Lung cancer screening and the impact of lung parenchyma on pulmonary nodule volumetry

Lung Cancer Screening (LCS) reduces lung cancer mortality, allowing for the early identification of pulmonary nodules using low-dose computed tomography (LDCT). Appropriate measurement and management of pulmonary nodules are essential in LCS programs. Guidelines recommend nodule volumetry analysis as the preferred method for nodule size measurement. However, artificial intelligence (AI) tools for volumetric analysis still present limiting factors, some of the most common being the nodule's location, size, shape and density. The study investigated whether changes in the attenuation of the lung parenchyma adjacent to a nodule affect the performance of nodule segmentation using computed tomography (CT) studies and volumetric tools. Two radiologists retrospectively applied two commercially available volumetric tools to assess lung nodules with diameters of 5– 8 mm detected by low-dose chest CT during a lung cancer screening program. The radiologists recorded the following parameters: • segmentation success and adequacy; • volume, longest and shortest diameters of the nodule; • mean attenuation value of the adjacent lung parenchyma; • presence of interstitial changes, emphysema, pleural plaques, or atelectasis. Predictors of appropriate volumetric segmentation of the nodule were assessed by regression analysis. Intraclass correlation coefficient assessed the interobserver agreement, and software-dependent appropriateness of nodule segmentation. In total, data on 1265 nodules (mean patient age, 68.3 ± 5.1 years; 70.2% male) were included in the study. The regression model revealed that the attenuation of the adjacent lung parenchyma effect in the size of the nodules was highly significant (odds ratio 0.987, p < 0.001). Interobserver and inter software agreement on appropriate segmentation were good. It was also observed that a software package performed better and that the measurements differed consistently between software packages. The conclusion from the main study showed that the likelihood of good segmentation of lung nodules with diameters of 5–8 mm declines with increasing attenuation of the adjacent parenchyma. These results support the hypothesis that lung nodule volume may not be assessed without critical analysis of the adjacent parenchyma. Numerous incidental findings were detected during the review of the cases for this study. Lack of uniformity in the approach to the incidental findings observed during the study justified the need for a separate publication proposing a more uniform approach to incidental findings on LCS studies, providing recommendations for the reporting and management, including the description and analysis of changes that increase the attenuation of the lung parenchyma. In my studies during this research, I observed that lung cancer with cystic characteristics could be misdiagnosed or overlooked and that they are not well detected or segmented by the current AI systems. I, therefore, felt appropriate to prepare an additional publication to alert the medical community regarding types of lung cancer associated with cystic airspaces. In summary, the central hypothesis that the volumetry of nodules detected on LCS can be affected by the attenuation values of the lung parenchyma surrounding the nodule was confirmed. These results have been published to alert that critical analysis of the parenchyma surrounding the nodule is needed before blindly accepting the numeric values from nodule volumetry to define stability or growth. Observation of inconsistencies in the approach to incidental findings and cystic lung cancer types led to the decision to publish the two additional papers related to this research.O rastreio do cancro do pulmão (RCP) reduz a mortalidade do cancro do pulmão, permitindo a identificação precoce de nódulos pulmonares usando tomografia computorizada de baixa dose (TC-BD). A medição e orientação adequadas dos nódulos pulmonares são essenciais nos programas de RCP. As diretrizes recomendam a análise da volumetria dos nódulos como o método preferido para a medição do tamanho dos nódulos. Contudo, as ferramentas de inteligência artificial (IA) para análise volumétrica ainda apresentam fatores limitantes, sendo alguns dos mais comuns a localização, tamanho, forma e densidade do nódulo. O estudo investigou se as alterações na atenuação do parênquima pulmonar adjacente a um nódulo afetam o desempenho da segmentação dos nódulos pulmonares identificados em exames de tomografia computorizada (TC) e ferramentas volumétricas. Dois radiologistas aplicaram retrospetivamente duas ferramentas volumétricas disponíveis comercialmente para avaliar nódulos pulmonares com diâmetros entre 5 e 8 mm detetados por TC-BD de baixa dose durante um programa de rastreio do cancro do pulmão. Os radiologistas registaram os seguintes parâmetros: • sucesso e adequação da segmentação; • volume, diâmetros mais longos e mais curtos do nódulo; • valor médio da atenuação do parênquima pulmonar adjacente; • presença de alterações intersticiais, enfisema, placas pleurais, ou atelectasia. Os preditores da segmentação volumétrica adequada do nódulo foram avaliados por análise de regressão. O coeficiente de correlação intra-classe avaliou a concordância inter-observador, e a qualidade da segmentação do nódulo, a qual depende do software. No total, foram incluídos no estudo dados sobre 1265 nódulos (idade média do doente, 68,3 ± 5,1 anos; 70,2% do sexo masculino). O modelo de regressão revelou que a atenuação do efeito parênquima pulmonar adjacente no tamanho dos nódulos era altamente significativa (‘odds ratio’ (OR) 0,987, p < 0,001). O acordo inter-observador e inter-software sobre a segmentação adequada foram bons. Observou-se também que um pacote de software tinha um melhor desempenho e que as medidas diferiam consistentemente entre pacotes de software. A conclusão do estudo principal mostrou que a probabilidade de uma boa segmentação dos nódulos pulmonares com diâmetros de 5-8 mm diminui com a atenuação crescente do parênquima adjacente. Estes resultados apoiam a hipótese de que o volume dos nódulos pulmonares não pode ser avaliado sem uma análise crítica do parênquima adjacente. Numerosos achados incidentais foram detetados durante a revisão dos casos para este estudo. A falta de uniformidade na abordagem dos achados incidentais observados durante o estudo justificou a necessidade de uma publicação separada propondo uma abordagem mais uniforme dos achados incidentais nos estudos de RCP, fornecendo recomendações para a elaboração de relatórios e orientação, incluindo a descrição e análise de alterações que aumentam a atenuação do parênquima pulmonar. Nos meus estudos durante esta investigação, observei que o cancro do pulmão com características císticas poderia ser mal diagnosticado ou ignorado e que não são sempre detetados nem bem segmentados pelos atuais sistemas de IA. Por conseguinte, considerei apropriado preparar uma publicação adicional para alertar a comunidade médica relativamente aos tipos de cancro do pulmão associados aos espaços aéreos císticos. Em resumo, foi confirmada a hipótese central de que a volumetria dos nódulos detetados no RCP pode ser afetada pelos valores de atenuação do parênquima pulmonar que rodeia o nódulo. Estes resultados foram publicados para alertar que é necessária uma análise crítica do parênquima que rodeia o nódulo antes de aceitar cegamente os valores numéricos da volumetria dos nódulos para definir a estabilidade ou crescimento. A observação de inconsistências na abordagem aos resultados acidentais e aos tipos de cancro do pulmão cístico levou à decisão de publicar os dois artigos adicionais relacionados com esta investigação