雙能CT融合圖像在人工智能肺結(jié)節(jié)篩查中檢測(cè)效能的探索研究

宋冬冬，朱曉明，朱麗娟，顧俊，伍建林，張清

1. 大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院 放射科，遼寧 大連 116001；2. 北京推想科技有限公司 全球臨床科研合作學(xué)院，北京 100025

引言

肺癌是我國目前發(fā)病率和死亡率最高的惡性腫瘤[1]，并仍呈逐年增長趨勢(shì)。多層螺旋CT肺癌的早期篩查，對(duì)肺癌的預(yù)防以及早期治療意義重大[2]，能有效提高早期肺癌患者的5年生存率[3]。隨著人工智能（Artificial Intelligence，AI）深度學(xué)習(xí)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，肺CT圖像的AI輔助結(jié)節(jié)篩查，在臨床上得到廣泛開展[4]，在提高工作效率的同時(shí)能有效降低肺結(jié)節(jié)的漏診率[5]。目前關(guān)于AI對(duì)肺結(jié)節(jié)檢測(cè)效能的研究正逐步深入，但這些研究多集中在胸部CT單源掃描以及AI臨床應(yīng)用方法及價(jià)值[6-8]的探討上，而雙能掃描對(duì)人工智能輔助肺結(jié)節(jié)檢測(cè)效能的研究尚無人開展。本文旨在探討臨床中，胸部雙能CT掃描結(jié)合AI行肺結(jié)節(jié)篩查，其檢測(cè)效能與常規(guī)胸部CT單源120 kVp掃描的對(duì)比，同時(shí)比較兩種模式的輻射劑量。

1 資料與方法

1.1 一般資料

研究通過了本院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有研究對(duì)象檢查前簽署知情同意書。收集2018年12月至2019年2月行雙源CT肺結(jié)節(jié)篩查的患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：18歲以上，臨床行胸部CT平掃檢查的患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：由于胸部手術(shù)史、胸腔積液、彌漫性間質(zhì)性病變、肺不張、肺部炎性病變及CT圖像中呼吸運(yùn)動(dòng)偽影等，影響結(jié)節(jié)確認(rèn)及標(biāo)注者。381例患者納入研究。按照掃描模式不同將患者分為兩組：A組（183例）采用單源120 kVp掃描，B組（198例）采用雙能模式掃描并收集融合120 kVp圖像。兩組患者的年齡、性別、結(jié)節(jié)大小及結(jié)節(jié)類型差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表1）。

表1 兩組患者的臨床資料比較結(jié)果

1.2 掃描參數(shù)與方法

所有患者均在雙源CT機(jī)（Siemens Somatom Definition Flash，德國）上進(jìn)行。掃描范圍為胸廓入口到膈肌水平，包括整個(gè)肺野。單源掃描方式參數(shù)：探測(cè)器準(zhǔn)直器128×0.6 mm，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0.5 s /周，螺距為1.2，管電壓120 kVp，參考管電流130 mAs，開啟CAREDose 4D技術(shù)；雙能掃描方式參數(shù)：探測(cè)器準(zhǔn)直器64×0.6 mm，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0.28 s /周，螺距為0.7，A管球管電壓100 kVp，B管球管電壓sn140 kVp，融合圖像為120 kVp（兩者按4:6的比例融合圖像），參考管電流A管球110 mAs、B管球94 mAs，開啟CAREDose 4D技術(shù)。

1.3 圖像重建與結(jié)節(jié)檢測(cè)

A、B兩組圖像均行1 mm、骨算法重建，得到單源120 kVp和雙能融合120 kVp兩組標(biāo)準(zhǔn)CT薄層圖像。使用推想科技的肺結(jié)節(jié)薄層訓(xùn)練模型檢測(cè)軟件（Infer Read CT Lung Research, Infervision, Beijing，China），該系統(tǒng)基于40萬訓(xùn)練數(shù)據(jù)集且數(shù)據(jù)來源于全國多家大型三甲醫(yī)院，能將疑似肺結(jié)節(jié)的部位準(zhǔn)確標(biāo)記[9]。對(duì)上述兩組CT圖像進(jìn)行肺結(jié)節(jié)檢測(cè)，記錄檢測(cè)出所有結(jié)節(jié)的數(shù)量、位置，并按大?。ㄖ睆健? mm或＜4 mm）、類型（實(shí)性或亞實(shí)性）分類；三名不同年資的影像診斷醫(yī)生結(jié)合AI對(duì)兩組圖像的肺結(jié)節(jié)進(jìn)行分析，均依據(jù)《肺結(jié)節(jié)診治中國專家共識(shí)（2018年）》。首先由兩名有10年以上經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師對(duì)兩組圖像所有結(jié)節(jié)的數(shù)量、位置分別進(jìn)行標(biāo)注，并按大?。ㄖ睆健? mm或<4 mm）、類型（實(shí)性或亞實(shí)性）分類，標(biāo)注結(jié)果不同之處由二人討論后統(tǒng)一結(jié)果，最后再由一名主任醫(yī)師對(duì)以上二人制定結(jié)果進(jìn)行審閱，確立最終金標(biāo)準(zhǔn)結(jié)節(jié)。將人工智能軟件自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果與金標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，并統(tǒng)計(jì)檢出結(jié)節(jié)的真陽數(shù)、假陽數(shù)，計(jì)算出檢測(cè)敏感度、精確度和假陽性率。按公式ED=DLP×k（k為轉(zhuǎn)換系數(shù)）計(jì)算有效輻射劑量。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有統(tǒng)計(jì)學(xué)處理均應(yīng)用SPSS 20.0版本進(jìn)行。計(jì)量資料使用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，比較采用卡方檢驗(yàn)，分別對(duì)敏感度、DLP、CTDIvol、ED進(jìn)行組間方小差分析，P<0.05差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組檢測(cè)效能比較

兩組圖像對(duì)于AI的肺結(jié)節(jié)檢測(cè)效能比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.005），見表2。

表2 兩組圖像對(duì)于AI的肺結(jié)節(jié)檢測(cè)效能

2.2 兩組對(duì)不同大小肺結(jié)節(jié)AI檢測(cè)效能比較

兩組對(duì)于AI對(duì)直徑≥4 mm和直徑<4 mm肺結(jié)節(jié)的檢測(cè)效能比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.005），見表3～4。

表3 兩組圖像對(duì)于AI對(duì)直徑≥4 mm肺結(jié)節(jié)的檢測(cè)效能

表4 兩組圖像對(duì)于AI對(duì)直徑＜4 mm肺結(jié)節(jié)的檢測(cè)效能

2.3 兩組對(duì)不同類型肺結(jié)節(jié)AI檢測(cè)效能比較

兩組圖像對(duì)于AI對(duì)實(shí)性肺結(jié)節(jié)和AI對(duì)亞實(shí)性肺結(jié)節(jié)的檢測(cè)效能比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.005），見表5～6。

表5 兩組圖像對(duì)于AI對(duì)實(shí)性肺結(jié)節(jié)的檢測(cè)效能

表6 兩組圖像對(duì)于AI對(duì)亞實(shí)性肺結(jié)節(jié)的檢測(cè)效能

2.4 兩組輻射劑量比較

A組CTDIvol、DLP、ED均高于B組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），見表7。

表7 兩組掃描輻射劑量

3 討論

基于深度學(xué)習(xí)[10]的AI肺結(jié)節(jié)輔助檢測(cè)在臨床CT圖像上的廣泛應(yīng)用[11]，極大地提高了醫(yī)生對(duì)肺結(jié)節(jié)的檢診效率[12]。目前臨床多在單源掃描下采集CT薄層圖像，進(jìn)行AI輔助肺結(jié)節(jié)篩查，其檢測(cè)效能還有不足之處，尤其在臨床上極易漏診的最大直徑<4 mm和亞實(shí)性結(jié)節(jié)的檢出上[13]，敏感度還有待提高[14]。

隨著雙源CT的普及應(yīng)用[15-17]，胸部CT雙能掃描成為日常臨床工作中的一個(gè)選項(xiàng)，常規(guī)條件下與單源掃描相比，胸部CT雙能掃描在不增加輻射劑量的前提下，能夠得到融合120 kVp、sn140 kVp與100 kVp不同能量的圖像，為診斷與鑒別診斷提供更多的參考依據(jù)[18]。本研究在雙源CT常規(guī)劑量胸部CT肺結(jié)節(jié)篩查中，將單源掃描120 kVp與雙能掃描融合120 kVp的肺CT圖像中，肺結(jié)節(jié)的AI檢測(cè)效能進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示雙能掃描融合120 kVp圖像的肺結(jié)節(jié)檢測(cè)敏感度明顯更高，輻射劑量明顯更低，而假陽性率卻不高，AI檢測(cè)效能明顯優(yōu)于單源掃描120 kVp圖像。其中：無論對(duì)于結(jié)節(jié)直徑≥4 mm（臨床需選擇性影像隨訪或12個(gè)月影像隨訪[19]），還是直徑<4 mm（臨床需12個(gè)月影像隨訪或6～24個(gè)月間不同方式影像隨訪[19]），融合120 kVp圖像檢測(cè)敏感度均明顯更高，對(duì)于直徑≥4 mm的結(jié)節(jié)融合120 kVp圖像檢測(cè)假陽性率更低；無論實(shí)性結(jié)節(jié)還是亞實(shí)性結(jié)節(jié)，融合120 kVp圖像的檢測(cè)敏感度均明顯更高，對(duì)于實(shí)性結(jié)節(jié)融合120 kVp圖像的假陽性率更低。盡管與單源120 kVp圖像相較，融合120 kVp圖像在肺結(jié)節(jié)檢測(cè)的假陽性率上沒有明顯的降低，但在AI輔助醫(yī)生對(duì)肺結(jié)節(jié)的檢出上，更高的結(jié)節(jié)檢測(cè)敏感度，減少肺結(jié)節(jié)的漏診臨床意義更大，尤其在臨床中容易漏檢的小結(jié)節(jié)（最大直徑<4 mm）和亞實(shí)性結(jié)節(jié)上，雙能融合120 kVp圖像的檢測(cè)敏感度較單源120 kVp圖像有了較大的提高。圖1顯示了2例臨床易漏診<4 mm亞實(shí)性結(jié)節(jié)在雙能融合120 kVp結(jié)合AI被檢測(cè)出來，而在單源120 kVp圖像結(jié)合AI中漏診。

圖1 兩組圖像對(duì)臨床易漏診結(jié)節(jié)的AI檢出對(duì)比

最新發(fā)表在RSNA旗艦雜志Radiology: Artificial Intelligence的文章[20]比較了一些掃描參數(shù)（比如CT設(shè)備廠家、掃描輻射劑量）對(duì)于深度學(xué)習(xí)肺結(jié)節(jié)檢出模型檢出效能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CT設(shè)備廠家以及輻射劑量對(duì)于檢出效能（敏感度、假陽率）并沒有影響，在我們的研究當(dāng)中，單源120kVp的有效輻射劑量（4±1.1）mSv雖然略高于雙源掃描（3.23±0.97）mSv，但是這不太可能是影響結(jié)節(jié)檢出率的決定因素。因此我們猜測(cè)可能是由于雙源融合圖像（mixed image）的圖像質(zhì)量優(yōu)于單源120 kVp圖像質(zhì)量從而導(dǎo)致AI輔助診斷軟件的檢出效能更高。雙源融合圖像選取來自低能100 kVp和高能Sn140 kVp的掃描圖像，低能（100 kVp）圖像具有高對(duì)比度，高能圖像（Sn140 kVp）具有較低噪聲，尤其Sn140是在140 kVp球管上添加了錫板過濾掉低能射線，讓射線更“硬”，因此圖像噪聲得以進(jìn)一步降低，所以融合圖像兼具高對(duì)比度和低噪聲的特點(diǎn)，往往圖像的對(duì)比噪聲比優(yōu)于單源120 kVp掃描圖像[21]。相比于單源120 kVp掃描，雙能掃描更優(yōu)的融合圖像質(zhì)量可能是引起雙能掃描AI檢出效能更高的潛在原因，當(dāng)然這還有待進(jìn)一步試驗(yàn)和數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

本研究也存在一定不足之處，首先兩組數(shù)據(jù)的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)信息沒有納入本研究，其次樣本量還需繼續(xù)加大，我們將在以后的研究中予以完善。

總之，雙能掃描融合120 kVp的CT圖像較單源120 kVp的CT圖像，在結(jié)合AI肺結(jié)節(jié)的檢測(cè)中，敏感度更高，總體假陽性率也更低，且輻射劑量明顯降低，值得在臨床中推廣應(yīng)用。