全自動三維盆底超聲測量肛提肌裂孔大小的臨床應用

郭志潔，陳炯權(quán)，張元吉，楊丹玲，倪東，陸喜多*

1.廣州中醫(yī)藥大學附屬寶安中醫(yī)院超聲科，廣東 深圳 518133；2.醫(yī)學超聲關(guān)鍵技術(shù)國家工程實驗室，廣東省生物醫(yī)學信息檢測與超聲成像重點實驗室，深圳大學醫(yī)學部生物醫(yī)學工程學院，廣東 深圳 518060；3.深圳度影醫(yī)療科技有限公司，廣東深圳 518071；*通信作者 陸喜多 luxiduo2020@email.szu.edu.cn

盆腔器官脫垂（pelvic organ prolapse，POP）是女性盆底功能障礙性疾病的主要病種之一[1]，是妊娠分娩、衰老等因素導致盆底肌肉和筋膜組織異常造成的盆腔器官（膀胱、子宮和直腸等）位置異常及功能障礙[2-3]，常伴有排尿、排便和性功能障礙，嚴重影響女性生命質(zhì)量。肛提肌裂孔（levator hiatus，LH）是器官脫垂的疝出通道，尿道、陰道、直腸從前至后依次從中通過。LH擴張是POP發(fā)生的主要原因之一，LH大小能從一定程度上反映盆底結(jié)構(gòu)對盆底器官的支持作用[4-6]。因此，LH的生物學測量對評價POP患者的盆底支持情況具有重要意義。臨床上，通過盆底三維超聲能直觀、動態(tài)地觀察LH的形態(tài)改變，可有效地評估肛提肌的完整性，且LH大小能反映肛提肌的生物學特性及受損程度。而在實際工作中，最小LH平面的定位及LH參數(shù)測量操作步驟多、用時長，并且對操作者經(jīng)驗的依賴較高。為提高檢查效率，簡化操作步驟，減少對醫(yī)師經(jīng)驗的依賴，本研究擬比較分析全自動三維盆底超聲（fully automatic pelvic floor ultrasound，AI-3DPFU）軟件自動定位LH平面并測量LH大小的臨床應用價值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 回顧性選取2022年4—9月于廣州中醫(yī)藥大學附屬寶安中醫(yī)院進行盆底超聲檢查的130例有生育史的女性，共獲取146個三維容積數(shù)據(jù)作為測試集，年齡21～51歲，中位年齡31（23，42）歲，體重指數(shù)16.4～29.32 kg/m2，中位體重指數(shù)22.07（17.33，25.67）kg/m2。采用POP-Q法[7]診斷，單腔室脫垂105例，2個腔室脫垂17例，3個腔室脫垂8例；前腔室脫垂78例，中腔室脫垂10例，后腔室脫垂42例。納入標準：①Valsalva動作有效；②無影響檢查的因素存在，如妊娠、產(chǎn)后出血、惡露存在等。排除標準：①無法完成Valsalva動作；②產(chǎn)后出血或產(chǎn)后惡露持續(xù)存在、泌尿生殖系統(tǒng)急性炎癥。本研究經(jīng)廣州中醫(yī)藥大學附屬寶安中醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準（KY-2023-001-07），所有受檢者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

1.2.1 儀器 采用GE Voluson E8彩色多普勒超聲診斷儀，RAB6-D三維凸陣容積探頭，頻率2.0～8.0 MHz，實時三維掃查角度85°，選擇盆底預設條件。

1.2.2 檢查步驟 ①患者排空大小便后取膀胱截石位，將容積探頭緊貼放置在兩側(cè)大陰唇間，探頭標志點朝上。②獲取標準盆底正中矢狀切面[8]：從左向右依次顯示恥骨聯(lián)合、尿道、膀胱頸；陰道、宮頸；肛管、直腸壺腹部、肛直角等結(jié)構(gòu)，恥骨聯(lián)合距離探頭表面＜10 mm。③啟動容積采集鍵，在受檢者進行有效Valsalva動作時采集，存儲容積數(shù)據(jù)。每例患者至少采集3個有效Valsalva動作容積數(shù)據(jù)。

1.3 定位與測量最小LH平面

1.3.1 D1組、D2組 由2名盆底超聲檢查經(jīng)驗＞3年、＜3年的醫(yī)師D1、D2使用標注軟件Pair[9]離線完成，具體步驟：①定位最小LH平面：2名醫(yī)師分別在三維容積數(shù)據(jù)上手動旋轉(zhuǎn)X、Y、Z軸獲得最小LH平面，取樣框在正中矢狀面中包含最小裂孔尺寸切面（the slice of minimal hiatal dimensions，SMHD）[10]，SMHD為與正中矢狀面垂直且經(jīng)過恥骨聯(lián)合和肛門直腸角間最短連線的切面[11]，取樣框厚度為1～2 cm，見圖1。②測量LH大?。?名醫(yī)師分別在各自定位的最小LH平面上測量面積（hiatus area，HA）、周長（hiatus circumference，HC）、前后徑（hiatus anteroposterior diameter，HAP）、左右徑（hiatus left-right diameter，HLR）等。記錄D1、D2在測試集中手動定位的SMHD的法向量和中心點距離作為最小LH平面的定位結(jié)果，并記錄D1、D2在測試集中測量LH參數(shù)的結(jié)果和總耗時。

圖1 醫(yī)師離線手動定位最小LH平面流程。在正中矢狀切面中調(diào)整X、Y、Z軸，取樣框在正中矢狀面中包含SMHD，即恥骨聯(lián)合下緣（S）和肛門直腸角后方恥骨直腸肌前緣（PR）連線，厚度為1～2 cm；通過渲染獲得最小LH平面

1.3.2 AI組 使用2021年3月—2022年3月本院采集的200個GE機型的盆底超聲容積數(shù)據(jù)作為訓練集，獨立于測試集，用于開發(fā)AI-3DPFU軟件。由3名超聲醫(yī)師（盆底超聲檢查經(jīng)驗＞3年）離線在訓練集上標注，包括定位SMHD以及測量LH大小。標注前統(tǒng)一對3名醫(yī)師進行培訓，在20個三維超聲數(shù)據(jù)上的組間一致性良好后標注訓練集。AI-3DPFU軟件基于生成對抗網(wǎng)絡[12]和U-net網(wǎng)絡[13]，具體步驟：①開發(fā)軟件：訓練生成對抗網(wǎng)絡從三維容積數(shù)據(jù)中學習目標切面，即SMHD，包含且平行于生成對抗網(wǎng)絡預測的切面定位取樣框：取樣框厚度為1.5 cm，取樣框上緣距離預測切面0.5 cm，下緣距離預測切面1 cm，采用光線投影算法進行渲染，獲取全自動定位最小LH平面的模型，結(jié)合U-net全自動測量模型[14]測量LH的大小，開發(fā)AI-3DPFU軟件。②自動定位和測量LH平面：將測試集的三維容積數(shù)據(jù)輸入AI-3DPFU軟件自動定位最小LH平面和測量LH大小。記錄AI組自動定位的SMHD的法向量和中心點距離作為最小LH平面的定位結(jié)果，并記錄AI組自動測量LH參數(shù)結(jié)果以及總耗時。

1.4 統(tǒng)計學方法 使用SPSS 25.0和Python 3.7軟件。

1.4.1 定位最小LH平面的評估 AI組與D1、D2組定位的SMHD用a、b、c、p表示，其中a、b、c為切面的法向量，p為中心點距離參數(shù)。比較AI組與D1組、D2組，D1組與D2組定位切面的差異，使用平均角度差異和平均中心點距離差異（±s）評估。以計算AI組與D1組定位切面的差異為例，設AI組定位的切面為A（a1，b1，c1，p1），D1組定位的切面為B（a2，b2，c2，p2）。

計算切面A與切面B的角度差異，公式如下。

其中，V為兩平面的夾角余弦值，θ為平面A與平面B的角度差異。

計算切面A與切面B的中心點距離差異，公式如下。

其中，p1、p2分別為切面A中心點（x2，y2，z2）、切面B中心點（x3，y3，z3）到三維容積數(shù)據(jù)中心點（x1，y1，z1）的歐幾里得距離。Dis為切面A與切面B的中心點距離差異。

1.4.2 測量LH參數(shù)的評估 AI組和D1、D2組測量結(jié)果的一致性用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）、繪制Bland-Altman圖評估，相關(guān)性用Pearson相關(guān)系數(shù)評估。AI組和D1、D2組定位和測量總耗時組間比較采用單因素方差分析，兩組比較采用獨立樣本t檢驗。AI組兩次測量間和D1、D2組間的可重復性用ICC評估。P＜0.05為差異有統(tǒng)計意義。

2 結(jié)果

2.1 定位最小LH平面 以D1、D2結(jié)果為標準，計算AI組相較于D1、D2組的平均誤差：AI組與D1、D2組定位SMHD的角度差異分別為（5.01±2.99）°、（4.93±2.95）°，中心點距離差異分別為（2.00±1.71）mm、（2.38±1.90）mm。D1和D2組定位最小LH平面的角度差異為（3.83±2.85）°，中心點距離為（1.96±1.87）mm。在測試集中隨機選取1個三維容積數(shù)據(jù)，AI組和D1、D2組定位最小LH平面的結(jié)果見圖2。AI組全自動定位最小LH平面的準確度高。

圖2 在測試集圖像中隨機選取1個三維容積數(shù)據(jù)定位最小LH平面以及測量LH參數(shù)圖。A. AI組在正中矢狀面中自動定位的取樣框，SMHD以及自動測量LH的結(jié)果；B. D1在正中矢狀面中手動定位的取樣框，SMHD以及手動測量LH的結(jié)果；C. D2在正中矢狀面中手動定位的取樣框，SMHD以及手動測量LH的結(jié)果。HA：面積，HC：周長，HAP：前后徑，HLR：左右徑

2.2 測量LH大小

2.2.1 一致性 ①AI組與D1組（HA 0.929、HC 0.877、HAP 0.891、HLR 0.712）、AI組與D2組（HA 0.909、HC 0.875、HAP 0.912、HLR 0.715）測量LH的HAICC均＞0.9，P均＜0.01；②AI組與D1、D2組的Bland-Altman圖顯示95%一致性界限外的點＜6%，差值均值線非常接近0，見圖3、4。AI組與D1、D2組的一致性較好，且AI組與D1組的一致性比與D2組好。

圖3 AI組與D1組前后徑（A）、左右徑（B）、周長（C）、面積（D）的Bland-Altman圖

圖4 AI組與D2組前后徑（A）、左右徑（B）、周長（C）、面積（D）的Bland-Altman圖

2.2.2 相關(guān)性 AI組與D1組（HA 0.931、HC 0.924、HAP 0.897、HLR 0.745）、AI組與D2組（HA 0.918、HC 0.930、HAP 0.921、HLR 0.719）測量LH的HA、HC的相關(guān)系數(shù)r均＞0.9，P均＜0.01。

2.2.3 可重復性 AI組2次測量間的ICC=1，可重復性極好。D1組與D2組的ICC：HA為0.938，HC為0.954，HAP為0.937，HLR為0.724，P均＜0.01。

2.3 總耗時比較 AI組平均耗時（2.00±0.22）s，D1組和D2組分別為（59.60±2.63）s、（128.30±25.44）s。AI組平均耗時較D1和D2組明顯縮短，差異有統(tǒng)計學意義（F=680.87，P=0.000），兩兩比較AI組與D1組、D2組平均耗時差異有統(tǒng)計學意義（t=19.87、45.74，P均＜0.01）。

3 討論

3.1 全自動三維盆底超聲的意義 我國成年女性POP發(fā)生率高達9.6%，70歲以上老年女性POP發(fā)生率達到26%[15]，患者數(shù)量隨著人口老齡化迅速增長，嚴重影響女性生命質(zhì)量。盆底超聲可實時動態(tài)評估盆底器官和肌肉的解剖特征，是POP評估的首選影像學檢查。經(jīng)會陰三維盆底超聲定量測量LH大小是評估肛提肌生物學特性的有效方法。然而，LH大小的超聲測量過程復雜耗時，對超聲醫(yī)師技術(shù)水平要求較高，不易推廣。

3.2 AI-3DPFU軟件的優(yōu)越性 準確定位最小LH平面是測量LH參數(shù)的前提，臨床上多在立體渲染（Render）模式下[16]調(diào)整容積圖像的X、Y、Z軸定位最小LH平面。本研究提出的AI-3DPFU軟件基于深度學習可以實現(xiàn)自動定位最小LH平面，不需要醫(yī)師手動操作調(diào)整X、Y、Z軸。AI-3DPFU軟件較醫(yī)師手動定位和測量LH平面的優(yōu)勢為：①操作方便，耗時短。臨床上定位并測量最小LH平面的過程煩瑣復雜，醫(yī)師測量耗時較長。而AI-3DPFU軟件可一鍵自動定位并測量最小LH平面的生物學參數(shù)，且平均耗時約2 s，較醫(yī)師手動測量耗時更短。②結(jié)果準確可靠。AI組和D1、D2組定位LH平面的平均角度差約5°，平均距離差約2 mm，測量LH面積有極好的一致性，表明AI-3DPFU軟件定位和測量的最小LH平面生物學參數(shù)數(shù)據(jù)可靠。③重復性好。相較于不同測量者間，AI-3DPFU軟件的可重復性高，在很大程度上減少了不同醫(yī)師測量時的主觀誤差，能保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性，具有較好的臨床應用價值。

3.3 AI-3DPFU軟件與其他LH自動測量方法對比 近年來，LH自動測量引起學者的廣泛關(guān)注。曾麗娟等[14]、葉婷婷等[17]的方法分別實現(xiàn)了全自動、半自動測量LH參數(shù)，與醫(yī)師手動測量具有很高的一致性，可以縮短LH測量耗時，但以上研究均未實現(xiàn)在三維容積數(shù)據(jù)中自動定位最小LH平面。Williams等[18]實現(xiàn)了在GE機型的三維容積數(shù)據(jù)上自動定位SMHD，切面定位的平均誤差分別為（5.76±5.06）°和（6.46±5.18）mm，自動測量裂孔面積的平均誤差為（2.66±2.78）cm2，自動測量總耗時（35±4）s。van den Noort等[11]研究在靜息、縮肛、最大Valsalva狀態(tài)的三維容積數(shù)據(jù)中自動定位SMHD和分割泌尿生殖裂孔，手動和自動定位切面的平均絕對距離為0.2 cm，手動和自動測量泌尿生殖裂孔面積的ICC為0.94。Xia等[19]通過在正中矢狀面中自動定位關(guān)鍵點（恥骨聯(lián)合下緣和恥骨直腸肌前緣）定位SMHD，再利用自動分割模型分割裂孔，最后定位切面的平均角度誤差為（4.00±3.25）°，自動分割和手動測量的裂孔面積平均誤差為（1.75±2.25）cm2。上述方法均驗證了自動盆底三維超聲的可行性和有效性。相較于自動測量LH參數(shù)的方法，本研究提出的AI-3DPFU軟件解決了在三維數(shù)據(jù)中定位最小LH平面的技術(shù)難點。上述研究均未在獲取SMHD后在渲染模式下獲取具有一定厚度的最小LH平面，本研究實現(xiàn)了自動定位SMHD后定位取樣框獲得最小LH平面并測量LH，完成了更復雜的技術(shù)任務，而且在準確度和速度上均能達到領先水平。

3.4 本研究的局限性 本研究僅使用單一機型的三維容積數(shù)據(jù)，后續(xù)需要在更廣泛的機型上驗證AI-3DPFU軟件的性能；未探討AI-3DPFU軟件在靜息態(tài)、縮肛狀態(tài)的三維容積數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)。

總之，AI-3DPFU軟件能簡化LH超聲生物學測量流程，縮短盆底超聲檢查耗時，與高年資醫(yī)師的結(jié)果具有極好的一致性和相關(guān)性，可減小主觀誤差。在基層醫(yī)院推廣盆底超聲時，AI-3DPFU軟件有望簡化培訓步驟，有利于推廣。因此，AI-3DPFU軟件測量LH大小準確、便捷，具有較好的臨床應用價值。