基于人工智能的頭頸CTA在診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤中的應(yīng)用價(jià)值

古展亮 ，鄒清藝，葉蘭靜，周婷，黃必貴，吳英寧

(1. 右江民族醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院，廣西 百色 533000；2. 右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院放射科，廣西 百色 533000)

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂所致蛛網(wǎng)膜下腔出血具有潛在致命性，其發(fā)病率僅次于腦梗死、高血壓性腦出血[1]，隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)在神經(jīng)病學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，未破裂顱內(nèi)動(dòng)脈瘤檢出率逐漸增高，人工智能(artificial intelligence，AI)作為一門新興科學(xué)技術(shù)[2]，主要是應(yīng)用機(jī)器模擬、拓展人的思維能力，有文獻(xiàn)報(bào)道其應(yīng)用于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤診斷具有獨(dú)特的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)[3-4]，為快速、高效的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤成像分析提供了廣闊的應(yīng)用前景。但是，到目前為止，大多數(shù)研究缺乏DSA金標(biāo)準(zhǔn)及外部數(shù)據(jù)的驗(yàn)證[5-6]，AI技術(shù)能否代替?zhèn)鹘y(tǒng)手動(dòng)后處理分析成為顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的主要手段仍需進(jìn)一步研究。因此，本文以DSA結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)，并與傳統(tǒng)手動(dòng)后處理分析對(duì)比，著重探究基于AI的頭頸CTA在診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤中的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性收集、分析右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院2021年5月至2022年5月就診的96例臨床疑似顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者，其中男性45例，女性51例，年齡34～81歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①患者臨床、影像資料齊全；②均行頭頸部CTA及DSA檢查且間隔時(shí)間不超過(guò)2周；③AI后處理軟件均能成功計(jì)算結(jié)果。排除標(biāo)準(zhǔn)：①圖像質(zhì)量差未能夠達(dá)到診斷要求；②嚴(yán)重顱腦損傷或經(jīng)血管內(nèi)介入栓塞、開(kāi)顱手術(shù)后；③病歷資料不完整。

1.2 影像檢查方法

1.2.1 CTA檢查 CTA掃描方式采用256排Revolution螺旋CT掃描儀，囑患者取仰臥位，將第四頸椎設(shè)定為監(jiān)測(cè)層面，先行小劑量團(tuán)注法進(jìn)行測(cè)試，從主動(dòng)脈弓掃至顱頂。掃描參數(shù)：掃描層厚5 mm，層距5 mm，管電壓100 kV，自動(dòng)管電流，螺距0.992 mm，準(zhǔn)直128 mm×0.6 mm，探測(cè)器寬度160 mm。對(duì)比劑使用情況：采用優(yōu)維顯(370 mg/mL)，速率為5.0 mL/s，小劑量測(cè)試對(duì)比劑用量為15 mL，后以相同速率跟注生理鹽水20 mL；CTA掃描對(duì)比劑用量為40～60 mL，后跟注生理鹽水30 mL，速率同前。進(jìn)行頭頸部血管掃描前，先以平掃作為蒙片，掃描時(shí)間3 s，掃描完成后把血管圖像和平掃圖像用0.625 mm層厚重建，用注射造影劑后的頭頸部圖像減去平掃圖像傳至工作站進(jìn)行人工后處理。

1.2.2 DSA檢查 采用德國(guó)西門子公司AXIOM artist DTA55556數(shù)字減影血管造影機(jī)，經(jīng)股動(dòng)脈插管穿刺置管行雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈、椎動(dòng)脈血管常規(guī)注射對(duì)比劑，獲得標(biāo)準(zhǔn)正位、側(cè)位和斜位2D-DSA圖像，之后對(duì)全腦血管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)DSA檢查，后處理工作站中采用3D-VR等重建技術(shù)行3D-DSA重建。

1.3 圖像后處理及圖像分析

1.3.1 手動(dòng)后處理分析組(手動(dòng)組) 采用GE后處理工作站(ADW4.6)頭頸CTA分析軟件，使用容積再現(xiàn)、曲面重組等后處理技術(shù)，并記錄其后處理時(shí)間，動(dòng)脈瘤的診斷結(jié)果由兩名中級(jí)職稱的影像診斷醫(yī)生共同協(xié)商確定。

1.3.2 AI后處理分析組(AI組) 采用Cerebral Doc頭頸AI智能輔助診斷系統(tǒng)軟件(中國(guó)數(shù)坤科技)，利用三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(3D-CNN)自動(dòng)識(shí)別頭頸CTA圖像中的正常血管及病變區(qū)域，并進(jìn)行自動(dòng)重建、增強(qiáng)等相關(guān)技術(shù)處理，最終輸出頭頸CTA圖像后處理結(jié)果和相關(guān)診斷結(jié)果，并記錄后處理時(shí)間。

1.3.3 DSA圖像評(píng)估 以DSA為金標(biāo)準(zhǔn)判斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的有無(wú)、位置、大小(包括瘤徑寬、瘤體長(zhǎng)徑等)及數(shù)量；主要以神經(jīng)介入放射科醫(yī)生在DSA檢查時(shí)的3D-DSA軟件操作記錄及報(bào)告為標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件處理分析數(shù)據(jù)，AI組及手動(dòng)組后處理時(shí)間以四分位間距表示，采用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)比較兩組的后處理時(shí)間。比較手動(dòng)組與AI組兩者間診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的敏感度、特異度和準(zhǔn)確率的差異，采用配對(duì)χ2檢驗(yàn)。計(jì)算瘤頸寬度、瘤體長(zhǎng)徑在 AI組、手動(dòng)組兩者分別與DSA組的比較采用t檢驗(yàn)。P<0.05時(shí)認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩種方法后處理時(shí)間的對(duì)比 AI技術(shù)圖像后處理所需時(shí)間明顯低于手動(dòng)后處理分析，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)，見(jiàn)表1。

表1 兩種方法后處理所需時(shí)間對(duì)比

2.2 兩種方法對(duì)于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的診斷效能對(duì)比 96例患者中經(jīng)DSA檢查發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈瘤患者71例，發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈瘤總共 92個(gè)，其中<3 mm動(dòng)脈瘤11個(gè)，3 ～ 5 mm動(dòng)脈瘤29個(gè)，>5 mm動(dòng)脈瘤52個(gè)。AI組、手動(dòng)組與DSA在患者水平診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)表2。AI組與手動(dòng)組兩者對(duì)不同位置的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤檢出的差異，見(jiàn)表3，其中AI組對(duì)大腦中動(dòng)脈動(dòng)脈瘤漏診、誤診各2個(gè)，前交通動(dòng)脈瘤漏診1個(gè)，頸內(nèi)動(dòng)脈動(dòng)脈瘤誤診高達(dá)12個(gè)，椎-基底動(dòng)脈動(dòng)脈瘤漏診、誤診各有1個(gè)；而手動(dòng)組對(duì)后交通動(dòng)脈瘤漏診5個(gè)，對(duì)頸內(nèi)動(dòng)脈動(dòng)脈瘤誤診5個(gè)，前交通及椎-基底動(dòng)脈動(dòng)脈瘤各誤診1個(gè)。

表2 AI組、手動(dòng)組診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的敏感性、特異度、準(zhǔn)確性對(duì)照

表3 AI組、手動(dòng)組對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤不同部位

2.3 兩種方法對(duì)診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤定量分析方面的比較 DSA、AI及手動(dòng)CTA后處理VR圖像均能清晰顯示動(dòng)脈瘤位置、大小及形態(tài)(見(jiàn)圖1、圖2)。按照顱內(nèi)動(dòng)脈瘤大小常規(guī)分3類，<3 mm(微小動(dòng)脈瘤)、3～5 mm(小動(dòng)脈瘤)和>5 mm(中型動(dòng)脈瘤以上)，將AI組、手動(dòng)組后處理測(cè)量動(dòng)脈瘤瘤體、瘤頸徑線的數(shù)值分別與DSA測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表4)，發(fā)現(xiàn)AI組與DSA測(cè)量總瘤體長(zhǎng)徑、瘤體長(zhǎng)徑3～5 mm以及瘤體長(zhǎng)徑>5 mm的結(jié)果，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而測(cè)量瘤頸寬度和瘤體長(zhǎng)徑<3 mm的結(jié)果，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；手動(dòng)組與DSA測(cè)量總瘤體長(zhǎng)徑、瘤體長(zhǎng)徑3～5 mm和>5 mm、瘤頸寬度的結(jié)果，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而測(cè)量瘤體長(zhǎng)徑<3 mm的結(jié)果，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

3 討論

雖然顱內(nèi)動(dòng)脈瘤發(fā)病因素尚未明確，但有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[7-8]認(rèn)為其發(fā)病可能與顱內(nèi)壓增高、血流動(dòng)力學(xué)改變及顱內(nèi)血管的先天性變異等因素相關(guān)，而大多數(shù)蛛網(wǎng)膜下腔出血是由顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂引起，其破裂后出血及早期血管痙攣，所致的死亡率及致殘率極高[9]。因此，早期快速、準(zhǔn)確地獲取顱內(nèi)動(dòng)脈瘤位置、瘤體大小、瘤頸寬度等重要信息對(duì)臨床治療具有極其重要的參考意義。

注：患者，男，54歲。A：DSA后處理圖像，VR矢狀位；B：AI 自動(dòng)后處理圖像， VR冠狀位；C：手動(dòng)CTA后處理圖像，VR橫斷位。圖1 前交通動(dòng)脈瘤VR圖像

注：患者，女，55歲。A：DSA后處理圖像，VR矢狀位，；B：AI 自動(dòng)后處理圖像， VR矢狀位；C：手動(dòng)CTA 后處理圖像，VR矢狀位。圖2 左側(cè)后交通動(dòng)脈瘤VR圖像

表4 AI組、手動(dòng)組與DSA診斷瘤體、瘤頸大小對(duì)比

現(xiàn)如今，AI技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像的各個(gè)方面[10]。眾所周知，AI的一大優(yōu)勢(shì)就是方便快捷，節(jié)省時(shí)間，提高工作效率。同樣，在本研究中，基于AI技術(shù)憑借一組頭頸CTA動(dòng)脈期圖像就可自動(dòng)識(shí)別重建圖像，在后處理過(guò)程中會(huì)省略部分CTA重建步驟，而手動(dòng)后處理重建步驟復(fù)雜，且需要在初期獲取的僅剩對(duì)比劑充盈的血管圖像的基礎(chǔ)上，進(jìn)行手動(dòng)減影以去除血管圖像以外的干擾影像信息從而獲取較高質(zhì)量圖像，因此AI技術(shù)能夠大幅度減少圖像后處理工作時(shí)間，提高診斷效率。

既往的研究由于缺乏金標(biāo)準(zhǔn)及外部數(shù)據(jù)驗(yàn)證，AI模型的推廣和應(yīng)用受到限制[5-6]，但近期SHI Z等[11]將AI與DSA對(duì)比，并將<3 mm動(dòng)脈瘤納入研究以驗(yàn)證AI的診斷效能，在患者水平得出了較高的敏感度、特異度和準(zhǔn)確率，分別為84.6%、80.2%和81.0%。而本研究在患者水平計(jì)算出AI組診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的敏感度、特異度和準(zhǔn)確率分別為88.73%、80.65%、91.66%，手動(dòng)組分別為91.55%、80.00%、96.87%，兩者結(jié)果差別不大，表明在患者水平AI組與手動(dòng)組診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤均可得到較高的敏感度、特異度和準(zhǔn)確率，提示AI技術(shù)診斷動(dòng)脈瘤具有可行性。此外，有研究[12]指出傳統(tǒng)手動(dòng)后處理CTA診斷微小動(dòng)脈瘤容易漏診，并且難以區(qū)分后交通起始部微小動(dòng)脈瘤以及后交通漏斗樣開(kāi)口，本研究中手動(dòng)組漏診的1例動(dòng)脈瘤亦是位于后交通起始部的大小約2.6 mm×2.5 mm的微小動(dòng)脈瘤。筆者認(rèn)為診斷這種微小動(dòng)脈瘤，應(yīng)在0.625 mm薄層原始血管圖像上，以橫斷面一層一層逐一細(xì)致觀察，并結(jié)合矢狀位、冠狀位多方位綜合觀察，以減少漏診。

臨床實(shí)踐中，人工診斷、測(cè)量顱內(nèi)動(dòng)脈瘤存在主觀性及前后矛盾性等局限，且診斷結(jié)果差異大[13]，而AI通過(guò)3D-CNN自動(dòng)識(shí)別頭頸CTA圖像進(jìn)而快速輸出相關(guān)診斷信息[14]。本研究以DSA為金標(biāo)準(zhǔn)，將AI組、手動(dòng)組分別與DSA瘤體長(zhǎng)徑測(cè)量值對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AI組除了對(duì)<3 mm的動(dòng)脈瘤測(cè)量結(jié)果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外，其他結(jié)果差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明AI技術(shù)具有篩查瘤體長(zhǎng)徑≥3 mm的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的潛力，尤其對(duì)于瘤體長(zhǎng)徑>5 mm的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤能夠進(jìn)行自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確識(shí)別。由于納入病例中經(jīng)DSA確診<3 mm和3～5 mm動(dòng)脈瘤的病例收集有限，對(duì)該研究結(jié)論有待進(jìn)一步證實(shí)，這也是本研究存在的不足，接下來(lái)將進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，進(jìn)行深入研究；而對(duì)于瘤體長(zhǎng)徑>5 mm以上的動(dòng)脈瘤，AI可為放射科醫(yī)生提供可靠的診斷依據(jù)。此前，也有相關(guān)學(xué)者鄧昊等[15]發(fā)現(xiàn)AI測(cè)量瘤體長(zhǎng)徑>5 mm的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤測(cè)量結(jié)果可作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

本研究發(fā)現(xiàn)，手動(dòng)組在動(dòng)脈瘤個(gè)數(shù)和位置檢出效能方面顯然優(yōu)于AI組，尤其是頸內(nèi)動(dòng)脈顱內(nèi)段動(dòng)脈瘤AI組假陽(yáng)性高達(dá)12個(gè)。由于本研究樣本量較少，無(wú)法對(duì)動(dòng)脈瘤的各個(gè)位置和大小等進(jìn)行具體的分層分析，這也是本團(tuán)隊(duì)接下來(lái)需要進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容。分析本研究中AI組誤診動(dòng)脈瘤的原因主要包括：①動(dòng)脈粥樣硬化血管壁多發(fā)鈣化斑塊；②動(dòng)脈血管起始部漏斗樣擴(kuò)大；③動(dòng)脈血管狹窄后局限性擴(kuò)張；④動(dòng)靜脈瘺；⑤動(dòng)脈血管蜿蜒迂曲、折疊。而本研究中AI組漏診病例的原因主要有：①動(dòng)脈瘤伴局部的靜脈走行；②動(dòng)脈瘤位于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤不常見(jiàn)位置(顱內(nèi)的分支動(dòng)脈或穿支動(dòng)脈)；③動(dòng)脈瘤位于前交通，而一側(cè)前交通的A1段發(fā)育缺如。

本研究的新穎之處在于將基于AI技術(shù)的頭頸CTA在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的診斷價(jià)值上與手動(dòng)后處理進(jìn)行對(duì)比，而創(chuàng)新性的發(fā)現(xiàn)AI技術(shù)相對(duì)DSA對(duì)于動(dòng)脈瘤瘤頸寬度的測(cè)量值具有普遍夸大的趨勢(shì)，而手動(dòng)組的測(cè)量值相對(duì)可靠，是否提示AI對(duì)于動(dòng)脈瘤與載瘤動(dòng)脈的自動(dòng)識(shí)別與血管分割功能有所欠缺，有待進(jìn)一步探究。除此之外，本研究發(fā)現(xiàn)該AI技術(shù)對(duì)動(dòng)脈瘤識(shí)別和位置的準(zhǔn)確判斷與目標(biāo)血管準(zhǔn)確識(shí)別和分段相關(guān)，如動(dòng)脈瘤合并血管先天性發(fā)育異?；蛘呶挥谝弧⒍?jí)分支血管，將無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別血管分段。但本研究作為回顧性單中心研究，樣本存在一定程度的偏倚，未探討AI技術(shù)對(duì)于動(dòng)脈瘤合并其他頭頸部疾病時(shí)的檢測(cè)效能，而這也是本團(tuán)隊(duì)需要進(jìn)一步改進(jìn)及深入研究的方向。

綜上所述，AI對(duì)頭頸CTA圖像后處理效率高，且在診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的敏感性、準(zhǔn)確性上有較高水平，能為放射科醫(yī)生方便、快捷地提供可靠的診斷依據(jù)，AI技術(shù)可作為進(jìn)一步推廣及應(yīng)用的篩查手段。同時(shí)也存在一定的假陽(yáng)性率和假陰性率，需靈活聯(lián)合傳統(tǒng)人工診斷，從而達(dá)到最佳的正確診斷的目的。