重建層厚（1/2/3 mm）對人工智能檢測肺結(jié)節(jié)效能的影響

大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院 放射科，遼寧 大連 116001

引言

肺結(jié)節(jié)是肺癌的早期表現(xiàn)，其檢出率隨著薄層計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT）技術(shù)的發(fā)展而提高，國內(nèi)大型三級醫(yī)院現(xiàn)已大部采集薄層圖像，但明顯增多的CT數(shù)據(jù)不僅增加了影像科醫(yī)師的閱片負(fù)擔(dān)[1]，同時(shí)對醫(yī)院PACS的傳輸、硬盤的存儲(chǔ)等方面也帶來了大量的負(fù)擔(dān)，醫(yī)院每年對此付出的經(jīng)濟(jì)成本相當(dāng)巨大[2-3]。目前，很多基層醫(yī)院由于財(cái)政投入不足，使用的CT設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)還相對落后，受限于機(jī)器的球管熱容量、輻射劑量以及網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)空間、傳輸速度等條件，并不適合對全部胸部CT采用薄層后處理重建。近年來，人工智能（Artificial Intellience，AI）技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中都有了廣泛的應(yīng)用，基于深度學(xué)習(xí)[4]的AI輔助診斷系統(tǒng)在影像學(xué)診斷肺結(jié)節(jié)方面的應(yīng)用有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展[5-6]，提高了早期肺癌的檢出率。應(yīng)用AI技術(shù)對海量CT圖像進(jìn)行初步篩查并標(biāo)記可疑結(jié)節(jié)病變，可以幫助三級醫(yī)院影像醫(yī)師減少工作量并提高診斷準(zhǔn)確率[7-8]，也能幫助基層影像醫(yī)師降低結(jié)節(jié)的漏診率。目前國內(nèi)各級醫(yī)院利用AI輔助篩查的胸部CT層厚不盡相同，主要應(yīng)用在1/2/3 mm層厚的CT圖像，現(xiàn)在還沒有不同層厚間效能對比方面的研究文章，本研究通過分析評價(jià)AI所檢出的總結(jié)節(jié)、>4 mm結(jié)節(jié)、<4 mm結(jié)節(jié)、實(shí)性結(jié)節(jié)以及亞實(shí)性結(jié)節(jié)的綜合效能，從而得出相對適合AI檢出肺結(jié)節(jié)的最佳胸部CT層厚。

1 資料與方法

1.1 研究對象

前瞻性收集2018年11月1日至12月31日在我院影像科門診接受常規(guī)胸部CT檢查的280例患者，經(jīng)排除，符合研究條件的共190例，其中男性101例，女性89例；年齡范圍19～84歲，平均年齡（55.7±7.65）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：① 患者年齡在18歲以上有肺結(jié)節(jié)患者；② 經(jīng)AI推測結(jié)節(jié)數(shù)不超過50個(gè)；③ 排除帶有偽影的影像資料；④ 排除肺部彌漫性病變、肺炎的影像資料。

1.2 采用設(shè)備及掃描技術(shù)

采用西門子二代炫速雙源CT，吸氣屏氣狀態(tài)下肺尖掃描至兩側(cè)腎上腺。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，自動(dòng)管電流設(shè)置，探測器準(zhǔn)直器128×0.6 mm，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0.5 s/周，矩陣：512×512。觀察CT圖像的肺窗窗寬1200 HU，窗位600 HU；必要時(shí)手動(dòng)調(diào)整合適的窗條件。掃描后數(shù)據(jù)分別以1/2/3 mm層厚行骨算法重建圖像。

1.3 研究方法及圖像評價(jià)

將190例胸部CT行1/2/3 mm層厚重建，卷積核B70f，肺窗。所有重建后數(shù)據(jù)傳輸至工作站，由推想公司基于深度學(xué)習(xí)模型的AI軟件將3種層厚的CT圖像分別利用AI進(jìn)行結(jié)節(jié)檢測，分別記錄三組層厚的所有肺結(jié)節(jié)、＞4 mm結(jié)節(jié)、＜4 mm結(jié)節(jié)、實(shí)性結(jié)節(jié)以及亞實(shí)性結(jié)節(jié)的檢測個(gè)數(shù)。所有胸部CT分析由兩名十年以上診斷經(jīng)驗(yàn)主治醫(yī)師和一名十五年以上診斷經(jīng)驗(yàn)的副主任醫(yī)師借助AI軟件對190例病例圖像的肺結(jié)節(jié)制定金標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)分析三組肺結(jié)節(jié)的檢出情況及差異。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入、整理及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。分別計(jì)算AI對三組數(shù)據(jù)（各組總結(jié)節(jié)、>4 mm結(jié)節(jié)、<4 mm結(jié)節(jié)、實(shí)性結(jié)節(jié)以及亞實(shí)性結(jié)節(jié)）檢出的敏感度及假陽性率，并對三組肺結(jié)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析或非參數(shù)秩和檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 1/2/3 mm層厚檢出結(jié)節(jié)的數(shù)目

190例胸部CT，金標(biāo)準(zhǔn)共檢出1333個(gè)肺結(jié)節(jié)。AI軟件在1 mm層厚共檢出1403個(gè)結(jié)節(jié)，其中正確結(jié)節(jié)1103個(gè),錯(cuò)誤結(jié)節(jié)300個(gè)；2 mm層厚共檢出853個(gè)結(jié)節(jié)，其中正確結(jié)節(jié)607個(gè),錯(cuò)誤結(jié)節(jié)246個(gè)；3 mm層厚共檢出1077個(gè)結(jié)節(jié)，其中正確結(jié)節(jié)401個(gè)，錯(cuò)誤結(jié)節(jié)676個(gè)。1 mm層厚檢測的結(jié)節(jié)最多，明顯優(yōu)于2和3 mm（圖1），但是檢測>4 mm的結(jié)節(jié)假陽性較多；2 mm層厚檢測出的結(jié)節(jié)數(shù)要低于1 mm圖像，而假陽性結(jié)節(jié)數(shù)也隨之減少，尤其是檢測>4 mm的結(jié)節(jié)，假陽性數(shù)明顯低于1 mm圖像；3 mm層厚檢測的結(jié)節(jié)最少，假陽性也是最多，見表1。

表1 1/2/3 mm層厚利用AI檢出結(jié)節(jié)的數(shù)目（個(gè)）

2.2 1/2/3 mm層厚檢出結(jié)節(jié)的敏感度比較

AI軟件在1 mm層厚檢測所有結(jié)節(jié)的敏感度為（0.833±0.195），2 mm層厚檢測所有結(jié)節(jié)的敏感度為（0.473±0.258），3 mm層厚檢測所有結(jié)節(jié)的敏感度為（0.301±0.239），P＜0.001，三組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表 2。

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2.3 1/2/3 mm層厚檢出結(jié)節(jié)的假陽性率比較

AI軟件在1 mm層厚檢測所有結(jié)節(jié)的假陽性率為1.58/CT，2 mm層厚檢測所有結(jié)節(jié)的假陽性率為1.29/CT，3 mm層厚檢測所有結(jié)節(jié)的假陽性率為3.56/CT；在1 mm層厚圖像檢測>4 mm結(jié)節(jié)假陽性率最高，其余相對較低；2 mm層厚圖像檢測亞實(shí)性結(jié)節(jié)假陽性率最低，其余介于1、3 mm層厚之間；3 mm層厚圖像檢測>4 mm結(jié)節(jié)假陽性率最低，其余都很高（圖1）。

表3 1/2/3 mm層厚利用AI檢出不同結(jié)節(jié)的假陽性率

3 討論

本研究結(jié)果顯示AI軟件在三種層厚胸部CT圖像的肺結(jié)節(jié)檢測中，1 mm層厚檢出的敏感度最高，遠(yuǎn)高于2、3mm，分析其原因是因?yàn)槲覀兪褂玫幕谏疃葘W(xué)習(xí)的薄層檢測模型，此模型大部分是通過1 mm層厚圖像的人工標(biāo)注數(shù)據(jù)集進(jìn)行深度學(xué)習(xí)；三組層厚AI的結(jié)節(jié)檢測假陽性率均相對較高，尤以3 mm層厚為著，這是由于肺內(nèi)氣管、血管復(fù)雜，肺結(jié)節(jié)位置又具有多樣性，極易混淆[9-11]。同時(shí)，某些肺結(jié)節(jié)易與肺正常組織粘連，不利于檢測，增加了AI輔助檢查系統(tǒng)的假陽性率[12-13]。

4 mm以上的肺結(jié)節(jié)更具有臨床意義，也是需要隨訪的對象[14-15]，AI在>4 mm結(jié)節(jié)檢測中，隨著層厚的增厚，敏感度逐漸降低[16]，但都在較高的水平，3 mm層厚圖像結(jié)節(jié)檢出敏感度相對較低，也達(dá)到了（0.600±0.396）的。有研究表明，AI輔助診斷系統(tǒng)對結(jié)節(jié)的檢出率隨結(jié)節(jié)的減小而降低[17-18]，對直徑>4 mm的肺結(jié)節(jié)，AI輔助檢測系統(tǒng)對肺結(jié)節(jié)的檢出率為100%，但對直徑≤4 mm的肺結(jié)節(jié)，其檢出率降至70%[19-20]。而AI在>4 mm結(jié)節(jié)檢測中，2 mm層厚的假陽性率卻很低，只有1 mm層厚的三分之一左右。

本研究的局限性在于數(shù)據(jù)樣本量不足，4 mm以上的結(jié)節(jié)數(shù)量較少，因此結(jié)果可能存在一定的選擇性偏倚。

綜上所述，AI在1 mm層厚胸部CT的肺結(jié)節(jié)檢測中，雖然存在一定的假陽性率，但相當(dāng)高的敏感度可以確保結(jié)節(jié)檢出率的提升，能極大降低漏診的發(fā)生概率，并能提高影像醫(yī)師的工作效率；其層厚最薄，數(shù)據(jù)量最多，所占用的存儲(chǔ)空間最大，建議具有較好經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，高端CT設(shè)備，患者更多的大型三級醫(yī)院使用1 mm作為AI檢測肺結(jié)節(jié)的首選層厚。AI在>4 mm結(jié)節(jié)的檢測中，2 mm層厚檢測的假陽性率很低，敏感較高，考慮其占用存儲(chǔ)較小，對設(shè)備要求不高，更適合經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)比較薄弱，診斷水平相對較低的基層醫(yī)院使用。