卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在T3/4期胃癌影像學(xué)診斷中應(yīng)用

張訓(xùn)營(yíng),張凱明,張超,馬金龍,盧云,3,王東升

(1 青島大學(xué)附屬醫(yī)院胃腸外科,山東青島 266003; 2 青島大學(xué)附屬醫(yī)院影像科; 3 山東省數(shù)字醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

胃癌目前在全球癌癥發(fā)病率中位居第5,死亡率位居第3,嚴(yán)重威脅人類健康[1]。東亞是胃癌高發(fā)病及高死亡地區(qū),尤其是中國(guó)及日本[2]。中國(guó)胃癌病人占全球胃癌發(fā)病人數(shù)的42.6%,占相關(guān)死亡人數(shù)的45.0%[3-4]。盡管目前手術(shù)是治愈胃癌的唯一方法,但是新輔助化療的應(yīng)用可以明顯提高胃癌的治愈率及病人的生存率[5]。中國(guó)臨床腫瘤學(xué)會(huì)建議,新輔助化療適用于T3 期及以上胃癌病人,T2期及更早的胃癌建議行手術(shù)治療[6]。因此,為了提高治愈率及降低新輔助化療的不利影響,需要對(duì)T3/4期胃癌病人進(jìn)行有效篩選[7]。CT 由于具有非侵入性、實(shí)用性、便利性及穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),是術(shù)前評(píng)估胃癌分期的常規(guī)檢查方法[8]。但是,CT 預(yù)測(cè)胃癌T 分期的總體準(zhǔn)確率為43%～82%,容易對(duì)胃癌T 分期產(chǎn)生誤判,造成不必要的姑息性手術(shù)及過(guò)度的放化療治療[9-12]。在這種情況下,需要一種替代技術(shù)對(duì)T3/4期胃癌病人進(jìn)行有效的篩選。

人工智能處理數(shù)據(jù)具有運(yùn)算速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。近年來(lái),在臨床實(shí)踐中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)越來(lái)越多地被用來(lái)識(shí)別和區(qū)分醫(yī)學(xué)圖像。該技術(shù)在影像圖片診斷中已經(jīng)顯示出具有較高的診斷性能,例如在檢測(cè)冠狀動(dòng)脈粥樣硬化、乳癌、轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)[15-17]、皮膚病變的分類[18]及糖尿病視網(wǎng)膜病變篩查[19]等時(shí),在各種深度學(xué)習(xí)模型中CNN 是最成熟的算法。本研究主要基于CNN 在圖像處理及識(shí)別方面的強(qiáng)大能力,探索利用上腹部增強(qiáng)CT 圖像建立CNN 對(duì)T3/4期胃癌的自動(dòng)識(shí)別平臺(tái),并驗(yàn)證、評(píng)估其準(zhǔn)確性?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。

1 資料和方法

1.1 病人選擇

回顧性收集2018年6月—2019年12 月在青島大學(xué)附屬醫(yī)院行根治性胃癌手術(shù)的564例病人的上腹部增強(qiáng)CT 圖片。病人的納入標(biāo)準(zhǔn):術(shù)前行胃鏡檢查經(jīng)病理診斷為胃癌;術(shù)前于我院行上腹部增強(qiáng)CT 檢查;于我院行根治性切除手術(shù),術(shù)后病理確診為T3/4期胃癌。排除標(biāo)準(zhǔn):腫瘤直徑較小無(wú)法勾畫感興趣區(qū)域(ROI);術(shù)前接受新輔助放化療;胃腔充盈狀態(tài)不理想或胃部蠕動(dòng)導(dǎo)致成像不理想病人;手術(shù)后復(fù)發(fā)的病人。最終共208例病人被納入研究,其中T3期病人90例,T4期病人118例。收集病人性別、年齡及腫瘤病理分期、部位等基本信息。本研究經(jīng)青島大學(xué)附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 病人分組及CT 檢查方法

以腫瘤分期及腫瘤部位為分類標(biāo)準(zhǔn)將病人按7∶1 比例隨機(jī)分入訓(xùn)練集(182 例)和驗(yàn)證集(26例)。研究小組在訓(xùn)練集中共挑選出1 200張優(yōu)質(zhì)圖像確定為陽(yáng)性圖像,同理在測(cè)試集中挑選出210張陽(yáng)性圖像。本研究所有病人均采用飛利浦Brilliance iCT 掃描儀行上腹部增強(qiáng)CT 掃描,掃描層厚為1 mm,層間隔為1 mm,間距為0.985。檢查前所有病人均簽署碘對(duì)比劑知情同意書,禁食4～6 h,檢查前20 min給予病人500～1 000 m L 飲用水。通過(guò)高壓注射器以3 m L/s的流量將90 m L非離子造影劑碘海醇注入前肘靜脈進(jìn)行增強(qiáng)掃描。在動(dòng)脈期延遲掃描33 s,在靜脈期延遲掃描65 s,在平衡期延遲掃描120 s。掃描范圍為橫膈膜到臍部平面。

1.3 圖像標(biāo)識(shí)及數(shù)據(jù)增強(qiáng)處理

利用labelImg軟件對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)識(shí),由兩名高年資放射科醫(yī)師分別獨(dú)立閱讀CT 圖像并標(biāo)記腫瘤病變,標(biāo)識(shí)方法采用腫瘤分割方法。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果,與鄰近胃壁相比,局灶性胃壁增厚≥6 mm 確定為異常增厚和癌變[20]。兩名影像科醫(yī)師結(jié)合病人胃鏡報(bào)告及術(shù)后最終病理結(jié)果,僅標(biāo)識(shí)影像圖像中腫瘤浸潤(rùn)胃壁最深的位置。根據(jù)術(shù)后病理結(jié)果,由第三位影像科醫(yī)師檢查上腹部增強(qiáng)CT 圖像上腫瘤標(biāo)識(shí)部位,以保證增強(qiáng)CT 圖像中病變部位的準(zhǔn)確性及一致性。

利用CNN 提取上腹部增強(qiáng)CT 圖像上不同大小的ROI,然后對(duì)1 200張陽(yáng)性圖片中的ROI使用裁剪、翻轉(zhuǎn)等數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)增,最后篩選出2 500張陽(yáng)性圖像作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,以增強(qiáng)研究數(shù)據(jù)集,同時(shí)減輕模型處理數(shù)據(jù)集時(shí)產(chǎn)生的過(guò)度擬合問題[21]。

1.4 識(shí)別平臺(tái)構(gòu)建及驗(yàn)證

1.4.1 構(gòu)建識(shí)別平臺(tái) 構(gòu)建識(shí)別平臺(tái)前對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,包括采用圖像強(qiáng)度范圍歸一化和直方圖均衡化方法來(lái)處理圖像[22]。統(tǒng)一將訓(xùn)練圖像縮放為512×557像素大小,然后對(duì)識(shí)別平臺(tái)進(jìn)行訓(xùn)練,識(shí)別平臺(tái)在學(xué)習(xí)陽(yáng)性圖像同時(shí),將訓(xùn)練集中正常胃部解剖圖像默認(rèn)為陰性圖像一并學(xué)習(xí)。本研究采用的CNN 是一個(gè)具有101層深度的CNN,可以對(duì)圖像特征進(jìn)行提取。每個(gè)層面的模型分別經(jīng)過(guò)800個(gè)epoch的訓(xùn)練。優(yōu)化器采用SGD 優(yōu)化器,初始學(xué)習(xí)率為0.000 2。對(duì)CNN 學(xué)習(xí)成果分析采用Python編程語(yǔ)言,提取Metric模塊里面的結(jié)果生成結(jié)論。

1.4.2 平臺(tái)驗(yàn)證 利用驗(yàn)證集中210張陽(yáng)性圖像和200張陰性圖像對(duì)該平臺(tái)識(shí)別性能進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比影像科醫(yī)師對(duì)胃癌腫瘤區(qū)域標(biāo)注結(jié)果,判定平臺(tái)對(duì)驗(yàn)證集識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確性。通過(guò)繪制受試者工作特征(ROC)曲線,計(jì)算ROC曲線下面積(AUC),評(píng)估診斷平臺(tái)識(shí)別T3/4期胃癌圖像的準(zhǔn)確性,并統(tǒng)計(jì)識(shí)別的準(zhǔn)確度、靈敏度、特異度、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值及陰性預(yù)測(cè)值等指標(biāo)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。統(tǒng)計(jì)所有結(jié)點(diǎn)處的真陽(yáng)性和假陽(yáng)性的數(shù)目,計(jì)算得到不同概率閾值下真陽(yáng)性率和假陽(yáng)性率,從而繪制出ROC曲線,通過(guò)計(jì)算AUC,得出平臺(tái)識(shí)別T3/4期胃癌的準(zhǔn)確率。

2 結(jié) 果

2.1 平臺(tái)的學(xué)習(xí)效果

為評(píng)估平臺(tái)的學(xué)習(xí)效果,研究小組將驗(yàn)證集輸入經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的識(shí)別平臺(tái)中進(jìn)行驗(yàn)證。由診斷平臺(tái)學(xué)習(xí)結(jié)果的損失函數(shù)(loss)學(xué)習(xí)曲線可知,診斷平臺(tái)在進(jìn)行800個(gè)epoch學(xué)習(xí)后達(dá)到最佳優(yōu)化參數(shù)。用于識(shí)別T3/4期胃癌診斷平臺(tái)的AUC為0.924,準(zhǔn)確度、靈敏度、特異度分別為0.927、0.924、0.930,陽(yáng)性預(yù)測(cè)值為0.933,陰性預(yù)測(cè)值為0.921。見圖1。

圖1 T3/4期胃癌自動(dòng)識(shí)別平臺(tái)的ROC曲線

2.2 平臺(tái)驗(yàn)證

如圖2所示,A、C 圖片是影像科醫(yī)師基于病理結(jié)果手動(dòng)標(biāo)識(shí)的腫瘤位置,B、D 圖片是識(shí)別平臺(tái)對(duì)圖片中腫瘤的分割及識(shí)別?？梢缘贸鼋Y(jié)論,基于上腹部增強(qiáng)CT 圖像,該識(shí)別平臺(tái)識(shí)別T3/4期胃癌具有很高的準(zhǔn)確性。

圖2 自動(dòng)識(shí)別平臺(tái)對(duì)T3/4期胃癌圖像的識(shí)別

3 討 論

準(zhǔn)確的術(shù)前T 分期對(duì)胃癌病人圍手術(shù)期選擇治療方案以及評(píng)估預(yù)后均至關(guān)重要[23]。有研究證實(shí),胃癌病理T3/4期是術(shù)后切緣陽(yáng)性的獨(dú)立危險(xiǎn)因素,術(shù)后切緣陽(yáng)性病人總體預(yù)后較差[24]。中國(guó)臨床腫瘤學(xué)會(huì)建議治療胃癌之前需要準(zhǔn)確地區(qū)分胃癌T 分期以制定精準(zhǔn)的治療計(jì)劃。第8版美國(guó)國(guó)立綜合癌癥網(wǎng)絡(luò)指南(NCCN 指南)提出上腹部增強(qiáng)CT是診斷胃癌T 分期的主要影像學(xué)方法。影像科醫(yī)師主要通過(guò)術(shù)前腹部CT 等影像資料評(píng)估胃癌病人T 分期,繼而指導(dǎo)臨床醫(yī)師選擇治療方案。然而,目前實(shí)際臨床工作中術(shù)前通過(guò)腹部CT 判斷T 分期還存在一些問題:①不同影像科醫(yī)師通過(guò)上腹部增強(qiáng)CT 評(píng)估胃癌病人T 分期存在主觀差異;②在目前國(guó)內(nèi)各三級(jí)甲等醫(yī)院病人數(shù)量龐大的背景下,面對(duì)通過(guò)CT 等影像資料進(jìn)行胃癌臨床分期的復(fù)雜性,影像科醫(yī)生承受著巨大的工作量。因此,迫切需要一種新的方法來(lái)提高臨床診斷效率。而深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,為解決這一問題創(chuàng)造了可能。有研究報(bào)道,CNN-CAD 系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于乳房組織病理學(xué)圖像的分類檢測(cè)[25]和結(jié)腸直腸癌的檢測(cè)[26]。本研究基于CNN 建立了識(shí)別T3/4期胃癌的診斷平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了術(shù)前利用上腹部增強(qiáng)CT 對(duì)胃癌進(jìn)行快速精確篩選。

本研究小組在前期已經(jīng)開發(fā)出基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的直腸癌轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的MRI圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[27]。在前期經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,本研究建立了基于CNN 的T3/4期胃癌自動(dòng)識(shí)別平臺(tái),并評(píng)估了其臨床價(jià)值。上腹部增強(qiáng)CT 為胃癌病人的常規(guī)輔助檢查手段,有研究證實(shí),上腹部增強(qiáng)CT 靜脈期圖像對(duì)胃癌腫瘤浸潤(rùn)的診斷性能優(yōu)于動(dòng)脈期圖像,所以本研究選用上腹部增強(qiáng)CT 靜脈期圖像[28]。最新版胃癌NCCN 指南指出,上腹部CT 對(duì)胃癌T 分期的識(shí)別準(zhǔn)確率為43%～82%[23]。蘭州大學(xué)第二醫(yī)院的一項(xiàng)回顧性研究將胃癌術(shù)后病理結(jié)果與影像科高年資醫(yī)師讀片報(bào)告對(duì)比,結(jié)果顯示,增強(qiáng)CT 評(píng)估T3、T4期胃癌的準(zhǔn)確度分別為76.7%和92.7%[29]。本研究中通過(guò)放射科高年資醫(yī)生結(jié)合病理結(jié)果對(duì)增強(qiáng)CT 圖片的標(biāo)識(shí),對(duì)T3/4期胃癌識(shí)別平臺(tái)進(jìn)行深度訓(xùn)練,經(jīng)驗(yàn)證識(shí)別平臺(tái)對(duì)于T3/4期胃癌病人增強(qiáng)CT 靜脈期圖像具有較高的識(shí)別準(zhǔn)確度,其AUC為0.924。表明識(shí)別平臺(tái)的準(zhǔn)確性接近于影像科高年資醫(yī)師的診斷水平?？紤]其原因可能為:①T4期胃癌腫瘤較大、浸透漿膜層,在CT 圖片中易于辨認(rèn);②T3期胃癌侵犯至胃壁的固有肌層,而固有肌層在增強(qiáng)CT 中構(gòu)成了低密度條紋層的外層[30],在病理切片中占據(jù)了胃壁的大部分,這降低了識(shí)別T分期的難度;③T3/4期胃癌圖片較多,診斷平臺(tái)參數(shù)優(yōu)化較完善?；谠\斷平臺(tái)對(duì)病人全靜脈期連續(xù)圖像的T 分期最終判定結(jié)果與術(shù)后病理T 分期診斷結(jié)果完全相符。上述結(jié)果表明,該診斷平臺(tái)具有較高的可行性、準(zhǔn)確性、客觀性和高效性,可以輔助放射科醫(yī)生完成胃癌的篩選工作,減少放射科醫(yī)生的工作量;可以輔助臨床醫(yī)生制定診療方案,從而有利于胃癌病人接受更加精準(zhǔn)和高效的治療。

本研究的局限性:①本研究為單中心試驗(yàn)研究,數(shù)據(jù)量有限;②本研究是基于CNN 的監(jiān)督學(xué)習(xí),平臺(tái)的訓(xùn)練準(zhǔn)確性依賴于放射科醫(yī)師對(duì)增強(qiáng)CT 圖片腫瘤區(qū)域的精確標(biāo)識(shí)。因此,為了進(jìn)一步提升人工智能輔助平臺(tái)的可靠性,今后研究將聯(lián)合多中心增加數(shù)據(jù)量,并優(yōu)化算法和提升標(biāo)識(shí)效率,最終實(shí)現(xiàn)臨床驗(yàn)證,以達(dá)到輔助醫(yī)師診斷與治療的目的。

綜上所述,本研究建立的T3/4期胃癌自動(dòng)識(shí)別平臺(tái)能夠利用上腹部增強(qiáng)CT 圖像自動(dòng)分割識(shí)別T3/4期胃癌,顯示出了與經(jīng)驗(yàn)豐富的影像科醫(yī)師相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性,有望協(xié)助影像科醫(yī)師做出更為精準(zhǔn)、直觀及高效的診斷,極大減輕影像科醫(yī)師的工作負(fù)擔(dān);有望指導(dǎo)臨床醫(yī)師制定診療方案,利于病人接受更加精準(zhǔn)及個(gè)性化的治療。