AI自動定位技術在新型冠狀病毒肺炎胸部CT檢查中的應用

上海市（復旦大學附屬）公共衛(wèi)生臨床中心，上海 201508

引言

2020年2月14日，在國務院對新型冠狀病毒肺炎（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）疫情聯防聯控新聞報道中，截至2月11日24時，全國醫(yī)務人員確診COVID-19 1716例，占全國確診病例3.8%，其中6人不幸死亡，占全國死亡病例0.4%[1]。如何降低醫(yī)務人員的感染風險，是各傳染病醫(yī)院及承擔突發(fā)公共衛(wèi)生事件的醫(yī)療單位感染控制重中之重的問題[2]，而減少醫(yī)務人員直接接觸確診或發(fā)熱待查患者是一種行之有效的方法。

本研究通過COVID-19患者行人工智能（Artificial Intelligence，AI）自動定位與常規(guī)CT的胸部掃描對比，探討其在降低醫(yī)務人員感染風險的同時，保證CT圖像質量，進行精準定位，減少患者X線受輻射劑量，發(fā)揮其在COVID-19患者檢查及隨訪中的應用價值。

胸部CT作為確診新冠肺炎最重要地手段之一[3-4]，患者接受治療地同時須通過2～3次的CT檢查判斷病情變化。常規(guī)CT掃描醫(yī)務人員頻繁接觸患者，增加感染幾率；患者接受地輻射劑量也是須控制因素，主要是因為輻射劑量的累加與輻射相關性的肺癌有關[5]。AI自動定位CT能有效地減少醫(yī)務人員與患者直接接觸，降低了感染風險；AI自動定位掃描技術有效減少了患者接受地輻射劑量[6]；且又降低了人力成本；提高了檢查效率。

1 材料與方法

1.1 一般材料

收集上海市公共衛(wèi)生臨床中心行胸部CT檢查的確診COVID-19患者174例。其中AI自動定位CT（聯影uCT528 40層CT）及常規(guī)CT（日立SCENARIA 64層CT）掃描患者各87例。入組標準：① 患者檢查中屏氣良好，無顯著呼吸及運動偽影；② 無顯著影響圖像質量的體外異物。排除標準：① 重癥無法配合者；② 掃描野內有明顯體外異物；③ 不配合憋氣患者。

1.2 掃描技術

采用低劑量掃描計劃[7]，運用了自己公司最新迭代算法KARL3D Lv5和Advance mode Lv4來降低劑量，同時保證圖像質量，深吸氣后屏氣對COVID-19患者掃描，見表1。

表1 AI自動定位及常規(guī)CT掃描及圖像重建參數

1.3 圖像位置

分析觀察兩臺CT檢查的174名患者CT圖像，記錄其FOV中心位置及掃描范圍準確性。中心位置是指圖像FOV的x-y軸中心點，患者軀干中心與FOV中心點重疊認為中心位置準確；掃描范圍指Z軸開始掃描至結束掃描的范圍，掃描范圍自胸腔入口至肺下界（肋膈角）認為準確，低于或高于1 cm以上認為不準確。

1.4 圖像質量

評分采用雙人盲法評價的方式，由兩位醫(yī)生使用5分法分別對圖像質量評分。質量分級：5分，圖像質量優(yōu)秀，可用于診斷，非常滿意；4分，圖像質量良好，可用于診斷，滿意；3分，圖像質量有瑕疵，不影響診斷，一般；2分，圖像質量較差，影響診斷，較不滿意；1分，圖像質量差，不能診斷，不滿意。以圖像質量最差層面評分為最終結果，取2名醫(yī)師評分的均值?！?分的圖像認為符合為臨床診斷，圖像質量優(yōu)良率指≥4分圖像的所占比例。

1.5 輻射劑量

記錄174名患者的胸部CT掃描的劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP），并計算有效輻射劑量（Effective Dose，ED），ED=k×DLP，k為組織權重因子，胸部CT檢查的k值為0.014 mSv/（mGy.cm）[8]。

1.6 統(tǒng)計學分析

采用Stata12.0統(tǒng)計分析軟件，對所有數據進行分析。其中連續(xù)變量采用均數±標準差（±s）表示，計數資料采用百分比（%）表示。兩組圖像中心定位和掃描范圍準確性采用檢驗；兩位醫(yī)生對圖像質量評價結果的一致性采用χ2檢驗；兩組患者ED比較采Fisher確切概率法分析；P＜0.01為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 一般材料

AI自動定位及常規(guī)CT掃描患者各87例，其中前者男50例，女37例，年齡22～75（45.8±15.8）歲；后者男30例，女57例，年齡24～84（51.8±15.1）歲。

2.2 圖像位置分析

兩臺CT圖像中心定位準確性，見表2及圖1；FOV準確性，見表3及圖2。AI自動定位CT檢查COVID-19患者圖像位于中心位置準確率為100%（87/87），高于常規(guī)CT檢查準確率87%（76/87），差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）。AI自動定位CT的Z軸掃描范圍準確性為100%（87/87），高于常規(guī)CT準確性88.5%（77/87），其中5例Z軸掃描范圍高于肺下屆，6例低于肺下屆，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）。

2.3 圖像質量

分析兩名醫(yī)生對AI自動定位CT及常規(guī)CT圖像質量評價一致性，見表4；圖像質量優(yōu)良率，見表5。兩名醫(yī)生對圖像質量評分的一致性率AI自動定位技術CT為97.7%（Kappa=0.84）；常規(guī)CT為96.6%（Kappa=0.71）；兩名醫(yī)生對圖像質量評分均≥3分，圖像質量優(yōu)良率均為100%，兩組CT圖像質量都滿足臨床診斷需求且具有較高地一致性。

表2 AI自動定位與常規(guī)CT圖像中心位置準確性對比[n(%)]

圖1 COVID-19患者胸部CT圖像中心位置準確性

表3 AI自動定位與常規(guī)CT的Z軸掃描范圍準確性對比[n (%)]

圖2 COVID-19患者胸部CT掃描Z軸掃描范圍準確性

2.4 圖像質量

分析兩名醫(yī)生對AI自動定位CT及常規(guī)CT圖像質量評價一致性，見表4；圖像質量優(yōu)良率，見表5。兩名醫(yī)生對圖像質量評分的一致性率AI自動定位技術CT為97.7%（Kappa=0.84）；常規(guī)CT為96.6%（Kappa=0.71）；兩名醫(yī)生對圖像質量評分均≥3分，圖像質量優(yōu)良率均為100%，兩組CT圖像質量都滿足臨床診斷需求且具有較高地一致性。

表4 兩名醫(yī)生對AI自動定位與常規(guī)CT圖像質量評價的一致性

2.5 X線受輻射劑量比較

AI自動定位CT檢查患者DLP為（130.8± 23.4）mGy.cm，ED為（1.83±0.33）mSv，均低于常規(guī)CT檢查DLP為（167.8±30.8）mGy.cm，ED為（2.35±0.43）mSv，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）。

表5 兩名醫(yī)生對AI自動定位與常規(guī)CT圖像質量評價結果

3 討論

3.1 AI自動定位技術特點

AI在醫(yī)療行業(yè)的運用方興未艾，已在影像診療、影像技術方面涌現了諸多智能輔助軟件，可以更好地為醫(yī)療單位、患者、影像科提供有價值的服務[9-10]。AI自動定位技術（商品名：天眼）是聯影醫(yī)療自主研發(fā)的涵蓋從患者位置擺放、制定掃描計劃、優(yōu)化掃描參數，到后處理圖像各環(huán)節(jié)完整的人工智能CT掃描平臺。智能定位，精準識別：我們的研究提示AI自動定位CT胸部掃描定位FOV準確率和Z軸掃描范圍準確率均優(yōu)于常規(guī)CT（100%vs. 87%、88.5%），且差異具有統(tǒng)計學意義。AI自動定位技術通過圖像采集與識別系統(tǒng)，對患者進行人臉識別，進而確定患者整個身體的位置，完成智能定位[11]；采集系統(tǒng)具備環(huán)境感知能力，不僅可以識別靜止不動的患者、戴口罩的患者，還可以動態(tài)跟蹤識別移動的患者[11-12]；無需人為調整檢查床位置，智能檢查擺位，精準移床：可以根據患者不同掃描體位自動調整檢查床的高度、進床深度等。

3.2 AI自動定位技術優(yōu)勢

本研究提示配備AI自動定位技術的CT獲得的圖像FOV中心位置、Z軸掃描范圍均比常規(guī)CT精確，有效節(jié)省CT掃描時間。與常規(guī)CT相比，AI定位CT的胸部圖像質量優(yōu)良率均達到100%，且一致性（Kappa=0.84）優(yōu)于前者（Kappa=0.71），可以滿足臨床診斷需要。在患者X線受輻射劑量方面，盡管兩者均采用相似的大螺距低劑量掃描計劃，如管電壓均為120 kV及自動管電流技術，且最大/最小毫安均為150～400 mA[13]、中等的迭代算法等[14]，保證了兩臺CT掃描參數的一致性。但我們的研究發(fā)現配備AI自動定位CT仍低于常規(guī)CT [（1.83±0.33) mSvvs. (2.35±0.43)mSv]并平均降低了約22.1%的受輻射劑量。究其原因，可能是CT圖像FOV中心位置及Z軸掃描范圍不準確增加了患者不必要的X線受輻射劑量。所以，我們的研究認為運用AI自動定位技術CT可很好地兼顧醫(yī)院感染控制要求和“盡量低輻射劑量”保護患者的放射學檢查質量控制要求[15]。

3.3 AI自動定位技術的社會應用價值

大型綜合醫(yī)院在確診COVID-19患者收治期間，為了有效減低放射技師感染風險，由一名放射技師按照II級防護要求負責在操作間操作常規(guī)CT，另外一名隔離病房或發(fā)熱門診護士按照III級防護標準陪同患者進入CT機房并負責操作檢查床進行患者定位，放射技師不進入CT機房[16-17]。本院至2月19日累計收治333名患者，COVID-19患者平均住院2周，期間平均進行5次CT檢查，運用AI自動定位技術，至少減少≥1600次醫(yī)務人員接觸患者機會；按全國確診COVID-19感染人數[18]估算，至少減少約37萬次醫(yī)務人員接觸患者機會，可以推測采用該技術可能顯著降低醫(yī)務人員感染風險。此技術還能有效減少檢查時間，大大提升通過率，改觀了患者的檢查時間體驗，同時為醫(yī)院降低了人力上的成本。

3.4 本研究的局限性

本研究屬于回顧性臨床研究，受醫(yī)學倫理限制，不能對同患者同時行兩臺CT對照掃描，患者身高、體重的不同也會導致X線受輻射劑量的差異，可能對兩者輻射劑量統(tǒng)計結果產生選擇性偏移。在疫情期間因降低醫(yī)務人員感染風險需要，在實際工作中，由按照Ⅲ級防護標準防護的隔離病房或發(fā)熱門診護士人工操作設備擺放患者體位。雖然負責常規(guī)CT掃描的放射技師已培訓護理人員，但其為非放射技術專業(yè)人士且排班不固定在CT室，精準定位難，造成CT掃描時患者定位準確性降低，對定位精確性及受輻射劑量結果產生選擇性偏移。由于本文研究對象是新冠患者的肺部CT掃描，其他部位掃描是否也能智能地控制劑量及掃描范圍還有待研究。

4 結論

AI自動定位技術在滿足COVID-19患者CT圖像質量的情況下，可自動升降檢查床并定位，明顯簡化了CT操作全流程，隔絕放射技師接觸患者，有效降低醫(yī)務工作者感染風險并有效降低患者X線受輻射劑量。普及推廣此技術后，可以提升放射科檢查效率，同時降低醫(yī)院人力成本。