исследования с более низкими дозами облучения и аналогичным соотношением «сигнал–шум» по сравнению со стандартной методикой реконструкции данных [25]. Одним из перспективных направлений является использование нейронных сетей для реконструкции изображений [26, 27].

На основании изученных литературных данных можно сделать вывод, что для снижения лучевой нагрузки целесообразно уменьшать силу тока трубки, а для оптимизации отношения «сигнал–шум» ― использовать фильтр реконструкции, сглаживающий разницу между соседними пикселями (мягкотканный), и итеративную реконструкцию.

Низкодозная компьютерная томография в диагностике COVID-19

Результаты проведённого анализа литературы указывают на отсутствие единого, чётко определённого низкодозного протокола для COVID-19 (табл. 1 [28–54]). Выявлено, что снижение дозы лучевой нагрузки достигается преимущественно с помощью изменений напряжения трубки, силы тока трубки, использования итеративных реконструкций, оловянного фильтра. В ряде исследований, включённых в обзор, отмечены методологические недостатки в отношении представления результатов: не упоминаются дозиметрические показатели (СTDI, DLP, SSDE, эффективная доза), используются малые размеры выборок.

Таблица 1. Параметры низкодозной компьютерной томографии в диагностике COVID-19 по результатам литературного обзора

Автор, год, ссылка	Напряжение трубки, кВ	Сила тока трубки, мАс	Средняя доза облучения, мЗв	Толщина среза, мм	Фильтр реконструкции	Использование итеративной реконструкции
Автор, год, ссылка	Напряжение трубки, кВ	Сила тока трубки, мАс	Средняя доза облучения, мЗв	Толщина среза, мм	Фильтр реконструкции	Использование итеративной реконструкции
Блохин и др. (2022) [28]	120	10–500, уровень шума 36 (SD)	3	1	FC51, FC07	Нет
Филатова и др. (2020) [29]	100/110	40–120	1,27	1	-	Да
Afshar и др. (2022) [30]	110	20	1–1,5	2	D40s	-
Fukumoto и др. (2022) [31]	120	20–25	СTDI 1,3 мГр	5	Lung and soft tissue	-
Bieba и др. (2022) [32]	Зависит от веса	Зависит от веса	-	1 и 3	-	-
Barrio и др. (2022) [33]	100/150	Антропоморфная система модуляции тока	-	1	Br32 Bl60	-
Thieß и др. (2022) [34]	100	10–100	0,53	0,5 b 0,625	Fc01 Fc85	Да
Greffier и др. (2021) [35]	100/120	10	0,2	1	I30f, mediastinal, I50f, lung images	Да
Karakaş и др. (2021), [36]	80	40	0,18	5	lung	Да
Julie и др. (2021) [37]	120	45	-	1,2	-	-
Desmet и др. (2021) [38]	80–140	20–30	0,64	0,6	-	-
Aslan и др. (2021) [39]	80	35–50	0,2856	3	lung	Да
Stoleriu и др. (2021) [40]	120	40–113	35–100 мГр×см 0,78–2,91 мГр	1,25	Medium Soft	Да
Bai и др. (2021) [41]	120	120–380	1,21±0,10	1,25	Standard	Да
Agostini и др. (2021) [42]	100	95	0,39	1,5	Sharp	Да
Zali и др. (2021) [43]	100–120	50–100	-	1-3	-	-
Argentieri и др. (2021) [44]	80	20	0,219	2	Sharp	-
Leger и др. (2020) [45]	120	45	0,49	1,2	-	-
Hamper и др. (2020) [46]	100	20–120	0,5	0,625–1	Lung	Да
Li и др. (2020) [47]	120	30	1,22±0,14	1	-	Да
Dangis и др. (2020) [48]	100	20	0,56	1	Lung (150f)	Да
Radpour и др. (2020) [49]	100–120	50–100	-	1–3	-	-
Kang и др. (2020) [6]	80–100	10–25	0,203	0,6	-	Да
Tofighi и др. (2020) [50]	100	40	2,03	-	-	Нет
Tabatabaei и др. (2020) [51]	120	30	1,8	3	-	-
Schulze-Hagen и др. (2020) [52]	80	35	1,7	1 и 3	170f 130f	-
Zhao Yue и др. (2020) [53]	100	50	1,5	1	-	-
Castelli и др. (2020) [54]	120	45	0,47	1,2	-	-

Интересно, что выбор параметра, изменяемого при оптимизации протокола сканирования, может быть универсальным для различных клинических задач. Так, при НДКТ для скрининга рака лёгкого разными группами авторов также производилось изменение тока трубки [55, 56], тем не менее разработку специализированного протокола НДКТ следует начинать с исследования на модельном объекте (фантоме) для выбора оптимального метода снижения нагрузки. Например, в исследовании В.А. Гомболевского и соавт. [57] по разработке НДКТ для диагностики COVID-19 использовался фантом с утолщающими пластинами, при этом был установлен уровень настройки системы автоматического контроля силы тока трубки (Sure Exposure 3D), достаточный для выявления очагов «матового стекла» при максимальном снижении лучевой нагрузки (SD=36). Сравнение выбранного по результатам фантомного исследования протокола со стандартной КТ и НДКТ для скрининга рака лёгкого представлено на рис. 1.

Рис. 1. Сравнение специализированного протокола низкодозной компьютерной томографии для COVID-19 (SD=36) со стандартным и низкодозным для скрининга рака лёгкого. Информация о лучевой нагрузке и аксиальные томограммы фантома на уровне нижних и средних зон лёгких. Низкодозная компьютерная томография для скрининга рака лёгкого разработана с учётом ограничения лучевой нагрузки для профилактических мероприятий по СанПин и имеет наименьшее отношение «сигнал–шум». Разработанный протокол низкодозной компьютерной томографии для COVID-19 учитывает денситометрические характеристики «матовых стёкол» при существенном снижении лучевой нагрузки.

Следует учесть, что любые разработанные специализированные низкодозные протоколы требуют клинической валидации и сравнения с золотым стандартом. Так, проведены клинические испытания разработанного протокола НДКТ для COVID-19 с использованием стандартной КТ в качестве референс-теста [28]. Примеры клинических изображений по разработанному протоколу представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Снижение лучевой нагрузки в 5 раз. Пациентка, 59 лет, индекс массы тела 29 кг/м². Компьютерная томография с мягко-тканным фильтром (эффективная доза ― 9,7 мЗв), низкодозная компьютерная томография с мягкотканным фильтром (эффективная доза ― 2,1 мЗв). В верхней доле левого лёгкого периферическая зона «матового стекла».

Рис. 3. Снижение лучевой нагрузки в 1,5 раза. Пациент, 44 года, индекс массы тела 46 кг/м². Компьютерная томография с мягкотканным фильтром (эффективная доза ― 15,3 мЗв), низкодозная компьютерная томография с мягкотканным фильтром (эффективная доза ― 10,5 мЗв). Двусторонние периферические участки «матового стекла».

Ограничения низкодозной компьютерной томографии

Согласно исследованию Y.K. Kim и соавт. [58], ограничением НДКТ органов грудной клетки в рутинной практике представляется ожирение (индекс массы тела >25) за счёт поглощения рентгеновского излучения жировой тканью. Однако результаты исследований согласованности оценки степени тяжести COVID-19 между экспертами указывают на обратное [59].

Другим общим ограничением НДКТ эмпирически представляется негативное влияние повышенного шума на изображениях на работу систем искусственного интеллекта, включая расчёт индекса эмфиземы при денситометрическом анализе [60], и радиомический анализ субсолидных лёгочных узлов [61]. Влияние протокола сканирования на результаты количественного анализа можно уменьшить путём использования относительных показателей, например процента поражённой лёгочной ткани при COVID-19 [62], или нормализации полученных данных специальными алгоритмами [63].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлены способы уменьшения лучевой нагрузки при КТ органов грудной клетки и сохранения высокого качества диагностических изображений, гипотетически достаточного для надёжного выявления признаков COVID-19. Несмотря на отсутствие единого способа оптимизации протоколов сканирования, снижение дозы облучения является оправданным подходом, позволяющим получить релевантную диагностическую информацию и сохраняющим возможности для внедрения технологий продвинутого компьютерного анализа в клинические пути.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Данная статья подготовлена авторским коллективом в рамках научно-исследовательской работы (№ ЕГИСУ: АААА-А20-120071090058-7) в соответствии с Программой Департамента здравоохранения города Москвы «Научное обеспечение столичного здравоохранения» на 2020–2022 годы.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли вклад в разработку концепции, проведение работы и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: И.А. Блохин ― редактирование и утверждение итогового варианта текста рукописи, консультативная поддержка; Д.А. Румянцев ― анализ данных, написание текста статьи; М.М. Сучилова, А.П. Гончар — редактирование и утверждение итогового варианта текста рукописи; О.В. Омелянская ― концепция и дизайн исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This article was prepared by a team of authors as part of the research work (EGISU number: AAAA-A20-120071090058-7) in accordance with the Program of the Moscow Department of Health “Scientific support of metropolitan health” for 2020-2022.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The largest contributions were distributed as follows: I.A. Blokhin — editing and approval of the final manuscript text, advisory support; D.A. Rumyantsev — data analysis, article text writing; M.M. Suchilova, A.P. Gonchar — editing and approval of the final manuscript text; A.P. O.V. Omelyanskaya — study concept and design.

¹ World Health Organization. Novel Coronavirus (COVID-19) situation. Режим доступа: https://who.sprinklr.com.

² Centers for Disease Control and Prevention. Corona virus 2019 disease (COVID-19). Режим доступа: https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/index.html.

³ World Health Organization. Use of chest imaging in COVID-19: A rapid advice guide [11 June 2020]. Режим доступа: https://apps.who.int/iris/handle/10665/332336.