基于深度學(xué)習(xí)人工智能骨齡測(cè)評(píng)系統(tǒng)臨床應(yīng)用

王 巖，霍愛華，王大為，沈 云，彭 蕓,3*

(1.國(guó)家兒童醫(yī)學(xué)中心 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京兒童醫(yī)院影像中心，北京 100045；2.推想醫(yī)療科技股份有限公司，北京 100025；3.北京航空航天大學(xué)&首都醫(yī)科大學(xué)北京大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)醫(yī)療高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083)

骨齡是骨骼發(fā)育的年齡，能較時(shí)間年齡更準(zhǔn)確地反映人體發(fā)育成熟程度，廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、法醫(yī)學(xué)和體育醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。骨齡測(cè)評(píng)(bone age assessment, BAA)是臨床確定兒童骨骼成熟度的常用方法[1]，用于診斷兒童內(nèi)分泌、遺傳和生長(zhǎng)障礙等疾病，也可用于預(yù)測(cè)健康兒童的成年身高等[2]。國(guó)內(nèi)外已有多種骨齡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)目前采用中華-05骨齡評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[3]，該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多年研究論證得到眾多專家認(rèn)可和推薦。既往測(cè)評(píng)骨齡需由兒科放射醫(yī)師人工閱讀手腕骨X線片并計(jì)算評(píng)分而實(shí)現(xiàn)，工作量大、耗時(shí)，且易受主觀因素影響。近年來(lái),人工智能(artificial intelligence, AI)BAA系統(tǒng)研究[4-7]日漸增多，但多側(cè)重于概念驗(yàn)證。本研究觀察在臨床環(huán)境中BAA系統(tǒng)的效能及其對(duì)低年資兒科放射醫(yī)師的輔助作用。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2019年1月在首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京兒童醫(yī)院接受BAA的兒童作為研究對(duì)象，排除存在生長(zhǎng)發(fā)育異常、內(nèi)分泌疾病及骨折等影響觀察因素者，收集5～12歲兒童手腕骨X線正位片，每個(gè)年齡組各10名，男、女各5名，不區(qū)分左右手。

1.2 BAA手正位X線片 采用柯達(dá)、GE或 Philips CR或DR機(jī)攝左手或右手正位片。攝片時(shí)掌面向下，緊貼暗盒，中指軸與前臂軸成直線，五指自然分開，拇指與手掌面呈約30°角，球管中心正對(duì)第3掌骨頭，管片距為70～90 cm。

1.3 BAA系統(tǒng) 采用推想醫(yī)療科技股份有限公司BAA系統(tǒng)，分別用于獨(dú)立性能測(cè)試和輔助低年資兒科放射醫(yī)師閱片。

1.4 標(biāo)準(zhǔn) BAA系統(tǒng)和閱片醫(yī)師均采用中華-05法中的TW3-RUS標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)掌指骨測(cè)評(píng)骨齡。由1名具有10年經(jīng)驗(yàn)的高年資兒科放射醫(yī)師(副主任醫(yī)師)借助BAA系統(tǒng)(不限制測(cè)評(píng)時(shí)間)建立參考骨齡(金標(biāo)準(zhǔn))。將1名具有4年測(cè)評(píng)骨齡經(jīng)驗(yàn)的兒科醫(yī)師的閱片結(jié)果、BAA系統(tǒng)測(cè)評(píng)結(jié)果與金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

1.5 閱片試驗(yàn) 低年資兒科放射醫(yī)師首先獨(dú)立測(cè)評(píng)骨齡，記錄測(cè)評(píng)所需時(shí)間；同一醫(yī)師間隔4周(洗脫期)在BAA系統(tǒng)輔助下再次閱片，記錄測(cè)評(píng)時(shí)間。與金標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，評(píng)價(jià)BAA系統(tǒng)對(duì)低年資兒科放射醫(yī)師的輔助作用。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以Pearson相關(guān)分析評(píng)價(jià)測(cè)評(píng)骨齡與參考骨齡之間的相關(guān)性，以Bland-Altman分析觀察測(cè)評(píng)骨齡與參考骨齡的一致性。采用均方根誤差(root mean square error, RMSE)和平均絕對(duì)誤差(mean absolute error, MAE)評(píng)價(jià)BAA準(zhǔn)確度。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 BAA系統(tǒng)臨床效能 BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果和參考骨齡顯著相關(guān)[r=0.969，95%CI(0.953,0.979)，P<0.01]，見圖1。Bland-Altman一致性分析顯示二者平均差異為0.22歲[95%一致性界限為(-0.921，1.359)]，見圖2。BAA系統(tǒng)RMSE和MAE分別為0.62歲和0.47歲。

圖1 預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡的相關(guān)性 圖2 預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡的Bland-Altman一致性

按年齡分組，BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡在各年齡組中均顯著相關(guān)(P均<0.05)，見表1，尤以5～10歲年齡段為著。各年齡組中BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡RMSE和MAE結(jié)果見表2。

表1 不同年齡組BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡的相關(guān)性分析

表2 不同年齡組BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡的RMSE和MAE(歲)

按性別分組，男性組和女性組BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡均顯著相關(guān)(r男=0.967、r女=0.970，P均<0.05)，見圖3。Bland-Altman一致性分析顯示，女性組BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡平均差異為0.28歲[95%一致性界限為(-0.80，1.36)]，男性組為0.16歲，[95%一致性界限為(-1.06，1.36)]。結(jié)合BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡，男性組RMSE和MAE分別為0.63歲和0.47歲，女性組分別為0.61歲和0.48歲。

圖3 BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)不同性別兒童骨齡與參考骨齡的相關(guān)性 圖4 醫(yī)師獨(dú)立閱片與AI系統(tǒng)輔助醫(yī)師閱片預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡間的相關(guān)性分析

2.2 BAA系統(tǒng)的輔助作用 BAA系統(tǒng)輔助醫(yī)師閱片預(yù)測(cè)結(jié)果與參考骨齡顯著相關(guān)[r獨(dú)立=0.968，95%CI(0.947, 0.981)，P<0.05；r輔助=0.988, 95%CI(0.981, 0.993)，P<0.05]，見圖4。Bland-Altman一致性分析顯示，醫(yī)師獨(dú)立閱片預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡平均差異為-0.52歲[95%一致性界限(-1.98，0.94)]；BAA系統(tǒng)輔助下，平均差異減小至-0.11歲[95%一致性界限為(-0.82，0.60)]。醫(yī)師獨(dú)立閱片預(yù)測(cè)結(jié)果RMSE和MAE分別是0.71歲和0.9歲，而BAA系統(tǒng)輔助醫(yī)師閱片RMSE和MAE分別減少至0.27歲和0.38歲。

BAA系統(tǒng)輔助下，平均測(cè)評(píng)時(shí)間由醫(yī)師獨(dú)立閱片的4 min 40 s縮短至2 min 15 s。

3 討論

測(cè)定骨齡是目前臨床衡量個(gè)體生長(zhǎng)水平較為準(zhǔn)確的方法之一[8]，常用于評(píng)價(jià)兒童和青少年實(shí)際年齡，診斷兒童內(nèi)分泌和生長(zhǎng)紊亂等疾病以及監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)發(fā)育異常的治療情況等[9]。較為常用的測(cè)定骨齡方法主要有圖譜法和計(jì)分法，均以骨發(fā)育成熟度指征為基礎(chǔ)，前者快速、簡(jiǎn)單，但組內(nèi)、組間結(jié)果差異較大，準(zhǔn)確性較差；后者準(zhǔn)確性較好，但測(cè)評(píng)所需時(shí)間較長(zhǎng)，臨床應(yīng)用受到一定限制[10-11]。結(jié)合不同臨床場(chǎng)景，現(xiàn)已開發(fā)出多種測(cè)定骨齡的AI模型，但均需要進(jìn)行相應(yīng)臨床驗(yàn)證和評(píng)估[12]。本研究在臨床環(huán)境下驗(yàn)證商品化AI測(cè)評(píng)骨齡模型的應(yīng)用效能和輔助作用。

本研究所用BAA系統(tǒng)基于中華-05計(jì)分法，采用深度學(xué)習(xí)算法，經(jīng)數(shù)萬(wàn)例訓(xùn)練而成，通過自動(dòng)精準(zhǔn)定位和形態(tài)分析評(píng)價(jià)橈骨、掌骨及指骨共13塊骨骼的發(fā)育程度，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確測(cè)評(píng)骨齡，與參考骨齡之間的一致性較高，且其預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡間平均誤差僅為0.47歲，優(yōu)于許多其他深度學(xué)習(xí)模型BAA測(cè)試集結(jié)果(0.6歲、0.75歲)[13-14]。進(jìn)一步分析各年齡組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)識(shí)別測(cè)評(píng)掌指骨骨骺發(fā)育形態(tài)較為準(zhǔn)確，尤以5～10歲年齡段為著，預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡一致性較高；11/12歲年齡組預(yù)測(cè)骨齡一致性差異稍大，可能與其骨骺較成熟且所代表的分值間差異較大有關(guān)。無(wú)論對(duì)于男性還是女性兒童，該系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡均有較高的準(zhǔn)確性和一致性，與LEE等[6]的結(jié)果類似，可在一定程度上保證其臨床應(yīng)用的穩(wěn)定性。采用該系統(tǒng)輔助醫(yī)師，尤其是低年資兒科放射醫(yī)師閱片，可顯著提升測(cè)評(píng)骨齡的準(zhǔn)確性和一致性[15]。

本研究存在一定局限性，可能會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)偏倚：納入樣本量有限；參考骨齡及實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)均僅來(lái)源于1名醫(yī)師，設(shè)計(jì)略顯單薄，也會(huì)對(duì)測(cè)評(píng)結(jié)果產(chǎn)生影響；僅利用本院數(shù)據(jù)進(jìn)行臨床驗(yàn)證，存在局限性。

總之，基于深度學(xué)習(xí)的BAA系統(tǒng)用于評(píng)價(jià)不同年齡、不同性別兒童掌指骨骨骺發(fā)育情況及骨齡評(píng)估具有良好準(zhǔn)確性和一致性，可輔助低年資兒科放射醫(yī)師測(cè)評(píng)骨齡，提高臨床工作效率。