基于人工智能定量方法的新型冠状病毒肺炎T2DM和NDM患者不同胸部CT图像表现

摘要

COVID-19是一种新型冠状病毒感染的肺炎，伴有糖尿病的COVID-19患者的死亡风险是健康人的4倍。2型糖尿病(T2DM)和非糖尿病(NDM) COVID-19患者胸部CT图像是否有差异尚不清楚。本研究基于人工智能定量方法，探讨T2DM与NDM合并COVID-19患者胸部CT图像的差异。回顾性纳入62例COVID-19肺炎患者，分为A组(T2DM COVID-19肺炎组，n= 15)和B组(NDM COVID-19肺炎组，n= 47)。收集两组患者的临床及实验室检查资料。使用Dr. Wise @Pneumonia软件提取胸部螺旋CT图像的定量特征(实变影、磨玻璃影体积、实变影(或磨玻璃影)占叶体积、总体积、总比例、个数)。结果显示，26个CT图像特征中，A组双侧肺实变影的体积和所占比例均大于B组( 和0.019,分别);两组患者双侧肺磨玻璃密度影总体积及所占比例无显著性差异( ）.A组患者血糖水平与实变影体积及实变影占右中叶体积的比例相关，且高于b组患者。基于人工智能定量方法，COVID-19糖尿病患者肺部炎性渗出比非糖尿病患者严重。血糖水平与COVID-19患者肺部炎性渗出呈正相关。

1.介绍

2019冠状病毒病是一种快速传播的疾病，已达到大流行规模，影响全球100多个国家。迄今为止，疫情已席卷200多个国家和地区。全球新冠肺炎确诊病例超过681万例，累计死亡人数超过39.6万例。2020年1月30日，世界卫生组织宣布新冠肺炎疫情为国际关注的突发公共卫生事件。2020年3月11日，世卫组织将疫情定性为大流行疾病。

新型冠状病毒肺炎具有聚集性特征，更容易感染有基础疾病的老年男性，引起严重甚至致命的呼吸道疾病[1，2］．据报道，糖尿病(DM)是导致COVID-19肺炎严重程度的一个主要年龄无关危险因素[3.］．糖尿病患者新型冠状病毒肺炎的死亡风险是健康人的4倍[4］．2型糖尿病(T2DM)与非糖尿病(NDM) COVID-19患者胸部CT图像是否有差异尚不清楚。本研究采用人工智能定量方法评价T2DM和NDM合并COVID-19肺炎患者胸部CT图像的差异。

2.材料和方法

回顾性入组天津市海河医院2020年2月至2020年4月收治的新冠肺炎患者，根据新冠肺炎患者是否为T2DM分为A组(COVID-19 T2DM组)和B组(COVID-19 NDM组)。收集两组患者的临床及实验室检查资料。

纳入和排除标准如图所示1．

2．1．检验设备和方法

采用天津海河医院的螺旋CT扫描仪(Aquilion Prime 128, Canon Medical Systems, Otawara, Japan)，在完全吸气的情况下，从肺尖到肾上腺进行薄层CT扫描。CT扫描参数为:管电压120 kV，管电流500 mAs，层间距0.8 mm，层厚1 mm。采用混合迭代重建算法(AIDR 3D)。窗平400 HU，窗宽40 HU。

2．2．数据特征提取

CT特征提取采用Dr. Wise @Pneumonia软件(北京深智联盟博士科技有限公司，中国)。肺叶分割、肺部感染和标记以及体积计算是由一种用于肺炎的商业深度学习算法完成的。分割网络基于U-Net架构，采用伪3d卷积作为基本块。使用多个CT切片形成三维输入。将建立的U-Net作为感染分割的构建体系。为了有效地利用三维上下文信息对可能的感染区域进行自动轮廓，在我们的研究中，将三维卷积层替换为两个二维卷积层。利用伪3D卷积层，该模型获得了三维上下文建模的能力，如图所示2．提取的图像特征参数包括磨玻璃影和实变影的体积、肺叶所占比例、总体积、总比例、个数。

2．3.统计分析

使用统计学软件(r3.6.2)。测量数据为正态分布，表示为均数±标准差( ）.计数数据表示为频率和百分比(%)。比较A组与B组的临床及影像学指标，计数资料采用卡方检验t测量资料和计数资料采用-检验，A组影像学指标与临床特征及血糖相关性采用多元线性回归分析。被定义为具有统计学意义。

3.结果

3．1.临床资料的组成

本研究共纳入67例COVID-19肺炎患者(男性36例，女性31例)，其中T2DM 16例，NDM 51例。1例2型糖尿病COVID-19肺炎患者和4例NDM COVID-19肺炎患者无影像学和临床资料排除。A组15例(42 ~ 78岁，61±11岁)，其中男性9例，女性6例;B组47例(43 ~ 89岁，60±12岁)，其中男性18例，女性29例。两组在年龄和性别上没有显著差异。

3．2．A、B两组临床资料及实验室检查指标比较

性别、年龄、发热情况、入院温度、血常规、CK-MB等差异无统计学意义( )，如表所示1．


	A组	B组

性别(男/女)	9/6	18/29	0.146
年龄(年)	61±11	60±12	0.813
发烧(例)	93.3% (14/15)	80.9% (38/47)	0.252
干咳(例)	66.7% (10/15)	44.7% (21/47)	0.138
恶心(例)	6.7% (1/15)	6.4% (3/47)	0.969
头痛(例)	0% (0/15)	4.3% (2/47)	0.417
腹泻(例)	13.3% (2/15)	12.8% (6/47)	0.954
进气温度(°C)	37.2±1.2	36.9±0.7	0.401
入院心率(次/分)	85.5±13.9	84.8±16.6	0.967
白细胞计数(×10⁹/ L)	5.3±2.8	5.4±2.4	0.981
嗜中性粒细胞计数(×10⁹/ L)	3.8±2.7	3.6±2.1	0.745
淋巴细胞计数(×10⁹/ L)	1.0±0.5	1.2±0.5	0.189
CRP(毫克/升)	37.6±27.5	22.4±35.3	0.100
肺动脉栓塞(毫克/升)	0.8±0.8	0.6±0.4	0.177
CK (U / L)	89.4±95.2	134.5±284.5	0.109
LDH (U / L)	556.3±198.0	547.1±182.3	0.338
单核细胞计数(×10⁹/ L)	0.5±0.3	0.6±0.4	0.433
血小板(×10⁹/ L)	175.2±83.5	191.1±51.8	0.621
PCT (ng / ml)	0.05±0.03	0.05±0.03	0.827
水平(U / L)	8.1±3.4	11.1±15.8	0.234

3．3.图像特征提取

在本研究中，提取了26个图像特征。A组与B组双侧肺实变容积及实变比例差异有统计学意义( ，分别为0.019)，且A组双侧实变的总体积和总比例均大于B组，如图所示3.．两组间磨玻璃混浊的影像学指标无显著性差异( )，如表所示2．

(一)

(b)


整合		A组	B组

影子	右肺上叶体积	52.3±97.6	12.8±52.7	0.152
	右肺上叶;肺叶比例	7.7±15.1	1.2±4.6	0.121
	右肺下叶	299.5±330.1	108.4±259.4	0.054
	右肺下叶;肺叶比例	27.6±29.9	10.4±20.0	0.051
	右肺中叶体积	2.5±8.9	3.6±17.3	0.752
	右肺中叶;肺叶比例	1.4±5.2	0.5±2.0	0.513
	左肺上叶体积	18.3±55.3	25.1±57.2	0.686
	左肺上叶;肺叶比例	1.7±4.6	3.1±7.4	0.385
	左肺下叶体积	183.6±199.5	99.8±212.1	0.176
	左肺下叶;肺叶比例	20.0±24.2	11.6±21.5	0.236
	总体积	556.1±447.4	249.7±462.0	0.031
	总比例	25.0±18.4	11.3±17.2	0.019
	数量	2.5±18.4	2.0±1.3	0.211
磨砂玻璃	右肺上叶体积	8.1±16.6	4.3±17.6	0.452
	右肺上叶;肺叶比例	0.8±1.5	0.4±1.2	0.299
	右肺下叶	14.4±29.2	22.7±97.2	0.606
	右肺下叶;肺叶比例	1.3±2.6	1.5±5.3	0.884
	右肺中叶体积	2.2±3.7	3.3±15.0	0.652
	右肺中叶;肺叶比例	0.4±0.6	0.7±3.0	0.518
	左肺上叶体积	37.6±110.5	0.8±1.7	0.219
	左肺上叶;肺叶比例	2.7±7.4	0.1±0.2	0.190
	左肺下叶体积	26.2±58.4	12.5±59.9	0.440
	左肺下叶;肺叶比例	2.4±5.1	0.9±3.7	0.328
	总体积	88.4±162.5	43.7±158.4	0.360
	总比例	2.2±3.1	1.8±4.2	0.730
	数量	2.3±1.8	1.8±1.4	0.390

3．4．A组影像学指标与临床指标及血糖的相关性

结果表明，血糖是影响实影体积和比例的重要因素。实变影总体积与血糖、中性粒细胞、心痛、CRP显著相关。实变影比例与血糖、头痛、IDH、发热显著相关。DM患者实变影总体积及所占比例为262.12 ( ）和13.63 ( ）高于非糖尿病患者，见表3.．


成像特性	因素	系数(β）	Std.错误	标准化系数	95%可信区间	价值

总体积	血糖	261.12	99.00	0．24	62.87 - -459.36	0.011
	中性粒细胞	70.69	21.42	０．３３	27.80 - -113.59	0．002
	头疼	1058.267	237.59	０．４０	582.50 - -1534.03	< 0.001
总比例	c反应蛋白	5.03	1.42	0.36	2.18 - -7.88	０．００１
	血糖	13.63	4.45	0．32	4.72 - -22.55	0.003
	头疼	42.78	10.89	0.42	20.97 - -64.59	< 0.001
	IDH	0.034	0．01	0.34	0.01 - -0.06	0．002
	发热	12.29	5.23	0．25	1.82 - -22.77	0.022

表中列出的调整后的个人和临床特征1．F= 17.95, ，调整R平方= 0.350;F= 9.206, ，调整R平方= 0.526。

4.讨论

COVID-19是一种被包裹的beta RNA病毒，广泛存在于哺乳动物和鸟类中。它与SARS和一些蝙蝠冠状病毒属于同一亚属。基因组测序分析显示，COVID-19和SARS病毒序列的相似性为79% [5- - - - - -8］．COVID-19和SARS病毒均通过关键成分S蛋白表面的受体结合域与宿主细胞的血管紧张素转换酶2 (ACE2)受体结合;然而，COVID-19表面蛋白对宿主细胞ACE2的亲和力是SARS病毒的10 ~ 20倍[9］．COVID-19通过与呼吸道和肺组织中的ACE2受体结合进入人体细胞，引发一系列呼吸反应。

新冠肺炎感染后，双肺主要病理表现为小叶间隔增厚、肺泡渗出改变，在胸部CT上表现为单双肺胸膜下分布多个磨玻璃密度或细网影。当小叶间隔增厚类似肺泡渗出时，主要表现为磨玻璃样混浊，可呈结节状、斑片状，甚至大部分为小叶状;当小叶间隔增厚程度大于肺泡渗出时，在磨砂玻璃密度影中出现多个细网格影，呈砾石路标。新型冠状病毒肺炎的影像学表现包括晕征、抗晕征、血管增厚征、支气管扩张征。肺泡渗出严重时，磨玻璃密度影可为实影。当出现明显的大实变影时，应高度警惕患者病情可能迅速恶化。

DM患者免疫细胞减少，NKT细胞活性降低，免疫功能异常，免疫反应性低。它的并发症可能涉及身体的多个器官。因此，DM患者是各种急性或慢性感染的高危人群[10］．Huang等回顾性分析了武汉41例冠状病毒感染患者，其中32%的患者有并发症，20%合并糖尿病，15%合并高血压，提示糖尿病患者可能是冠状病毒的额外易感者[11］．有研究表明，糖尿病在COVID-19患者中的比例为10.1%-20.0%，在危重患者中比例为22.2% [2，11，12］．进一步调查提示，新冠肺炎患者合并糖尿病的严重发生率可能更高，这与张俊杰的研究结果一致，他发现新冠肺炎合并糖尿病的严重发生率和死亡率高于无并发症的患者[13］．

对多项临床回顾性研究的数据进行分析，发现高血糖和糖尿病具有相似的基因结构，是SARS感染后死亡的独立危险因素[14- - - - - -16］．我们的结果显示，两组患者各肺叶磨玻璃密度影的体积和总体积均无差异;然而，COVID-19糖尿病组的实变总体积和实变总体积/肺叶总体积均高于COVID-19 NDM组( ）.这些结果表明，新冠肺炎DM患者比NDM患者处于更强的炎症状态;也就是说，他们的肺炎比NDM患者更严重，CT上肺部受累的严重程度与疾病的严重程度有关。这些结果进一步提示，新冠肺炎合并糖尿病患者重症发病率较高，这与上述发现一致。可能与糖尿病患者的免疫紊乱和代谢紊乱有关，导致机体清除病毒能力下降，感染COVID-19后病情进展迅速。

既往研究发现，除呼吸道和肺组织外，ACE2还在胰腺内分泌组织中表达。SARS病毒可能通过与这个功能性受体结合而入侵和破坏胰岛细胞。因此，COVID-19与SARS相似，受体相同，也可能通过与受体结合入侵胰岛组织，直接或间接损伤胰岛β细胞加速糖尿病的进展[17］．2019冠状病毒病感染还会加重器官负担、免疫功能障碍、炎症风暴、内分泌失衡，进一步促进糖尿病的发展，并相互作用形成恶性循环。在本研究中，血糖水平与右肺中叶实变体积及右肺中叶实变体积/右肺中叶体积呈正相关。这些结果并不能解释为什么血糖水平与肺炎的严重程度相关，需要更严格的实验设计和更大的样本量进行进一步的探索。

综上所述，本研究提示，COVID-19肺炎合并糖尿病患者肺部炎性渗出量高于非糖尿病患者;也就是说，COVID-19肺炎合并糖尿病患者的重症患病率可能更高，提示临床医生应更加重视COVID-19肺炎合并糖尿病患者的治疗。本研究进一步证实了血糖水平与COVID-19肺炎患者肺部炎性渗出呈正相关，但不表明血糖水平与COVID-19肺炎严重程度相关。本研究仍有一些局限性。新冠肺炎合并糖尿病患者数量相对较少，得出的结论需要更严格的实验设计和更大的样本量进一步探索和验证。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

作者的贡献

卢山、邢志恒对这项工作贡献相当。

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国际内分泌学杂志

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