幾何模型匹配乳腺頭足位與內(nèi)外斜位X線片所示病灶

汪思娜，秦耿耿，曾 輝，徐澤園，徐維敏，文嬋娟，潘德潤，陳衛(wèi)國

(南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院放射科，廣東 廣州 510515)

2020年WHO國際癌癥研究機構(international agency for research on cancer, IARC)最新數(shù)據(jù)表明，乳腺癌已成為女性最常見癌癥[1]。美國癌癥學會(American Cancer Society, ACS)推薦以攝乳腺X線片，常規(guī)包括頭足(craniocaudal, CC)位和內(nèi)外斜(mediolateral oblique, MLO)位片，作為篩查乳腺癌的首選影像學方法。既往研究[2]表明，綜合雙視圖，即CC位結合MLO位圖像，用于診斷乳腺病變的敏感度明顯高于單一視圖；而準確匹配2種圖像所示同一可疑病灶為其中的關鍵。我國女性乳腺多為致密型[3]，重疊的腺體組織可遮蓋病灶，且加壓攝片可使病灶發(fā)生不同程度移位，給定位造成一定困難。本研究觀察課題組前期構建的幾何模型(geometric model, GM)[4]用于匹配乳腺CC位與MLO位X線片所示病灶的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院2016年1月—7月493例接受乳腺X線攝片的乳腺病灶患者，均為女性，年齡23～87歲、中位年齡49歲；其中388例單側(cè)乳腺單發(fā)病灶，50例單側(cè)多發(fā)病灶，55例雙側(cè)單發(fā)病灶；共納入598個乳腺病灶，包括499個鈣化灶和99個腫塊。納入標準：乳腺X線片示粗大鈣化或腫塊，且CC位和MLO位片均能完整顯示病灶。排除標準：①既往手術史，包括乳腺癌保乳術后、注射隆胸或假體植入術后；②多發(fā)病灶，無法于CC位與MLO位圖像中逐一匹配；④乳腺癌造成局部皮膚及乳頭回縮；⑤圖像質(zhì)量不能滿足診斷要求。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(倫理審批號：NFEC-2020-161)。

1.2 儀器與方法 以 Hologic Selenia數(shù)字乳腺X線機攝雙側(cè)乳腺CC位和MLO位片。基于圖像存儲與傳輸系統(tǒng)(picture archiving and communication system, PACS)，以DICOM格式導出圖像，將乳腺自乳頭至胸壁分為前、中、后帶，并以乳頭垂直于胸壁的直線為界，將CC位圖像所示乳腺分為外側(cè)和內(nèi)側(cè)，將MLO位圖像所示乳腺分為上部和下部。根據(jù)第5版乳腺影像報告和數(shù)據(jù)系統(tǒng)(breast imaging reporting and data system, BI-RADS)進行評估，觀察乳腺密度，記錄壓迫厚度(被壓迫后乳腺在壓迫板與探測器之間的厚度)。將不均勻致密和極度致密乳腺歸為致密型乳腺，將脂肪類和散在纖維腺體類乳腺歸為非致密型乳腺。以上工作均由同1名具有5年以上乳腺影像學診斷經(jīng)驗的影像科醫(yī)師完成。

1.3 構建GM并評估其效能 采用MALAB 2018a軟件構建GM并進行評估。首先基于CC位和MLO位片所示二維圖像提取乳房輪廓，并將其恢復為非壓迫狀態(tài)下(即自由狀態(tài)下)的形態(tài)；之后采用反壓縮操作將CC位片中的感興趣點恢復為自由狀態(tài)下的曲線，并以MLO角度對恢復后的乳房和曲線進行旋轉(zhuǎn)并壓縮；將MLO位壓縮后的曲線映射至二維MLO位圖像上，即得到CC位圖像中的感興趣點在MLO位圖像上的預測曲線，代表其在MLO位圖像中的可能位置。見圖1。

圖1 構建GM流程圖

由1名具有10年以上乳腺影像學診斷經(jīng)驗的副主任醫(yī)師點擊CC位圖像所見病灶中心，得到其在MLO位圖像上的預測曲線，并測量病灶中心至該曲線的最短距離，即匹配誤差，記為CC預測MLO的匹配誤差；再以相同方法測量MLO預測CC的匹配誤差。由另1名具有15年以上乳腺影像學診斷經(jīng)驗的主任醫(yī)師審核測量結果，意見不一致時，經(jīng)討論決定。

之后以環(huán)形法(annular band, AB)和直線法(straight strip, SS)對CC位與MLO位圖像中的病灶進行匹配，并計算匹配誤差，包括AB徑向誤差和SS軸向誤差。以圖像所示乳頭至病灶中心的最短距離為徑向距離，以徑向距離線在垂直于胸壁的乳頭所在水平面的投影線為軸向距離(圖2)；采用AB法計算CC位與MLO位圖像所示病灶徑向距離的差值(即徑向誤差)，以SS法計算CC位與MLO位圖像所示病灶軸向距離的差值(即軸向誤差)。評估以GM與AB及SS方法所獲雙視圖的匹配性能。

圖2 以AB及SS方法匹配CC位(A)與MLO位圖像(B)所示乳腺病灶示意圖 (紅色方框：乳腺病灶；橙色虛線：徑向距離；綠色直線：軸向距離)

1.4 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件。以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示不符合正態(tài)分布的計量資料，以Mann-WhitneyU檢驗進行2組間比較、以Kruskal-WallisH檢驗進行多組間比較。行Spearman相關性分析，以│r│≥0.8為高度相關。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

本研究首先基于499個鈣化灶驗證GM的可逆性，以CC位預測MLO位、以MLO位預測CC位圖像中的乳腺鈣化灶的匹配誤差分別為2.85(1.45，5.08)及2.95(1.45，5.13)mm，二者差異無統(tǒng)計學意義(Z=0.372，P=0.710)，提示GM可逆，故針對以CC位預測MLO位圖像中的乳腺病灶的結果進行分析。

2.1 匹配結果

2.1.1 GM GM對乳腺腫塊的匹配誤差為3.70(1.35，6.25) mm，與對鈣化灶的匹配誤差[2.85(1.45，5.08)mm]差異無統(tǒng)計學意義(Z=-1.344，P=0.179)。

2.1.2 AB、SS 對乳腺上部病灶，AB的徑向誤差和SS的軸向誤差均大于下部病灶(P均<0.001)；對乳腺外側(cè)病灶，AB的徑向誤差和SS的軸向誤差均大于內(nèi)側(cè)病灶(P均<0.05)；見表1、2；且CC位與MLO位圖像所示徑向距離和軸向距離均呈高度正相關(r=0.924、0.922，P均<0.001)，見圖3。

圖3 乳腺CC位與MLO位X線圖像所示病灶徑向距離間(A)和軸向距離間(B)的相關性的散點圖

表1 乳腺CC位圖像所示病灶的AB徑向誤差和SS軸向誤差比較(mm)

2.1.3 效能比較 GM、AB及SS匹配誤差整體差異有統(tǒng)計學意義(H=93.012，P<0.001)，且兩兩比較差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)；GM的匹配性能明顯優(yōu)于AB和SS(表3、圖4)。

圖4 GM、AB及SS對乳腺CC位與MLO位X線圖像所示病灶的匹配誤差的箱線圖

表2 乳腺 MLO位圖像所示病灶的AB徑向誤差和SS軸向誤差比較(mm)

表3 GM、AB及SS對乳腺CC位與MLO位X線圖像所示病灶的匹配誤差

2.2 GM匹配誤差 GM對致密型與非致密型乳腺病灶的匹配誤差分別為2.73(1.45，4.91)及3.95(1.76，6.68)mm，對乳腺上部及下部病灶分別為3.49(1.48，5.77)及2.61(1.45，4.64)mm，差異均有統(tǒng)計學意義(Z=-2.778、-2.619，P=0.005、0.009)；對乳腺外側(cè)及內(nèi)側(cè)病灶的匹配誤差分別為3.28(1.49，5.78)及2.67(1.45，4.75)mm，對前、中、后帶病灶分別為2.61(1.45，5.54)、3.20(1.50，5.62)、2.75(1.45，4.75)mm，差異均無統(tǒng)計學意義(Z=-1.831，P=0.067；H=1.514，P=0.469)。見圖5。GM對乳腺病灶的匹配誤差與攝CC位及MLO位X線片時的乳腺壓迫厚度無明顯相關性，見圖6。

圖5 GM對乳腺CC位與MLO位X線圖像所示病灶的匹配誤差的箱線圖 A.非致密型與致密型乳腺； B.乳腺上部與下部； C.乳腺外側(cè)與內(nèi)側(cè)； D.乳腺前、中、后帶

圖6 GM對乳腺CC位與MLO位X線圖像所示病灶匹配誤差與乳腺壓迫厚度的相關性的散點圖

3 討論

乳腺X線攝影現(xiàn)已廣泛用于臨床，但當病灶較小且受致密腺體遮擋時，定位難度較大，易致誤診、漏診。乳腺為彈性軟組織，加壓攝片過程中可產(chǎn)生較大形變，且其程度隨壓迫力度、手法等而變化，致病灶位移較難預測，使乳腺X線圖像匹配成為計算機立體視覺的難點。

既往國內(nèi)外乳腺圖像匹配相關研究[5-10]主要涉及空間變換、特征匹配及機器學習等。KITA等[5]對壓縮后變形的乳房進行建模，以計算CC位圖像中的某點，即感興趣點，對應于MLO位圖像的匹配線，發(fā)現(xiàn)該點至匹配線的最短距離為4.1～6.8 mm。HADJIISKI等[6]提出一種基于弧形搜索區(qū)域和相似性度量的乳腺圖像匹配方法，其匹配誤差為(4.2±5.7)mm。本課題組[4]前期提出了能對乳腺感興趣點的可能位置進行初步定位的模型，即GM；醫(yī)師于一種視圖上發(fā)現(xiàn)乳腺可疑病灶時，點擊該病灶，即可于另一視圖中出現(xiàn)一條曲線，供其參考對病灶進行定位，以提高診斷效率。

臨床工作中，醫(yī)師常采用AB或SS方法初步定位乳腺X線片所示病灶，但二者均基于二維圖像作出假設，無法解釋乳腺病灶在加壓攝片所需的壓迫過程中的三維位置變化，穩(wěn)定性較差，應用價值有限[11]。本研究結果顯示，SS匹配性能優(yōu)于AB；提示臨床工作中，若無更為可靠的匹配方法，可采用SS對乳腺X線圖像所示病灶進行定位。

GM可在一定程度上解釋二維圖像所示病灶、加壓壓迫及病灶三維位置的關系，使得匹配性能有所提高。由于加壓使乳腺發(fā)生一系列復雜形變，且不同類型乳腺的形狀及彈性存在一定差異，導致GM匹配性能有所不同。本研究結果表明，GM對于致密型乳腺X線圖像所示病灶的匹配效果優(yōu)于非致密型，分析原因，主要在于非致密型乳腺多見于老年女性，其乳腺隨雌激素水平下降而逐漸退化，脂肪比例增加，導致相同加壓條件下發(fā)生的形變較致密型乳腺更為明顯，提示GM可能并不適用于乳房易發(fā)生高度形變者；但此類乳腺病灶受腺體遮擋影響較小而易于檢出，故有待進一步觀察。此外，本研究發(fā)現(xiàn)GM對于乳腺下部病灶的匹配效果優(yōu)于上部，可能與攝標準MLO位片時胸大肌在壓迫過程中向前方推移乳腺有關。另外，由于皮膚和胸壁對于乳腺的約束作用使感興趣點在攝CC位片時受壓向乳頭方向移動，而攝MLO位片時則可能向相反方向移動，導致感興趣點在2種圖像中的相對位移較大，此為部分病例AB匹配誤差較小而SS匹配誤差較大的主要原因。

綜上所述，GM模型用于匹配乳腺CC位與MLO位X線圖像所示病灶的價值較佳。但本研究僅納入乳腺粗大鈣化或腫塊，有待后續(xù)擴大樣本量及病變類型進一步完善。