康 敏，王齊艷，蒲楊梅，丁 立，鄒雪瑾

(四川省婦幼保健院放射科，四川 成都 610042)

兒科臨床中，骨齡與生活年齡的差異對(duì)于診斷、治療及監(jiān)測兒童內(nèi)分泌以及生長紊亂等疾病均有重要意義。目前臨床廣泛應(yīng)用的骨齡評(píng)測方法為圖譜法和計(jì)分法。圖譜法簡單、便捷，以手腕部整體作為骨齡評(píng)測依據(jù)，但某些疾病對(duì)兒童手腕部不同類型骨骼有不同影響[1]。計(jì)分法(如Tanner Whitehouse Ⅲ法，簡稱TW3法)分為掌指骨骨齡評(píng)分法、腕骨骨齡評(píng)分法。已有文獻(xiàn)[2-5]報(bào)道基于掌指骨骨齡的人工智能(artificial intelligence， AI)骨齡評(píng)測，但對(duì)于腕骨骨齡卻鮮有涉及，而后者對(duì)于診斷兒童性早熟、肥胖、生產(chǎn)緩慢等生長異常均有重要價(jià)值[6]。本研究探討AI系統(tǒng)評(píng)測兒童腕骨骨齡的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2013年12月—2019年3月于我院接受骨齡分析的4 656份兒童左手骨齡片資料。納入標(biāo)準(zhǔn)：①包含左手掌骨、腕骨及尺橈骨遠(yuǎn)側(cè)骨干3～4 cm正位數(shù)字化X線攝影(digital radiography， DR)片；②手部位置擺放正確，無骨骺缺失。排除標(biāo)準(zhǔn)：①嚴(yán)重骨畸形；②拍攝位置不佳；③年齡≥14歲。隨機(jī)抽取130幅1～13歲兒童骨齡片，每個(gè)年齡段10份，共130名兒童，男52名、女78名。

1.2 儀器與方法 采用GMM Hiris Rf43 X線機(jī)，按下列要求拍攝左手后前位X線片：①左手掌緊貼平板，五指自然分開，拇指與食指約呈30°，中指與橈尺骨中軸在一條直線上；②完全顯示腕部，橈骨及尺骨遠(yuǎn)端顯示至少3 cm。將骨齡片以DICOM格式存儲(chǔ)于PACS系統(tǒng)。

1.3 骨齡評(píng)測方法

1.3.1 骨齡參考標(biāo)準(zhǔn)確定 招募接受過中華05系統(tǒng)培訓(xùn)的3名中高年資放射科醫(yī)師(其中1名為主任醫(yī)師，1名為副主任醫(yī)師，1名為醫(yī)師)，對(duì)左手骨齡片采用TW3-C腕骨評(píng)測方法，以軟讀片方式按照雙盲原則進(jìn)行評(píng)測,取3名醫(yī)師評(píng)測結(jié)果的均值作為最終參考標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，并記錄評(píng)測時(shí)間。

1.3.2 AI評(píng)測骨齡 采用Dr.Wise AI骨齡評(píng)測系統(tǒng)(即Dr. Wise骨齡和生長發(fā)育預(yù)測軟件0531beta，http://label.deepwise.com，圖1，包括開源深度學(xué)習(xí)框架Pytorch 1.0及英偉達(dá)Titan Xp硬件平臺(tái)GPU)分析DICOM骨齡片，同時(shí)評(píng)測骨齡，記錄評(píng)測時(shí)間。

圖1 Dr. Wise AI骨齡評(píng)測系統(tǒng)

1.3.3 低年資醫(yī)師評(píng)測骨齡 選取3名經(jīng)中華05系統(tǒng)培訓(xùn)、工作年限<3年的放射科醫(yī)師(分別設(shè)定為醫(yī)師1、醫(yī)師2、醫(yī)師3)按照雙盲原則分別獨(dú)立評(píng)測130名兒童7塊腕骨的發(fā)育等級(jí)，然后使用腕骨骨齡計(jì)算器(Dr.Wise骨齡和生長發(fā)育預(yù)測軟件)計(jì)算腕骨骨齡，記錄評(píng)測時(shí)間。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)算AI系統(tǒng)(以下簡稱模型)及低年資放射科醫(yī)師(以下簡稱醫(yī)師)與參考標(biāo)準(zhǔn)之間腕骨骨齡和腕骨成熟度分值(由各腕骨發(fā)育等級(jí)查TW3表得到各腕骨成熟度分值之后求和)的均方根誤差(root mean squared error， RMSE)及平均絕對(duì)誤差(mean absolute error， MAE)[9-10]。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)評(píng)價(jià)模型與醫(yī)師評(píng)測骨齡結(jié)果的一致性，以配對(duì)t檢驗(yàn)比較二者M(jìn)AE，F(xiàn)檢驗(yàn)比較二者之間RMSE。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 模型、醫(yī)師與參考標(biāo)準(zhǔn)間腕骨骨齡MAE、RMSE比較 模型與醫(yī)師1、2的MAE、RMSE差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，與醫(yī)師3的MAE、RMSE差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見表1。

表1 模型、醫(yī)師與參考標(biāo)準(zhǔn)之間腕骨骨齡的MAE、RMSE比較

表2 模型、醫(yī)師與參考標(biāo)準(zhǔn)之間腕骨成熟度分值的MAE、RMSE比較

2.2 模型、醫(yī)師與參考標(biāo)準(zhǔn)之間腕骨成熟度分值的MAE、RMSE比較 模型與醫(yī)師1的MAE、RMSE差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，與醫(yī)師2、3的MAE、RMSE差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見表2。

2.3 不同年齡段評(píng)測結(jié)果 除1～3歲外，隨年齡增加，模型、醫(yī)師與參考標(biāo)準(zhǔn)間評(píng)測結(jié)果的MAE、RMSE均上升，但上升幅度模型低于醫(yī)師。見表3、圖2。

2.4 結(jié)果一致性模型與參考標(biāo)準(zhǔn) 間腕骨骨齡評(píng)測結(jié)果的ICC=0.997，95%CI(0.996,0.998)；醫(yī)師1與參考標(biāo)準(zhǔn)之間ICC=0.994，95%CI(0.992,0.996)；醫(yī)師2與參考標(biāo)準(zhǔn)之間ICC=0.996，95%CI(0.995,0.997)；醫(yī)師3與參考標(biāo)準(zhǔn)之間ICC=0.997，95%CI(0.996,0.998)。

圖2 模型、醫(yī)師及參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同年齡段兒童腕骨骨齡測評(píng)結(jié)果

圖3 腕骨未重疊區(qū)域(左)重疊區(qū)域(右)

2.5 評(píng)測速度 模型測評(píng)腕骨骨齡用時(shí)(0.33±0.14)s，低年資醫(yī)師1、2、3分別用時(shí)(1.86±0.81)min、(2.70±1.19)min、(2.07±1.30)min；參考標(biāo)準(zhǔn)中，3位高年資醫(yī)師分別用時(shí)(2.76±1.54)min、(2.98±1.30)min、(1.61±0.77)min，AI模型測評(píng)速度均高于醫(yī)師(P均<0.001)。

3 討論

評(píng)估腕骨骨齡主要依據(jù)頭狀骨、鉤骨、三角骨、月骨、舟骨和大、小多角骨等7枚腕骨骨骺的形態(tài)變化和關(guān)節(jié)面形成過程。腕骨早期發(fā)育階段在X線片上表現(xiàn)為密集的點(diǎn)，隨發(fā)育而不斷增大，最后增長至最佳大

表3 模型、醫(yī)師對(duì)不同年齡段兒童腕骨骨齡測評(píng)結(jié)果與參考標(biāo)準(zhǔn)間MAE、RMSE

小和特定形狀[11-12]。與長骨發(fā)育不同，腕骨在青春期之前發(fā)育較快，男孩在13歲左右、女孩在11歲左右腕骨骨齡已經(jīng)接近成熟。由于腕骨分期的個(gè)體差異較大，有學(xué)者[11]建議不宜采用腕骨評(píng)測兒童骨齡，尤其對(duì)年齡稍大的兒童，應(yīng)使用長骨；但相對(duì)于手腕部長短管狀骨，腕骨生長發(fā)育對(duì)性激素的敏感性稍差，結(jié)合長骨骨齡的變化有助于早期診斷性早熟[1]。既往研究[13]表明，單純性生長激素分泌不足兒童骨成熟延遲，而腕骨延遲程度較長骨更嚴(yán)重，故評(píng)測腕骨骨齡對(duì)診斷及治療肥胖和生長遲緩等常見生長異常具有重要意義。男孩7歲左右、女孩5歲左右，7枚腕骨會(huì)出現(xiàn)重疊(圖3)。由于腕骨大小、形狀和方向均存在多樣性，加之軟組織不均勻性、骨結(jié)構(gòu)與軟組織對(duì)比度較低等因素，自動(dòng)識(shí)別和分割骨邊界極具挑戰(zhàn)。多數(shù)自動(dòng)骨齡評(píng)測系統(tǒng)通過識(shí)別腕骨區(qū)域再提取特征來評(píng)測骨齡，但因不能準(zhǔn)確識(shí)別出重疊區(qū)域的腕骨而影響最終評(píng)測結(jié)果，受主客觀因素影響大[14]，且常比人工評(píng)測骨齡更為耗時(shí)[15]。

本研究發(fā)現(xiàn)采用AI骨齡評(píng)測系統(tǒng)可準(zhǔn)確劃分不同腕骨(包括重疊部分)，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)測腕骨骨齡；AI與參考標(biāo)準(zhǔn)之間腕骨骨齡和腕骨成熟度分值的MAE、RMSE均低于對(duì)照醫(yī)師，且AI與醫(yī)師1之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與醫(yī)師2、3間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表1、2)。在與參考標(biāo)準(zhǔn)的一致性方面，AI的一致性高于對(duì)照醫(yī)師1、醫(yī)師2，與醫(yī)師3相同。對(duì)不同年齡段腕骨骨齡的評(píng)測結(jié)果顯示，對(duì)3歲以前兒童，由于訓(xùn)練數(shù)據(jù)有限以及TW3-C腕骨特征跨度較大，模型和醫(yī)師的骨齡評(píng)測誤差均較大；之后，隨兒童年齡增加，AI評(píng)測誤差與對(duì)照醫(yī)師評(píng)測誤差均上升，但AI誤差上升幅度低于醫(yī)師(表3)，提示隨兒童年齡增加，AI骨齡評(píng)測系更趨準(zhǔn)確，優(yōu)勢更加明顯。

骨齡評(píng)測繁瑣、耗時(shí)，腕骨骨齡評(píng)測的基本過程包括評(píng)定7塊腕骨發(fā)育等級(jí)，以及根據(jù)中華05標(biāo)準(zhǔn)圖表查詢對(duì)應(yīng)分值和腕骨骨齡。臨床上可以通過骨齡計(jì)算器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)查詢對(duì)應(yīng)分值和腕骨骨齡，而評(píng)定腕骨發(fā)育等級(jí)常需要醫(yī)師人工完成。本研究采用AI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化骨齡評(píng)測，評(píng)測腕骨骨齡僅需時(shí)(0.33±0.14)s，顯著低于高年資醫(yī)師和低年資醫(yī)師。

本研究的不足：僅針對(duì)四川地區(qū)兒童，腕骨骨齡數(shù)據(jù)來源地域單一，拍攝左手骨齡DR片機(jī)型單一，樣本量小，且為回顧性研究。

綜上所述，AI骨齡評(píng)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速評(píng)測兒童TW3-C腕骨骨齡，有待擴(kuò)大樣本量、進(jìn)行前瞻性分析以進(jìn)一步觀察。