CAD整合入前列腺多參數(shù)MRI結(jié)構化報告：低經(jīng)驗讀片者診斷效能研究

朱麗娜，高歌，劉義，韓超，馬明明，王慧慧，王霄英

多參數(shù)磁共振成像(multiparametric magnetic resonance，mpMRI)被認為是診斷前列腺癌重要影像學方法[1,2]。由于mpMRI技術復雜性，前列腺mpMRI診斷準確性具有較強的經(jīng)驗依賴性。為提高前列腺mpMRI診斷一致性并促進其流程化，前列腺影像報告及數(shù)據(jù)系統(tǒng)(Prostate Imaging Reporting and Data System Version 2，PI-RADS v2)推薦使用結(jié)構化報告[1]。 研究表明結(jié)構化報告提高了報告的可讀性，為臨床決策提供了準確的信息，提高了外科醫(yī)生的滿意度[3,4]。基于mpMRI的前列腺計算機輔助診斷(computer-aided diagnosis，CAD)系統(tǒng)近年來成為熱門研究領域，研究結(jié)果提示其具有較高的獨立診斷效能[5-7]，但關于CAD臨床植入研究較少。本研究模擬真實臨床工作場景，評估將CAD作為“第二讀片者”整合入前列腺mpMRI結(jié)構化報告中對低經(jīng)驗一線放射科醫(yī)師診斷效能影響。

材料與方法

1.一般資料

回顧性搜集2015年2月-2016年9月在MR(飛利浦Achieva 3.0T TX)掃描儀上行前列腺mpMRI檢查前列腺疾病初診患者(表1)。納入標準：①以定性診斷為目的行前列腺mpMRI檢查，血清前列腺特異性抗原(prostate specific antigen，PSA)>4 ng/mL；②前列腺mpMRI檢查序列完整；③mpMRI檢查后3個月內(nèi)行前列腺系統(tǒng)穿刺(5區(qū)13針)和(或)前列腺根治術，其中前列腺癌患者均獲得前列腺根治術后逐層切片病理結(jié)果；穿刺陰性患者隨訪時間>1年，穿刺次數(shù)≥2次，復查PSA無明顯升高或者復查mpMRI影像大致同前。排除標準：①MR檢查前3個月內(nèi)接受前列腺穿刺檢查；②前列腺mpMRI圖像有明顯偽影。

最終30例患者納入本研究，年齡46～77歲，平均(61.3±9.6)歲， PSA 4.1～68.9 ng/mL，中位數(shù)10.9 ng/mL。其中前列腺根治術后病理證實為前列腺癌13例，Gleason評分3+4分7例、4+3分3例、5+3分1例，4+5分2例。經(jīng)前列腺穿刺陰性且隨訪1年以上被認為非癌者17例。由1名具有5年前列腺mpMRI診斷經(jīng)驗放射科醫(yī)師和1名泌尿系統(tǒng)病理專家共同對13例前列腺癌患者mpMRI圖像及逐層切片病理進行匹配。本研究定義前列腺臨床顯著癌為Gleason評分≥3+4分，最終21個前列腺臨床顯著癌灶納入本研究，平均最大徑線(1.42±0.68) cm。

表1 前列腺mpMRI掃描主要序列

2.CAD整合入前列腺mpMRI結(jié)構化報告

本單位研發(fā)前列腺CAD系統(tǒng)基于T2WI、DWI/ADC及動態(tài)增強圖像，采用3層結(jié)構前饋性人工神經(jīng)網(wǎng)絡作為分類器，對前列腺癌的檢出具有較高的靈敏度及特異度[8,9]。CAD預測結(jié)果可輸出前列腺癌的預測圖，標紅區(qū)域提示癌區(qū)(圖1)。

在本單位患者完成前列腺mpMRI檢查后，mpMRI圖像可同時傳至圖像存儲與傳輸系統(tǒng)(picture archiving and communication system，PACS)和CAD系統(tǒng)，CAD系統(tǒng)自動運行程序，然后將前列腺癌預測圖返回到結(jié)構化報告系統(tǒng)。此全自動處理過程僅需要1～2 min。放射科醫(yī)師加載mpMRI圖像閱片時讀者可在結(jié)構化報告用戶界面上找到“CAD結(jié)果”按鈕。點擊該按鈕可彈出CAD預測圖(圖1)。

3.讀片方案

18名讀片者均為本院較低年資一線放射科醫(yī)師，其中9名讀片者對前列腺mpMRI診斷經(jīng)驗為1年，6名讀片者的診斷經(jīng)驗為2年，其余3名讀片者的診斷經(jīng)驗為3年，平均每人每年完成50～150份前列腺mpMRI報告。

為模擬真實臨床閱片工作場景，在放射信息系統(tǒng)(radiology information system，RIS)對納入本研究的30例患者建立新的匿名賬號信息，并在PACS上為對應病例匹配前列腺mpMRI圖像。18名讀片者使用前列腺mpMRI結(jié)構化報告[10](圖1)對病例進行獨立盲法評估。首先，讀片者瀏覽mpMRI圖像，讀片方式同日常臨床工作流程，在結(jié)構化報告前列腺39分區(qū)矢量圖[1,10]上勾選出可疑病灶的位置，并對病灶進行PI-RADS評分，若有多個病灶可分別在矢量圖上勾選并進行相應評分，并完成完整前列腺結(jié)構化報告。該過程診斷時間為t1。然后，讀片者根據(jù)個人主觀需求，在編輯框中勾選是否需要CAD輔助診斷(圖1),該選項為調(diào)查信息，不管勾選“是”還是“否”，均需進行下一步。最后，讀片者瀏覽CAD預測圖，對以上診斷報告內(nèi)容進行修改如病灶定位、評分等(圖1)，該過程診斷時間為t2。記錄對評估正確性的診斷信心(5分制評定：5-非常肯定；4-肯定；3-不確定；2-不肯定；1-非常不肯定)。讀片者從打開結(jié)構化報告系統(tǒng)開始閱片至提交報告整個過程每一步操作時間均自動記錄在結(jié)構化報告系統(tǒng)中。

圖1 CAD整合入前列腺mpMRI結(jié)構化報告截圖

表2 18名讀片者使用CAD前、后對前列腺臨床顯著癌的診斷效能

4.統(tǒng)計學分析

采用SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析。以PI-RADS>3分判為診斷前列腺臨床顯著癌陽性，PI-RADS≤3判為診斷前列腺臨床顯著癌陰性[11,12]。以患者為研究單位分析時，按照患者例數(shù)進行統(tǒng)計，當一個患者存在多個病灶時則以最大PI-RADS評分為患者最終PI-RADS評分，分別評價讀片者使用CAD前、后對前列腺臨床顯著癌檢出的靈敏度、特異度。以病灶為研究單位分析時，按照病灶數(shù)目進行統(tǒng)計，評價讀片者使用CAD前、后對癌灶檢出的靈敏度，并分析讀片者對PI-RADS評分修改情況及需求率。讀片者使用CAD前、后的診斷時間(t1 vs. t1+t2)及診斷信心比較均采用Wilcoxon符號秩檢驗。P<0.05具有顯著統(tǒng)計學意義。

圖2 男，49歲，PSA 10.0ng/mL，前列腺尖部前纖維基質(zhì)帶及移行帶癌。a) T2WI上局部為低信號(箭)； b) DWI上呈局限性高信號(箭)； c) ADC圖表現(xiàn)為局限性低信號(箭)； d) CAD預測圖標紅(箭)； e) 前列腺根治術后切片病理為前列腺腺癌(虛線)，Gleason評分3+4，突破被膜，PT3a。

結(jié) 果

1.以患者為研究單位分析

18名讀片者均順利完成該讀片流程，使用CAD前、后對前列腺臨床顯著癌的診斷效能如表2。CAD獨立診斷前列腺臨床顯著癌的靈敏度為12/13。18名讀片者使用CAD后平均靈敏度從83.8%提高至90.6%。11/18的讀片者使用CAD后的靈敏度高于使用CAD前，從61.5%～92.3%提高至76.9%～100%；其余讀片者使用CAD后靈敏度無變化。CAD獨立診斷前列腺臨床顯著癌的特異度為14/17。18名讀片者使用CAD后平均特異度從76.1%提高至82.7%。其中8/18的讀片者使用CAD后的特異度高于使用CAD前，從52.9%～88.2%提高至76.5%～100%； 5/18的讀片者使用CAD后特異度無變化； 5/18的讀片者使用CAD后特異度略低于使用CAD前，從76.5%～94.1%降至70.6%～82.4%。

2.以病灶為研究單位分析

13例前列腺臨床顯著癌患者中，共包括21個癌灶。CAD獨立檢出癌灶的靈敏度為19/21。18名讀片者使用CAD后檢出癌灶的平均靈敏度由83.6%提高至90.2%。其中16/18的讀片者使用CAD后的檢出癌灶的靈敏度高于使用CAD前， 14/21～20/21提高至16/21～21/21；其余讀片者使用CAD后靈敏度無變化。具體分析讀片者使用CAD前、后對癌灶的PI-RADS評分變化情況(表3)：其中CAD幫助讀片者檢出的癌灶主要是位于尖部的較小癌灶(圖2)，最大徑均<1.5 cm，分別有4/18～9/18的讀片者修改并提高其PI-RADS評分；而對于位于外周帶最大徑≥1.4 cm的癌灶，18名讀片者使用CAD前后評分均無變化，且對于這些癌灶檢出的靈敏度均達100%。進一步分析讀片者對CAD的需求率(表3)：對于位于尖部小癌灶的病例，讀片者在調(diào)查中選擇CAD進一步輔助診斷的人數(shù)最多，占所有讀片者的13/18～17/18；對于位于外周帶最大徑≥1.4 cm的癌灶，在調(diào)查中選擇CAD進一步輔助診斷的讀片者較少。

3.診斷信心及診斷時間

使用CAD后，讀片者的診斷信心評分由4.0±0.5提高至4.6±0.2，差異有統(tǒng)計學意義(Z=-3.382，P=0.001)。此外，讀片者使用CAD前、后每個病例的診斷時間分別為(9.3±2.6)分鐘、(10.0±2.8)分鐘，差異有統(tǒng)計學意義(Z=-3.724，P<0.001)，使用CAD后每個病例平均診斷時間增加了0.7分鐘。

討 論

近年已有較多基于機器學習特別是深度學習的前列腺CAD系統(tǒng)研發(fā)成功，并在前列腺癌預測中取得較高效能[6,13-15]。Lemaitre等[16]總結(jié)了40多個前列腺CAD系統(tǒng)獨立診斷前列腺癌的靈敏度為74%～100%，特異度為43%～93%。但既往研究顯示當放射科醫(yī)師與CAD合作時的診斷效能并未如預期的基于他們各自獨立的診斷效能高[17]。Hambrock等[18]研究表明讀片者先獨立評估前列腺mpMRI之后再參考CAD結(jié)果(即CAD作為“第二讀片者”)可提高低經(jīng)驗讀片者對前列腺良惡性病灶的鑒別能力，低經(jīng)驗讀片者使用CAD后可達到高經(jīng)驗讀片者診斷水平，但高經(jīng)驗讀片者使用CAD后診斷效能無明顯提高。Niaf等[19]研究中CAD亦是作為“第二讀片者”，結(jié)果表明CAD可提高讀片者診斷前列腺癌的特異度。需要指出的是這些研究中CAD僅對預先標注的病灶進行惡性程度的預測，且讀片者參考CAD預測結(jié)果后僅評估這些標注病灶的良惡性，這在實際臨床工作中可行性并不高。研究[20]表明讀片者在常規(guī)前列腺mpMRI診斷之前使用CAD(即CAD作為“第一讀片者”)可以提高讀片者對前列腺癌檢出的靈敏度，但特異度減低。該研究中讀片者僅在CAD預測的癌灶中檢出其認為的真陽性病灶作為最終診斷，因此除非該前列腺CAD的靈敏度足夠高至接近100%，否則CAD作為“第一讀片者”潛在漏診的可能性將限制其在臨床實踐中的應用。

表3 讀片者使用CAD后評分修改情況及對CAD的需求率

現(xiàn)階段放射科醫(yī)師在前列腺mpMRI的診斷中仍處于核心地位，在CAD輔助下仍由放射科醫(yī)師做出最終的診斷[21]。CAD應用于臨床需要符合放射科實際工作場景，輸出結(jié)果無縫整合入工作流程中能夠提高放射科醫(yī)師的診斷水平，并有良好的用戶體驗[22]。前列腺CAD廣泛應用于臨床之前還需要更多的研究探索放射科醫(yī)師與CAD的相互作用。

本研究顯示不管是以患者為單位還是以病灶為單位分析，18名讀片者使用CAD后對前列腺臨床顯著癌檢出的平均靈敏度均高于使用CAD前，但稍低于CAD獨立診斷的靈敏度。不同的讀片者對CAD的接受度并不相同，CAD幫助部分讀片者檢出了一些之前漏診的癌灶，但有的讀片者則很少接受CAD的預測病灶而使CAD失去了其潛在的輔助價值。18名讀片者使用CAD后的平均特異度高于讀片者獨立診斷或CAD獨立診斷的特異度。特別是對于一些外周帶局限性炎癥及移行帶增生結(jié)節(jié)病變，讀片者使用CAD之后PI-RADS評分減低，有8名讀片者使用CAD后的特異度高于使用CAD之前。但有5名讀片者在診斷中接受了CAD預測的假陽性病灶，使用CAD后的特異度甚至低于使用CAD前。有時放射科醫(yī)師鑒別CAD預測的病灶是真陽性還是假陽性遠比想象中困難[22]，是接受還是拒絕CAD預測的病灶，其中重要的影響因素為讀片者對CAD的信任度[17]。若讀片者對CAD信任度較低，則較高效能的CAD也失去了其存在價值，有研究中CAD對讀片者的診斷效能并無提高[23]；若讀片者過分依賴CAD，則會導致讀片者出現(xiàn)一些獨立診斷時不會犯的錯誤；讀片者對CAD恰當?shù)男湃尾拍艹浞职l(fā)揮二者合作的優(yōu)勢。這之間的權衡可能取決于讀片者自身對mpMRI診斷水平以及對CAD使用經(jīng)驗[22]。一方面可提高讀片者對CAD原理、局限性及既往診斷效能認識，還需要更多臨床實踐積累經(jīng)驗。隨著技術的發(fā)展，還需逐漸探索提高CAD的診斷效能，增加讀片者對CAD的信任度。

進一步分析讀片者使用CAD前、后對21個癌灶的PI-RADS評分變化。這些癌灶中對于位于尖部的較小癌灶，使用CAD后讀片者PI-RADS評分提高的人數(shù)最多，且在調(diào)查中，對于這些病例，讀片者對CAD的需要率也較高，提示CAD可能對這類病變的檢出幫助較大。其中一個位于尖部病灶，對應的DWI圖像信噪比稍差，病灶不易觀察， 6名讀片者獨立診斷時漏診而在使用CAD后檢出。但對于位于外周帶直徑≥1.4 cm的癌灶，即PI-RADS為4、5分，使用CAD后幾乎沒有讀片者修改評分，且在調(diào)查中讀片者對CAD的需求率也較低，提示讀片者對于較大的典型癌灶的檢出已具備較高的靈敏度[24]，因此CAD對此類病變診斷額外幫助不大。

18名讀片者對前列腺CAD作為“第二讀片者”的閱片模式接受度較好，均順利完成了該30例病例。使用CAD后讀片者平均診斷信心有了明顯提高(P=0.001)。18名讀片者使用CAD后平均每個病例的診斷時間增加0.7 min，尚在臨床接受范圍內(nèi)，隨著讀片者CAD的使用經(jīng)驗的增加，診斷時間可能會減少。

本研究的局限性：①回顧性研究且病例數(shù)較少；②18名讀片者均為較低年資的一線放射科醫(yī)師，而CAD對高經(jīng)驗醫(yī)師診斷效能的影響還需要更多的研究；③設計按照常規(guī)臨床工作流程，未設定感興趣區(qū)進行PI-RADS評分，而是讀片者自己檢出前列腺內(nèi)病灶并進行PI-RADS評分，因此無法全面進行診斷實驗的統(tǒng)計學評價。

本研究模擬真實臨床工作場景，多名低經(jīng)驗一線放射科醫(yī)師共同參與讀片，結(jié)果顯示將CAD作為“第二讀片者”整合入前列腺mpMRI結(jié)構化報告中讀片者的平均靈敏度及特異度度均高于讀片者獨立診斷，平均診斷信心顯著提高，不同讀片者對CAD的接受度不同。