Способ прогнозирования исхода вирусной пневмонии при covid-19

Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике, и может быть использовано для прогнозирования исхода вирусной пневмонии при COVID-19. Методом компьютерной томографии получают изображения легких пациента на 1 и 5 сутки госпитализации. Определяют функционирующий объем легких, мл, объем областей уплотнения ткани с плотностью от -400 до 0 HU, мл, объем областей уплотнения по типу «матового стекла» с плотностью от -750 до -400 HU, мл. По полученным параметрам вычисляют коэффициенты: К1 = (функционирующий объем легких, мл)/(объем областей уплотнения ткани с плотностью от -400 до 0 HU, мл) на 1 и 5 сутки госпитализации; К2 = (функционирующий объем легких, мл)/(объем областей уплотнения по типу «матового стекла» с плотностью от -750 до -400 HU, мл) на 5 сутки госпитализации; отношение коэффициентов К1 на 1 и 5 сутки = (К1 на 1 сутки)/(К1 на 5 сутки); К3 = (объем областей уплотнения по типу «матового стекла» с плотностью от -750 до -400 HU, мл)/(объем областей уплотнения ткани с плотностью от -400 до 0 HU, мл) на 1 и 5 сутки госпитализации; отношение коэффициентов К3 на 1 и 5 сутки = (К3 на 1 сутки)/(К3 на 5 сутки). При получении по меньшей мере трех из перечисленных значений: К1 на 5 сутки <1,33, К2 на 5 сутки <0,83, отношение коэффициентов К1 на 1 и 5 сутки ≥3,06, отношение коэффициентов К3 на 1 и 5 сутки ≥1,60 прогнозируют неблагоприятный исход вирусной пневмонии при COVID-19. Способ обеспечивает возможность прогнозирования исхода вирусной пневмонии при COVID-19 за счет определения диагностических коэффициентов. 1 ил., 6 табл., 6 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике. Способ может быть использован для прогнозирования исхода вирусной пневмонии.

Уровень техники

В настоящее время выявлены качественные и количественные показатели компьютерной томографии грудной клетки, являющиеся прогностическими факторами смертности у пациентов с вирусной пневмонией при COVID-19. Количественная оценка симптома «матового стекла», консолидации с помощью программного обеспечения и регрессионный анализ пропорциональных рисков Кокса позволил установить отношения рисков показателей компьютерной томографии в развитии неблагоприятного исхода вирусной пневмонии при COVID-19 (Davide Colombi, Gabriele D. Villani, Gabriele Maffi, Camilla Risoli, Flavio C. Bodini, Marcello Petrini, Nicola Morelli, Pietro Anselmi, Gianluca Milanese, Mario Silva, Nicola Sverzellati, Emanuele Michieletti Qualitative and quantitative chest CT parameters as predictors of specific mortality in COVID-19 patients. Emerg Radiol. 2020 Oct 29: 1–10. doi: 10.1007/s10140-020-01867-1). Полученная регрессионная модель обладает высокой прогностической ценностью. Установлено, что объем интерстициальной пневмонии > 40%, объем поражения легких плотностью 700 HU > 35%, визуальное выявлении консолидации и кальцинации коронарных артерий являются независимыми предикторами смертности у пациентов с вирусной пневмонией при COVID-19.

Несмотря на достаточную прогностическую ценность предложенных показателей данная модель не учитывает характер течения вирусной пневмонии и отношения функционального, интерстициального и экссудативного компонентов поражения легких. Поэтому прогнозирование динамики показателей, отражающих основные патофизиологические компоненты поражения легких, позволяет улучшить прогноз исхода вирусной пневмонии при COVID-19.

Решаемой в настоящем изобретении технической проблемой является повышение точности прогнозирования исхода вирусной пневмонии при COVID-19.

Раскрытие сущности изобретения

Достигаемый технический результат заключается в получении точного прогноза исхода вирусной пневмонии при COVID-19 по мониторингу данных компьютерной томографии, полученных на 1-е и 5-е сутки госпитализации, за счет комплексной динамической оценки диагностически значимых показателей: функционирующий объем легких, объем «матового стекла» и объем полуконсолидации-консолидации (мл).

Разработанный способ дает возможность прогнозировать исход у пациентов с вирусной пневмонией, что повышает точность диагностики и влияет на тактику лечения.

Технический результат достигается благодаря следующей совокупности существенных признаков:

• оценивают уровень функционирующего объема легких, объема «матового стекла» и объема полуконсолидации-консолидации (мл) на 1-е и 5-е сутки госпитализации;

• определяют коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации на 5 сутки, коэффициент функционирующий объем легких/объем «матового стекла» на 5 сутки, отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации (1 сутки к 5 суткам), отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации (1 сутки к 5 суткам);

• при получении хотя бы трех значений из ниже перечисленных:

коэффициента функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации (на 5 сутки) <1,33,

коэффициентa функционирующий объем легких/объем «матового стекла» (на 5 сутки) <0,83,

отношения коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации (1 сутки к 5 суткам) ≥3,06,

отношения коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации (1 сутки к 5 суткам) ≥1,60,

прогнозируют неблагоприятный исход вирусной пневмонии при COVID-19 (смерть).

Осуществление изобретения

У 12,5% (у 18 из 144) пациентов с вирусной пневмонией при COVID-19 наблюдался неблагоприятный исход заболевания (смерть). Клинико-лабораторные исследования проводили в первый день поступления в стационар. По данным анамнеза это соответствовало 9,8±5,8 суткам (M±SD) с момента появления первых симптомов заболевания (минимум-максимум 1-39 сутки). Средний возраст пациентов - 57,0±12,6 лет (M±SD) (минимум-максимум 27 лет - 91 год). Распределение по полу – 60% мужчин (n=86) и 40% женщин (n=58).

Компьютерно-томографическое исследование проводилось в 1 и 5 сутки госпитализации в связи с минимальным сроком, когда необходим прогноз исхода. По нашим данным, неблагоприятный исход наблюдался с 5 суток. Интенсивность риска смерти у пациентов с вирусной пневмонией при COVID-19 отличалась существенной неравномерностью, имея три пика. Первый пик интенсивности риска смерти достигал максимума к 15 суткам (с 5 по 20 сутки – 14 смертей), второй пик – к 36 суткам (2 смерти), третий пик - к 56 суткам (1 смерть). Поэтому возникает необходимость прогноза исхода вирусной пневмонии при COVID-19 уже в первые 5 суток госпитализации, после которых появляются первые неблагоприятные исходы заболевания.

Согласно способу, определяют количественные показатели компьютерной томографии легких (3D Slicer 4.11.20210226, Slicer Community), вычисляя функционирующий объем легких (мл; в диапазоне -950 ~ -750 hnsf'U), объемы «матового стекла» (мл; в диапазоне -750 ~ -400 hnsf'U), полуконсолидации (мл; в диапазоне -400 ~ -200 hnsf'U) и консолидации (мл; в диапазоне -200 ~ 0 hnsf'U). Полуконсолидация определяется как область промежуточного гомогенного уплотнения между симптомом «матового стекла» и консолидации (Suzuki K, Kusumoto M, Watanabe S, Tsuchiya R, Asamura H. Radiologic classification of small adenocarcinoma of the lung: radiologic-pathologic correlation and its prognostic impact. Ann Thorac Surg. 2006; 81: 413-9. https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2005.07.058; Fengjun Liu, Qi Zhang, Chao Huang, Chunzi Shi, Lin Wang, Nannan Shi, Cong Fang, Fei Shan, Xue Mei, Jing Shi, Fengxiang Song, Zhongcheng Yang, Zezhen Ding, Xiaoming Su, Hongzhou Lu, Tongyu Zhu, Zhiyong Zhang, Lei Shi, Yuxin Shi. CT quantification of pneumonia lesions in early days predicts progression to severe illness in a cohort of COVID-19 patients. Theranostics. 2020; 10(12): 5613–5622. Published online 2020 Apr 27. doi: 10.7150/thno.45985). На основании объёмов функционирующего, «матового стекла», полуконсолидации-консолидации вычисляют коэффициенты: коэффициент К1 = (функционирующий объем легких, мл; в диапазоне -950 ~ -750 hnsf'U) / (объем полуконсолидации-консолидации, мл; в диапазоне -400 ~ 0 hnsf'U) на 5 сутки, коэффициент К2 = (функционирующий объем легких, мл; в диапазоне -950 ~ -750 hnsf'U) / (объем «матового стекла», мл; в диапазоне -750 ~ -400 hnsf'U) на 5 сутки.

Для анализа были выбраны три показателя – функционирующий объем легких, отражающий объем нормальной легочной ткани, объём «матового стекла», отражающий объём интерстициальных изменений при вирусной пневмонии, объем полуконсолидации-консолидации, отражающий объём экссудативных изменений в легких. Поэтому предложенные коэффициенты объективно отражают соотношение функционирующих-интерстициальных и функционирующих-экссудативных процессов в легких при вирусной пневмонии при COVID-19.

Комплекс диагностически значимых показателей был получен по результатам проведенных исследований с использованием машинного обучения в программе «Orange 3.0» (университет Любляны, Словения) методом упрощенного алгоритма Байеса показателей, оценивающих состояние легких по компьютерной томографии грудной клетки, для прогнозирования двух вариантов исхода – благоприятного и неблагоприятного. В анализ были включены отношения основных показателей, полученных по данным компьютерной томографии, проведенных на 1 и 5 сутки обращения. После дискретизации оставлены для анализа четыре показателя – коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации на 5 сутки, коэффициент функционирующий объем легких/объем «матового стекла» на 5 сутки, отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации (1 сутки к 5 суткам), отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации (1 сутки к 5 суткам). В итоге упрощенного алгоритма Байеса получена номограмма прогнозирования вероятности неблагоприятного исхода (смерти) по 4 коэффициентам показателей КТ в динамике (чертеж).

Наибольший вклад в прогнозирование (коэффициент Gain ratio) исхода вносят коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации (на 5 сутки) (35,6%), коэффициент объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации (на 5 сутки) (26,2%), меньший - отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации (1-е сутки к 5-м) (23,6%), минимальный - отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации (1-е сутки к 5-м) (14,7%)

Для прогнозирования вероятности неблагоприятного исхода (смерти) вирусной пневмонии необходимо чтобы значения хотя бы 3-х показателей были в следующих диапазонах: коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации (на 5 сутки) <1,33, коэффициент функционирующий объем легких/объем «матового стекла» (на 5 сутки) <0,83, отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации (1 сутки к 5 суткам) ≥3,06, отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации (1 сутки к 5 суткам) ≥1,60 (чертеж).

Диапазоны для прогнозирования благоприятного исхода должны быть противоположными: коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации (на 5 сутки) ≥1,33, коэффициент функционирующий объем легких/объем «матового стекла» (на 5 сутки) ≥0,83, отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации (1 сутки к 5 суткам) <3,06, отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации (1 сутки к 5 суткам) <1,60. Достоверный прогноз (р<0,02) возможен только при сочетании указанных диапазонов перечисленных показателей.

Анализ матрицы классификации 144 пациентов вирусной пневмонией при COVID-19 показал 94% (n=135) достоверность прогнозирования исхода. Разработанный алгоритм упрощенного Байеса обладает высокой способностью прогнозировать исход вирусной пневмонии при COVID-19 и распознавать отсутствие болезни при отличном (AUС=0,96) прогностическом качестве модели, что отражает их высокую чувствительность (94%) и высокую специфичность (98%). При прогнозировании исхода с помощью теста необходимость в повторном уточняющем прогноз исследовании составляет всего 1% (прогностическая ценность положительного результата – 99%). При отрицательном результате теста вероятность того, что у пациента будет действительно прогнозирован неверный исход, составила 15% (прогностическая ценность отрицательного результата – 85%). Таким образом, разработанный способ позволяет добиться высокой точности (95%) прогнозирования исхода вирусной пневмонии.

Клинический пример 1. Пациентка А., 70 лет. Клинический, основной диагноз: Коронавирусная инфекция, вирус идентифицирован (подтвержден лабораторным тестированием независимо от тяжести клинических признаков или симптомов). На компьютерных томографиях грудной клетки - уровни функционирующего объема легких (200 и 194 мл), объема «матового стекла» (490 и 1774 мл) и объема полуконсолидации-консолидации (695 и 613 мл) на 1-е и 5-е сутки госпитализации. Вычисленные коэффициенты и их отношения представлены в таблице 1.

Таблица 1

№	Показатели		Исход
Благопр.	Неблаг.
1	Коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации 5 сутки	0,32	≥1,33	<1,33
2	Отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации	0,29/0,32=0,91	<3,06	≥3,06
3	Коэффициент функционирующий объем легких/объем «матового стекла» на 5 сутки	0,11	≥0,83	<0,83
4	Отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации	0,71/2,89=0,25	<1,60	≥1,60

Два из четырех показателей находятся в диапазоне прогнозируемого благоприятного исхода. На 17-е сутки пациентка выписана из стационара с улучшением.

Прогнозируемый благоприятный исход (улучшение) по коэффициентам, отражающим функциональный, интерстициальный и экссудативный компоненты пневмонии, соответствует данным истории болезни.

Клинический пример 2. Пациентка С., 60 лет. Клинический, основной диагноз: Коронавирусная инфекция, вирус идентифицирован (подтвержден лабораторным тестированием независимо от тяжести клинических признаков или симптомов). На компьютерных томографиях грудной клетки - уровни функционирующего объема легких (418 и 49 мл), объема «матового стекла» (639 и 645 мл) и объема полуконсолидации-консолидации (580 и 983 мл) на 1-е и 5-е сутки госпитализации. Вычисленные коэффициенты и их отношения представлены в таблице 2.

Таблица 2

№	Показатели		Исход
Благопр.	Неблаг.
1	Коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации 5 сутки	0,05	≥1,33	<1,33
2	Отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации	0,72/0,05=14,1	<3,06	≥3,06
3	Коэффициент функционирующий объем легких/объем «матового стекла» на 5 сутки	0,07	≥0,83	<0,83
4	Отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации	1,10/0,65=1,69	<1,60	≥1,60

Четыре из четырех показателей находятся в диапазоне прогнозируемого неблагоприятного исхода. На 36 сутки – больная умерла от осложнений основного заболевания: двусторонней полисегментарной вирусной пневмонии, дыхательной недостаточности II ст, прогрессирующей полиорганной недостаточности (сердечно–сосудистой, дыхательной, почечной). ИВЛ. Реанимационные мероприятия. Прогнозируемый неблагоприятный исход (смерть) по коэффициентам, отражающим функциональный, интерстициальный и экссудативный компоненты пневмонии, соответствует данным истории болезни.

Клинический пример 3. Пациент Б., 58 лет. Клинический, основной диагноз: Коронавирусная инфекция, вирус идентифицирован (подтвержден лабораторным тестированием независимо от тяжести клинических признаков или симптомов). На компьютерных томографиях грудной клетки - уровни функционирующего объема легких (2202 и 728 мл), объема «матового стекла» (3185 и 1472 мл) и объема полуконсолидации-консолидации (407 и 1054 мл) на 1-е и 5-е сутки госпитализации. Вычисленные коэффициенты и их отношения представлены в таблице 3.

Таблица 3

№	Показатели		Исход
Благопр.	Неблаг.
1	Коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации 5 сутки	0,69	≥1,33	<1,33
2	Отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации	5,41/0,69=7,84	<3,06	≥3,06
3	Коэффициент функционирующий объем легких/объем «матового стекла» на 5 сутки	0,69	≥0,83	<0,83
4	Отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации	7,83/1,39=5,63	<1,60	≥1,60

Четыре из четырех показателей находятся в диапазоне прогнозируемого неблагоприятного исхода. На 8 сутки – больной умер от осложнений основного заболевания: двусторонней полисегментарной вирусной пневмонии, дыхательной недостаточности, прогрессирующей полиорганной недостаточности (сердечно–сосудистой, дыхательной, почечной). ИВЛ. Реанимационные мероприятия. Прогнозируемый неблагоприятный исход (смерть) по коэффициентам, отражающим функциональный, интерстициальный и экссудативный компоненты пневмонии, соответствует данным истории болезни.

Клинический пример 4. Пациентка А., 64 лет. Клинический, основной диагноз: Коронавирусная инфекция, вирус идентифицирован (подтвержден лабораторным тестированием независимо от тяжести клинических признаков или симптомов). На компьютерных томографиях грудной клетки - уровни функционирующего объема легких (1632 и 309 мл), объема «матового стекла» (2114 и 1704 мл) и объема полуконсолидации-консолидации (607 и 728 мл) на 1-е и 5-е сутки госпитализации. Вычисленные коэффициенты и их отношения представлены в таблице 4.

Таблица 4

№	Показатели		Исход
Благопр.	Неблаг.
1	Коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации 5 сутки	0,42	≥1,33	<1,33
2	Отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации	2,68/0,42=6,38	<3,06	≥3,06
3	Коэффициент функционирующий объем легких/объем «матового стекла» на 5 сутки	0,18	≥0,83	<0,83
4	Отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации	3,48/2,34=1,48	<1,60	≥1,60

Три из четырех показателей находятся в диапазоне прогнозируемого неблагоприятного исхода. На 15-е сутки – больная умерла от осложнений основного заболевания: двусторонней полисегментарной вирусной пневмонии, дыхательной недостаточности, прогрессирующей полиорганной недостаточности (сердечно–сосудистой, дыхательной, почечной). ИВЛ. Реанимационные мероприятия. Прогнозируемый неблагоприятный исход (смерть) по коэффициентам, отражающим функциональный, интерстициальный и экссудативный компоненты пневмонии, соответствует данным истории болезни.

Клинический пример 5. Пациент А., 59 лет. Клинический, основной диагноз: Коронавирусная инфекция, вирус идентифицирован (подтвержден лабораторным тестированием независимо от тяжести клинических признаков или симптомов). На компьютерных томографиях грудной клетки - уровни функционирующего объема легких (5060 и 1073 мл), объема «матового стекла» (896 и 3545 мл) и объема полуконсолидации-консолидации (276 и 866 мл) на 1-е и 5-е сутки госпитализации. Вычисленные коэффициенты и их отношения представлены в таблице 5.

Таблица 5

№	Показатели		Исход
Благопр.	Неблаг.
1	Коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации 5 сутки	1,23	≥1,33	<1,33
2	Отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации	18,3/1,23=14,9	<3,06	≥3,06
3	Коэффициент функционирующий объем легких/объем «матового стекла» на 5 сутки	0,30	≥0,83	<0,83
4	Отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации	3,24/4,09=0,79	<1,60	≥1,60

Три из четырех показателей находятся в диапазоне прогнозируемого неблагоприятного исхода. На 32-е сутки – больная умерла от осложнений основного заболевания: двусторонней полисегментарной вирусной пневмонии, дыхательной недостаточности, прогрессирующей полиорганной недостаточности (сердечно–сосудистой, дыхательной, почечной). ИВЛ. Реанимационные мероприятия. Прогнозируемый неблагоприятный исход (смерть) по коэффициентам, отражающим функциональный, интерстициальный и экссудативный компоненты пневмонии, соответствует данным истории болезни.

Клинический пример 6. Пациент А., 48 лет. Клинический, основной диагноз: Коронавирусная инфекция, вирус идентифицирован (подтвержден лабораторным тестированием независимо от тяжести клинических признаков или симптомов). На компьютерных томографиях грудной клетки - уровни функционирующего объема легких (200 и 194 мл), объема «матового стекла» (1490 и 1174 мл) и объема полуконсолидации-консолидации (695 и 913 мл) на 1-е и 5-е сутки госпитализации. Вычисленные коэффициенты и их отношения представлены в таблице 6.

Таблица 6

№	Показатели		Исход
Благопр.	Неблаг.
1	Коэффициент функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации 5 сутки	0,32	≥1,33	<1,33
2	Отношение коэффициентов функционирующий объем легких/объем полуконсолидации-консолидации	0,29/0,21=1,38	<3,06	≥3,06
3	Коэффициент функционирующий объем легких/объем «матового стекла» на 5 сутки	0,17	≥0,83	<0,83
4	Отношение коэффициентов объем «матового стекла»/объем полуконсолидации-консолидации	2,14/1,28=1,67	<1,60	≥1,60

Три из четырех показателей находятся в диапазоне прогнозируемого неблагоприятного исхода. На 9-е сутки – больная умерла от осложнений основного заболевания: двусторонней полисегментарной вирусной пневмонии, дыхательной недостаточности, прогрессирующей полиорганной недостаточности (сердечно–сосудистой, дыхательной, почечной). ИВЛ. Реанимационные мероприятия. Прогнозируемый неблагоприятный исход (смерть) по коэффициентам, отражающим функциональный, интерстициальный и экссудативный компоненты пневмонии, соответствует данным истории болезни.

Способ прогнозирования исхода вирусной пневмонии при COVID-19, заключающийся в том, что методом компьютерной томографии получают изображения легких пациента на 1 и 5 сутки госпитализации, на которых определяют функционирующий объем легких, мл, объем областей уплотнения ткани с плотностью от -400 до 0 HU, мл, объем областей уплотнения по типу «матового стекла» с плотностью от -750 до -400 HU, мл, по полученным параметрам вычисляют коэффициенты:

К1 = (функционирующий объем легких, мл)/(объем областей уплотнения ткани с плотностью от -400 до 0 HU, мл) на 1 и 5 сутки госпитализации;

К2 = (функционирующий объем легких, мл)/(объем областей уплотнения по типу «матового стекла» с плотностью от -750 до -400 HU, мл) на 5 сутки госпитализации;

отношение коэффициентов К1 на 1 и 5 сутки = (К1 на 1 сутки)/(К1 на 5 сутки);

К3 = (объем областей уплотнения по типу «матового стекла» с плотностью от -750 до -400 HU, мл)/(объем областей уплотнения ткани с плотностью от -400 до 0 HU, мл) на 1 и 5 сутки госпитализации;

отношение коэффициентов К3 на 1 и 5 сутки = (К3 на 1 сутки)/(К3 на 5 сутки),

при получении по меньшей мере трех из перечисленных значений:

К1 на 5 сутки <1,33,

К2 на 5 сутки <0,83,

отношение коэффициентов К1 на 1 и 5 сутки ≥3,06,

отношение коэффициентов К3 на 1 и 5 сутки ≥1,60

прогнозируют неблагоприятный исход вирусной пневмонии при COVID-19.