數(shù)字肺系統(tǒng)對(duì)肺小結(jié)節(jié)的鑒別診斷價(jià)值

李劍鋒，吳曉瑭，何 喜

(1.唐山市人民醫(yī)院胸外科，河北 唐山 063000； 2.上海藥物轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，上海 200000)

肺癌由于在早期缺乏臨床癥狀，容易造成漏診和誤診，使患者錯(cuò)過(guò)最佳治療期[1]。當(dāng)肺癌發(fā)展到晚期時(shí)，患者的生存則會(huì)被大大縮短，大部分的晚期肺癌患者其生存時(shí)長(zhǎng)不足1年[2]。處于早期的非小細(xì)胞肺癌患者經(jīng)手術(shù)治療后5年生存率高達(dá)70%～90%，然而僅有25%左右的非小細(xì)胞肺癌患者能夠在早期被及時(shí)診斷[3]。因此在肺癌的診斷方面，需要開(kāi)發(fā)完善新的診斷方法以提高肺癌的早期診斷率。惡性肺結(jié)節(jié)有著較高的癌變風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)診斷發(fā)現(xiàn)惡性肺結(jié)節(jié)并治療能夠提高患者的生存率[4]。近年來(lái)胸部CT的發(fā)展在一定程度上改善了肺結(jié)節(jié)的識(shí)別率，然而一項(xiàng)研究[5]指出依舊有44%的良性結(jié)節(jié)患者進(jìn)行了一次或多次的侵襲性治療，這從側(cè)面說(shuō)明了肺結(jié)節(jié)的診斷準(zhǔn)確性有待提高。

已有相關(guān)研究[6]表明利用人工智能(AI)技術(shù)能夠協(xié)助醫(yī)生對(duì)大量的CT圖像進(jìn)行篩查并辨別可疑的肺癌病變。另外也有研究[7]利用AI技術(shù)對(duì)肺癌TNM分期進(jìn)行篩選鑒別，其T分期、N分期、M分期的準(zhǔn)確率分別為72%、78%和94%。深度學(xué)習(xí)算法作為AI技術(shù)的算法基礎(chǔ)，能夠有效應(yīng)用在病理影像學(xué)分析領(lǐng)域，如確認(rèn)瘤形成、檢測(cè)癌病灶轉(zhuǎn)移等[8]。然而關(guān)于AI技術(shù)對(duì)于肺結(jié)節(jié)性質(zhì)的識(shí)別的研究還較少，因此本研究采用AI技術(shù)——數(shù)字肺系統(tǒng)診斷工具鑒別肺小結(jié)節(jié)的良惡性，并探討其對(duì)肺癌的診斷價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

收集2019年1月至2020年1月在唐山市人民醫(yī)院進(jìn)行胸部CT掃描后發(fā)現(xiàn)肺小結(jié)節(jié)，并取得病理結(jié)果的97例患者進(jìn)行臨床研究。將納入研究的患者胸部CT圖像導(dǎo)入數(shù)字肺系統(tǒng)診斷工具進(jìn)行分析，同時(shí)將納入研究的患者胸部CT圖像導(dǎo)入飛利浦IntelliSpace Portal v4.5.6.52040肺小結(jié)節(jié)CAD軟件配合2名中級(jí)放射科醫(yī)生完成人工診斷。比較數(shù)字肺系統(tǒng)診斷肺小結(jié)節(jié)和病理結(jié)果診斷肺小結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性、敏感性、特異性、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值和陰性預(yù)測(cè)值的差異。得出飛利浦肺小結(jié)節(jié)CAD軟件配合2名中級(jí)放射科醫(yī)生對(duì)肺小結(jié)節(jié)的診斷結(jié)果，包括準(zhǔn)確性、敏感性、特異性、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值和陰性預(yù)測(cè)值。從不同的角度比較兩種鑒別診斷方法的準(zhǔn)確性、敏感性、特異性、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值和陰性預(yù)測(cè)值：1)按照結(jié)節(jié)病理類(lèi)型分組(良性組、浸潤(rùn)前病變組、浸潤(rùn)性腺癌組)；2)按照結(jié)節(jié)類(lèi)型分組(實(shí)性結(jié)節(jié)組、純磨玻璃結(jié)節(jié)組、混合性磨玻璃結(jié)節(jié)組)；3)按照結(jié)節(jié)大小分組(直徑≤1 cm、1 cm<直徑≤2 cm)?？偨Y(jié)良性組、浸潤(rùn)前病變組、浸潤(rùn)性腺癌組肺小結(jié)節(jié)影像學(xué)特征的差異。

1.2 患者篩選標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：1)經(jīng)肺部CT掃描可見(jiàn)患者肺部有至少1個(gè)直徑≤2 cm的結(jié)節(jié)；2)肺小結(jié)節(jié)病理結(jié)果提示為良性或者肺腺癌；3)具有完整的胸部CT檢查圖像。

排除標(biāo)準(zhǔn)：1)有既往腫瘤病史的患者；2)患有冠心病、慢性阻塞性肺疾病、腦梗死等基礎(chǔ)疾??；3)CT圖像顯示有明顯轉(zhuǎn)移征象的患者。

1.3 CT圖像采集方式及設(shè)備

采用本院動(dòng)態(tài)寶石能譜CT行全胸增強(qiáng)掃描。掃描范圍：自胸腔入口到橫膈；掃描方向：頭足方向。CT檢查前的患者準(zhǔn)備：訓(xùn)練患者呼吸運(yùn)動(dòng)功能，使患者能夠最大限度地將各級(jí)支氣管打開(kāi)，從而減少對(duì)所采集的圖像及數(shù)據(jù)造成影響。肺掃描參數(shù)：管電壓120 kV，管電流300 mA，層厚5 mm，層距5 mm。造影劑參數(shù)：流速3 mL·s-1，總量：70～80 g。掃描采用延遲掃描技術(shù)：動(dòng)脈期25 ms，靜脈期25 ms?；颊唧w位：患者在進(jìn)行CT掃描時(shí)采用仰臥位，同時(shí)將雙臂沿頭的方向抬起并伸直，在掃描過(guò)程中患者行最大呼氣后屏氣，隨后完成胸部CT掃描。

1.4 胸部CT圖像分析方法

1)將納入研究的肺小結(jié)節(jié)圖像導(dǎo)入數(shù)字肺系統(tǒng)診斷工具(圖1)進(jìn)行分析，記錄肺小結(jié)節(jié)的良惡性、長(zhǎng)徑、容積、固形比、毛玻璃比、鈣化率、平均密度、標(biāo)準(zhǔn)差、小葉征和毛刺征的結(jié)果。2)將納入研究的肺小結(jié)節(jié)圖像導(dǎo)入飛利浦CAD軟件配合2名中級(jí)放射科醫(yī)生完成人工分析。利用CAD軟件勾畫(huà)結(jié)節(jié)，并記錄自動(dòng)獲取的結(jié)節(jié)指標(biāo)：最大直徑、有效直徑、體積；根據(jù)Fleischner協(xié)會(huì)2017年CT圖像的肺小結(jié)節(jié)測(cè)量方法[9]，在橫切面測(cè)量結(jié)節(jié)的長(zhǎng)度和直徑，測(cè)量并記錄混合磨玻璃結(jié)節(jié)中實(shí)體成分的長(zhǎng)度和直徑。

圖1 數(shù)字肺系統(tǒng)診斷工具界面

結(jié)節(jié)CT特征包括：1)結(jié)節(jié)性(實(shí)性結(jié)節(jié)、純磨玻璃結(jié)節(jié)、混合性磨玻璃結(jié)節(jié))，肺窗(窗寬1000～2000 hu，窗位450～500 hu，磨玻璃結(jié)節(jié)顯示可適當(dāng)降低)；2)長(zhǎng)徑(混合性磨玻璃結(jié)節(jié)需測(cè)量實(shí)體成分)；3)瘤肺界面(清晰、不清晰)；4)分葉征(圖2A)：結(jié)節(jié)輪廓不圓或橢圓形，表淺不均，多弧形；5)毛刺征(圖2A)：指胸部CT肺窗上由占位病灶邊緣向周?chē)螌?shí)質(zhì)延伸的放射狀、無(wú)小枝的細(xì)線影，與胸膜無(wú)關(guān)；6)胸膜凹陷征(圖2B)：指肺內(nèi)病變相鄰臟器層胸膜呈棘狀或喇叭狀，橫切面呈三角形凹陷，尖端指向病變，病變與索影相連的現(xiàn)象；7)空泡征(圖2C)：指肺小結(jié)節(jié)內(nèi)透光面積小，約2 mm，病理基礎(chǔ)主要是肺泡、擴(kuò)張、扭轉(zhuǎn)未閉合支氣管等未被病理組織破壞和替代的肺結(jié)構(gòu)支持，部分可為腫瘤壞死腔和含黏液的腺腔結(jié)構(gòu)；8)支氣管造影征象(圖2D)：指肺小結(jié)節(jié)內(nèi)明亮的支氣管征象；9)肺小結(jié)節(jié)內(nèi)的肺血管表現(xiàn)(血管叢生、扭曲或擴(kuò)張)。

A：分葉征、毛刺征；B：胸膜凹陷征；C：空泡征D：支氣管造影征。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。計(jì)數(shù)資料比較采用卡方檢驗(yàn)，P<0.05表明差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)字肺系統(tǒng)和CAD輔助人工的診斷結(jié)果

分別采用數(shù)字肺系統(tǒng)診斷工具和CAD輔助人工診斷對(duì)97例患者的肺小結(jié)節(jié)CT圖像進(jìn)行鑒別診斷。采用數(shù)字肺系統(tǒng)共識(shí)別出肺小結(jié)節(jié)CT圖像90例，準(zhǔn)確性為92.8%(90/97例)，采用CAD輔助人工診斷共識(shí)別出肺小結(jié)節(jié)CT圖像92例，準(zhǔn)確性為94.8%(92/97例)，組間比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=0.355，P=0.551)。詳見(jiàn)表1。

表1 數(shù)字肺系統(tǒng)診斷工具和CAD輔助人工診斷結(jié)果 n=97，%

2.2 按結(jié)節(jié)病理類(lèi)型分組比較兩種鑒別診斷方法的差異性

2.2.1 良性組兩種診斷方法的比較

病理結(jié)果顯示97例患者中共有72例良性肺小結(jié)節(jié)。其中數(shù)字肺系統(tǒng)診斷良性肺小結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為97.2%(70/72例)，CAD輔助人工診斷良性肺小結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為90.3%(65/72例)，詳見(jiàn)表2。采用數(shù)字肺系統(tǒng)診斷良性肺小結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性略高于CAD輔助人工診斷方式，但是組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=2.963，P=0.085)。

表2 良性組兩種診斷方法的比較 n=72，%

2.2.2 浸潤(rùn)前病變組兩種診斷方法的比較

病理結(jié)果顯示97例患者中共有11例浸潤(rùn)前病變患者。其中數(shù)字肺系統(tǒng)診斷浸潤(rùn)前病變肺小結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為90.9%(10/11例)，CAD輔助人工診斷浸潤(rùn)前病變肺小結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為72.7%(8/11例)，詳見(jiàn)表3。結(jié)果顯示采用數(shù)字肺系統(tǒng)診斷浸潤(rùn)前病變肺小結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性顯著高于CAD輔助人工診斷的準(zhǔn)確性(χ2=10.980，P=0.001)(由于樣本量過(guò)少，兩種方法對(duì)于診斷浸潤(rùn)前病變肺小結(jié)節(jié)的效率尚需進(jìn)一步的探討)。

表3 浸潤(rùn)前病變組兩種診斷方法的比較 n=11，%

2.2.3 浸潤(rùn)性腺癌組兩種診斷方法的比較

病理結(jié)果顯示97例患者中共有14例浸潤(rùn)性肺腺癌患者。其中數(shù)字肺系統(tǒng)診斷浸潤(rùn)性腺癌的準(zhǔn)確性為64.3%(9/14例)，CAD輔助人工診斷浸潤(rùn)性腺癌的準(zhǔn)確性為100.0%(14/14例)，詳見(jiàn)表4。

紅琴兩臂交叉地將兩手放在胸前，看著夕陽(yáng)西下，在風(fēng)中的陽(yáng)光泛著淡淡的桔黃色。金黃色的陽(yáng)光照著她青春的前額，還有憂傷的臉孔。她的眼神，她身上每一處微微哆嗦的肌膚，身體不住地顫抖，牙齒不住地打戰(zhàn)，頭也有點(diǎn)暈眩起來(lái)。這是一個(gè)幻覺(jué)，還是一場(chǎng)夢(mèng)魘？是一次道德淪喪的墮落，還是一場(chǎng)無(wú)法抗拒的情欲之劫？

表4 浸潤(rùn)性腺癌組兩種診斷方法的比較 n=14，%

結(jié)果表明采用CAD輔助人工診斷浸潤(rùn)性肺腺癌的準(zhǔn)確性要高于數(shù)字肺系統(tǒng)(χ2=6.087，P=0.014)，而兩種診斷方式對(duì)于浸潤(rùn)性肺腺癌的敏感性和特異性均不高。

2.3 按結(jié)節(jié)類(lèi)型分組比較兩種鑒別診斷方法的差異性

2.3.1 實(shí)性結(jié)節(jié)組兩種診斷方法的比較

病理結(jié)果顯示97例患者中共有46例實(shí)性結(jié)節(jié)。其中數(shù)字肺系統(tǒng)診斷實(shí)性結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為87.0%(40/46例)，CAD輔助人工診斷實(shí)性結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為91.3%(42/46例)，詳見(jiàn)表5。結(jié)果表明兩種診斷方法均能夠較準(zhǔn)確地鑒別實(shí)性結(jié)節(jié)，組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=0.449，P=0.503)。

表5 實(shí)性結(jié)節(jié)組兩種診斷方法的比較 n=46，%

2.3.2 純磨玻璃結(jié)節(jié)組兩種診斷方法的比較

病理結(jié)果顯示97例患者中共有21例純磨玻璃結(jié)節(jié)。其中數(shù)字肺系統(tǒng)診斷純磨玻璃結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為57.1%(12/21例)，CAD輔助人工診斷純磨玻璃結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為95.2%(20/21例)，詳見(jiàn)表6。結(jié)果表明采用CAD輔助人工對(duì)純磨玻璃結(jié)節(jié)能夠達(dá)到較為良好的診斷準(zhǔn)確率，優(yōu)于數(shù)字肺系統(tǒng)診斷工具(χ2=8.400，P=0.004)。

表6 純磨玻璃結(jié)節(jié)組兩種診斷方法的比較 n=21，%

2.3.3 混合性磨玻璃結(jié)節(jié)組兩種診斷方法的比較

病理結(jié)果顯示97例患者中共有30例混合性磨玻璃結(jié)節(jié)。其中數(shù)字肺系統(tǒng)診斷混合性磨玻璃結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為73.3%(22/30例)，CAD輔助人工診斷混合性磨玻璃結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為86.7%(26/30例)，詳見(jiàn)表7。結(jié)果表明兩種診斷方法均能夠較為準(zhǔn)確地診斷混合性磨玻璃結(jié)節(jié)，組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=1.667，P=0.197)。

表7 混合性磨玻璃結(jié)節(jié)組兩種診斷方法的比較 n=30，%

2.4 按結(jié)節(jié)大小分組比較兩種鑒別診斷方法的差異性

病理結(jié)果顯示97例患者中直徑≤1 cm的結(jié)節(jié)共有86例。其中數(shù)字肺系統(tǒng)診斷直徑≤1 cm的結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為98.8%(85/86例)，CAD輔助人工診斷直徑≤1 cm的結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為86.0%(74/86例)，詳見(jiàn)表8。結(jié)果表明數(shù)字肺系統(tǒng)能夠有效診斷直徑≤1 cm的結(jié)節(jié)(χ2=10.070，P=0.002)。

表8 直徑≤1 cm組兩種診斷方法的比較 n=86，%

2.4.2 1 cm<直徑≤2 cm組兩種診斷方法的比較

病理結(jié)果顯示97例患者中1 cm<直徑≤2 cm的結(jié)節(jié)共有11例。其中數(shù)字肺系統(tǒng)診斷1 cm<直徑≤2 cm的結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為81.8%(9/11例)，CAD輔助人工診斷1 cm<直徑≤2 cm的結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為100.0%(11/11例)，詳見(jiàn)表9。結(jié)果表明數(shù)字肺系統(tǒng)對(duì)1 cm<直徑≤2 cm的結(jié)節(jié)的診斷準(zhǔn)確性稍弱于CAD輔助人工診斷(χ2=2.200，P=0.138)。

表9 1 cm<直徑≤2 cm組兩種診斷方法的比較 n=11，%

2.5 良惡性肺小結(jié)節(jié)的影像學(xué)特征

良性的肺小結(jié)節(jié)多發(fā)生鈣化，且鈣化率較高，多呈點(diǎn)狀鈣化、爆米花狀或彌漫性鈣化。良性肺小結(jié)節(jié)的形狀較為多樣，可呈卵圓、扁平或管型。多數(shù)的良性肺小結(jié)節(jié)為無(wú)磨玻璃成分的實(shí)性結(jié)節(jié)。而惡性肺小結(jié)節(jié)多伴隨小葉征、空泡征、毛刺征或支氣管造影征。多數(shù)的惡性肺小結(jié)節(jié)為非實(shí)質(zhì)成分。11例浸潤(rùn)前病變患者和14例浸潤(rùn)性肺腺癌患者中，CT影像顯示伴隨小葉征的惡性肺小結(jié)節(jié)共20例，伴隨空泡征的惡性肺小結(jié)節(jié)共15例，伴隨毛刺征的惡性肺小結(jié)節(jié)共17例，伴隨支氣管造影征的惡性肺小結(jié)節(jié)共22例。

3 討論

惡性肺結(jié)節(jié)在病理上常提示為早期肺癌，其中混合性磨玻璃結(jié)節(jié)的惡性概率最高[10]。因此準(zhǔn)確診斷肺結(jié)節(jié)的種類(lèi)性質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)肺癌的早期篩選。相關(guān)研究[11]發(fā)現(xiàn)采用PET-CT能夠較為有效地對(duì)小結(jié)節(jié)或者單發(fā)結(jié)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。而計(jì)算機(jī)輔助診斷被認(rèn)為具有相當(dāng)大的潛力能夠完成對(duì)肺結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確鑒別和診斷[12]。本研究主要探討了數(shù)字肺系統(tǒng)這一人工智能肺結(jié)節(jié)診斷工具對(duì)于單發(fā)性肺小結(jié)節(jié)的診斷效率。

相關(guān)研究[13]利用局部薄層CT提取肺結(jié)節(jié)的影像學(xué)特征，然后通過(guò)機(jī)器深度學(xué)習(xí)之后對(duì)肺結(jié)節(jié)加以鑒別診斷，其總準(zhǔn)確率最高可達(dá)79%，陽(yáng)性預(yù)測(cè)值為80%。本研究中總結(jié)了兩種鑒別診斷方法的準(zhǔn)確性，其中數(shù)字肺系統(tǒng)診斷肺小結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性為92.8%，而CAD輔助人工診斷的準(zhǔn)確性稍高，為94.8%，準(zhǔn)確率等的差異可能是由于人工智能技術(shù)在基于影像學(xué)的肺部疾病診斷上受到學(xué)習(xí)樣本和算法的影響。此外，也有研究表明利用人工智能檢測(cè)早期肺結(jié)節(jié)能夠得到92.4%和94.8%敏感性和特異性[14]。本研究中數(shù)字肺系統(tǒng)診斷肺小結(jié)節(jié)的敏感性和特異性均不高，僅為78.2%和76.8%；然而進(jìn)一步對(duì)不同類(lèi)型的肺小結(jié)節(jié)進(jìn)行診斷后發(fā)現(xiàn)，數(shù)字肺系統(tǒng)對(duì)直徑<1 cm的肺小結(jié)節(jié)的敏感性和特異性較高，達(dá)到了94.0%和96.3%，這可能是相較于人工診斷，數(shù)字肺系統(tǒng)在鑒別直徑<1 cm的肺小結(jié)節(jié)時(shí)很難被血管斷面在水平軸上的投影或其他潛在的干擾因素所影響。

在診斷浸潤(rùn)前病變肺小結(jié)節(jié)以及直徑<1 cm的肺小結(jié)節(jié)方面，數(shù)字肺系統(tǒng)展現(xiàn)出優(yōu)異的準(zhǔn)確性，均高于CAD輔助人工診斷。然而對(duì)于識(shí)別浸潤(rùn)性腺癌，數(shù)字肺系統(tǒng)仍然有較大的局限性，其準(zhǔn)確性較低僅有64.3%，低于CAD輔助人工診斷的100.0%。造成這種差異的最主要因素在于人工診斷相比于人工智能技術(shù)有更豐富的經(jīng)驗(yàn)，其次可能是由于數(shù)字肺系統(tǒng)對(duì)浸潤(rùn)性腺癌的學(xué)習(xí)不足，今后可進(jìn)一步提高浸潤(rùn)性腺癌學(xué)習(xí)樣本的質(zhì)量，增加數(shù)字肺系統(tǒng)對(duì)浸潤(rùn)性腺癌的學(xué)習(xí)次數(shù)，以觀察數(shù)字肺系統(tǒng)診斷浸潤(rùn)性腺癌的準(zhǔn)確性的變化。

總之，使用數(shù)字肺系統(tǒng)進(jìn)行肺小結(jié)節(jié)輔助診斷能夠在一定程度上提高人工診斷的準(zhǔn)確性，主要體現(xiàn)在對(duì)浸潤(rùn)前病變肺小結(jié)節(jié)以及直徑<1 cm的肺小結(jié)節(jié)的診斷上。然而鑒別診斷的總體準(zhǔn)確性依舊需要提高。