基于深度學(xué)習(xí)的乳腺X 線攝影腫塊檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

歐陽(yáng)汝珊，林小慧，李霖，廖婷婷，馬捷

深圳市人民醫(yī)院（暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，南方科技大學(xué)第一附屬醫(yī)院）放射科，廣東 深圳 518020；*通信作者 馬捷 cjr.majie@vip.163.com

2020年全球乳腺癌發(fā)病率約11.7%，居全球惡性腫瘤首位，死亡率約6.9%，是女性癌癥死亡的主要原因，嚴(yán)重危害女性的生命健康[1]。乳腺X線攝影是乳腺癌篩查和診斷的主要方法，對(duì)早期發(fā)現(xiàn)、早期治療起到重要作用[2]。乳腺X線攝影對(duì)鈣化具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)腫塊型病變的診斷易受到腺體的影響，降低了敏感度[3]。近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)（deep learning，DL）技術(shù)成為醫(yī)學(xué)影像人工智能（artificial intelligence，AI）領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，基于大量訓(xùn)練的DL系統(tǒng)不受腺體密度的影響，可客觀判讀有無(wú)腫塊，且具有良好的穩(wěn)定性。但目前DL應(yīng)用于乳腺X線攝影的研究大多基于歐美圖像數(shù)據(jù)庫(kù)[4]，對(duì)亞洲女性更為致密乳腺X線攝影中腫塊的檢測(cè)更具有挑戰(zhàn)性[5]。本課題組前期基于中國(guó)女性大量表現(xiàn)為腫塊型病變的乳腺X線攝影圖像數(shù)據(jù)集構(gòu)建關(guān)于乳腺X線攝影腫塊檢測(cè)的DL系統(tǒng)，可用于檢測(cè)乳腺內(nèi)腫塊病變[6]。本研究通過(guò)對(duì)比2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師與DL系統(tǒng)對(duì)腫塊檢出的敏感度，探討基于DL的乳腺X線攝影腫塊檢測(cè)系統(tǒng)的臨床應(yīng)用價(jià)值，為中國(guó)女性乳腺癌篩查及診斷提供更加客觀的輔助工具。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 回顧性分析深圳市人民醫(yī)院放射科2019年4—12月共1 755例接受乳腺X線攝影檢查的病例，其中1 704例有標(biāo)準(zhǔn)的雙側(cè)乳腺頭尾位（craniocaudal，CC）和內(nèi)外斜位（mediolateral oblique，MLO）圖像（4幅），51例有單側(cè)CC位及MLO位圖像（2幅），共6 918幅圖像。1 755例患者共檢出腫塊324例（618個(gè)腫塊），年齡17～81歲，平均（48.08±12.18）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①圖像質(zhì)量、拍攝條件及拍攝體位符合診斷標(biāo)準(zhǔn)；②拍攝體位包括常規(guī)雙側(cè)或單側(cè)CC位及MLO位。排除標(biāo)準(zhǔn)：①假體植入、注射隆胸術(shù)后以及新輔助化療術(shù)后；②乳腺全切除或部分切除術(shù)后。所有患者對(duì)檢查知情同意，本研究經(jīng)深圳市人民醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（LL-KY-2021624）。

1.2 影像采集 所有乳腺X線攝影圖像均來(lái)自Siemens Mammoma Inspiration數(shù)字乳腺X線攝影機(jī)和GIOTTO IMAGE MD雙平板探測(cè)器全數(shù)字乳腺X線攝影機(jī)。乳腺X線攝影機(jī)均采用全自動(dòng)壓迫系統(tǒng)和自動(dòng)曝光控制模式，特殊情況選擇手動(dòng)曝光，常規(guī)拍攝CC位和MLO位。乳腺X線攝影采集方法符合《乳腺影像檢查技術(shù)專(zhuān)家共識(shí)》制訂的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7]，在PACS系統(tǒng)上收集患者臨床資料及圖像分析數(shù)據(jù)。

1.3 DL病灶檢測(cè)系統(tǒng) 采用深圳市人民醫(yī)院與平安公司（深圳）共同研發(fā)的乳腺X線攝影智能輔助判別系統(tǒng)（Mammo AI判別系統(tǒng)）。該系統(tǒng)中DL腫塊檢測(cè)模型[6]包含3個(gè)模塊（圖1）：同側(cè)雙機(jī)位網(wǎng)絡(luò)（ipsilateral dual-view network，IDVN）、雙側(cè)同機(jī)位網(wǎng)絡(luò)（bilateral dual-view network，BDVN）和綜合網(wǎng)絡(luò)（integrated fusion network，IFN），可以接收同一例患者多個(gè)投照方向的攝影圖像，并針對(duì)同側(cè)和對(duì)側(cè)圖像分別設(shè)計(jì)兩種不同的深度高分辨率檢測(cè)和分割網(wǎng)絡(luò)。例如：右側(cè)頭尾位（right-CC，R-CC）和右側(cè)內(nèi)外斜位（right-MLO，R-MLO）圖像經(jīng)過(guò)乳頭檢測(cè)算法，找到每個(gè)圖像上乳頭的位置，經(jīng)過(guò)同側(cè)雙機(jī)位模型，在R-CC上輸出腫塊的概率圖；R-CC和左側(cè)頭尾位（left-CC，L-CC）圖像通過(guò)配準(zhǔn)算法將各自邊緣輪廓對(duì)齊，經(jīng)過(guò)對(duì)側(cè)同機(jī)位模型，同樣在R-CC上輸出腫塊的概率。最后對(duì)病灶進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，融合得到的結(jié)果作為腫塊等病灶的檢測(cè)輸出。

圖1 基于DL多機(jī)位影像的腫塊檢測(cè)模型

1.4 圖像分析及乳腺腫塊檢測(cè)參考標(biāo)準(zhǔn) 由DL系統(tǒng)和2名從事乳腺X線攝影診斷的初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師（分別具有2年、3年工作經(jīng)驗(yàn)）在對(duì)影像報(bào)告、臨床病史和相關(guān)檢查的結(jié)果未知情況下分別獨(dú)立閱片并標(biāo)注出腫塊病灶，并參照美國(guó)放射學(xué)會(huì)第5版乳腺影像報(bào)告和數(shù)據(jù)系統(tǒng)（breast imaging reporting and data system，BI-RADS）的標(biāo)準(zhǔn)[8]記錄乳腺密度分類(lèi)、腫塊形態(tài)、邊緣、密度、大小及BI-RADS分類(lèi)。然后，由1名從事乳腺影像工作20年的高級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師參考患者的臨床資料、相關(guān)影像檢查及病理結(jié)果，對(duì)2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師與DL系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行審核，腫塊病灶僅記錄臨床觸及、超聲、MRI或病理證實(shí)的明確存在的病灶，從而得到參考標(biāo)準(zhǔn)，若為可疑的不明確腫塊病灶則不進(jìn)行記錄。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 26.0軟件，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s表示；計(jì)數(shù)資料以例數(shù)或百分比表示，采用χ2檢驗(yàn)比較2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師和DL系統(tǒng)病灶檢出的敏感度，并分析不同因素對(duì)DL系統(tǒng)及2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師檢出的影響。本研究使用敏感度和假陽(yáng)性率對(duì)醫(yī)師和DL系統(tǒng)的病灶檢出結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比上述腫塊的參考標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算醫(yī)師和DL系統(tǒng)的真陽(yáng)性率、假陽(yáng)性率、假陰性率。由此得出平均每個(gè)病例的假陽(yáng)性個(gè)數(shù)及平均每幅圖的假陽(yáng)性個(gè)數(shù)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 腫塊檢出結(jié)果 根據(jù)高級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師建立的參考標(biāo)準(zhǔn)，在所有病例中，腫塊形態(tài)以類(lèi)圓形最多見(jiàn)，占66.05%，共檢出405個(gè)。腫塊邊緣以遮蔽狀最多見(jiàn)，占35.80%，共檢出224個(gè)。腫塊密度以等密度最多見(jiàn)，占70.68%，共檢出428個(gè)。BI-RADS分類(lèi)中以3類(lèi)和4A類(lèi)占比例最多，分別為30.25%、24.07%，共檢出腫塊192個(gè)、138個(gè)（表1）。

表1 高級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師對(duì)乳腺腫塊診斷的參考標(biāo)準(zhǔn)

2.2 2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師及DL系統(tǒng)腫塊檢出的敏感度比較 初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師A檢出腫塊277例（519個(gè)腫塊），初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師B檢出腫塊268例（482個(gè)腫塊），DL系統(tǒng)檢出腫塊284例（533個(gè)腫塊）。DL系統(tǒng)對(duì)腫塊檢出的敏感度為86.25%，高于醫(yī)師B（77.99%），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；DL系統(tǒng)敏感度高于醫(yī)師A（83.98%），但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.263）。DL系統(tǒng)對(duì)于不同乳腺密度分類(lèi)的腫塊檢出敏感度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），而2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（表2）。其中，c型乳腺共檢出腫塊460個(gè)，DL系統(tǒng)檢出敏感度為85.52%，高于2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師84.78%、77.83%，d型乳腺共檢出97個(gè)腫塊，DL系統(tǒng)檢出敏感度為85.57%，高于2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師75.26%、71.13%（圖2、3）。在腫塊形態(tài)、腫塊大小及BI-RADS分類(lèi)等影響因素中，醫(yī)師B的敏感度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），其余不同患者年齡、腫塊邊緣、腫塊密度對(duì)于DL系統(tǒng)及2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師敏感度差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見(jiàn)表2。

表2 2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師與DL系統(tǒng)對(duì)不同因素腫塊檢出結(jié)果的比較

圖2 女，69歲，乳腺癌。A.2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師的檢測(cè)結(jié)果為散在點(diǎn)狀鈣化（橙色圈及黃色圈）；B.DL系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果為腫塊及散在點(diǎn)狀鈣化（紅色框）；C.高級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師的檢測(cè)結(jié)果為腫塊及散在狀鈣化（白色圈）

圖3 女，52歲，乳腺癌。A.2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師未檢出病變；B.DL系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果為腫塊（紅色框）；C.高級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師的檢測(cè)結(jié)果為腫塊

2.3 DL腫塊檢出系統(tǒng)的假陽(yáng)性率 324例檢出腫塊的病例中，318例有標(biāo)準(zhǔn)的雙側(cè)CC位和MLO位圖像（4幅），其中6例有單側(cè)CC位及MLO位圖像（2幅），共1 284幅圖像，DL系統(tǒng)腫塊檢出平均每幅圖像假陽(yáng)性為0.24（302/1 284）個(gè)，平均每個(gè)病例的假陽(yáng)性為0.93（302/324）個(gè)。

3 討論

乳腺X線攝影檢查在乳腺鈣化灶的診斷中具有較高的敏感度，并且目前研究發(fā)現(xiàn)醫(yī)師與DL對(duì)鈣化診斷的一致性較好[9]。腫塊比鈣化容易被致密的纖維腺體組織遮擋，從而難以發(fā)現(xiàn)腫塊型病變，醫(yī)師對(duì)腫塊的評(píng)估更具有主觀性，存在漏診的情況[10]。因此腫塊的檢測(cè)在乳腺癌的AI檢測(cè)上仍然是一個(gè)開(kāi)放性的挑戰(zhàn)。

3.1 DL系統(tǒng)在乳腺X線攝影檢查中的優(yōu)勢(shì) 本研究探討DL系統(tǒng)對(duì)腫塊型病變的檢出價(jià)值，構(gòu)建了基于IDVN、BDVN及IFN的DL腫塊檢測(cè)模型。該DL系統(tǒng)的敏感度高于2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師，且DL系統(tǒng)與醫(yī)師B有顯著差異。本研究的創(chuàng)新之處為團(tuán)隊(duì)前期使用大量亞洲女性致密型腺體的乳腺X線攝影圖像數(shù)據(jù)集構(gòu)建模型，更符合我國(guó)女性腺體情況，提高了DL系統(tǒng)檢出腫塊型病變的敏感度；DL系統(tǒng)可能在中國(guó)乳腺致密的女性中具有臨床應(yīng)用價(jià)值，減少放射科醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)的影響和漏診的可能性。馬明明等[11]利用U-Net深度學(xué)習(xí)模型對(duì)乳腺X線攝影中鈣化及腫塊進(jìn)行檢測(cè)，鈣化與腫塊均有較高的檢出率，分別為93.9%和90.0%，但其中腫塊的訓(xùn)練集圖像較少，且并未分析不同腺體密度對(duì)腫塊檢出的影響。楊連軍等[12]利用大量的多中心圖像訓(xùn)練出的模型在外部訓(xùn)練集中對(duì)腫塊檢出的敏感度高于3名放射科醫(yī)師閱片的敏感度，結(jié)果與本研究一致，并證實(shí)在DL系統(tǒng)的輔助下，放射科醫(yī)師檢出腫塊的敏感度有所提高。因此本研究表明DL系統(tǒng)可以輔助初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師診斷，提高病灶的檢出率。

3.2 腺體密度對(duì)DL系統(tǒng)的影響 研究發(fā)現(xiàn)乳腺的致密程度與患乳腺癌的風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，并且腫塊型乳腺癌容易被致密的腺體組織遮擋，從而使病變難以檢測(cè)，導(dǎo)致漏診[13-14]。本組資料中，致密型乳腺（c型和d型乳腺）占90.13%。相對(duì)于a型和b型乳腺，DL系統(tǒng)在c型和d型乳腺中檢出腫塊的敏感度高于2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師。本研究結(jié)果顯示，不同乳腺密度對(duì)DL腫塊檢出系統(tǒng)敏感度無(wú)顯著影響，但初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師易受影響，表明DL系統(tǒng)不受乳腺密度影響。Sasaki等[15]利用日本女性的乳腺X線攝影圖像構(gòu)建AI系統(tǒng)，證實(shí)AI系統(tǒng)在檢測(cè)病變上不易受乳腺腺體密度的影響，與本研究結(jié)果一致。Al-Masni等[16]提出基于區(qū)域DL技術(shù)的AI系統(tǒng)，其敏感度為93.20%。Boudouh等[17]利用混合2種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，成功提高了腫塊的敏感度（96.95%）。Al-Masni等[16]與Boudouh等[17]的研究敏感度均高于本研究，因此相比于歐美女性，亞洲女性乳腺腫塊的檢測(cè)更有難度，對(duì)DL算法的計(jì)算能力提出了更高的要求，DL系統(tǒng)的輔助診斷能力對(duì)中國(guó)女性的致密型乳腺更有意義[18-19]。本研究的DL系統(tǒng)適用于乳腺較為致密的中國(guó)女性，可減少初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師對(duì)經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的需求以及因致密腺體組織遮擋造成的漏診。

3.3 不同因素對(duì)DL系統(tǒng)的影響及DL系統(tǒng)的局限性本研究中表現(xiàn)為高、等密度腫塊占腫塊總數(shù)的96.44%，DL系統(tǒng)對(duì)高密度及等密度腫塊均具有較高的敏感度，但對(duì)低密度及含脂肪密度腫塊的敏感度低于2名初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師。Wang等[20]發(fā)現(xiàn)乳腺腫塊的密度通常比正常腺體組織更致密，通過(guò)乳腺組織的密度定量分析構(gòu)建乳腺腫塊檢測(cè)系統(tǒng)，腫塊的檢出準(zhǔn)確度可達(dá)91.84%，表明該DL系統(tǒng)對(duì)密度較低腫塊的檢出性能較弱，因此DL腫塊檢出系統(tǒng)仍需進(jìn)行大樣本乳腺數(shù)據(jù)迭代訓(xùn)練以提升檢出的穩(wěn)定性。本研究中的BI-RADS分類(lèi)包括BI-RADS 2 類(lèi)，其中BI-RADS 2～3 類(lèi)的敏感度（75.80%）顯著低于BI-RADS 4～5 類(lèi)的敏感度（91.98%），說(shuō)明DL系統(tǒng)對(duì)BI-RADS 4類(lèi)及以上腫塊的檢出穩(wěn)定性及敏感度較高，對(duì)可疑良性腫塊的檢出敏感度較低。哈婷婷等[21]研究發(fā)現(xiàn)在BI-RADS 3～5類(lèi)中DL系統(tǒng)對(duì)腫塊的檢出敏感度約為92.19%，其中BIRADS 3類(lèi)的敏感度約為74.19%，與本研究中的BIRADS 3類(lèi)的敏感度（75.52%）接近，對(duì)可疑良性腫塊檢出的敏感度均較低。這可能與BI-RADS 4～5類(lèi)腫塊的密度相對(duì)2～3類(lèi)腫塊密度高、惡性征象更顯著有關(guān)，更易檢出。表明DL系統(tǒng)對(duì)BI-RADS 4～5類(lèi)腫塊檢出率更高，有更高的敏感度，可以降低惡性腫塊的漏診率，能夠減少部分乳腺癌患者干預(yù)延遲。

3.4 本研究的局限性 本研究的DL系統(tǒng)檢出腫塊的假陽(yáng)性率較高為36.16%，今后將繼續(xù)增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本量，提升模型的性能及穩(wěn)定性。本研究DL病灶檢出系統(tǒng)僅針對(duì)腫塊，結(jié)構(gòu)扭曲及不對(duì)稱(chēng)病變，在實(shí)際臨床工作中的病例數(shù)較少，但結(jié)構(gòu)扭曲和不對(duì)稱(chēng)這兩類(lèi)非鈣化類(lèi)病變也是乳腺癌檢測(cè)的重要征象，需進(jìn)一步納入結(jié)構(gòu)扭曲和不對(duì)稱(chēng)的數(shù)據(jù)集，對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，分析DL系統(tǒng)對(duì)這兩類(lèi)病變的臨床價(jià)值。此外，本研究為回顧性單中心研究，易出現(xiàn)選擇性偏移，今后將進(jìn)一步通過(guò)多中心外部驗(yàn)證，前瞻性獲取數(shù)據(jù)對(duì)DL系統(tǒng)的臨床診斷性能進(jìn)行驗(yàn)證，并且將進(jìn)一步探討DL系統(tǒng)對(duì)醫(yī)師的輔助作用。

總之，基于DL的乳腺X線攝影腫塊檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)腫塊病變檢出具有很高的敏感度，且不受乳腺密度的影響，可輔助初級(jí)職稱(chēng)醫(yī)師減少因致密腺體組織遮擋造成的腫塊漏診，具有一定的臨床輔助價(jià)值，但系統(tǒng)的假陽(yáng)性率較高，需要進(jìn)一步提高模型性能。