人工智能肺結(jié)節(jié)篩查系統(tǒng)結(jié)合能譜CT比較不同性質(zhì)肺結(jié)節(jié)的檢測(cè)效能

鐘宇，周姝，張立波，劉文源，楊本強(qiáng)，鄒明宇

（北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院放射診斷科，沈陽(yáng) 110016）

2020年全球癌癥數(shù)據(jù)報(bào)告顯示，肺癌為最常見(jiàn)的惡性腫瘤，全球發(fā)病率居第2位，死亡率居第1位。死亡率的下降趨勢(shì)是癌癥篩查與控制進(jìn)步的黃金標(biāo)準(zhǔn)，近年來(lái)，肺癌死亡率的降幅已創(chuàng)下歷史最高紀(jì)錄［1］。癌癥早期篩查技術(shù)的發(fā)展，讓更多的癌癥患者及時(shí)發(fā)現(xiàn)并給予干預(yù)和治療，行手術(shù)切除患者早期肺癌10年生存率約為72%［2］。年度低劑量CT（low-dose computed tomography，LDCT） 成為肺癌篩查的有效手段，使患者死亡率約降低20%［3］。近年來(lái)，人工智能系統(tǒng) （artificial intelligence，AI） 在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其是在肺結(jié)節(jié)輔助診斷方面，AI明確了結(jié)節(jié)的位置、性質(zhì)、大小、CT值及危險(xiǎn)程度等相關(guān)信息，提高了工作效率及診斷準(zhǔn)確率［4］。

能譜CT采用能量瞬時(shí)切換，同源、同時(shí)、同角度采集多種能量X線(xiàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步獲得多組單能量圖像，這種單能量圖像相對(duì)混合能量的普通CT能夠有效降低硬化效應(yīng)，圖像CT值也更為純粹和可靠［5］。由于低能量X線(xiàn)吸收多，衰減大，可以獲得更好的組織對(duì)比度及圖像靈敏度，所以低能量圖像較高能量圖像及混合能量圖像在小病灶的檢出及反映結(jié)節(jié)的性質(zhì)方面更加優(yōu)越［6］。本研究旨在探討AI肺結(jié)節(jié)輔助診斷系統(tǒng) （簡(jiǎn)稱(chēng)AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)） 與能譜CT多組單能量圖像結(jié)合，比較不同單能量下對(duì)肺結(jié)節(jié)的診斷效能，并按肺內(nèi)結(jié)節(jié)性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)，篩選出AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)檢測(cè)不同性質(zhì)肺內(nèi)結(jié)節(jié)的最佳單能量圖像。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

收集本院2021年11月至2022年1月應(yīng)用能譜CT檢查肺結(jié)節(jié)患者的影像資料。圖像納入標(biāo)準(zhǔn)： （1） 圖像中至少存在1枚肺內(nèi)結(jié)節(jié)； （2） 有薄層CT圖像，且原始數(shù)據(jù)圖像連續(xù)完整。排除標(biāo)準(zhǔn)： （1） 肺部繼往行手術(shù)治療； （2） 彌漫性肺疾病、間質(zhì)性肺疾病、廣泛肺炎等嚴(yán)重影響圖像識(shí)別的肺部疾??； （3） 異物、嚴(yán)重呼吸運(yùn)動(dòng)偽影等影響識(shí)別與標(biāo)注的圖像。本研究最終共納入28例患者，其中男20例，女8例，平均年齡為57.1歲。本研究已獲得我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 影像檢查方法

采用GE Lightspeed VCT 64寶石能譜CT掃描儀（GE Discovery 750 HD），囑患者每次掃描屏氣程度一致，于其吸氣末屏氣掃描。掃描范圍：胸廓入口至膈下，管電壓為80、140 kVp瞬時(shí)切換，自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)，最大管電流為260 mA，螺距0.984 ∶l，轉(zhuǎn)速0.5 s/r，床進(jìn)78.75 mm/s，圖像噪聲指數(shù) （noiseindex，NI） 預(yù)設(shè)為12，掃描層厚為5 mm，進(jìn)一步分解為圖像層厚0.625 mm。掃描結(jié)束后將原始圖像重建單能量圖像。

1.3 肺內(nèi)結(jié)節(jié)檢測(cè)及圖像分析

由北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院放射科具有5年以上胸部閱片經(jīng)驗(yàn)的2名住院醫(yī)師，背靠背采用基于A(yíng)I肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)［深睿 AI 輔助診斷系統(tǒng) （Dr. Wise Lung Analyzer，V1.0.0.0） ］對(duì)28例胸部能譜CT數(shù)據(jù)圖像 70 keV序列 （相當(dāng)于120 kVp序列） 進(jìn)行肺內(nèi)結(jié)節(jié)標(biāo)注，出現(xiàn)獨(dú)立判斷結(jié)果不一致時(shí)由具有15年以上經(jīng)驗(yàn)主任醫(yī)師裁定并給出最終結(jié)果作為判定結(jié)節(jié)的金標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)注結(jié)節(jié)并按肺內(nèi)結(jié)節(jié)性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)，包括實(shí)性結(jié)節(jié)、亞實(shí)性結(jié)節(jié) （包括部分實(shí)性結(jié)節(jié)、純磨玻璃密度結(jié)節(jié)）和鈣化結(jié)節(jié)3類(lèi)。采用AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)分別對(duì)28例能譜CT的 40、60、80和100 keV 單能量圖像進(jìn)行篩查，記錄結(jié)節(jié)數(shù)量及單個(gè)結(jié)節(jié)的性質(zhì)，將結(jié)果與醫(yī)師判定結(jié)節(jié)金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，分析不同單能圖像、不同性質(zhì)肺內(nèi)結(jié)節(jié)的檢出效能。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)比判定結(jié)節(jié)金標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)不同單能量圖像中真陽(yáng)性結(jié)節(jié)、假陽(yáng)性結(jié)節(jié)及假陰性結(jié)節(jié)數(shù)量，計(jì)算比較靈敏度、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值及假陽(yáng)性率。其中真陽(yáng)性結(jié)節(jié)定義為識(shí)別并準(zhǔn)確判定結(jié)節(jié)性質(zhì)的肺內(nèi)結(jié)節(jié)。假陽(yáng)性率定義為假陽(yáng)性結(jié)節(jié)數(shù)/CT掃描數(shù)。R×C列表Pearsonχ2檢驗(yàn)比較不同單能量圖像和不同性質(zhì)肺結(jié)節(jié)檢測(cè)的靈敏度及陽(yáng)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肺結(jié)節(jié)篩查系統(tǒng)的診斷效能

收集28例患者的能譜CT圖像，AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)結(jié)合放射科醫(yī)師共標(biāo)注231個(gè)肺內(nèi)結(jié)節(jié)作為“金標(biāo)準(zhǔn)”，其中，亞實(shí)性結(jié)節(jié)45例，實(shí)性結(jié)節(jié)177例，鈣化結(jié)節(jié)9例。AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)共檢測(cè)到201個(gè)肺內(nèi)結(jié)節(jié)，參照“金標(biāo)準(zhǔn)”，AI肺結(jié)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)注真陽(yáng)性結(jié)節(jié)190個(gè)，假陽(yáng)性結(jié)節(jié)11個(gè)，假陰性結(jié)節(jié)41個(gè)，靈敏度為82.25%，陽(yáng)性預(yù)測(cè)值為94.53%，假陽(yáng)性率為39.29%。

2.2 AI肺結(jié)節(jié)篩查系統(tǒng)檢測(cè)不同單能量圖像在不同性質(zhì)肺內(nèi)結(jié)節(jié)間性能比較

采用AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)分別對(duì)28例能譜CT的 40、60、80、100 keV單能量圖像進(jìn)行篩查，分別檢出144、174、199、209個(gè)結(jié)節(jié)，真陽(yáng)性結(jié)節(jié)126、166、187、198個(gè)，見(jiàn)表1。4組單能量間檢測(cè)肺內(nèi)結(jié)節(jié)的靈敏度和陽(yáng)性預(yù)測(cè)值均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P＜ 0.05），其中，40 keV靈敏度低于其他單能量組，80 keV靈敏度最高，60 keV陽(yáng)性預(yù)測(cè)值高于其他單能量組。

表1 AI肺結(jié)節(jié)篩查系統(tǒng)在單能量圖像間檢測(cè)肺結(jié)節(jié)性能比較Tab.1 Comparison of the baseline characteristics of patients in the modeling group

2.3 AI肺結(jié)節(jié)篩查系統(tǒng)檢測(cè)不同性質(zhì)肺內(nèi)結(jié)節(jié)在單能量圖像間性能比較

將不同單能量間對(duì)AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)檢測(cè)的3類(lèi)不同性質(zhì)肺內(nèi)結(jié)節(jié)，分別統(tǒng)計(jì)其檢出結(jié)節(jié)及真陽(yáng)性結(jié)節(jié)數(shù)量，計(jì)算靈敏度及陽(yáng)性預(yù)測(cè)值并進(jìn)行比較，見(jiàn)表2、3。各組單能量中，不同性質(zhì)的肺內(nèi)結(jié)節(jié)靈敏度有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異 （P均＜0.05），40 keV組檢測(cè)不同性質(zhì)結(jié)節(jié)陽(yáng)性預(yù)測(cè)值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P= 0.130），其他能量組檢測(cè)不同性質(zhì)結(jié)節(jié)陽(yáng)性預(yù)測(cè)值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P均＜0.05）。實(shí)性結(jié)節(jié)中，4組單能量間靈敏度及陽(yáng)性預(yù)測(cè)值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P均＜0.001），80 keV以上組靈敏度顯著高于40及60 keV，60 keV以上組陽(yáng)性預(yù)測(cè)值顯著高于40 keV。亞實(shí)性結(jié)節(jié)中，4組單能量間靈敏度及陽(yáng)性預(yù)測(cè)值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。鈣化結(jié)節(jié)中，4組單能量靈敏度均為100%，陽(yáng)性預(yù)測(cè)值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表2 AI肺結(jié)節(jié)篩查系統(tǒng)檢測(cè)不同單能量圖像在不同性質(zhì)肺內(nèi)結(jié)節(jié)間性能比較Tab.2 Comparison of the performance of the AI pulmonary nodule screening system in detecting different single energy images among the different types of pulmonary nodule internodes

表3 AI肺結(jié)節(jié)篩查系統(tǒng)檢測(cè)不同性質(zhì)肺內(nèi)結(jié)節(jié)在單能量圖像間性能比較Tab.3 Comparison of the performance of the AI pulmonary nodule screening system in detecting pulmonary nodules of different properties between the various single energy images

3 討論

近年來(lái)，肺癌早期篩查與控制的進(jìn)步使死亡率呈逐年下降趨勢(shì)。早期肺癌CT影像常表現(xiàn)為不典型肺內(nèi)結(jié)節(jié)，體積小、密度不均、形態(tài)不規(guī)則、對(duì)比度低［7］，AI在肺結(jié)節(jié)輔助診斷方面得到廣泛應(yīng)用，能夠明確結(jié)節(jié)位置、性質(zhì)、大小、CT值及危險(xiǎn)程度等相關(guān)信息，有效提升診斷準(zhǔn)確率。能譜CT可獲得更好的組織對(duì)比度及靈敏度，低能量組織對(duì)比度較大，小病灶檢出更為優(yōu)越，高能量組織對(duì)比度較小，噪聲減低，能譜CT為檢測(cè)結(jié)節(jié)性質(zhì)，小病灶及多發(fā)病灶檢出、微小病灶鑒別診斷、準(zhǔn)確定位及定性腫瘤提供了更多的可能。

本研究將AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)結(jié)合能譜CT，比較不同單能量對(duì)肺結(jié)節(jié)的診斷效能，篩選不同性質(zhì)結(jié)節(jié)最佳單能量。有研究［8-9］表明70 keV圖像有較高的信噪比及對(duì)比噪聲比，本研究80 keV以上組具有較高的肺結(jié)節(jié)檢出靈敏度 （80.60%），60 keV陽(yáng)性預(yù)測(cè)值（95.40%） 較高。同時(shí)要關(guān)注AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)的假陽(yáng)性率，本研究40 keV假陽(yáng)性率最高，分析原因“真陽(yáng)性結(jié)節(jié)”認(rèn)為是AI檢出且正確判斷性質(zhì)的結(jié)節(jié)，雖然低能量組織對(duì)比度較大，但判斷結(jié)節(jié)性質(zhì)存在一定偏差，尤其是鈣化結(jié)節(jié)，部分結(jié)節(jié)低能量判定為鈣化，當(dāng)能量升高后改判為實(shí)性，40 keV中18例假陽(yáng)性結(jié)節(jié)，原14例判定鈣化結(jié)節(jié)，60 keV改判實(shí)性結(jié)節(jié)。同時(shí)要關(guān)注AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)假陰性率，本研究鈣化結(jié)節(jié)100%被檢出，部分實(shí)性及亞實(shí)性結(jié)節(jié)存在漏診，其中，20例亞實(shí)性結(jié)節(jié)全部能量均未被檢出，分析原因?yàn)殁}化結(jié)節(jié)密度高，與周?chē)M織形成良好對(duì)比而易被檢出，未被檢出結(jié)節(jié)為體積較小、密度較低的純磨玻璃結(jié)節(jié)，以及實(shí)性成分體積比相對(duì)較少的部分實(shí)性結(jié)節(jié)，臨近胸膜或氣管血管束斷面。有研究［10］表明亞實(shí)性結(jié)節(jié)中實(shí)性部分體積占比直接影響腫瘤的侵襲、預(yù)后及復(fù)發(fā)，因此臨床應(yīng)用中要不斷優(yōu)化AI系統(tǒng)的檢出，提高準(zhǔn)確性。

同一能量檢出不同性質(zhì)肺結(jié)節(jié)的靈敏度有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，AI系統(tǒng)檢出鈣化結(jié)節(jié)靈敏度高達(dá)100%，檢出實(shí)性結(jié)節(jié)的陽(yáng)性預(yù)測(cè)值高于亞實(shí)性及鈣化結(jié)節(jié)，有研究［11］表明與肺結(jié)節(jié)檢測(cè)模型訓(xùn)練集中實(shí)性結(jié)節(jié)占多數(shù)相關(guān)，獲得的模型更易于捕捉實(shí)性結(jié)節(jié)的影像表現(xiàn)。本研究結(jié)果顯示，實(shí)性結(jié)節(jié)不同檢出能量的靈敏度及陽(yáng)性預(yù)測(cè)值均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，隨著能量升高，檢出靈敏度升高。亞實(shí)性及鈣化結(jié)節(jié)中不同檢出能量的靈敏度、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。對(duì)于實(shí)性結(jié)節(jié)，80 keV以上組具有較高檢出靈敏度，且圖像信噪比及對(duì)比噪聲比良好，因此本研究AI肺結(jié)節(jié)系統(tǒng)與80 keV以上能量結(jié)合檢測(cè)肺實(shí)性結(jié)節(jié)最優(yōu)。

本研究也存在一定局限性。隨機(jī)抽樣可能存在選擇偏倚，樣本量相對(duì)有限，不同性質(zhì)肺內(nèi)結(jié)節(jié)樣本量差異較大；對(duì)于亞實(shí)性結(jié)節(jié)未能進(jìn)一步分類(lèi)為部分實(shí)性結(jié)節(jié)及純磨玻璃結(jié)節(jié)。