人工智能在兒童骨齡X線影像診斷中的應(yīng)用研究

李彬，林家健，林育成，寧麗潔，程愛珍

［廣東醫(yī)科大學(xué)順德婦女兒童醫(yī)院（佛山市順德區(qū)婦幼保健院）放射科，廣東 佛山 528300］

在兒科中，兒童的骨齡與生活年齡的不同對(duì)監(jiān)測(cè)與診治兒童生長(zhǎng)和內(nèi)分泌紊亂等有著極其重要的意義。現(xiàn)階段，計(jì)分法、圖譜法均為臨床評(píng)測(cè)骨齡的常用方法，其中圖譜法的操作較為簡(jiǎn)單，可將兒童手腕部作為骨齡評(píng)測(cè)的依據(jù)，但一些疾病對(duì)其手腕部不同骨骼的影響也不同。計(jì)分法包括手腕骨、掌指骨骨齡計(jì)分法兩種［1］。目前，臨床已有研究指出對(duì)掌指骨骨齡進(jìn)行評(píng)測(cè)的人工智能（AI）系統(tǒng)，但鮮有研究涉及手腕骨骨齡，而手腕骨骨齡對(duì)于兒童生長(zhǎng)緩慢、性早熟等診斷具有一定價(jià)值［2］。鑒于此，本研究分析了AI 在兒童左手骨骨齡X 線影像診斷中的應(yīng)用效果，旨在為臨床提供更全面、有效的參考依據(jù)，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2020 年4 月至2021 年1 月期間廣東醫(yī)科大學(xué)順德婦女兒童醫(yī)院兒童保健科提供的需要X 線骨齡診斷的120 例兒童左手骨齡片，其中男童20例，女童100 例；年齡5～12 歲，平均（8.69±2.10）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①兒童年齡5～12 歲；②左手（包含左手指骨、腕骨、尺橈骨遠(yuǎn)側(cè)骨干3～4 cm）正位骨齡數(shù)字化X 線攝影片；③手部位擺放正確，無骨骺缺失。排除標(biāo)準(zhǔn)：①嚴(yán)重骨畸形；②拍攝位置不佳。

1.2 方法

1.2.1 攝片方法 采用放射科DR X 線機(jī)按下列要求拍攝左手后前位X 線片：①指導(dǎo)兒童將左手掌緊貼在平板上，將五指自然分開，拇指和食指保持30°角，中指和橈尺骨中軸保持在一條直線上；②將腕部充分暴露出來，同時(shí)橈骨和尺骨遠(yuǎn)端暴露≥3 cm；③將骨齡片通過DICOM 格式導(dǎo)入PACS系統(tǒng)中。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)組 采用X 線骨齡評(píng)測(cè)法，邀請(qǐng)放射科已接受Greulich-Pyle 手腕骨骨齡圖譜法（GP 圖譜法）培訓(xùn)的2 名高年資、經(jīng)驗(yàn)豐富放射科診斷醫(yī)師，對(duì)120 例X 線骨齡片采用GP 圖譜法進(jìn)行診斷，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)參考以二者診斷結(jié)果的均值為參考標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)仔細(xì)記錄評(píng)測(cè)時(shí)間。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)組 采用AI 評(píng)測(cè)骨齡，即采用深瑞醫(yī)療的人工智能系統(tǒng)軟件分析同樣的120 例DICOM骨齡片，以評(píng)測(cè)的R 系骨齡作為診斷，同時(shí)仔細(xì)記錄評(píng)測(cè)時(shí)間。

1.3 觀察指標(biāo)

比較兩組骨齡評(píng)測(cè)時(shí)間，兩組左手骨齡、左手骨成熟度分值及不同年齡段兒童左手骨齡的平均絕對(duì)誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE），同時(shí)通過組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）評(píng)估兩組評(píng)測(cè)骨齡的一致性。AI、X 線骨齡診斷與參考標(biāo)準(zhǔn)的診斷相差≤6 個(gè)月可以認(rèn)定為診斷符合。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 20.0 軟件或EXCEL 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析診斷結(jié)果，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，計(jì)量資料組間比較采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以百分率（%）表示，計(jì)數(shù)資料組間比較采用χ2檢驗(yàn)。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組左手骨齡評(píng)測(cè)時(shí)間比較

實(shí)驗(yàn)組骨齡評(píng)測(cè)時(shí)間為（0.35±0.12）s，較標(biāo)準(zhǔn)組［（140.35±12.10）s］更短，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=126.740,P=0.000）。

2.2 兩組左手骨齡MAE、RMSE 比較

實(shí)驗(yàn)組左手骨齡MAE、RMSE 均低于標(biāo)準(zhǔn)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表1。

表1 兩組左手骨齡MAE、RMSE 比較（n=120,±s）

表1 兩組左手骨齡MAE、RMSE 比較（n=120,±s）

2.3 兩組左手骨成熟度分值MAE、RMSE 比較

實(shí)驗(yàn)組左手骨成熟度分值MAE、RMSE 均低于標(biāo)準(zhǔn)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表2。

表2 兩組左手骨成熟度分值MAE、RMSE 比較（n=120,±s）

表2 兩組左手骨成熟度分值MAE、RMSE 比較（n=120,±s）

2.4 兩組不同年齡段左手骨齡MAE、RMSE比較

實(shí)驗(yàn)組5～8 歲、9～12 歲年齡段左手骨齡MAE、RMSE 均低于標(biāo)準(zhǔn)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表3。

表3 兩組不同年齡段左手骨齡MAE、RMSE 比較（±s）

表3 兩組不同年齡段左手骨齡MAE、RMSE 比較（±s）

2.5 兩組評(píng)測(cè)左手骨齡的一致性比較

兩組左手骨齡評(píng)測(cè)結(jié)果的ICC 為0.998，95%CI（0.996～0.998）。

3 討論

兒童左手骨早期發(fā)育階段于X 線片上的表現(xiàn)為多個(gè)密集的點(diǎn)（手腕骨）與略分散的點(diǎn)（掌指骨），且隨著發(fā)育而持續(xù)增大，最終會(huì)增長(zhǎng)到特定的形狀與最佳大?。?］。和長(zhǎng)骨發(fā)育有所不同的是，左手骨于青春期前的發(fā)育速度較快，女孩發(fā)育較早，通常在11 歲左右便已接近成熟，而男孩則需在13 歲左右［4］。因左手骨發(fā)育階段及分期存在一定個(gè)體差異性，有專家不建議單純借助腕骨來評(píng)測(cè)兒童的骨齡，特別是年齡稍大的兒童，建議借助長(zhǎng)骨來評(píng)測(cè)，所有結(jié)合掌指骨的發(fā)育情況來評(píng)測(cè)兒童骨齡的準(zhǔn)確度更高［5-6］。

臨床上評(píng)測(cè)骨齡的方法包括圖譜法、計(jì)分法、骨化中心計(jì)數(shù)法以及骨骺出現(xiàn)和閉合年齡法4 種。圖譜法是將被測(cè)者骨齡片和標(biāo)準(zhǔn)圖譜相對(duì)照而得出骨齡，既涉及到骨化中心所出現(xiàn)的數(shù)量，也考慮到形態(tài)大小及各骨的發(fā)育狀態(tài)，有著便捷、明確等特點(diǎn)，近年來在國(guó)際上的應(yīng)用率較高。計(jì)分法是按各骨發(fā)育階段及所對(duì)應(yīng)分值進(jìn)行計(jì)分，然后按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)骨齡進(jìn)行計(jì)分，屬于現(xiàn)階段國(guó)際評(píng)測(cè)骨齡的最基本也是最準(zhǔn)確的方法。骨化中心計(jì)數(shù)法是在觀察單或多部位繼發(fā)骨化中心所出現(xiàn)的時(shí)間、數(shù)量以及成熟度特征來評(píng)測(cè)骨骼發(fā)育情況，但存在適用年齡段小、誤差大等缺點(diǎn)，現(xiàn)已基本被臨床淘汰。骨骺出現(xiàn)和閉合年齡法主要通過查圖表獲得骨齡，具有省時(shí)、便捷等優(yōu)點(diǎn)，但也存在投照部位多、評(píng)測(cè)結(jié)果不精準(zhǔn)等缺點(diǎn)［7］。所以，目前臨床上主要應(yīng)用的骨齡評(píng)測(cè)方法僅為GP 圖譜法、TW3 法兩種。本研究就采用GP 圖譜法對(duì)120 例兒童左手骨齡片進(jìn)行評(píng)測(cè)，并以此作為參考標(biāo)準(zhǔn)，分析AI 在兒童骨齡X 線影像中的應(yīng)用效果。

AI 屬于一門基于多學(xué)科的新興技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)、哲學(xué)及心理學(xué)等，近年來隨著醫(yī)學(xué)水平的快速發(fā)展，AI 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用率逐漸上升，涉及AI 醫(yī)學(xué)影像學(xué)、AI 健康管理、AI 輔助診斷、AI 疾病預(yù)測(cè)以及AI 藥物研發(fā)等［8］。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)組骨齡評(píng)測(cè)時(shí)間較標(biāo)準(zhǔn)組更短，提示對(duì)兒童骨齡X 線片采用AI 進(jìn)行評(píng)測(cè)的速度更快。究其原因在于AI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化骨齡評(píng)測(cè)，加之臨床在評(píng)測(cè)手腕骨發(fā)育等級(jí)時(shí)需醫(yī)師人工來完成，這也在很大程度上增加了骨齡評(píng)測(cè)時(shí)間，所以AI 評(píng)測(cè)兒童骨齡的時(shí)間較短。

本研究還發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)組左手骨齡、左手骨成熟度分值及不同年齡段左手骨齡的MAE、RMSE均明顯低于標(biāo)準(zhǔn)組；兩組左手骨齡評(píng)測(cè)結(jié)果的ICC為0.998，95%CI（0.996～0.998）。提示對(duì)兒童骨齡X 線片采用AI 進(jìn)行評(píng)測(cè)的準(zhǔn)確度較高。這與康敏等［9］的研究結(jié)果基本一致。究其原因在于AI 骨齡評(píng)測(cè)系統(tǒng)可有效地區(qū)分不同位置的手腕骨（也包含重疊位置），從而更準(zhǔn)確地評(píng)測(cè)兒童左手骨齡、成熟度及不同年齡兒童骨齡的差異性，提高其與參考標(biāo)準(zhǔn)的一致性［10］。

本研究也存在一定不足之處：①僅拍攝左手骨齡X 線片，評(píng)測(cè)部位較為局限；②樣本數(shù)量較少；③左手骨齡數(shù)據(jù)基本為本地區(qū)兒童，地域來源相對(duì)單一。因此，還需臨床增加評(píng)測(cè)部位、增大樣本數(shù)量及擴(kuò)大研究地域作進(jìn)一步探討。

綜上所述，AI 可快速且準(zhǔn)確地評(píng)測(cè)兒童左手骨齡，具有臨床推廣和應(yīng)用價(jià)值。