Quantitative Computed Tomography in Health and Chronic Airflow Limitation: Regional Analysis and Deep Learning Methods

QC 2026-08-21

Abstract

Kronisk luftflödesbegränsning (på engelska chronic airflow limitation, CAL) innebär en varaktigt nedsatt förmåga att effektivt andas ut luft ur lungorna. Det kan orsakas av förträngningar i de små luftvägarna, minskad elasticitet i lungvävnaden eller att luft blir kvar i lungorna efter utandning. Kronisk luftflödesbegränsning är ett centralt kännetecken vid kroniskt obstruktiv lungsjukdom (KOL; på engelska chronic obstructive pulmonary disease, COPD), en av de vanligaste kroniska lungsjukdomarna och en betydande orsak till sjuklighet och dödlighet i världen. Vid KOL bidrar strukturella förändringar i luftvägarna och lungvävnaden till försämrad andningsfunktion. Dessa förändringar utvecklas ofta gradvis och kan vara svåra att upptäcka i ett tidigt skede. Tidig upptäckt och behandling kan dock bidra till att bromsa sjukdomsutvecklingen och förbättra prognosen. Spirometri, ett andningstest som mäter hur mycket luft en person kan andas ut och hur snabbt detta sker, är standardmetoden för att påvisa kronisk luftflödesbegränsning. Spirometri ger dock ett övergripande mått på lungfunktionen och visar inte var i lungorna avvikelserna finns.

Datortomografi (DT; på engelska computed tomography, CT) är en bilddiagnostisk metod som kan avbilda lungorna med hög detaljrikedom. I denna avhandling användes DT-bilder inte enbart för visuell bedömning, utan även för att beräkna numeriska mått på lungorna. Detta tillvägagångssätt kallas kvantitativ DT. Metoden kan användas för att mäta lungvolym, densitet i lungan och områden i lungan som innehåller ovanligt mycket luft. Sådana mått kan ge ytterligare information om tidiga lungförändringar kopplade till kronisk luftflödesbegränsning och KOL.

Studierna i denna avhandling baserades huvudsakligen på data från Stockholmsdelen av Swedish CArdioPulmonary bioImage Study, SCAPIS. SCAPIS är en stor befolkningsbaserad studie av medelålders kvinnor och män. Deltagarna genomgick DT-undersökning av lungorna både vid inandning och utandning, samt spirometri och frågeformulärsbaserade undersökningar.

Den första delen av avhandlingen undersökte om kvantitativa DT-mått från inandnings- och utandningsbilder kunde identifiera tecken på kronisk luftflödesbegränsning. Resultaten visade att deltagare med kronisk luftflödesbegränsning hade större lungvolymer, lägre medeldensitet och mer lungvävnad med låg densitet än deltagare utan luftflödesbegränsning. Mätvärden från utandnings-DT kunde bättre skilja personer med kronisk luftflödesbegränsning från personer utan sådana förändringar än mätvärden från inandnings-DT. Detta tyder på att utandningsbilder kan vara särskilt användbara för att identifiera förändringar kopplade till kronisk luftflödesbegränsning och relevanta för tidig KOL.

Avhandlingen studerade även hur förändringar skiljer sig mellan olika delar av lungan. Lungorna är indelade i lober, och lungsjukdom kan påverka vissa av dessa regioner mer än andra. För att möjliggöra storskalig regional analys omfattade avhandlingen automatisk lunglobssegmentering med hjälp av djupinlärning. Detta innebär att en datormodell tränades för att dela in lungorna i deras anatomiska lober. Metoden utformades för att fungera inte bara på inandningsbilder, utan även på utandningsbilder, där lungorna är mindre och gränserna mellan loberna kan vara svårare att identifiera.

Med hjälp av automatisk segmentering kunde DT-mått analyseras separat i olika lunglober och regioner. Detta gjorde det möjligt att beskriva var i lungorna förändringar kopplade till kronisk luftflödesbegränsning var lokaliserade. Regionala och lobära analyser gav ytterligare information om fördelningen av dessa lungförändringar, men endast en mindre förbättring i identifieringen av luftflödesbegränsning.

Slutligen undersökte avhandlingen om mer avancerad information från DT-bilderna kunde förbättra identifieringen av kronisk luftflödesbegränsning. Detta gjordes med radiomik, en metod där medicinska bilder analyseras med dator för att fånga kvantitativa mönster och egenskaper som inte nödvändigtvis är synliga för det mänskliga ögat eller kan fångas med enklare mätningar. I denna avhandling analyserades datortomografibilder med både traditionella radiomikmetoder och metoder baserade på djupinlärning. Resultaten visade att sådana mått var möjliga att använda. Modeller baserade på klassisk radiomik förbättrade identifieringen av kronisk luftflödesbegränsning jämfört med tidigare använda kvantitativa DT-mått. 

Sammanfattningsvis visar denna avhandling att kvantitativ DT kan ge användbar bildbaserad information om lungstruktur och kronisk luftflödesbegränsning i ett befolkningsbaserat material av medelålders män och kvinnor. Utandnings-DT var särskilt informativt, och automatisk lunglobssegmentering gjorde det möjligt att studera regionala skillnader i lungorna. Dessa metoder är inte avsedda att ersätta spirometri, men de kan komplettera andningstester genom att visa strukturella och regionala lungförändringar. Efter ytterligare validering kan kvantitativ DT bidra till ökad förståelse av tidiga KOL-relaterade lungförändringar och stödja mer detaljerad bildbaserad karakterisering av kroniskt obstruktiv lungsjukdom.

Link to DiVA