基于深度學(xué)習(xí)的乳腺X線攝影鈣化檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)乳腺可疑鈣化的檢出效能

王小琦，劉 鵬，陳 賾，張番棟

(1.甘肅省腫瘤醫(yī)院放射科，甘肅 蘭州 730050；2.深睿人工智能研究院，北京 100080)

微小鈣化是早期乳腺癌的重要甚至唯一征象[1]。乳腺X線片對(duì)于鈣化敏感度很高，是早期發(fā)現(xiàn)和診斷乳腺癌的重要手段。根據(jù)中華醫(yī)學(xué)會(huì)放射學(xué)分會(huì)《乳腺X線攝影檢查和診斷共識(shí)》[2]和美國(guó)放射學(xué)院2013年第5版BI-RADS標(biāo)準(zhǔn)[3]，可從形態(tài)和分布兩個(gè)維度來(lái)描述可疑惡性鈣化，形態(tài)主要分為無(wú)定形模糊鈣化、粗糙不均質(zhì)鈣化、細(xì)小多形性鈣化和線樣或線樣分支鈣化4種，分布包括區(qū)域性、團(tuán)簇狀、線樣及段樣分布。由于閱片過(guò)程中的視覺疲勞、注意力集中度下降等主觀因素，影像科醫(yī)師易遺漏直徑較小(如團(tuán)簇分布，直徑≤2 cm)、密度較低(如無(wú)定形模糊形態(tài))的可疑鈣化。本研究對(duì)比基于深度學(xué)習(xí)(deep learning， DL)的乳腺X線攝影鈣化檢測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱DL系統(tǒng))與影像醫(yī)師對(duì)不同類型可疑鈣化的檢出敏感度，探討DL系統(tǒng)輔助影像醫(yī)師減少漏檢的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般材料 回顧性性分析2011年11月—2015年6月932例于甘肅省腫瘤醫(yī)院放射科接受乳腺常規(guī)X線檢查的女性患者，共3 728幅乳腺X線片，其中頭足位(cranio-caudal view， CC)、內(nèi)外斜位(medio-lateral oblique， MLO)各1 864幅；患者年齡17～74歲，平均(50.2±9.6)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①影像學(xué)檢查方法符合2016年中華醫(yī)學(xué)會(huì)制定的《乳腺影像檢查方法專家共識(shí)》[4]；②采集影像前未做過(guò)乳腺手術(shù)、穿刺等。排除標(biāo)準(zhǔn)：①影像采集條件不達(dá)標(biāo)；②缺失CC或MLO片。

1.2 圖像獲取與處理 采用Siemens Mammomat Inspiration數(shù)字乳腺機(jī)攝片。先由低年資醫(yī)師A和B(工作年限均不足10年)以盲法獨(dú)立閱片，勾畫可疑鈣化范圍輪廓，如果1個(gè)病灶中包含多種可疑形態(tài)鈣化，則記錄陽(yáng)性預(yù)測(cè)值(positive predict value, PPV)最高者。同步采用DL系統(tǒng)自動(dòng)檢出鈣化，利用多邊形輪廓標(biāo)記鈣化。之后由高年資醫(yī)師C(15年以上乳腺X線診斷經(jīng)驗(yàn))，對(duì)醫(yī)師A、B及DL系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行復(fù)閱，將所得記為最終結(jié)果，并參照文獻(xiàn)[3]記錄其BI-RADS類別、分布及形態(tài)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用Python 2.7.10統(tǒng)計(jì)分析軟件。以χ2檢驗(yàn)對(duì)比DL系統(tǒng)與醫(yī)師A、B的檢出敏感度。采用雙向表χ2檢驗(yàn)對(duì)比可疑鈣化的不同BI-RADS分類、分布、形態(tài)等對(duì)于DL系統(tǒng)與醫(yī)師A、B敏感度的影響。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)意義。

2 結(jié)果

932例中，共標(biāo)記可疑鈣化274個(gè)(CC 片140個(gè)，MLO 片134個(gè))，見表1。DL系統(tǒng)共檢出7 684個(gè)鈣化，其中可疑惡性鈣化273個(gè)(273/7 684，3.55%)，典型良性鈣化5 884個(gè)(5 884/7 684，76.57%)，假陽(yáng)性1 527個(gè)(1 527/7 684，19.87%)；DL系統(tǒng)對(duì)可疑惡性鈣化的檢出敏感度為99.64%(273/274)，漏檢病例見圖1。醫(yī)師A共檢出可疑鈣化210個(gè)，敏感度76.64%(210/274)；醫(yī)師B共檢出可疑鈣化225個(gè)，敏感度82.12%(225/274)。DL系統(tǒng)檢出但醫(yī)師漏檢的可疑鈣化形態(tài)見圖2。DL系統(tǒng)敏感度高于醫(yī)師A(χ2=67.146 8，P<0.000 1)及醫(yī)師B(χ2=48.645 3，P<0.000 1)。

圖1 患者女，51歲，DL系統(tǒng)漏檢團(tuán)簇分布無(wú)定形鈣化，BI-RADS 4b類

不同BI-RADS分類鈣化的檢出結(jié)果見表2。對(duì)于BI-RADS 4a、4b、4c和5類鈣化，DL系統(tǒng)均有較高敏感度，除漏檢1例BI-RADS 4b類病灶外，對(duì)其余分類的敏感度均為100%。結(jié)合雙向表χ2檢驗(yàn)分析，BI-RADS分類對(duì)于DL系統(tǒng)檢出敏感度無(wú)顯著影響(χ2=0.558 8,P=0.905 8)，而對(duì)醫(yī)師有所影響(醫(yī)師A：χ2=9.989 9，P=0.018 7；醫(yī)師B：χ2=14.663 1，P=0.002 1)。

不同可疑形態(tài)鈣化的檢出結(jié)果見表3。DL系統(tǒng)除漏檢1例無(wú)定形模糊鈣化之外，對(duì)粗糙不均質(zhì)、細(xì)小多形性和細(xì)線或細(xì)線分支樣等3種形態(tài)的敏感度均為100%。醫(yī)師A和B對(duì)于細(xì)小多形性和細(xì)線或細(xì)線分枝樣鈣化檢出敏感度均>85%，但對(duì)無(wú)定形模糊鈣化的檢出率(60.83%，64.17%)顯著低于其他3種形態(tài)(醫(yī)師A：χ2=28.256 7，P<0.000 1；醫(yī)師B：χ2=44.696 0，P<0.000 1)。結(jié)合雙向表χ2檢驗(yàn)分析，鈣化形態(tài)對(duì)于DL系統(tǒng)檢出敏感度無(wú)顯著影響(χ2=1.287 9,P=0.732 0)，而對(duì)醫(yī)師有所影響(醫(yī)師A：χ2=30.180 4，P<0.0001；醫(yī)師B：χ2=48.046 2，P<0.000 1)。

對(duì)不同分布鈣化檢出結(jié)果對(duì)比見表4。DL系統(tǒng)除漏檢1例團(tuán)簇分布鈣化之外，對(duì)其余區(qū)域、線樣和段樣等3種分布的鈣化敏感度均為100%。醫(yī)師A和B對(duì)于段樣分布的鈣化檢出敏感度均>90%，對(duì)區(qū)域分布的鈣化檢出敏感度均>85%，而對(duì)團(tuán)簇樣的檢出敏感度均<75%，顯著低于其余分布(醫(yī)師A：χ2=7.776 7，P=0.005 3；醫(yī)師B：χ2=8.145 2，P=0.004 3)。結(jié)合雙向表χ2檢驗(yàn)分析，鈣化分布對(duì)于DL系統(tǒng)檢出敏感度無(wú)顯著影響(χ2=1.387 6,P=0.708 5)，而對(duì)醫(yī)師有所影響(醫(yī)師A：χ2=21.2768，P=0.000 1；醫(yī)師B：χ2=11.4410，P=0.009 6)。

表1 高年資醫(yī)師檢出鈣化數(shù)量統(tǒng)計(jì)

表2 不同BI-RADS可疑鈣化檢出比較[個(gè)(%)]

表3 不同形態(tài)可疑鈣化檢出對(duì)比[個(gè)(%)]

3 討論

國(guó)內(nèi)外均已針對(duì)AI檢出乳腺X線攝影片中的可疑惡性鈣化展開研究。有學(xué)者基于矩形濾波器、高斯差分濾波器、小波變換等[5-6]自動(dòng)提取微鈣化點(diǎn)，但僅能檢測(cè)單個(gè)鈣化點(diǎn)，缺乏對(duì)于成簇可疑鈣化的分析；也有學(xué)者基于DL的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)檢測(cè)可疑鈣化[7-8]，但敏感度均不到90%，臨床意義有限。既往對(duì)現(xiàn)有基于人工智能技術(shù)的鈣化檢測(cè)系統(tǒng)研究[9-11]檢出可疑鈣化的敏感度在86%～98%，臨床醫(yī)師(尤其是年資較低的醫(yī)師)在人工智能檢測(cè)輔助下檢出可疑鈣化的敏感度有顯著提升[12-13]，但上述研究病例數(shù)量有限，且均缺乏對(duì)于不同BI-RADS分類、鈣化形態(tài)與分布的深入分析。BI-RADS分類反映醫(yī)師對(duì)于鈣化惡性概率的評(píng)估，而鈣化形態(tài)和分布也對(duì)應(yīng)不同的陽(yáng)性預(yù)測(cè)值，漏診不同類型鈣化的風(fēng)險(xiǎn)也不盡相同，而完善的輔助系統(tǒng)應(yīng)可穩(wěn)定檢出各種類型鈣化。

本研究觀察DL系統(tǒng)對(duì)可疑鈣化檢出的敏感度與穩(wěn)定性，并與2名獨(dú)立盲法閱片的低年資醫(yī)師進(jìn)行比較，著重對(duì)比分析DL系統(tǒng)檢出不同BI-RADS分類、形態(tài)與分布的可疑鈣化的敏感度，發(fā)現(xiàn)DL系統(tǒng)對(duì)于檢出可疑鈣化敏感度較高，顯著高于2名低年資醫(yī)師，274例可疑鈣化中，DL系統(tǒng)僅漏檢1例團(tuán)簇分布的無(wú)定形鈣化，其密度很低，有一定檢測(cè)難度，且2名低年資醫(yī)師亦均未能檢出，由高年資醫(yī)師在復(fù)閱時(shí)發(fā)現(xiàn)。本組2名低年資醫(yī)師對(duì)于不同BI-RADS分類、形態(tài)、分布可疑鈣化的檢出敏感度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，對(duì)BI-RADS 4b類的鈣化敏感度明顯低于其他類別。從形態(tài)上分析，醫(yī)師漏檢者主要為密度較低的無(wú)定形鈣化；從分布上看，醫(yī)師對(duì)線樣分布、直徑較小的團(tuán)簇樣鈣化漏檢相對(duì)更多，原因主要是這些鈣化易受腺體等的干擾，受醫(yī)師精力有限、視覺疲勞、注意力集中度下降等主觀因素影響而漏檢。DL系統(tǒng)檢出可疑鈣化灶則不受BI-RADS分類、形態(tài)及分布的影響，故可作為輔助，有效提升醫(yī)師檢出可疑鈣化的敏感度。

圖2醫(yī)師漏檢可疑鈣化病例 A.患者女，61歲，團(tuán)簇分布無(wú)定形鈣化，BI-RADS 4b類； B.患者女，40歲，團(tuán)簇分布無(wú)定形鈣化，BI-RADS 4b類； C.患者女，58歲，團(tuán)簇分布無(wú)定形鈣化，BI-RADS 4b類； D.患者女，39歲，團(tuán)簇分布細(xì)小多形性鈣化，BI-RADS 4b類； E.患者女，44歲，區(qū)域分布無(wú)定形鈣化，BI-RADS 4b類； F.患者女，55歲，線樣分布無(wú)定形鈣化，BI-RADS 4c類

表4 不同分布可疑鈣化檢出對(duì)比[個(gè)(%)]

本研究的主要局限性首先在于缺乏鈣化的病理金標(biāo)準(zhǔn)或隨訪信息；其次，部分形態(tài)和分布的鈣化數(shù)量較少。需繼續(xù)擴(kuò)大樣本量完善研究。

綜上所述，基于DL的乳腺X線鈣化檢出系統(tǒng)對(duì)可疑形態(tài)鈣化的檢出敏感度高且穩(wěn)定性強(qiáng)，有望輔助臨床醫(yī)師減少漏檢。