人工智能肺結(jié)節(jié)輔助診斷系統(tǒng)預(yù)測(cè)亞實(shí)性肺結(jié)節(jié)惡性概率

陳疆紅，鐘朝輝，江桂蓮，楊正漢*，王振常，王大為

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射科，北京 100050；2.北京推想科技有限公司全球臨床科研合作學(xué)院，北京 100025)

低劑量CT篩查早期肺癌是降低患者死亡率的有效手段。腺癌在檢出的早期肺癌中占比超過50%[1]，CT表現(xiàn)常為亞實(shí)性結(jié)節(jié)(subsolid nodule, SN)，其發(fā)展過程通常依次為浸潤前病變[包括不典型腺瘤樣增生(atypical adenomatous hyperplasia, AAH)和原位癌(adenocarcinoma in situ, AIS)]、微浸潤腺癌(microinvasive adenocarcinoma, MIA)及浸潤性腺癌(invasive adenocarcinoma, IAC)[2-3]。既往研究[4-6]指出，結(jié)節(jié)大小、密度、實(shí)性成分等因素與其侵襲程度密切相關(guān)。

隨著以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能(artificial intelligence, AI)技術(shù)的發(fā)展，AI肺結(jié)節(jié)輔助診斷系統(tǒng)(以下簡稱AI系統(tǒng))的臨床應(yīng)用日益成熟，多項(xiàng)研究[7-9]表明其在輔助檢測(cè)肺結(jié)節(jié)方面具備良好效能。本研究采用觀察AI系統(tǒng)預(yù)測(cè)良惡性肺結(jié)節(jié)的效果以及增強(qiáng)CT對(duì)其預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，以探索適當(dāng)應(yīng)用模式。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2017年7月—2019年7月86例于首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院接受手術(shù)治療的肺占位病變患者，男26例，女60例，年齡31～82歲，平均(61.3±11.7)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①術(shù)前接受胸部CT平掃及增強(qiáng)檢查，并有薄層圖像(層厚1.25 mm)；②至少存在1個(gè)肺SN；③病理證實(shí)切除SN為腺癌浸潤前病變或IAC。排除彌漫性肺疾病患者及圖像有明顯移動(dòng)偽影者。根據(jù)病理結(jié)果分為3組：組1為浸潤前病變(包括AAH及AIS)，組2為MIA，組3為IAC。

1.2 儀器與方法 采用GE Revolution 256排螺旋CT機(jī)，囑患者每次掃描屏氣程度一致，于其吸氣末屏氣掃描。采用寶石能譜CT(gemstone spectral imaging, GSI)模式進(jìn)行平掃及增強(qiáng)掃描，管電壓為 80、140 kVp瞬時(shí)切換，自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)，最大管電流為260 mA，螺距0.984∶1，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s，床進(jìn)78.75 mm/s，圖像噪聲指數(shù)(noise index, NI)預(yù)設(shè)為12，基于多模型的自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction Veo， ASIR-V)權(quán)重為30%，層厚為5 mm，進(jìn)一步分解為圖像層厚 1.25 mm。以流率3.3 ml/s注入歐乃派克100 ml (300 mgI/ml)，之后注入20 ml生理鹽水，采集注入對(duì)比劑后30 s和90 s圖像為增強(qiáng)動(dòng)脈期和延遲期圖像。掃描范圍自肺尖至肺底。采用標(biāo)準(zhǔn)重建法重建圖像后，將所有圖像(層厚及層間隔均為1.25 mm)導(dǎo)入AI肺結(jié)節(jié)輔助診斷系統(tǒng)(InferRead CT lung research，北京推想科技有限公司)，以含磨玻璃密度結(jié)節(jié)為SN，包括純磨玻璃密度結(jié)節(jié)及混雜磨玻璃密度結(jié)節(jié)。由2名分別具有15年及17年呼吸系統(tǒng)影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的副主任醫(yī)師分別閱片，將符合要求的結(jié)節(jié)納入研究，意見不一致時(shí)與主任醫(yī)師討論決定。記錄AI系統(tǒng)識(shí)別3組SN的惡性概率預(yù)測(cè)值、CT值及體積(圖1)。

表1 3組各期CT中SN惡性概率預(yù)測(cè)值比較[%，中位數(shù)(上下四分位數(shù))]

圖1 AI系統(tǒng)檢測(cè)SN展示圖 系統(tǒng)檢出左肺上葉尖后段混雜磨玻璃密度結(jié)節(jié)(綠框)，自動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)節(jié)的惡性概率值(紅箭)及測(cè)量SN體積(黃箭)和密度(藍(lán)箭)

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用IBM SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以Shapiro-Wilk檢驗(yàn)計(jì)量資料的正態(tài)性，以±s表示符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示非正態(tài)分布數(shù)據(jù)，以敏感度評(píng)價(jià)AI系統(tǒng)針對(duì)3期CT檢出目標(biāo)SN的能力。采用Kruskal-Wallis單因素方差分析比較各期CT對(duì)3組SN的惡性概率預(yù)測(cè)值及體積測(cè)量結(jié)果的差異，并行組間兩兩比較；以單因素方差分析比較各期CT中3組SN的CT值差異，以Bonferroni法進(jìn)行組間兩兩比較。采用非參數(shù)Wilcoxon檢驗(yàn)分別比較各組平掃與動(dòng)脈期及延遲期結(jié)節(jié)惡性概率預(yù)測(cè)值及體積差異，以配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分別比較各組平掃與動(dòng)脈期及延遲期結(jié)節(jié)CT值差異。以Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)分析所有SN 在3期CT圖像中的惡性概率預(yù)測(cè)值及其與SN密度及體積的相關(guān)性。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P<0.01為差異有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

86例中，存在1個(gè)SN者84例、2個(gè)SN者2例，共88個(gè)SN納入研究；組1共27個(gè)SN，包含3個(gè)AAH和24個(gè)AIS， 組2、組3分別有28個(gè)、33個(gè)SN；均被AI系統(tǒng)基于CT平掃及增強(qiáng)雙期圖像檢出(圖2)，檢出敏感度為100%。

2.1 3組間3期圖像SN的惡性概率預(yù)測(cè)值比較 各組SN各期的惡性概率差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.001，表1)，3組間兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，每組內(nèi)平掃和動(dòng)脈期、平掃和延遲期惡性概率預(yù)測(cè)值比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

2.2 3組間3期圖像SN的CT值比較 各組SN各期CT值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.001，表2)，3組間兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)；組內(nèi)配對(duì)樣本比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.001)。

2.3 3組間3期圖像SN的體積比較 各組SN各期體積差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.001，表3)，3組間兩兩比較，只有平掃及延遲期組2、組3間比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)；每組內(nèi)配對(duì)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)顯示組1增強(qiáng)后體積無明顯變化(P均>0.05)，組2、組3增強(qiáng)后體積均有減小(P均<0.05)。

表2 3組SN各期CT值比較(HU,±s)

表2 3組SN各期CT值比較(HU,±s)

組別平掃動(dòng)脈期延遲期組1(n=27)-618.22±04.59-584.26±116.28-588.59±114.10組2(n=28)-542.21±78.35-496.18±91.46-500.93±91.84組3(n=33)-347.64±141.35-298.30±154.93-299.21±154.25F值46.3641.24142.935P值<0.01<0.01<0.01

表3 3組SN在各期CT中的體積比較[mm3，中位數(shù)(上下四分位數(shù))]

2.4 各期CT對(duì)SN的惡性概率預(yù)測(cè)值與CT值及體積的相關(guān)性 平掃、動(dòng)脈期及延遲期CT對(duì)SN的惡性概率預(yù)測(cè)值均與CT值呈正相關(guān)(r分別為0.474、0.466及0.399，P均<0.01)，亦與SN體積呈正相關(guān)(r分別為0.670、0.627及0.641，P均<0.01)。

3 討論

隨著胸部低劑量CT篩查的廣泛應(yīng)用，越來越多的早期肺癌被檢出，而篩查帶來的巨大工作量易導(dǎo)致影像科醫(yī)師視覺疲勞，漏診小結(jié)節(jié)及密度相對(duì)較低的SN。相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助診斷(computer-aided diagnosis, CAD)，應(yīng)用深度學(xué)習(xí)法來解決醫(yī)學(xué)問題明顯更具優(yōu)勢(shì)，前者檢測(cè)磨玻璃密度結(jié)節(jié)的敏感度極低[10]，而后者敏感度可達(dá)約95%[11]。本研究所用AI系統(tǒng)在臨床應(yīng)用中不斷完善[7]，檢測(cè)SN敏感度100%，展現(xiàn)出優(yōu)異性能，可為減少漏診提供巨大幫助。

由AAH細(xì)胞增生到IAC間質(zhì)明顯浸潤，腫瘤侵襲性逐漸增強(qiáng)，而其影像學(xué)表現(xiàn)存在一定重疊。傳統(tǒng)影像學(xué)診斷方式通過肉眼觀察結(jié)節(jié)形態(tài)、測(cè)量其大小及密度等特征來綜合判定其性質(zhì)，閱片醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)影響判定結(jié)果，且手動(dòng)測(cè)量結(jié)節(jié)大小等缺乏精準(zhǔn)性和可重復(fù)性。本研究根據(jù)病理結(jié)果對(duì)SN進(jìn)行分組，AI軟件通過檢測(cè)平掃CT對(duì)3組SN的惡性概率預(yù)測(cè)值分別為85.18%、93.10%和97.05%，總體差異具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，初步提示該系統(tǒng)可協(xié)助影像科醫(yī)師判定SN侵襲程度；而增強(qiáng)CT對(duì)3組SN惡性概率預(yù)測(cè)值與平掃差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示增強(qiáng)CT并不能顯著提升AI系統(tǒng)對(duì)肺SN惡性概率的預(yù)測(cè)能力。自動(dòng)測(cè)量結(jié)節(jié)CT值及體積結(jié)果顯示，3組SN的CT值隨侵襲程度增加而逐漸增高，組1與組2、組1與組3結(jié)節(jié)體積差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與文獻(xiàn)[12-13]報(bào)道判定SN侵襲程度的結(jié)果相符。本研究結(jié)果顯示，AI系統(tǒng)預(yù)測(cè)SN惡性概率與其體積之間的相關(guān)性高于密度性，可能與深度學(xué)習(xí)特征提取特點(diǎn)有關(guān)：其預(yù)測(cè)SN惡性概率所依據(jù)的不僅是肉眼可見的特征，還有基于能刻畫數(shù)據(jù)本質(zhì)但肉眼難以觀察的特征，而這正是深度學(xué)習(xí)的“黑匣子”問題。

本研究結(jié)果顯示，增強(qiáng)CT對(duì)AI系統(tǒng)檢測(cè)SN惡性概率總體無明顯幫助。既往研究[14]提示增強(qiáng)后SN總體密度增加、體積增加，其內(nèi)實(shí)性成分體積占比亦增加。本研究AI系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果顯示增強(qiáng)后SN密度均增高，組2及組3 SN體積減小可能是患者在各期掃描期間吸氣程度不同所致，或增強(qiáng)后背景肺組織密度增高而影響了AI系統(tǒng)對(duì)SN的分割[15]。

圖2 患者女，56歲，右肺上葉后段純磨玻璃密度結(jié)節(jié)，CT平掃及增強(qiáng)圖像 AI系統(tǒng)分別根據(jù)平掃(A)、動(dòng)脈期(B)及延遲期(C)圖像自動(dòng)預(yù)測(cè)SN惡性概率為61.67%、46.65%和58.41%

本研究的局限性：①樣本量偏少；②僅選取病理結(jié)果為浸潤前病變及腺癌的SN，無良性SN對(duì)照；③僅采用一款A(yù)I系統(tǒng)進(jìn)行分析，有待進(jìn)一步完善。

綜上所述，目前應(yīng)用的基于深度學(xué)習(xí)的肺結(jié)節(jié)輔助診斷系統(tǒng)可根據(jù)CT平掃數(shù)據(jù)協(xié)助判斷SN惡性概率，而增強(qiáng)CT對(duì)其預(yù)測(cè)效能無明顯幫助。