基于深度學(xué)習(xí)的乳腺X線智能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鈣化的檢出能力評(píng)估

鄒雪瑾 王齊艷 鄭勇 蒲楊梅 康敏

(四川省婦幼保健院放射科，四川 成都 610045)

乳腺癌是女性最常見(jiàn)的惡性腫瘤，也是治療效果最好的惡性腫瘤。早發(fā)現(xiàn)、早診斷對(duì)臨床預(yù)后具有重要意義，尤其對(duì)于導(dǎo)管原位癌及時(shí)治療，其20年相對(duì)生存率可達(dá) 97%[1]。鈣化是乳腺癌的重要征象，甚至可能是早期乳腺癌唯一征象[1-6]，乳腺X線攝影是顯示鈣化的敏感度最高的影像手段，尤其是對(duì)以微小鈣化為表現(xiàn)形式的導(dǎo)管原位癌等早期乳腺癌發(fā)現(xiàn)意義重大[2-6]。人工閱片診斷乳腺鈣化病變，對(duì)影像診斷醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)要求高，且也可由于閱片環(huán)境、閱片數(shù)量因素等引起的視覺(jué)疲勞或注意力不集中導(dǎo)致漏診。近年，隨著人工智能(Artificial intelligence，AI)技術(shù)發(fā)展，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)(Deep learning，DL)技術(shù)逐漸應(yīng)用到乳腺X線影像輔助診斷領(lǐng)域，其運(yùn)用人工智能算法檢出乳腺X線圖像中病變[7-8]。本文將對(duì)比基于Faster-RCNN算法的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)與影像醫(yī)師檢出不同類型乳腺良性可能及可疑鈣化敏感度，并評(píng)估其檢出乳腺X線影像鈣化灶的穩(wěn)定性，探討深度學(xué)習(xí)智能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)臨床醫(yī)師的輔助價(jià)值。

1 資料與方法

1.1一般資料 回顧性分析2018年1月至2020年9月于四川省婦幼保健院接受常規(guī)乳腺X線檢查的6165病例，篩選出140例僅因鈣化原因進(jìn)行病理組織學(xué)檢查，均為女性患者，年齡24～85歲，中位年齡46歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)行乳腺X線檢查前未進(jìn)行穿刺活檢、放化療、手術(shù)切除等治療；(2)圖像質(zhì)量合格符合診斷標(biāo)準(zhǔn)，含雙乳頭尾位(cranio-caudal view，CC)和內(nèi)外斜位(medio-lateral oblique，MLO)。(3)圖像中僅含鈣化病變。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)圖像質(zhì)量不合格，拍攝條件不達(dá)標(biāo)或投照體位缺失；(2)圖像中含腫塊、不對(duì)稱致密及結(jié)構(gòu)扭曲等重要征象。

1.2影像采集 采用Hologic Lorad Selenia數(shù)字乳腺機(jī)，陽(yáng)極靶面材料為鎢，濾過(guò)材料為銠和銀。采用全自動(dòng)曝光和全自動(dòng)壓迫系統(tǒng)，根據(jù)乳腺厚度和密度全自動(dòng)選擇所有成像參數(shù)，曝光電壓范圍為22～39 kV，曝光電流為3～400 mA。常規(guī)拍攝獲取雙乳CC位及MLO位圖像，采集方法符合中華醫(yī)學(xué)會(huì)2016年乳腺影像檢查方法專家共識(shí)制定的乳腺影像檢查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[9]。

1.3DL系統(tǒng)應(yīng)用 DL系統(tǒng)為北京市醫(yī)準(zhǔn)智能科技有限公司開(kāi)發(fā)的乳腺X射線影像輔助診斷軟件，版本號(hào)：V.3.2.1.2021.0701，該軟件為基于Faster-RCNN算法的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，系統(tǒng)讀取標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的DICOM數(shù)據(jù)，自動(dòng)檢出鈣化。分析乳腺病變的時(shí)間為10%～20%。

1.4圖像處理及建立參照標(biāo)準(zhǔn) 兩名經(jīng)驗(yàn)豐富的高年資醫(yī)師(15年以上乳腺X線閱片經(jīng)驗(yàn))采用盲法獨(dú)立閱片，依據(jù)美國(guó)放射學(xué)院(American College of Radiology，ACR)2013年第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)分類標(biāo)準(zhǔn)[10]對(duì)鈣化進(jìn)行評(píng)估，記錄其形態(tài)、分布、BI-RADS分類、ACR腺體構(gòu)成；如果同一病例出現(xiàn)多個(gè)可疑鈣化或同一病灶出現(xiàn)多種形態(tài)可疑鈣化，以陽(yáng)性預(yù)測(cè)值最高者進(jìn)行BI-RADS分類；當(dāng)兩者檢出結(jié)果不一致時(shí)，兩位醫(yī)師再次討論得出最終診斷結(jié)果，并建立參照標(biāo)準(zhǔn)組。同時(shí)，由1名低年資住院醫(yī)師A(2年乳腺X閱片經(jīng)驗(yàn))、1名高年資住院醫(yī)師B(5年乳腺X線閱片經(jīng)驗(yàn))、DL系統(tǒng)盲法獨(dú)立閱片，標(biāo)記BI-RADS 3類及以上鈣化病灶。閱片過(guò)程中，醫(yī)師可以調(diào)整影像的窗寬、窗位和分辨率，且閱片時(shí)間不受限制。

1.5評(píng)估時(shí)間統(tǒng)計(jì) 記錄醫(yī)師A、醫(yī)師B及DL系統(tǒng)評(píng)估鈣化使用的總時(shí)間。

1.6統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用Python 2.7.10統(tǒng)計(jì)分析軟件。用χ2檢驗(yàn)評(píng)價(jià)DL系統(tǒng)與醫(yī)師A、B的鈣化檢出敏感度；雙向表χ2檢驗(yàn)評(píng)價(jià)不同ACR腺體構(gòu)成、鈣化形態(tài)、鈣化分布及BI-RADS分類等因素對(duì)DL系統(tǒng)、醫(yī)師A和B的檢出敏感度的影響。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)意義。

2 結(jié) 果

140例病例中含BI-RADS 3類以上的鈣化灶圖像275幅，其中CC位135幅，MLO位140幅，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)鈣化灶306個(gè)，CC位150個(gè)，MLO位156個(gè)。醫(yī)師A、B及DL系統(tǒng)分別耗時(shí)5、7及4.2 h完成鈣化評(píng)估。不同ACR乳腺構(gòu)成的鈣化檢出比較見(jiàn)表1。DL系統(tǒng)與醫(yī)師B在不同ACR乳腺構(gòu)成的檢出敏感度無(wú)顯著性差異(χ2值0.050，P>0.05)，醫(yī)師A檢出敏感度顯著低于醫(yī)生B及DL系統(tǒng)(χ2值分別為58.929、61.293，P<0.05)，其中c、d類乳腺檢出敏感度差異顯著(P均<0.05)，而a、b類腺體檢出敏感度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。不同ACR乳腺構(gòu)成類型對(duì)DL系統(tǒng)及醫(yī)師B鈣化檢出靈敏度無(wú)影響，對(duì)醫(yī)師A鈣化檢出靈敏度有影響。見(jiàn)表1。

表1 不同ACR乳腺構(gòu)成的鈣化檢出比較(%)

醫(yī)師A對(duì)于不同鈣化形態(tài)的檢出靈敏度明顯低于醫(yī)師B及DL系統(tǒng)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=60.236、62.598,P均<0.005)。各組主要漏檢簇集分布不定形鈣化(圖1)，其中DL系統(tǒng)漏診8個(gè)，其密度較淡，范圍較??；醫(yī)師A主要漏檢鈣化還包括簇狀及區(qū)域分布的點(diǎn)狀鈣化(圖1)。對(duì)于不定形鈣化，DL系統(tǒng)與醫(yī)師B檢出敏感度對(duì)比，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(χ2=1.394,P>0.05)，與醫(yī)師A對(duì)比，其檢出敏感度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=34.600,P<0.005)。對(duì)于不同分布方式鈣化的檢出敏感度DL系統(tǒng)與醫(yī)師B無(wú)顯著性差異(χ2=0.050，P>0.05)；DL系統(tǒng)與醫(yī)師A在區(qū)域與簇集鈣化的檢出敏感度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=33.547、29.563，P均P<0.05)。不同形態(tài)、分布方式的鈣化對(duì)DL系統(tǒng)、醫(yī)師B的檢出敏感度無(wú)影響，對(duì)醫(yī)師A鈣化檢出敏感度有影響。見(jiàn)表2，表3。

注：A.54歲，女,DL系統(tǒng)漏診左乳不定型鈣化漏診,其密度較淡，范圍?。籅.54歲，女，DL系統(tǒng)漏診左乳不定型鈣化，直徑范圍0.5 cm；C.48歲，女，DL系統(tǒng)、醫(yī)師A、醫(yī)師B均漏診右乳不定型鈣化，直徑范圍約0.5 cm；D.43歲，女，低年資住院醫(yī)師漏診簇集分布混雜含不定形鈣化和點(diǎn)狀鈣化病灶。圖1 鈣化漏診病例

表2 不同形態(tài)鈣化檢出比較(%)

表3 不同分布方式鈣化檢出比較(%)

各醫(yī)師與DL系統(tǒng)檢出BI-RADS 3類以上的鈣化敏感度見(jiàn)表4,醫(yī)師A檢出敏感度73.45%，低于醫(yī)師B及DL系統(tǒng)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。不同BI-RADS分類不影響DL系統(tǒng)及醫(yī)師B檢出鈣化敏感度，對(duì)醫(yī)師A檢出鈣化敏感度有影響。見(jiàn)表4。

表4 不同BI-RADS分類鈣化檢出比較(%)

3 討 論

近年來(lái)，CAD系統(tǒng)[7，11,12]和DL系統(tǒng)[7，13]等人工智能技術(shù)在對(duì)乳腺X線攝影病變檢出的領(lǐng)域研究已經(jīng)有報(bào)道，傳統(tǒng)CAD算法基于人工設(shè)計(jì)特征，沒(méi)有深度網(wǎng)絡(luò)，僅能提取淺層特征，系統(tǒng)性能較差，在實(shí)際應(yīng)用中存在假陽(yáng)性率高，檢出率低等不足之處[7,12]。近幾年基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)使得乳腺人工智能診斷系統(tǒng)的診斷水平有所提高[13]，利于臨床醫(yī)師減少漏檢率[14-16]。本研究中，DL系統(tǒng)對(duì)于BI-RADS 3類以上鈣化敏感度96.36%，在既往報(bào)道AI對(duì)檢出不同分類或形態(tài)鈣化敏感度在64.9%～100%[14-16]區(qū)間內(nèi)。

乳腺腺體密度是乳腺癌的風(fēng)險(xiǎn)因素之一，隨著乳腺密度增高，乳腺間期癌發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)越高，乳腺X線攝影在致密乳腺應(yīng)用較大局限性[17-18],乳腺間期癌與致密的腺體組織使成簇微小鈣化在實(shí)際診斷中存在一定困難，容易漏診和低估，需臨床活檢證實(shí)[3]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于ACR乳腺構(gòu)成對(duì)DL系統(tǒng)鈣化檢出敏感度相關(guān)報(bào)道少，周娟等[14]認(rèn)為不同ACR乳腺構(gòu)成對(duì)DL系統(tǒng)鈣化敏感度無(wú)影響，而對(duì)低年資住院醫(yī)師鈣化檢出有影響，與筆者結(jié)果一致，但其未對(duì)比DL系統(tǒng)與醫(yī)師組間不同ACR乳腺構(gòu)成的鈣化檢出敏感度差異。本研究顯示對(duì)于ACR乳腺構(gòu)成為c、d類乳腺鈣化病灶，DL系統(tǒng)檢出敏感度顯著高于低年資住院醫(yī)師，而對(duì)于a、b類腺體構(gòu)成的乳腺鈣化，兩者檢出敏感度無(wú)顯著差異，提示DL系統(tǒng)有助低年資住院醫(yī)師減少致密型乳腺的鈣化病變的漏檢。DL系統(tǒng)對(duì)于ACR c、d類的致密型乳腺鈣化的評(píng)估有較高穩(wěn)定性，與馬明明等[19]觀點(diǎn)一致。

鈣化的不同形態(tài)、分布等對(duì)于乳腺癌的早期診斷具有重要意義，其陽(yáng)性預(yù)測(cè)值決定了BI-RADS分類[20]。本文中不同BI-RADS分類、形態(tài)、分布方式不影響DL系統(tǒng)及高年資住院醫(yī)師對(duì)BI-RADS 3類以上乳腺鈣化灶檢出的敏感度，提示DL系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，而低年資住院醫(yī)師評(píng)價(jià)乳腺鈣化情況則反之，與既往報(bào)道一致[14,16]，提示DL系統(tǒng)可輔助低年資住院醫(yī)師提高鈣化檢出敏感度。

對(duì)于不同形態(tài)鈣化，醫(yī)師組與DL系統(tǒng)均發(fā)生不同程度漏檢,DL系統(tǒng)對(duì)不同形態(tài)鈣化檢出敏感度均在94%以上，與高年資住院醫(yī)師水平相當(dāng)，顯著高于低年資住院醫(yī)師,尤其對(duì)于不定型和點(diǎn)狀鈣化檢出。對(duì)于區(qū)域、簇集及段樣分布鈣化灶，DL系統(tǒng)與高年住院資醫(yī)師檢出敏感度較高；尤其對(duì)于區(qū)域及簇集分布鈣化，DL系統(tǒng)敏感度顯著高于低年資住院醫(yī)師，提示DL系統(tǒng)有助于低年資住院醫(yī)師對(duì)區(qū)域、簇集分布方式鈣化檢出，既往國(guó)內(nèi)報(bào)道僅提到DL系統(tǒng)對(duì)簇集分布鈣化有明顯輔助作用[14]。對(duì)于可疑惡性程度高的4例段樣分布鈣化，DL系統(tǒng)與醫(yī)師檢出敏感度均達(dá)100%，與病變分布范圍相對(duì)較廣容易發(fā)現(xiàn)有關(guān)。

本研究DL系統(tǒng)和醫(yī)師組主要漏檢鈣化類型為簇集分布不定形鈣化，與既往報(bào)道類似[14，16]。漏診客觀原因包含鈣化直徑較小、密度較低、腺體重疊等因素;醫(yī)師組還受診斷經(jīng)驗(yàn)、視覺(jué)疲勞、注意力下降等主觀因素影響;筆者認(rèn)為DL系統(tǒng)不能使用調(diào)節(jié)圖像窗寬、窗位等圖像后處理方法加強(qiáng)鈣化與腺體背景灰白對(duì)比度差異，可能導(dǎo)致其對(duì)密度較低的鈣化病變出現(xiàn)漏診。對(duì)簇集分布不定形鈣化的檢出，是DL系統(tǒng)的難點(diǎn)，需要進(jìn)一步優(yōu)化其在該類型鈣化檢出能力。筆者對(duì)不同對(duì)照組標(biāo)記鈣化總時(shí)間進(jìn)行記錄，雖然高年資住院醫(yī)師檢出敏感度與DL系統(tǒng)無(wú)差異，但用時(shí)較DL系統(tǒng)長(zhǎng)；低年資住院醫(yī)師用時(shí)較長(zhǎng)且檢出敏感度低于DL系統(tǒng)；從診斷時(shí)效來(lái)說(shuō)DL系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，基于DL系統(tǒng)的乳腺X線檢出系統(tǒng)對(duì)BI-RADS 3類以上鈣化檢出敏感度和穩(wěn)定性較高，有助于低年資住院醫(yī)師減少漏檢，尤其可以減少致密型乳腺、簇狀和區(qū)域分布、無(wú)定形及點(diǎn)狀鈣化的漏檢。