人工智能對(duì)肺磨玻璃結(jié)節(jié)檢出及定性診斷價(jià)值研究

趙正凱，梁 勇，周建收，李建林，李 婭， 程紹玲

(1. 成都市第三人民醫(yī)院 放射科，四川 成都 610031；2. 大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 放射科，遼寧 大連 116027)

肺癌的發(fā)病率和死亡率較高，是對(duì)人類健康和生命威脅最大的惡性腫瘤之一[1]。既往研究發(fā)現(xiàn)早期肺癌可表現(xiàn)為磨玻璃結(jié)節(jié)(ground glass nodule，GGN)[2]，因此在大量胸部影像中檢出并正確診斷GGN是當(dāng)前醫(yī)患共同的迫切需求。近年來越來越廣泛應(yīng)用的高分辨胸部CT 篩查使GGN的檢出率顯著提高，可實(shí)現(xiàn)肺癌早診早治，降低死亡率，但影像科醫(yī)師的工作負(fù)擔(dān)日益加重?；谏疃葘W(xué)習(xí)的人工智能(artificial intelligence, AI)已應(yīng)用于高分辨胸部CT，其對(duì)GGN的快速檢出和定性，可幫助醫(yī)師減少工作量，但AI的準(zhǔn)確性目前研究較少。本研究旨在探討基于深度學(xué)習(xí)的AI在胸部CT磨玻璃結(jié)節(jié)檢測(cè)及良惡性診斷中的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象

收集2018年6月至2020年6月于成都市第三人民醫(yī)院術(shù)前行胸部高分辨CT檢查，并行胸腔鏡手術(shù)切除肺GGN的患者共123例，共切除154枚GGN。其中男性35例，女性88例，年齡27～81歲，平均年齡(57.8±11.3)歲。

排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)偽影；(2)間質(zhì)性肺病、纖維化；(3)肺炎；(4)肺水腫。

1.2 CT掃描方法

采用Philips Brilliance iCT 256 層螺旋 CT，管電壓120 kV，管電流39 mAs，螺距0.8，層厚8 mm，使用標(biāo)準(zhǔn)算法重建1.5 mm層厚軸位圖像。采用西門子16排CT掃描儀，管電壓120 kV，管電流自動(dòng)調(diào)整，螺距1.2，層厚10 mm，使用標(biāo)準(zhǔn)算法重建1.5 mm層厚軸位圖像。Philips Brilliance iCT 256 層螺旋 CT掃描75例共切除94枚GGN；西門子16排CT掃描48例共切除60枚GGN。

1.3 肺結(jié)節(jié)檢測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定

基于深度學(xué)習(xí)模型的AI軟件由圖瑪深維醫(yī)療公司提供，將123例胸部高分辨CT薄層圖像傳輸至AI工作站，軟件系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別、標(biāo)記肺GGN及良惡性診斷，GGN標(biāo)記的惡性概率<50%認(rèn)定AI診斷為良性可能，惡性概率≥50%則認(rèn)定AI診斷為可疑惡性。

影像醫(yī)師組GGN的檢測(cè)及定性診斷先由高年資住院醫(yī)師對(duì)高分辨薄層胸部CT圖像進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)GGN的大小、密度、形態(tài)及與周圍血管支氣管的關(guān)系診斷GGN為良性可能或可疑惡性，隨后經(jīng)副主任醫(yī)師審核后完成。另兩名高級(jí)職稱影像科醫(yī)師結(jié)合人工智能并參考已審核的影像報(bào)告在胸部CT橫軸位圖像進(jìn)行GGN檢測(cè)及認(rèn)定，兩人意見不一致時(shí)結(jié)合多平面重建并討論獲得一致性結(jié)果作為真GGN檢出的金標(biāo)準(zhǔn)。手術(shù)病理結(jié)果作為GGN定性診斷的金標(biāo)準(zhǔn)。分別記錄人工智能軟件和影像醫(yī)師檢測(cè)的每個(gè)磨玻璃結(jié)節(jié)的大小及良惡性；GGN的大小分為<5 mm和≥5 mm。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件處理。分別計(jì)算影像醫(yī)師、人工智能對(duì)GGN檢測(cè)的靈敏度、陽性預(yù)測(cè)值及假陽性率；采用McNemar檢驗(yàn)比較影像醫(yī)師和人工智能對(duì)GGN檢出的能力。計(jì)算AI、影像醫(yī)師及AI聯(lián)合影像醫(yī)師診斷惡性GGN的敏感度、特異度、陽性預(yù)測(cè)值及陰性預(yù)測(cè)值。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 AI和影像醫(yī)師對(duì)GGN檢出的靈敏度、陽性預(yù)測(cè)值及假陽性結(jié)節(jié)個(gè)數(shù)

123例患者高分辨胸部CT中兩名高年資影像科醫(yī)師結(jié)合人工智能總共檢出289枚真GGN，AI和影像醫(yī)師檢出真磨玻璃結(jié)節(jié)情況比較見表1。AI和影像醫(yī)師檢測(cè)的靈敏度分別為(94.8% vs. 85.1%)，陽性預(yù)測(cè)值分別為(94.2% vs. 100%)。對(duì)于≥5 mm的219枚GGN，AI和影像醫(yī)師檢測(cè)的靈敏度分別為(96.8% vs. 94.5%)，陽性預(yù)測(cè)值分別為(95.1% vs. 100%)。典型病例圖像見圖1～4。

AI的假陽性結(jié)節(jié)個(gè)數(shù)為17個(gè)，假陽性率為每例胸部CT 0.14個(gè)GGN；其中8例表現(xiàn)為少許炎癥；4例表現(xiàn)為小葉中央結(jié)構(gòu)；3例表現(xiàn)為血管分叉、聚集、迂曲偽影；2例表現(xiàn)為條索影的容積效應(yīng)。影像醫(yī)師無假陽性磨玻璃結(jié)節(jié)檢出。

表1 AI和影像醫(yī)師檢出真磨玻璃結(jié)節(jié)情況比較

圖1 男，54歲，左肺上葉小血管分叉并呼吸運(yùn)動(dòng)偽影，AI假陽性Fig.1 Male, 54 years old. The left upper lobe showed small blood vessels bifurcation and respiratory motion artifacts, false positive case by AI

圖2 男，78歲；左肺上葉多支血管聚集，并見臨近氣管結(jié)構(gòu)，AI假陽性Fig.2 Male, 78 years old. The left lung upper lobe showed gathering of multiple blood vessels and adjacent trachea structure, false positive case by AI

圖3 男，45歲，左肺下葉磨玻璃結(jié)節(jié)，直徑約4 mm；影像醫(yī)師漏診，AI實(shí)現(xiàn)檢測(cè)Fig.3 Male, 45 years old. The ground glass nodule of the left lower lobe was about 4mm in diameter, which was missed by radiologist and detected by AI

圖4 男，55歲；右肺上葉多支氣管、血管旁結(jié)節(jié)，直徑約7 mm，影像醫(yī)師漏診，AI實(shí)現(xiàn)檢測(cè)Fig.4 Male, 55 years old. Multibronchi and paravascular nodule in the right upper lobe, about 7 mm in diameter, was missed by radiologist and detected by AI

2.2 病理結(jié)果及兩種診斷方法對(duì)GGN定性診斷效能

123例患者經(jīng)手術(shù)后共切除154枚磨玻璃結(jié)節(jié)，AI與影像醫(yī)師均全部檢出；包括浸潤(rùn)性腺癌42枚、微浸潤(rùn)性腺癌25枚、原位腺癌46枚、不典型腺瘤樣增生23枚、良性磨玻璃結(jié)節(jié)18枚。計(jì)算AI、影像醫(yī)師及AI聯(lián)合影像醫(yī)師診斷惡性GGN的效能情況見表2。

3 討 論

本研究結(jié)果顯示AI檢測(cè)GGN的敏感度較高，且AI假陽性率很低。AI對(duì)惡性GGN診斷效能較弱，但AI診斷惡性GGN的敏感度高于影像醫(yī)師，AI聯(lián)合影像醫(yī)師診斷惡性肺結(jié)節(jié)效能高于AI或影像醫(yī)師單獨(dú)診斷。

表2 AI、影像醫(yī)師及AI聯(lián)合影像醫(yī)師診斷惡性GGN效能情況(%)

本研究中AI和影像醫(yī)師對(duì)于≥5 mm的GGN檢出敏感度均較高，特別是對(duì)于經(jīng)手術(shù)切除的154枚GGN，AI和影像醫(yī)師均全部檢出，說明AI和影像醫(yī)師對(duì)于較大的具有可疑惡性征象的GGN檢出率較為相近；而對(duì)于<5 mm的GGN，AI檢出的敏感度明顯高于影像醫(yī)師，分析其原因?yàn)槿斯ぶ悄芙?jīng)過大量的數(shù)據(jù)處理和學(xué)習(xí)，能自動(dòng)對(duì)圖像進(jìn)行特征提取，獲取其三維信息，并對(duì)GGN進(jìn)行識(shí)別、定性；其次影像醫(yī)師對(duì)于微小GGN的稍高密度影肉眼不敏感容易遺漏，不能長(zhǎng)時(shí)間集中注意力不可避免的漏診。本研究結(jié)果顯示AI對(duì)惡性GGN診斷效能較弱，其原因?yàn)锳I的特異度很低，即對(duì)良性GGN的診斷能力很差，可能因AI訓(xùn)練時(shí)良性GGN病例數(shù)不夠，學(xué)習(xí)效果不佳，導(dǎo)致很多GGN誤判為惡性；但是AI診斷惡性GGN的敏感度高于影像醫(yī)師，影像醫(yī)師對(duì)于正確診斷良性GGN方面優(yōu)于AI，所以AI聯(lián)合影像醫(yī)師診斷可以提高GGN的總體診斷效能。

敏感度高的檢測(cè)或診斷方法適用于若發(fā)生漏診則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果，或者用于篩查發(fā)病率低的人群[3]。蔡雅倩等[4]研究顯示AI和住院醫(yī)師檢出GGN的敏感度分別為93.98%、65.20%，與本研究AI檢出GGN的敏感度94.8%相似，但本研究醫(yī)師檢出GGN的敏感度更高為85.1%，原因可能為分組不一致，本研究的醫(yī)師組為住院醫(yī)師檢測(cè)GGN后并由高年資醫(yī)師審核。本研究AI假陽性率為每例胸部CT 0.14個(gè)結(jié)節(jié)，假陽性GGN主要表現(xiàn)為少許炎癥、小葉中央結(jié)構(gòu)、血管分叉聚集及迂曲偽影，以往少有文獻(xiàn)報(bào)道。李甜等[5]研究顯示AI和醫(yī)師診斷惡性GGN的敏感度分別為91.5%、87.2%，特異度分別為57.1%、85.7%；其敏感度稍低于本研究結(jié)果，特異度較明顯高于本研究，原因可能為深度學(xué)習(xí)模型的算法不同及樣本量不同。本研究AI診斷GGN的特異度很低，如果僅參考AI檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行隨訪甚至手術(shù)治療，會(huì)浪費(fèi)醫(yī)療資源、可能造成患者恐慌和焦慮，對(duì)這些結(jié)節(jié)進(jìn)一步分析是否需要臨床干預(yù)是醫(yī)師所面臨的問題；故AI對(duì)于良性GGN的診斷訓(xùn)練也應(yīng)該加強(qiáng)。

GGN在高分辨胸部CT上表現(xiàn)為局灶性云霧狀稍高密度影，又可以看到穿行其內(nèi)的血管和支氣管影，混合型GGN內(nèi)可見局灶結(jié)節(jié)狀軟組織密度影。GGN的病理結(jié)果可能為局灶炎癥、局灶性纖維化等良性病變，也可能為不典型腺瘤樣增生、原位腺癌、微浸潤(rùn)性腺癌或浸潤(rùn)性腺癌[6]；既往研究表明，持續(xù)存在的GGN具有很高的惡性風(fēng)險(xiǎn)[7]；但是不典型腺瘤樣增生、原位腺癌和微浸潤(rùn)性腺癌等浸潤(rùn)前病變術(shù)后5年生存率可接近100%[8-9]，因此早診斷、早治療顯得尤為重要。本研究使用的AI軟件基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可自動(dòng)選擇最佳三維圖像特征，獲得更多的肺結(jié)節(jié)特征，得到更高的檢出率和更準(zhǔn)確的定性診斷能力。蔡雅倩等[4]的研究表明AI聯(lián)合醫(yī)師診斷與醫(yī)師單獨(dú)診斷1例胸部CT所需平均時(shí)間分別為3.6 min、7.1 min，說明AI可以加快醫(yī)師的診斷速度。雖然有很多關(guān)于人工智能取代影像科醫(yī)生的推測(cè)，但目前人工智能在放射學(xué)中的大多數(shù)應(yīng)用是作為影像科醫(yī)生的助手[10]。近年來人工智能技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[11-13]，其快速的檢測(cè)、診斷速度和長(zhǎng)時(shí)間高精度工作的優(yōu)勢(shì)[14-15]，可以有效緩解影像醫(yī)師閱片診斷的壓力，將時(shí)間用于和患者溝通、與臨床醫(yī)師會(huì)診等。本研究證實(shí)AI聯(lián)合影像醫(yī)師診斷GGN的效能高于AI或影像醫(yī)師單獨(dú)診斷，一方面AI對(duì)于GGN的檢出和惡性結(jié)節(jié)診斷具有很高的敏感度避免結(jié)節(jié)漏診，另一方面影像醫(yī)師可以利用多平面重建等觀察結(jié)節(jié)的大小、形態(tài)、邊緣、密度、與支氣管和血管的關(guān)系進(jìn)行綜合判斷[16]，故我們建議影像醫(yī)師診斷工作中可參考AI的診斷結(jié)果。

本研究的局限性：(1)回顧性的收集肺GGN手術(shù)病例，存在一定的選擇性偏倚；(2)由于原位癌、微浸潤(rùn)性腺癌可發(fā)展為浸潤(rùn)性腺癌，故本研究將病理結(jié)果為原位癌、微浸潤(rùn)性腺癌的GGN納入惡性組中，可能存在一定的分組偏倚。

綜上所述，AI檢測(cè)GGN的敏感度較高，且AI假陽性率很低。AI診斷惡性肺結(jié)節(jié)的敏感度高于影像醫(yī)師，AI聯(lián)合影像醫(yī)師診斷GGN的效能高于AI或影像醫(yī)師單獨(dú)診斷；因此，建議AI聯(lián)合影像醫(yī)師共同檢出和診斷GGN。