機(jī)器學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)超聲引導(dǎo)下細(xì)針穿刺過程中甲狀腺結(jié)節(jié)位移對(duì)其良惡性的診斷價(jià)值

楊金鋒 陳繼繁 金沛樂 黃品同 張 超

目前甲狀腺癌已成為發(fā)病率增長(zhǎng)最快的實(shí)體腫瘤［1］。超聲引導(dǎo)下細(xì)針穿刺細(xì)胞學(xué)檢查（ultrasoundguided fine-needle aspiration cytology，US-G FNAC）術(shù)前定性診斷甲狀腺結(jié)節(jié)的敏感性和特異性最高，可以作為臨床甲狀腺結(jié)節(jié)處理意見的依據(jù)［2］。但細(xì)胞病理學(xué)受諸多因素的影響，無法診斷及診斷不確定性甲狀腺結(jié)節(jié)的發(fā)生率分別為10%～15%和10%～20%［3］。甲狀腺結(jié)節(jié)因其硬度及粘滯度不同，在穿刺過程中產(chǎn)生的位移不同，且這種位移可以作為鑒別結(jié)節(jié)良惡性的依據(jù)［4］。近年來，人工智能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，機(jī)器學(xué)習(xí)的方法在疾病診斷、危險(xiǎn)分層等方面具有重要的研究?jī)r(jià)值。本研究引入的支持向量機(jī)對(duì)平均位移單變量建立診斷模型，不但解決了傳統(tǒng)邏輯回歸難以解決的非線性問題，還可自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)中潛在的截?cái)嘀敌畔?，具有很好的泛化能力，能合理反映平均位移?duì)結(jié)節(jié)良惡性的診斷效能。因此，本研究通過測(cè)量US-G FNAC 過程中甲狀腺結(jié)節(jié)的平均位移，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)輔助評(píng)價(jià)其鑒別結(jié)節(jié)良惡性的應(yīng)用價(jià)值。

資料與方法

一、研究對(duì)象

選取2021年1～4月在浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院經(jīng)穿刺病理檢查證實(shí)的甲狀腺結(jié)節(jié)患者145 例，男49 例，女96 例，年齡17～67 歲，中位年齡42 歲。其中結(jié)節(jié)位于甲狀腺左側(cè)葉66 例，右側(cè)葉79 例。根據(jù)病理結(jié)果分為良性組61 例和惡性組84 例。其中良性組包括：結(jié)節(jié)性甲狀腺腫19 例，甲狀腺腺瘤13 例，皺縮結(jié)節(jié)21例，炎性病變8例；惡性組均為甲狀腺乳頭狀癌。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡≥17歲；②結(jié)節(jié)直徑≤1.5 cm；③能全程配合US-G FNAC，甲狀腺峽部區(qū)域入路。排除標(biāo)準(zhǔn)：①結(jié)節(jié)位于峽部；②結(jié)節(jié)伴有粗大鈣化；③近期行放、化療者；④凝血功能異常者。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，入選者均知情同意。

二、儀器與方法

1.超聲檢查：使用邁瑞Resona 7 彩色多普勒超聲診斷儀，C11-3U 和L11-3 凸陣、線陣高頻探頭，頻率2.6～12.8 MHz；配備Free-Xros M 功能。所有患者均行常規(guī)超聲檢查，仔細(xì)觀察結(jié)節(jié)大小、位置、部位、形態(tài)、回聲、血流信號(hào)等。然后行US-G FNAC，患者取仰臥位，充分暴露頸部，消毒鋪巾，局部麻醉后于超聲引導(dǎo)下將細(xì)針刺入結(jié)節(jié)進(jìn)行反復(fù)提插。穿刺方法及要求：①進(jìn)針點(diǎn)選取頸部正中雙側(cè)胸鎖乳突肌內(nèi)側(cè)緣，即甲狀腺峽部區(qū)域入路，避免頸前肌肉干擾；②進(jìn)針角度與水平面呈20°～80°；③進(jìn)入病灶后針尖提插位于結(jié)節(jié)內(nèi)部；④穿刺頻率控制在90～220 次/min；⑤所有結(jié)節(jié)US-G FNAC 過程中均留存動(dòng)態(tài)圖。以上操作由經(jīng)驗(yàn)豐富的高年資超聲醫(yī)師完成。

2.圖像后處理及參數(shù)分析：打開留存的動(dòng)態(tài)圖，降低動(dòng)態(tài)范圍，選取合適的圖譜以增加圖像對(duì)比度。然后應(yīng)用Free-Xros M 功能，調(diào)整取樣線方向，使其與穿刺針平行或重合，選取位移曲線規(guī)整處測(cè)量穿刺頻率及結(jié)節(jié)平均位移，測(cè)量3 次取平均值。以上操作由兩名高年資超聲醫(yī)師完成。

三、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)量資料以±s表示，行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以例或率表示，行χ2檢驗(yàn)。采用支持向量機(jī)構(gòu)建平均位移診斷結(jié)節(jié)良惡性的模型，隨機(jī)抽取85%的病例作為訓(xùn)練集（99例）和驗(yàn)證集（25 例）進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，采用k 折交叉驗(yàn)證法驗(yàn)證該模型的有效性和穩(wěn)定性；將余下15%的病例（21例）作為測(cè)試集，驗(yàn)證該模型的實(shí)測(cè)能力。以病理結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，繪制受試者工作特征（ROC）曲線分析平均位移診斷甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性的效能。P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)果

一、兩組一般資料和常規(guī)超聲特征比較

兩組年齡、性別、結(jié)節(jié)大小、位置、血流信號(hào)、回聲、穿刺頻率等比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；僅結(jié)節(jié)形態(tài)比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。見表1。

表1 兩組一般資料和常規(guī)超聲特征比較

二、不同病理類型甲狀腺結(jié)節(jié)平均位移

甲狀腺結(jié)節(jié)超聲引導(dǎo)下穿刺及平均位移測(cè)量圖見圖1。

圖1 甲狀腺結(jié)節(jié)超聲引導(dǎo)下穿刺及平均位移測(cè)量圖

本研究發(fā)現(xiàn)US-G FNAC 中甲狀腺結(jié)節(jié)平均位移與其良惡性存在非線性關(guān)系（圖2）。結(jié)節(jié)性甲狀腺腫的平均位移為（1.50±0.51）mm，甲狀腺腺瘤的平均位移為（1.52±0.50）mm，炎性病變的平均位移為（1.01±0.55）mm，皺縮結(jié)節(jié)的平均位移為（5.31±1.30）mm，甲狀腺乳頭狀癌的平均位移為（3.10±1.12）mm。

圖2 甲狀腺結(jié)節(jié)US-G FNAC 過程中平均位移與良惡性關(guān)系的柱狀分布圖

三、機(jī)器學(xué)習(xí)評(píng)估US-G FNA 過程中甲狀腺結(jié)節(jié)平均位移對(duì)其良惡性的診斷效能

US-G FNA 過程中結(jié)節(jié)平均位移對(duì)其良惡性有較好的診斷價(jià)值，其在訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集中的敏感性分別為0.878±0.018、0.889±0.090 和0.778；特異性分別為0.817±0.030、0.818±0.079 和0.750；準(zhǔn)確性分別為0.847±0.020、0.853±0.058 和0.764；曲線下面積分別為0.848±0.019、0.854±0.059和0.764。見圖3。

圖3 機(jī)器學(xué)習(xí)評(píng)估甲狀腺結(jié)節(jié)平均位移診斷其良惡性的ROC曲線圖

討論

US-G FNAC以其操作簡(jiǎn)便、安全、檢出率高等優(yōu)勢(shì)成為鑒別甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性最有效的方法［5］，但易受結(jié)節(jié)大小、位置、操作者技術(shù)、患者配合度、穿刺針粗細(xì)、細(xì)胞學(xué)涂片技術(shù)及病理醫(yī)師診斷水平等因素的影響［6］。有15%～30%的結(jié)節(jié)因穿刺標(biāo)本不滿意被診斷為意義不明確或多次細(xì)胞學(xué)檢查仍不能明確診斷［7］，導(dǎo)致56.74%的患者接受不必要的手術(shù)或微創(chuàng)消融治療［8］。本研究引入支持向量機(jī)對(duì)平均位移單變量建立診斷模型，解決了傳統(tǒng)分析方法面對(duì)非線性分布的數(shù)據(jù)時(shí)診斷效果不佳的問題，還可自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)中的潛在截?cái)嘀敌畔?，合理且?zhǔn)確地反映平均位移對(duì)結(jié)節(jié)良惡性的診斷效能。在擴(kuò)大樣本量的基礎(chǔ)上，該算法的精度可以進(jìn)一步被優(yōu)化。基于此，本研究旨在探討機(jī)器學(xué)習(xí)評(píng)估US-G FNAC 過程中的甲狀腺結(jié)節(jié)平均位移對(duì)其良惡性的診斷價(jià)值，以期為臨床提供新的診斷方法。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩組在性別、年齡、結(jié)節(jié)大小、血流信號(hào)、位置、甲狀腺背景等方面比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，僅結(jié)節(jié)形態(tài)比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。分析其原因，本研究入組對(duì)象均為需行US-FNAC 的患者，具有相似的可疑惡性聲像圖，使常規(guī)超聲特征診斷其良惡性的有價(jià)值指標(biāo)減少。結(jié)節(jié)平均位移與其病理分型有一定聯(lián)系，是一種較好的量化指標(biāo)。常規(guī)情況下，良性結(jié)節(jié)基質(zhì)中的膠原蛋白表達(dá)少，結(jié)節(jié)多生長(zhǎng)緩慢，組織細(xì)胞無侵襲性，基質(zhì)反應(yīng)弱，故結(jié)節(jié)較軟；惡性結(jié)節(jié)包含較多膠原蛋白軸，其內(nèi)有大量癌細(xì)胞增殖浸潤(rùn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，致使結(jié)節(jié)較硬［9-10］；而皺縮結(jié)節(jié)是甲狀腺囊實(shí)性結(jié)節(jié)在演變過程中發(fā)生出血壞死，囊液吸收后大量膠質(zhì)濃縮，結(jié)節(jié)內(nèi)出現(xiàn)囊壁纖維化、囊內(nèi)殘留物機(jī)化及玻璃樣變［11］，致其硬度增加。筆者通過對(duì)樣本數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，甲狀腺結(jié)節(jié)平均位移與其良惡性呈非線性關(guān)系，而是呈節(jié)段性分布，這限制了ROC 曲線、線性回歸、邏輯回歸等常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的直接應(yīng)用。從理論上講，支持向量機(jī)是專門研究有限樣本預(yù)測(cè)的學(xué)習(xí)方法，具有嚴(yán)格的理論和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是一種新型的結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)方法，其能很好地解決傳統(tǒng)邏輯回歸難以解決的非線性問題，并具有很好的泛化能力。因此本研究采用了機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)甲狀腺結(jié)節(jié)平均位移對(duì)其良惡性具有很好的鑒別診斷價(jià)值，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，得到甲狀腺乳頭狀癌位移為1.9～4.0 mm，平均（3.10±1.12）mm，表明平均位移<1.9 mm 或>4.0 mm 時(shí)甲狀腺結(jié)節(jié)更傾于良性，其診斷甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性的敏感性為77.8%，特異性為75.0%，準(zhǔn)確率為76.4%，曲線下面積為0.764。

郭強(qiáng)等［4］報(bào)道甲狀腺細(xì)針穿刺過程中結(jié)節(jié)位移與其良惡性存在相關(guān)性，通過回放US-G FNAC 過程中的動(dòng)態(tài)圖像，測(cè)得針尖移動(dòng)距離、結(jié)節(jié)移動(dòng)距離及針尖相對(duì)結(jié)節(jié)的移動(dòng)距離，但該研究可能存在回放動(dòng)態(tài)圖像幀頻的影響、操作者主觀判斷因素等局限，從而影響獲得結(jié)節(jié)位移的準(zhǔn)確性。本研究應(yīng)用的Free-Xros M 型超聲可以在任意角度自由放置取樣線至感興趣區(qū)域，自動(dòng)獲得精準(zhǔn)的解剖M 型超聲曲線，并可實(shí)時(shí)連續(xù)地記錄特定時(shí)間和頻率下結(jié)節(jié)位移的距離及狀態(tài)，從而準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)節(jié)的平均位移、穿刺頻率等。且本研究中測(cè)得部分甲狀腺良性結(jié)節(jié)位移較大，填補(bǔ)了較大位移為良性結(jié)節(jié)的數(shù)據(jù)空白，進(jìn)一步證實(shí)甲狀腺結(jié)節(jié)US-G FNAC 過程中平均位移與其良惡性密切相關(guān)。

本研究的局限性：①未納入結(jié)節(jié)內(nèi)含有粗大鈣化者，原因是穿刺過程中粗大鈣化會(huì)導(dǎo)致M型超聲曲線起伏差異較大、波形不規(guī)整、穿刺頻率及提插距離不在區(qū)間內(nèi)等，因而未納入統(tǒng)計(jì)；②不同穿刺入路對(duì)數(shù)據(jù)有一定的影響，因此本研究采用了頸前峽部入路，選取穿刺針尖移動(dòng)于結(jié)節(jié)內(nèi)，規(guī)定頻率區(qū)間內(nèi)進(jìn)行收集數(shù)據(jù)；③本研究納入的惡性結(jié)節(jié)均為甲狀腺乳頭狀癌，甲狀腺濾泡性腫瘤及髓樣癌因發(fā)病極少見未被納入其中，是否與研究結(jié)果一致有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)輔助評(píng)估US-G FNAC 過程中結(jié)節(jié)位移對(duì)其良惡性的鑒別具有良好的診斷價(jià)值，尤其是對(duì)穿刺細(xì)胞標(biāo)本量不滿意、病理結(jié)果不確定結(jié)節(jié)的良惡性鑒別具有重要的參考價(jià)值。