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. 2020 Oct 2;18:eAI5842. doi: 10.31744/einstein_journal/2020AI5842
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Quantitative analysis in COVID-19: report of an initial experience

Fábio Augusto Ribeiro Dalprá 1, Eduardo Kaiser Ururahy Nunes Fonseca 1, Gilberto Szarf 1, Rodrigo Caruso Chate 1
PMCID: PMC7531899  PMID: 33053015

A 63-year-old man came to the emergency room complaining of unverified fever and myalgia. Oropharyngeal material was collected for reverse transcription testing followed by polymerase chain reaction (RT-PCR) for coronavirus disease 2019 (COVID-19), and a chest radiography was performed (normal), and the patient was discharged to home isolation, due to his mild symptoms, until the test result.

After 3 days, the patient evolved with dyspnea, a drop in oxygen saturation (95%), and measured fever (38.6°C), and a chest computed tomography was performed (Figure 1) and he was admitted to hospital. The RT-PCR test for COVID-19 was positive.

Figure 1. Chest computed tomography and superimposed 3DSlicer software quantification images. The upper series (A) show the findings when the patient returned to the emergency room, and the lower series (B) show the findings at the time of his clinical worsening. Axial sections of the chest tomography showing multifocal pulmonary ground-glass opacities predominantly peripheral and basal, more extensive in the last study, and quantitative images generated by the 3DSlicer software superimposed over the tomographic images. The areas marked in yellow show ground-glass opacities, those marked in green are areas of normal parenchyma, and those marked in orange are areas of consolidation. The extensive progression of the findings illustrates the numerical data provided.

Figure 1

Three days later, his respiratory pattern worsened, with a decrease in oxygen saturation to 90%, and he was referred to a stepdown unit and a new tomography was performed (Figure 1).

An 80-row CT scanner (Aquillion Prime, Canon Medical Systems, Tochigi, Japan) was used, with the patient in supine position, during maximum inspiration, and without injection of contrast medium. The following parameters were used: reconstructions with slice-thickness of 1 mm, a tube voltage of 80 kVp to 120 kVp, and adjustable current, varying between 10 mA and 440 mA. The images of these two exams were then processed, using the 3DSlicer software to segment the normal parenchyma, ground-glass opacities and consolidation areas in both lungs in the two exams performed for the patient (Figure 1).

From this, a quantitative analysis was conducted, showing in the first study a total lung volume of 4,289.62cm3, with the right lung measuring 2,214.91cm3 and the left lung measuring 2,074.71cm3. The preserved parenchyma area measured 2,110.48cm3 (95.29%) in the right lung, and 2,056.79cm3 (99.14%) in the left lung. The right lung presented with 81.01cm3 (3.66%) of ground-glass opacities and 23.42cm3 (1.06%) of consolidations; the left lung presented with 14.98cm3 (0.72%) of ground-glass opacities, and 2.95cm3 (0.14%) of consolidations. In total, the patient had 2.85% of parenchyma affected by ground-glass opacities or consolidations in the first study.

In the second study, the total lung volume calculated was 3,569.85cm3, with 1,814.95cm3 in the right lung and 1,754.90cm3 in the left lung. The preserved parenchyma area measured 915.17cm3 (50.42%) in the right lung, and 1,301.17cm3 (74.15%) in the left lung. The ground-glass opacity areas totaled 857.49cm3 (47.25%) in the right lung, and 447.63cm3 (25.51%) in the left lung, and the consolidation areas totaled 42.29cm3 (2.33%) in the right lung, and 6.09cm3 (0.35%) in the left lung.

In three days of progression, the patient showed an increase of 1,259.93% in ground-glass opacity volume, with 958.47% in the right lung, and 2,888.06% in the left lung, and an 83.44% increase in the consolidation volume, with 80.57% in the right lung, and 106.66% in the left lung. These numbers resulted in a 46.81% reduction in the preserved parenchyma volume, with a reduction of 56.64% in the right lung, and 36.74% in the left lung.

DISCUSSION

Several cases of pneumonia of unknown origin that occurred in Wuhan, China, in late 2019, led to the discovery of a new type of coronavirus (2019-nCoV), called novel coronavirus-infected pneumonia (COVID-19).(1-4) The virus quickly spread and started to affect individuals outside the initial contagion area, in other countries and, finally, on all continents, and was declared a pandemic by the World Health Organization (WHO).(1-4)

The 3DSlicer software is a free tool available online for download, whose use in quantitative imaging is well-established, having even been used in the evaluation of pulmonary nodules in chest imaging.(5-7)

Much has been studied since the beginning of the pandemic about the role of imaging tests in the prognosis and progressive control of COVID-19 patients, but a forceful answer has yet to be found. Our service, for instance, has been using the assessment of the tomographic progression of the disease as an auxiliary criterion in the clinical decision of hospitalization. The present case demonstrates the use of the 3DSlicer tool for the quantification of pulmonary tomographic changes, applied in the clinical monitoring of the patient, enabling an objective estimation of the involvement percentage and the progression rate of the disease. We believe that this tool can be an important resource for borderline cases or those that raise doubts about the significance of the progression. In addition, its association with artificial intelligence strategies can optimize the quantification process, rendering it possible the use of this quantification in a greater number of cases.

REFERENCES

Einstein (Sao Paulo). 2020 Oct 2;18:eAI5842. [Article in Portuguese]

Análise quantitativa na COVID-19: relato de uma experiência inicial

Fábio Augusto Ribeiro Dalprá 1, Eduardo Kaiser Ururahy Nunes Fonseca 1, Gilberto Szarf 1, Rodrigo Caruso Chate 1

Homem de 63 anos veio ao pronto atendimento com queixa de febre não aferida e mialgia. Realizou coleta de material de orofaringe para teste de transcrição reversa seguida de reação em cadeia da polimerase (RT-PCR) para a doença pelo coronavírus 2019 (COVID-19) e radiografia do tórax (normal), sendo encaminhado para isolamento domiciliar pelos sintomas brandos até o resultado do teste.

Evoluiu 3 dias depois com surgimento de dispneia, queda de saturação de oxigênio (95%) e febre aferida (38,6°C), sendo optada pela realização da tomografia computadorizada do tórax (Figura 1) e internação. Checado resultado positivo da RT-PCR para COVID-19.

Figura 1. Imagens de tomografia computadorizada do tórax e do programa de quantificação 3DSlicers sobrepostas. A linha superior (A) demonstra os achados no retorno do paciente ao pronto atendimento e a linha inferior (B) na ocasião de sua piora clínica. Cortes axiais da tomografia do tórax demonstrando opacidades pulmonares multifocais em vidro fosco de predomínio periférico e basal, mais extensas no último estudo, e imagens quantitativas sobrepostas às imagens tomográficas geradas pelo software 3DSlicer. As áreas marcadas em amarelo demonstram opacidades em vidro fosco, as em verde as áreas de parênquima normal e as em laranja as áreas de consolidação. Notar a extensa progressão dos achados, ilustrando os dados numéricos fornecidos.

Figura 1

Três dias após, evoluiu com piora do padrão respiratório, com queda da saturação para 90%, sendo encaminhado para unidade semi-intensiva e realizada nova tomografia (Figura 1).

As imagens foram realizadas em equipamentos de 80 detectores (Aquillion Prime, Canon Medical Systems, Tochigi, Japão) com o paciente em decúbito dorsal, durante inspiração máxima e sem injeção do meio de contraste. Foram utilizados os seguintes parâmetros: reconstruções com 1mm de espessura, voltagem de 80 kVp a 120 kVp e corrente regulável, variando entre 10 mA e 440 mA. As imagens desses dois exames foram então processadas, utilizando-se o software 3DSlicer com o intuito de segmentar o parênquima normal, as opacidades em vidro fosco e as áreas de consolidação em ambos os pulmões nos dois exames realizados para o paciente (Figura 1).

A partir disto, foi possível realizar a análise quantitativa, que demonstrou um volume pulmonar total no primeiro estudo de 4.289,62cm3, sendo que o pulmão direito possuía 2.214,91cm3 e o esquerdo 2.074,71cm3. A área de parênquima preservado de cada pulmão era de 2.110,48cm3 (95,29%) à direita e 2.056,79cm3 (99,14%) à esquerda. O pulmão direito apresentou 81,01cm3 (3,66%) de opacidades em vidro fosco e 23,42cm3 (1,06%) de consolidação; já o esquerdo apresentou 14,98cm3 (0,72%) de opacidades em vidro fosco e 2,95cm3 (0,14%) de consolidação. No total, o paciente apresentou 2,85% de parênquima acometido por vidro fosco ou consolidações no primeiro estudo.

Em seu segundo estudo, o volume pulmonar total calculado foi de 3.569,85cm3, sendo 1.814,95cm3 no pulmão direito e 1.754,90cm3 no pulmão esquerdo. A área de parênquima preservado foi de 915,17cm3 (50,42%) à direita e 1.301,17cm3 (74,15%) à esquerda. As áreas de vidro fosco somaram 857,49cm3 (47,25%) à direita e 447,63cm3 (25,51%) à esquerda, e as áreas de consolidação somaram 42,29cm3 (2,33%) à direita e 6,09cm3 (0,35%) à esquerda.

Em 3 dias de evolução, o paciente apresentou aumento de 1.259,93% no volume de vidro fosco, sendo de 958,47% à direita e 2.888,06% à esquerda, e aumento de 83,44% no volume de consolidação, sendo 80,57% à direita e 106,66% à esquerda. Tais números se traduziram numa redução de 46,81% de volume de parênquima preservado, sendo essa redução de 56,64% à direita e 36,74% à esquerda.

DISCUSSÃO

Diversos casos de pneumonia de origem desconhecida ocorridos no final de 2019 em Wuhan, China, levaram à descoberta de um novo tipo de coronavírus (2019-nCoV), denominado novel coronavirus-infected pneumonia (COVID-19).(1-4) Esse vírus rapidamente se disseminou e passou a afetar indivíduos fora da área inicial de contágio, em outros países e, por fim, em todos os continentes, ganhando estado de pandemia pela Organização Mundial da Saúde (OMS).(1-4)

O software 3DSlicer é uma ferramenta gratuita e disponível online para download, que tem seu uso bem estabelecido em imagem quantitativa, inclusive já tendo sido utilizado em imagem torácica para, por exemplo, avaliação de nódulos pulmonares.(5-7)

Muito tem sido estudado desde o início da pandemia sobre o papel dos exames de imagem no prognóstico e no controle evolutivo desses pacientes, ainda sem ter sido encontrada uma resposta contundente. Nosso serviço, por exemplo, vem usando a avaliação da extensão tomográfica da doença como critério auxiliar na decisão clínica de internação. O presente caso demonstra a utilização da ferramenta 3DSlicer para a quantificação das alterações tomográficas pulmonares, aplicada no controle evolutivo, permitindo estimar, de forma objetiva, o percentual de acometimento e a taxa de evolução. Acreditamos que essa ferramenta possa ser apoio importante para casos limítrofes ou que suscitam dúvidas quanto à significância da progressão. Além disso, sua associação com estratégias de inteligência artificial pode otimizar o processo de quantificação, fazendo com que essa quantificação possa ser adotada em um maior número de casos.


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