64層螺旋CT的計(jì)算機(jī)輔助檢測系統(tǒng)在肺結(jié)節(jié)檢出中的應(yīng)用價(jià)值

作者：齊敏，張小玲，黃明剛，雷小燕，吳曉紅，孫孟錕，郭佑民    作者單位：1. 西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院影像中心，陜西西安 710004；2. 陜西省人民醫(yī)院影像中心，陜西西安 710068

【摘要】  　　目的 評估Siemens64層螺旋CT掃描機(jī)Lung Care軟件的計(jì)算機(jī)輔助檢測(CAD)系統(tǒng)檢出肺結(jié)節(jié)的能力，并評價(jià)其對放射科醫(yī)師檢出肺結(jié)節(jié)準(zhǔn)確性的影響。方法 納入53例檢出肺結(jié)節(jié)的胸部MDCT患者，由不同水平三位放射科醫(yī)師(R1、R2、R3)分別于不使用和使用CAD系統(tǒng)的情況下獨(dú)立閱片檢測肺結(jié)節(jié)。應(yīng)用受試者工作特征曲線(ROC曲線)判斷不使用和使用CAD時(shí)放射科醫(yī)師表現(xiàn)的差異。結(jié)果 根據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn)共檢出161個(gè)肺結(jié)節(jié)。對直徑<4mm、≥4mm及所有結(jié)節(jié)，閱片者獨(dú)立閱片的ROC曲線下面積均值(Az值)分別為0.54、0.64、0.61；而使用CAD二次閱片時(shí)，Az值分別升至0.87、0.81、0.84。對各組結(jié)節(jié)，閱片者使用CAD組的Az值均顯著大于獨(dú)立閱片組。結(jié)論 無論閱片者有經(jīng)驗(yàn)與否，本研究所用CAD系統(tǒng)均可幫助放射科醫(yī)師提高其對肺結(jié)節(jié)的檢出率，特別是對直徑小于4mm的小結(jié)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】  計(jì)算機(jī)輔助檢測 肺結(jié)節(jié) 多層螺旋CT

　　The application value of computerassisted detection ofpulmonary nodules on 64slice helical CT

　　QI Min, ZHANG Xiaoling, HUANG Minggang, LEI Xiaoyan,WU Xiaohong, SUN Mengkun, GUO Youmin

　　1. Imaging Center, the Second Affiliated Hospital, Medical School of Xian Jiaotong University,Xian 710004; 2. Imaging Center, Shaanxi Provincial Peoples Hospital, Xian 710068, China

　　ABSTRACT: ob[x]jective  To evaluate the performance of computeraided detection (CAD) of Lung Care software in detecting pulmonary nodules on Siemens Sensation 64slice computed tomography, and to assess the effect on the nodule detection when using CAD. Methods  Totally 53 thoracic multislice computed tomography (MDCT) examinations with pulmonary nodules were interpreted independently by three radiologists (R1, R2, and R3) with different levels of experience. Nodules were detected by the radiologists first without and then with CAD. The performances of the radiologists without and with CAD were compared，using receiver operating characteristic curves analysis. Results  They detected 161 nodules according to the reference standard. For nodules <4mm, nodules≥4mm and all nodules, the average area under the freeresponse receiver operating characteristic curve (Az average) for the radiologists without using CAD was 0.54, 0.64 and 0.61, respectively. With the aid of CAD, the Az average increased to 0.87, 0.81 and 0.84. There was a significant difference in Az value between the readers group with and without CAD among the above three nodule groups. Conclusion  The CAD system used in our study can assist radiologists in detecting pulmonary nodules for both experienced or less experienced readers, especially in the detection of small nodules (<4mm).

　　KEY WORDS: computeraided detection; lung nodules; multislice computed tomography

　　胸部CT是檢測肺結(jié)節(jié)靈敏的影像模式[1]，而且MDCT技術(shù)已被應(yīng)用于肺癌和其他部位惡性腫瘤患者的篩檢中[2]。然而，解讀MDCT的大量圖像使放射科醫(yī)師的工作量及工作時(shí)間大大增加，并且可能導(dǎo)致重要病變漏診。近年來，計(jì)算機(jī)輔助檢測(computeraided detection, CAD)成為處理大量放射學(xué)數(shù)據(jù)的有效診斷工具，其重要功能之一就是自動檢出肺結(jié)節(jié)。國外學(xué)者已對CAD系統(tǒng)檢測肺結(jié)節(jié)的效能進(jìn)行了一些研究，但結(jié)果差異較大[3]，而國內(nèi)鮮見此類研究。因此，本研究擬對Simens64層螺旋CT掃描機(jī)(Sensation 64)配備的Lung Care軟件的CAD功能進(jìn)行評估，旨在進(jìn)一步探討CAD對放射科醫(yī)師檢出肺結(jié)節(jié)準(zhǔn)確性的影響。

　　1  材料與方法

　　1.1  病例選擇與掃描條件 

　　本研究納入2007年6月至2008年4月間在陜西省人民醫(yī)院行常規(guī)劑量MDCT檢查的53例肺結(jié)節(jié)患者，男38例，女15例，年齡16～79歲，平均52.3歲。排除間質(zhì)性肺疾病、肺膨脹不全和實(shí)變。采用Siemens 64層螺旋CT掃描機(jī)(Sensation 64)，一次大吸氣末憋氣采集肺容積數(shù)據(jù)，從肺尖掃至上腹部，未注射造影劑，掃描參數(shù)為：120kV，70～120emAs(effective mAs，有效毫安秒)，準(zhǔn)直器寬度64mm×0.6mm。圖像數(shù)據(jù)采用肺窗重建，窗寬為1200Hu，窗位為-600Hu，卷積值為B60f medium sharp(體部中等銳利算法)，重建層厚為0.75mm，重建間距0.70mm，重建矩陣為512×512。

　　1.2 肺結(jié)節(jié)的判定方法 

　　診斷為肺結(jié)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)是界限清楚、固體或半固體的球體或不規(guī)則結(jié)構(gòu)，直徑≤3cm，其密度應(yīng)為軟組織密度或更高或明顯高于周圍肺實(shí)質(zhì)密度。排除支氣管壁增厚、小葉間隔增厚、線樣或網(wǎng)狀影、局灶性肺實(shí)變及患者移動引起的偽影。

　　1.3 圖像閱讀
 
　　所有數(shù)據(jù)均傳至Siemens64層螺旋CT的專用工作站進(jìn)行觀察評估，將結(jié)節(jié)的診斷可信度分為3個(gè)等級，即0=不是肺結(jié)節(jié)；1=不確定；2=肯定是肺結(jié)節(jié)。

　　1.3.1  放射科醫(yī)師的評估 

　　3位放射科醫(yī)師(R1、R2、R3)參加CT閱片，其中兩位為有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師，分別工作了8年(R1)、10年(R2)，第3位是經(jīng)驗(yàn)較少的實(shí)習(xí)醫(yī)師(R3)，有6個(gè)月的胸部CT閱片經(jīng)驗(yàn)。所有數(shù)據(jù)分別由3位放射科醫(yī)師在隨機(jī)順序下采用盲法評估，標(biāo)準(zhǔn)二維軸位CT圖像在專用工作站沒有三維工具幫助的方式下觀察。記錄檢出的結(jié)節(jié)的大小及解剖位置。

　　1.3.2  CAD的評估 

　　使用Siemens64層螺旋CT的Lung Care軟件的CAD系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)自動計(jì)算出待選肺結(jié)節(jié)，即CAD的陽性結(jié)果，記錄每個(gè)結(jié)節(jié)的大小和位置。

　　1.3.3  CAD作為二次閱片者的CT評估 

　　每一位放射科醫(yī)師觀察完二維軸位CT圖像后，記錄檢出結(jié)節(jié)；然后使用CAD檢測肺結(jié)節(jié)，閱片者可以通過旋轉(zhuǎn)多平面重建(rotating MPR，rMPR)或感興趣容積(volume of interest, VOI)法進(jìn)行三維觀察來確定結(jié)節(jié)的真?zhèn)?。后結(jié)合二者檢測結(jié)果(R1+CAD、R2+CAD、R3+CAD)得出檢出結(jié)節(jié)的總數(shù)。

　　1.4 參考標(biāo)準(zhǔn) 

　　由兩位有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師共同評價(jià)以上各種檢測模式發(fā)現(xiàn)的所有結(jié)節(jié)，建立一致意見作為參考標(biāo)準(zhǔn)?？梢允褂霉ぷ髡咎峁┑乃蟹治龉ぞ?，并且可以自由的辨別其他滿足診斷標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)節(jié)，把他們納入真結(jié)節(jié)的總數(shù)中。

　　1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 

　　采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)，分別計(jì)算3位放射科醫(yī)師獨(dú)立閱片、單獨(dú)使用CAD系統(tǒng)及CAD作為二次閱片者(R1+CAD、R2+CAD、R3+CAD)的靈敏度，使用配對χ2檢驗(yàn)(McNemanr檢驗(yàn))來分析靈敏度值間是否有差異。通過計(jì)算ROC曲線下面積(Az)來分析各種閱片方式檢測肺結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確性，使用兩樣本配對t檢驗(yàn)來分析閱片者使用或不使用CAD時(shí)兩組Az值間是否有差異，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

　　2 結(jié) 果

　　2.1  檢測到的真結(jié)節(jié)數(shù)與分布特征 

　　根據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn)共檢出161個(gè)真結(jié)節(jié)(表1、圖1)，其大直徑在2.35～27.51mm范圍內(nèi)，平均直徑7.05mm。表1  檢測到的結(jié)節(jié)數(shù)及其分布（略）

　　2.2 各組檢測模式的靈敏度及假陽性值的比較 

　　單獨(dú)使用CAD系統(tǒng)，共檢出了161個(gè)結(jié)節(jié)中的129個(gè)，靈敏度約為80%；對直徑小于4mm的結(jié)節(jié)的檢出靈敏度較高，為84%。而單個(gè)放射科醫(yī)師獨(dú)立檢出直徑大于等于4mm的肺結(jié)節(jié)的靈敏度(R1、R2、R3分別為：66%、64%、55%)明顯高于直徑小于4mm的肺結(jié)節(jié)(R1、R2、R3分別為：37%、35%、26%)(P<0.01)；不同水平放射科醫(yī)師使用CAD二次閱片(醫(yī)師+CAD)時(shí)，檢出直徑≥4mm與<4mm肺結(jié)節(jié)的靈敏度均無明顯差異。單個(gè)醫(yī)師使用CAD二次閱片較單用CAD及各位醫(yī)師獨(dú)立閱片，在檢出肺結(jié)節(jié)靈敏度增加的同時(shí)降低了每位患者的平均假陽性數(shù)(表2)。表2  不同檢測方式對肺結(jié)節(jié)檢出的靈敏度及假陽性值的比較（略）

　　2.3 各組檢測模式的ROC曲線下面積(Az)的比較
 
　　對所有結(jié)節(jié)，不同水平醫(yī)師(R1、R2、R3)獨(dú)立閱片及單獨(dú)使用CAD檢測肺結(jié)節(jié)的ROC曲線下面積(Az值)分別為0.66、0.63、0.54和0.69，使用CAD二次閱片時(shí)，R1、R2、R3的Az值分別升至0.89、0.84、0.78(圖2)；對直徑<4mm的結(jié)節(jié)，R1、R2、R3及CAD的Az值分別為0.58、 0.56、0.48和0.72，使用CAD二次閱片時(shí)，R1、R2、R3的Az值分別升至0.91、0.88、0.81(圖3)；對直徑≥4mm的結(jié)節(jié)，R1、R2、R3及CAD的Az值分別為0.71、 0.66、0.56和0.62，使用CAD二次閱片時(shí)，R1、R2、R3的Az值分別升至0.88、0.81、0.75(圖4)；對以上3組結(jié)節(jié)，閱片者使用CAD組的Az值均大于獨(dú)立閱片組，兩組結(jié)果間均有顯著性差異(表3)。表3  醫(yī)師使用和不用CAD檢出不同大小結(jié)節(jié)的Az值的比較（略）

　　2.4 檢測到的假陽性結(jié)節(jié)及其特點(diǎn) 

　　根據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn)，CAD檢出了34個(gè)假陽性結(jié)節(jié)，平均每個(gè)檢查有0.64個(gè)假陽性結(jié)果，主要由胸鎖關(guān)節(jié)局部突起(n=6)、胸椎局部突起(n=2)、肋骨突起(n=1)、血管影(n=14)、局部胸膜增厚(n=11)構(gòu)成(圖5)。不使用CAD時(shí)，每個(gè)CT檢查R1、R2、R3平均各發(fā)現(xiàn)0.34、0.42、0.55個(gè)假陽性結(jié)果，使用CAD二次閱片時(shí)則分別為0.25、0.34、0.47。

　　3 討 論

　　CT是早期肺癌靈敏的影像學(xué)檢查方式[4]。MDCT可以更好地檢出小結(jié)節(jié)[5]。然而，許多研究顯示放射科醫(yī)師對肺結(jié)節(jié)的檢出率并不令人滿意。NAIDICH等[6]的研究中，僅識別了63%直徑1～7mm的結(jié)節(jié)，而對直徑小于3mm和1.5mm的結(jié)節(jié)檢出率僅為48%和1%。這可能是由于高空間分辨率重建使圖像數(shù)量明顯增加，醫(yī)師因工作量劇增導(dǎo)致審圖疲憊，從而影響肺結(jié)節(jié)的檢出。有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師雙重閱片有可能減少此類錯(cuò)誤，但此法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，使其臨床應(yīng)用受限。CAD系統(tǒng)有助于提高放射科醫(yī)師對肺結(jié)節(jié)(特別是小結(jié)節(jié))的檢出率[7]，并且可用相同的方法隨訪和管理患者，有助于減少閱片者間的差異。

　　 既往研究中，CAD對肺結(jié)節(jié)檢出的靈敏度從38%[8]到95%[9]不等，如果只考慮大于3mm的結(jié)節(jié)，BROWN等[10]報(bào)道其靈敏度為。這些差異可能與不同研究的結(jié)節(jié)特征、納入標(biāo)準(zhǔn)、掃描條件、重建參數(shù)及所使用CAD軟件的不同有關(guān)。

　　本研究確證了CAD的良好表現(xiàn)。對直徑小于4mm的結(jié)節(jié)，單獨(dú)使用CAD時(shí)的Az值大于3位不同經(jīng)驗(yàn)醫(yī)師獨(dú)立檢出的結(jié)果，靈敏度也高于后者；而對直徑大于4mm的結(jié)節(jié)，單獨(dú)使用CAD時(shí)的Az值雖略小于有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師(R1、R2)，但無顯著性差異。一般而言，在幾百幅圖像里檢出直徑小于4mm的結(jié)節(jié)比較困難，尤其當(dāng)結(jié)節(jié)位于肺門區(qū)域時(shí)。

    本研究結(jié)果顯示，單獨(dú)使用CAD檢出肺結(jié)節(jié)的靈敏度約為80%，較有經(jīng)驗(yàn)閱片者(R1)提高約25%，而對直徑小于4mm的結(jié)節(jié)，明顯提高約47%。這種重大的收益主要取決于閱片者單獨(dú)閱片時(shí)檢出肺結(jié)節(jié)的效能。而閱片者的表現(xiàn)可能與以下因素有關(guān)：①醫(yī)師檢測肺結(jié)節(jié)時(shí)的注意力集中程度[11]。因閱片疲憊而使醫(yī)師注意力下降，從而可能影響肺結(jié)節(jié)的檢出。②醫(yī)師單獨(dú)閱片時(shí)未應(yīng)用三維處理技術(shù)(如MIP)。如能應(yīng)用MIP等工具或許可以提高其檢出肺結(jié)節(jié)的靈敏度[12]。③肺結(jié)節(jié)的內(nèi)在特征(大小、密度及位置等)[6]。此外，本研究排除了可能降低CAD表現(xiàn)的間質(zhì)性肺疾病、肺膨脹不全和實(shí)變等。因?yàn)閷Υ祟惢颊逤AD可檢出大量假陽性結(jié)節(jié)，從而顯著降低CAD的靈敏度，而且還需大量時(shí)間分析排除。

　　有關(guān)CAD作為二次閱片者檢測肺結(jié)節(jié)的作用，既往各研究結(jié)果間差別亦較大。LEE等[13]研究結(jié)果顯示，閱片者使用CAD時(shí)檢出肺結(jié)節(jié)的結(jié)果雖略好于不使用CAD時(shí)，但是二者間無顯著性差異。而其他一些研究則顯示閱片者使用CAD時(shí)檢出肺結(jié)節(jié)的效能顯著高于不使用時(shí)[7,11]。本研究結(jié)果顯示無論閱片者是否有經(jīng)驗(yàn)，利用CAD二次閱片均可顯著提高其檢出肺結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確度。有經(jīng)驗(yàn)的閱片者使用CAD二次閱片時(shí)對所有結(jié)節(jié)的Az值可從0.66提高至0.89，靈敏度從55%提高至95%。盡管經(jīng)驗(yàn)少的閱片者的表現(xiàn)較有經(jīng)驗(yàn)閱片者差，容易遺漏高度懷疑的病灶，但經(jīng)驗(yàn)少的閱片者使用CAD二次閱片時(shí)，其對病變的檢出效能亦顯著提高，Az值從0.54提高至0.78，靈敏度從44%提高至86%。
   
　　以往研究中，CAD檢出的假陽性結(jié)果差異亦較大，平均每個(gè)患者檢出0.55個(gè)[14]至77.4個(gè)[15]。本研究所用CAD檢出的假陽性結(jié)果較少，平均每個(gè)檢查發(fā)現(xiàn)0.64個(gè)。這可能主要與近年來CAD系統(tǒng)的快速發(fā)展有關(guān)；其次，因本研究未使用低劑量掃描，而且重建層厚及重建間距較薄[5]，進(jìn)一步提高了檢測的準(zhǔn)確性。
   
　　本研究的假陽性結(jié)果主要為一些正常的解剖結(jié)構(gòu)，如血管約占所有假陽性結(jié)果的41%。而CAD附加的形態(tài)學(xué)分析工具可以很好地加以區(qū)分，使大部分假陽性結(jié)果容易為放射科醫(yī)師識別，故閱片者使用CAD進(jìn)行二次閱片時(shí)假陽性率有所降低。

　　綜上所述，本研究結(jié)果顯示，無論閱片者是否有經(jīng)驗(yàn)，使用CAD系統(tǒng)均可幫助放射科醫(yī)師提高其對肺結(jié)節(jié)的檢出率，特別是對直徑小于4mm的小結(jié)節(jié)。

【參考文獻(xiàn)】
  　　[1]REMYJARDIN M, REMY J, GIRAUD F, et al. Pulmonary nodules:detection with thicksection spiral CT versus conventional CT [J]. Radiology, 1993, 187(2):513520.

　　[2]HENSCHKE CI, MCCAULEY DI, YANKELEVITZ DF, et al. Early lung cancer action project:overall design and findings from ba[x]seline screening [J]. Lancet, 1999, 354(9173):99105.

　　[3]KO JP, NAIDICH DP. Computeraided diagnosis and the evaluation of lung disease [J]. J Thorac Imaging, 2004, 19(3):136155.

　　[4]HENSCHKE CI, MCCAULEY DI, YANKELEVITZ DF, et al. Early lung cancer action project:a summary of the findings on ba[x]seline screening [J]. Oncologist, 2001, 6(2):147152.

　　[5]MARTEN K, GRILLHOSL A, SEYFARTH T, et al. Computerassisted detection of pulmonary nodules:evaluation of diagnostic performance using an expert knowledgeba[x]sed detection system with variable reconstruction slice thickness settings [J]. Eur Radiol, 2005, 15(2):203212.

　　[6]NAIDICH DP, RUSINEK H, MCGUINNESS G, et al.Variables affecting pulmonary nodule detection with computed tomography:evaluation with threedimensional computer simulation [J]. J Thorac Imaging, 1993, 8(4):291299.

　　[7]BROCHU B, BEIGELMANAUBRY C, GOLDMARD JL, et al. Computeraided of lung nodules on thin collimation MDCT:impact on radiologists' performance [J]. J Radiol, 2007, 88(4):573578.

　　[8]WORMANNS D, FIEBICH M, SAIDI M, et al. Automatic detection of pulmonary nodules at spiral CT:clinical application of a computeraided diagnosis system [J]. Eur Radiol, 2002, 12 (5):10521057.

　　[9]BAE KT, KIM JS, NA YH, et al. Pulmonary nodules: automated detection on CT images with morphologic matching algorithmpreliminary results [J]. Radiology, 2005, 236(1):286293.

　　[10]BROWN MS, GOLDIN JG, SUH RD, et al. Lung micronodules:automated method for detection at thinsection CTinitial experience [J]. Radiology, 2003, 226(1):256262.

　　[11]AWAI K, MURAO K, OZAWA A, et al. Pulmonary nodules at chest CT: effect of computeraided diagnosis on radiologists detection performance [J]. Radiology, 2004, 230(2):347352.

　　[12]JANKOWSKI A, MARTINELLI T, TIMSIT JF, et al. Pulmonary nodule detection on MDCT images:evaluation of diagnostic performance using thin axial images, maximum intensity projections, and computerassisted detection [J]. Eur Radiol, 2007, 17(12):31483156.

　　[13]LEE IJ, GAMSU G, CZUM J, et al. Lung nodule detection on chest CT: evaluation of a computeraided detection (CAD) system [J]. Korean J Radiol, 2005, 6(2):8993.

　　[14]MARTEN K, ENGELKE C, SEYFARTH T, et al. Computeraided detection of pulmonary nodules:influence of nodule characteristics on detection performance [J]. Clin Radiol, 2005, 60(2):196206.

　　[15]GURCAN MN, SAHINER B, PETRICK N, et al. Lung nodule detection on thoracic computed tomography images: preliminary evaluation of a computeraided diagnosis system [J]. Med Phys, 2002, 29(11):25522558.