AI結(jié)合低劑量CT掃描在體檢人員肺小結(jié)節(jié)篩查中的應(yīng)用

朱紅偉，馬士華，康文杰，趙亞楠，崔靖，胡政乾，邢辰，周志強(qiáng)，崔銥婕

1.保定市第二醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，河北 保定 070151；2.保定市第一醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，河北 保定 070151；3.保定市慈惠健康體檢門(mén)診部 影像科，河北 保定 070151

引言

肺癌是我國(guó)常見(jiàn)的呼吸道惡性腫瘤，具有較高的致死率，嚴(yán)重威脅人們的身體健康[1-3]。研究表明，肺結(jié)節(jié)是一種肉芽腫性疾病，也是肺部腫瘤的早期表現(xiàn)，不明原因的肺部腫瘤早期病變中多伴有孤立性肺結(jié)節(jié)，早期發(fā)現(xiàn)并診斷肺結(jié)節(jié)對(duì)預(yù)防和治療肺癌有積極的意義[4]。目前臨床常用的診斷方法是胸部CT檢查結(jié)合人工智能技術(shù)（Artificial Intelligence，AI）。胸部CT對(duì)檢測(cè)肺結(jié)節(jié)有良好的效果，通過(guò)AI技術(shù)對(duì)CT成像進(jìn)行篩查和標(biāo)記，標(biāo)記可能的病變部位，可極大地提高肺癌的早期篩查和診斷效率[5-8]。但近年來(lái)，隨著CT使用越來(lái)越廣泛，CT檢查所要求的較大輻射劑量也引起了人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注[9-11]，且目前臨床對(duì)低劑量CT掃描尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?；诖耍狙芯恐荚谔接慉I技術(shù)結(jié)合低劑量CT掃描在體檢人員肺小結(jié)節(jié)篩查中的應(yīng)用效果，以期為影像醫(yī)師結(jié)合AI技術(shù)提高肺小結(jié)節(jié)診斷效率提供一定的理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

前瞻性選取2020年1月至2021年1月在我院進(jìn)行健康體檢的疑似肺小結(jié)節(jié)患者350例，根據(jù)CT掃描劑量分為觀察組與對(duì)照組，每組175例，納入標(biāo)準(zhǔn)：① 入組對(duì)象均有肺門(mén)增大、局部腫脹、疼痛、乏力、咳嗽和皮膚損害等臨床表現(xiàn)；② 所有患者均接受肺結(jié)節(jié)的篩查。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 合并其他惡性腫瘤；② 對(duì)造影劑過(guò)敏或不耐受；③ 肝腎功能不全；④ 有精神疾病史。對(duì)照組：男性98例，女性77例；年齡30～51歲，平均年齡（40.36±5.23）歲；體質(zhì)指數(shù)20～28 kg/m2，平均體質(zhì)指數(shù)（23.66±2.15）kg/m2。觀察組：男性100例，女性75例；年齡30～51歲，平均年齡（40.12±5.39）歲；體質(zhì)指數(shù)19～28 kg/m2，平均體質(zhì)指數(shù)（23.35±2.39）kg/m2。兩組患者性別、年齡和體質(zhì)指數(shù)比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。研究已經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)通過(guò)，患者及家屬對(duì)掃描方案知情同意并簽署知情同意書(shū)。

1.2 掃描方法

所有患者均行64層螺旋CT掃描，儀器選用飛利浦Brilliance 64，患者取仰臥位，自肺尖至肺底，兩側(cè)至腋窩，患者吸氣后屏氣，保持屏氣狀態(tài)7～11 s完成胸部掃描。設(shè)置兩組患者的掃描參數(shù)：① 對(duì)照組患者予以常規(guī)CT掃描劑量，儀器參數(shù)：電流設(shè)置為150 mA，管電壓設(shè)置為120 kV，螺距1.0，層厚7 mm，準(zhǔn)直參數(shù)0.6 mm；② 觀察組患者予以低劑量CT掃描劑量，儀器參數(shù)：電流設(shè)置為50 mA，管電壓設(shè)置為120 kV，螺距1.0，層厚7 mm，準(zhǔn)直參數(shù)0.6 mm。

1.3 閱片方法

兩組患者掃描結(jié)束后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行薄層重建等處理，將圖像上傳至工作站進(jìn)行分析。所有數(shù)據(jù)分別由人工與AI技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)應(yīng)分組為常規(guī)劑量CT組、低劑量CT組、AI技術(shù)+常規(guī)劑量CT組和AI技術(shù)+低劑量CT組，其中常規(guī)劑量CT組與低劑量CT組為人工閱片。人工分析由2名對(duì)肺小結(jié)節(jié)診斷有經(jīng)驗(yàn)的主治級(jí)別以上影像學(xué)醫(yī)師采用雙盲法對(duì)胸部上、中、下3個(gè)層面圖像進(jìn)行獨(dú)立閱片，意見(jiàn)不一致時(shí)請(qǐng)示上級(jí)醫(yī)師進(jìn)行研究后得出統(tǒng)一結(jié)論；AI技術(shù)分析采用推想科技有限公司提供的推想科技AI影像輔助篩查系統(tǒng)，將CT原始數(shù)據(jù)和影像上傳至診斷工作站，在后臺(tái)自動(dòng)分析和標(biāo)識(shí)結(jié)節(jié)，統(tǒng)計(jì)自動(dòng)識(shí)別區(qū)域病灶的數(shù)目。

1.4 觀察指標(biāo)

1.4.1 4組肺結(jié)節(jié)檢出情況比較和檢出時(shí)間比較

分別記錄4組患者肺結(jié)節(jié)檢測(cè)個(gè)數(shù)與閱片時(shí)間，以病理學(xué)結(jié)果作為診斷金標(biāo)準(zhǔn)，比較4組患者肺結(jié)節(jié)中肺結(jié)節(jié)診斷的準(zhǔn)確率和檢出時(shí)間。

1.4.2 觀察組和對(duì)照組患者的CT掃描劑量和圖像質(zhì)量比較

CT掃描劑量采用預(yù)設(shè)掃描條件[12-13]對(duì)劑量長(zhǎng)度乘積（Dose Length Product，DLP）、有效管球劑量、總管球劑量和CT容積劑量指數(shù)、CT容積劑量指數(shù)（Volume CT Dosimetry Index，CTDIvol）等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。使用圖像質(zhì)量評(píng)分法評(píng)價(jià)兩組圖像質(zhì)量[14-15]，分值范圍為0～3分，0分：圖像偽影較大、模糊不清、噪聲大；1分：圖像勉強(qiáng)清楚、有偽影、較大噪聲；2分：圖像比較清楚、偽影少、噪聲較?。?分：圖像清楚、無(wú)偽影、噪聲較小。

1.4.3 觀察組和對(duì)照組患者肺結(jié)節(jié)形態(tài)學(xué)特征比較

（1）肺結(jié)節(jié)分葉：腫塊的輪廓表面呈現(xiàn)凹凸不平的多個(gè)弧形，形似多個(gè)結(jié)節(jié)融合而成。

（2）毛刺：肺結(jié)節(jié)周?chē)穸绦∶芏仍龈叩拿虡痈淖儭?/p>

（3）鈣化：彌漫性分布的鈣化或者整個(gè)結(jié)節(jié)近乎完全鈣化，分層或者中央巢樣分布的鈣化。

（4）空泡：病灶內(nèi)可見(jiàn)1～2 mm的點(diǎn)狀透亮影。

（5）支氣管征：上下層連續(xù)、長(zhǎng)條或分支狀、與支氣管相關(guān)或血管伴行的小透亮影。

（6）胸膜凹陷癥：規(guī)則線條影自結(jié)節(jié)牽拉胸膜，胸膜凹入形成典型喇叭口狀。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，滿(mǎn)足正態(tài)分布且方差齊的計(jì)量資料采用±s表示，組間比較采用兩樣本獨(dú)立t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料用n（%）表示，采用χ2檢驗(yàn)，采用單因素方差分析比較4組間差異性，兩兩比較采用Bonferroni檢驗(yàn)，4組診斷效能采用Kappa一致性分析（優(yōu)：0.81～1.00，良：0.61～0.80，中：0.41～0.60；一般：0.21～0.40；差：≤0.20），以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 4組肺結(jié)節(jié)檢出情況比較

對(duì)入組病例中肺結(jié)節(jié)檢出率為陽(yáng)性患者行病理學(xué)活檢，并將其作為兩組診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，觀察組（常規(guī)劑量CT組與AI技術(shù)+常規(guī)劑量CT組）為22例（12.57%），對(duì)照組（低劑量CT組與AI技術(shù)+低劑量CT組）為30例（17.14%）。常規(guī)劑量CT組、低劑量CT組、AI技術(shù)+常規(guī)劑量CT組和AI技術(shù)+低劑量CT組肺結(jié)節(jié)檢出率比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），Kappa值分別為0.738、0.722、0.742和0.756，見(jiàn)表1。

表1 4組肺結(jié)節(jié)檢出情況比較（n=175）

2.2 4組結(jié)節(jié)檢出時(shí)間比較

常規(guī)劑量CT組與低劑量CT組是人工閱片，受影像學(xué)分析復(fù)雜性和結(jié)節(jié)診斷難易程度影響，平均閱片時(shí)間的差異比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=1.461，P=0.145）；人工閱片組篩查者對(duì)閱片時(shí)間差異較大，平均時(shí)間為（498.37±116.74）s；此外，連續(xù)閱片30份后平均時(shí)間增加為（587.35±124.39）s。AI技術(shù)+常規(guī)劑量CT組與AI技術(shù)+低劑量CT組檢測(cè)肺結(jié)節(jié)的平均時(shí)間隨閱片時(shí)間增加，其閱片速度無(wú)明顯變化。AI智能技術(shù)閱片時(shí)間[（144.31±31.77）s]顯著短于人工閱片時(shí)間 [（444.63±105.98）s]（t=35.908，P＜0.001），見(jiàn)表 2。

表2 4組結(jié)節(jié)檢出時(shí)間比較（n=175，±s，s）

表2 4組結(jié)節(jié)檢出時(shí)間比較（n=175，±s，s）

注：與常規(guī)劑量CT組比較，aP＜0.05；與AI技術(shù)+常規(guī)劑量CT組比較，bP＜0.05；與低劑量CT組比較，cP＜0.05。

組別 平均閱片時(shí)間常規(guī)劑量CT組 452.61±103.44 AI技術(shù)+常規(guī)劑量CT組 145.37±30.69a低劑量CT組 436.65±100.87b AI技術(shù)+低劑量CT組 143.24±31.55ac F值 719.907 P值 ＜0.001

2.3 觀察組與對(duì)照組掃描劑量和圖像質(zhì)量比較

觀察組各項(xiàng)掃描輻射劑量參數(shù)（DLP、有效管球劑量、總管球劑量和CTDIvol）均明顯低于對(duì)照組（P＜0.05），但兩組患者圖像質(zhì)量評(píng)分無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），見(jiàn)表3。

表3 觀察組與對(duì)照組掃描-劑量和圖像質(zhì)量比較（n=175，±s）

表3 觀察組與對(duì)照組掃描-劑量和圖像質(zhì)量比較（n=175，±s）

組別 DLP/（mGy·cm）有效管球劑量/mAs總管球劑量/mAs CTDIvol/mGy圖像質(zhì)量評(píng)分/分觀察組156.36±20.36 43.63±5.36 986.63±99.63 3.65±0.39 2.69±0.91對(duì)照組456.36±46.32 113.62±12.33 3156.32±325.32 9.68±0.99 2.50±0.98 t值 78.436 68.866 84.360 74.968 1.879 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.061

2.4 觀察組與對(duì)照組患者肺結(jié)節(jié)形態(tài)學(xué)特征比較

兩組患者劑量掃描中肺結(jié)節(jié)分葉、毛刺、鈣化、空泡、支氣管征和胸膜凹陷癥檢出率比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見(jiàn)表4。影像學(xué)特征如圖1～2所示。

圖1 右肺上葉尖段實(shí)性結(jié)節(jié)形態(tài)學(xué)特征

圖2 左肺下葉內(nèi)前基底段實(shí)性結(jié)節(jié)形態(tài)學(xué)特征

表4 觀察組與對(duì)照組患者肺結(jié)節(jié)形態(tài)學(xué)特征比較[n（%）]

2.5 觀察組與對(duì)照組患者肺結(jié)節(jié)檢出情況比較

觀察組患者肺總結(jié)節(jié)檢出率與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異（P＞0.05），見(jiàn)表 5。

表5 觀察組與對(duì)照組患者肺結(jié)節(jié)檢出情況[n=175，n（%）]

2.6 觀察組與對(duì)照組患者不同直徑分段結(jié)石檢出率比較

兩組患者在各個(gè)直徑分段中結(jié)節(jié)檢出率均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），見(jiàn)表 6。

表6 觀察組與對(duì)照組患者不同直徑分段結(jié)節(jié)檢出率[n（%）]

3 討論

目前臨床對(duì)肺結(jié)節(jié)的病因機(jī)制尚未明確，有研究發(fā)現(xiàn)，其可能與機(jī)體免疫系統(tǒng)細(xì)胞功能和體液免疫功能異常有關(guān)[16-17]。由于肺結(jié)節(jié)早期缺乏肉眼可見(jiàn)的臨床表現(xiàn)，但是影像學(xué)檢查可見(jiàn)直徑≤3 cm的不規(guī)則形狀，因此，影像學(xué)檢查被廣泛用于肺小結(jié)節(jié)篩查[18-20]。孟令雷等[21]研究發(fā)現(xiàn)，多層螺旋CT低劑量掃描鑒別肺部小結(jié)節(jié)的應(yīng)用價(jià)值和安全性均較高，但該研究中未考慮到閱片醫(yī)生因疲勞感造成的誤診與漏診情況。馬寧強(qiáng)等[22]的研究中對(duì)比了AI技術(shù)閱片與人工閱片方法在肺結(jié)節(jié)診斷中閱片時(shí)間和假陽(yáng)性率，但該研究中未探討CT不同劑量掃描下的影像學(xué)特征，故而存在一定局限性。

本研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)劑量CT組、低劑量CT組、AI技術(shù)+常規(guī)劑量CT組和AI技術(shù)+低劑量CT組檢出率比較無(wú)顯著差異，Kappa值分別為0.738、0.722、0.742和0.756，且靈敏度、特異度、準(zhǔn)確率比較無(wú)明顯差異，提示4組方法均可較好地檢出肺小結(jié)節(jié)，具有較高診斷效能，但AI技術(shù)閱片時(shí)間顯著短于人工閱片時(shí)間。低劑量CT掃描具有分辨率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于健康人群的篩查，但大量的CT圖像分析增加了放射科醫(yī)師的臨床工作量，尤其是在大量體檢人群篩查時(shí)，大量閱片易增加疲勞感，導(dǎo)致誤檢和漏檢的現(xiàn)象，AI技術(shù)的臨床應(yīng)用可減輕影像學(xué)醫(yī)師的閱片壓力，對(duì)簡(jiǎn)化工作流程和提高工作效率有重要意義。

本研究發(fā)現(xiàn)，觀察組各項(xiàng)掃描輻射劑量參數(shù)均明顯少于對(duì)照組，兩組患者圖像質(zhì)量評(píng)分無(wú)顯著差異。說(shuō)明低劑量的螺旋CT掃描不會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，但可更清晰地觀察到病灶的位置和形態(tài)，同時(shí)還可以降低輻射對(duì)患者的影響。說(shuō)明低劑量的CT掃描可以較大程度降低CT的輻射劑量，對(duì)患者的輻射危害性較小，提高CT掃描的安全性[23-25]。兩組患者掃描中肺結(jié)節(jié)分葉、毛刺、鈣化、空泡、支氣管征和胸膜凹陷癥的檢出率比較無(wú)顯著差異。但由于肺內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，肺結(jié)節(jié)的位置和形態(tài)具有多樣性，AI影像輔助篩查系統(tǒng)采用了3D神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用數(shù)據(jù)編程對(duì)肺結(jié)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與分割，并對(duì)結(jié)節(jié)的特異性進(jìn)行分析和描述，篩查并標(biāo)記可疑病變，影像醫(yī)師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次判讀，減少了醫(yī)生的工作量，提高了工作效率。此外，觀察組和對(duì)照組患者在肺結(jié)節(jié)整體檢出率方面無(wú)顯著差異，說(shuō)明低劑量的CT掃描方法也可有效檢出肺結(jié)節(jié)。由于空氣與肺病變的對(duì)比度高，在一定范圍內(nèi)降低管電流可以降低對(duì)人體的輻射劑量，雖然增加了噪聲但不會(huì)影響到肺部病變的檢出和診斷。王永剛等[26]的研究提出，未來(lái)的發(fā)展方向是以最小的放射劑量獲得更清晰的圖像，與本研究的結(jié)果具有一致性。同時(shí)本研究中，觀察組和對(duì)照組各分段結(jié)節(jié)檢出率無(wú)顯著差異，肺結(jié)節(jié)大小與定性分析有顯著的關(guān)系，結(jié)節(jié)直徑越小，定性分析難度越大，各種病理學(xué)變化特征的檢出難度也增加，說(shuō)明低劑量CT掃描方法不會(huì)降低對(duì)肺結(jié)節(jié)診斷的特異性，具有與常規(guī)劑量CT掃描相同的鑒別診斷結(jié)果。

4 討論

綜上所述，在體檢中采用AI技術(shù)結(jié)合低劑量的CT掃描方法，對(duì)檢測(cè)肺小結(jié)節(jié)的檢出和診斷有重要的輔助價(jià)值；對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)記給出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，可節(jié)省閱片時(shí)間，降低人工成本，提高肺癌早期診斷的準(zhǔn)確率。