張秀明，沈文榮，喬偉，蔣玉婷，白晨光，貢震，陳歡，徐寒子*

1.江蘇省腫瘤醫(yī)院CT 室，江蘇南京 210009；2.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210046；3.南京市婦幼保健院婦科，江蘇南京 210011；4.江蘇省腫瘤醫(yī)院婦科放療科，江蘇南京 210009； *通訊作者 徐寒子 benben_cat@126.com

宮頸癌是女性常見的惡性腫瘤，其發(fā)病率居第二位，僅次于乳腺癌[1]。宮頸癌的治療方法主要為早期手術(shù)切除。無法切除者行局部放射治療，療效尚佳[2]。選擇治療方案前準(zhǔn)確評(píng)估腫瘤及淋巴結(jié)情況具有重要意義。CT 掃描可準(zhǔn)確顯示宮頸體積及引流區(qū)淋巴結(jié)情況，是宮頸癌的常規(guī)檢查方法[3]。隨著人工智能的發(fā)展，智能閱片已成為研究熱點(diǎn)[4]。本研究擬分析基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolution neural networks，CNN）的宮頸癌圖像診斷系統(tǒng)與高年資醫(yī)師人工閱片對(duì)CT 斷層圖像淋巴結(jié)判別的一致性及診斷效能。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 收集江蘇省腫瘤醫(yī)院影像科PACS 系統(tǒng)內(nèi)2017年3—12月婦科放療科及婦瘤科收治的經(jīng)活檢或手術(shù)證實(shí)的宮頸癌患者56例，年齡22～73歲，平均（43.2±13.5）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①首次行CT檢查，且檢查前均未行放療、化療及PET/CT檢查；②雙側(cè)盆壁至少包含1枚淋巴結(jié)；③有薄層腹部CT圖像（層厚1 mm）。排除標(biāo)準(zhǔn)：①患有彌漫性轉(zhuǎn)移性病變、宮腔內(nèi)有節(jié)育環(huán)偽影較大者；②廣泛炎性粘連性病變；③大量盆腔積液及其他偽影較大者。

1.2 CT檢查 使用GE Discovery CT750 HDCT 或Hispeed NX/i 掃描儀，管電壓均為120 kV。Discovery CT750 HDCT 掃描儀采用自動(dòng)毫安秒技術(shù)；Hispeed NX/i 掃描儀管電流為400 mAs、層厚5 mm、層間距5 mm、重建層厚1 mm。對(duì)比劑為碘海醇100 ml，注射速度2 ml/s。掃描范圍從膈肌上緣到恥骨聯(lián)合下緣。圖像觀察采用腹窗，窗寬350，窗位40。

1.3 圖像診斷系統(tǒng)勾畫淋巴結(jié)及人工圖像 觀察基于CNN 建立宮頸癌圖像診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用GoogLeNet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二分類和Faster R-CNN 進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，使用與淋巴結(jié)大小相適應(yīng)的方框勾畫出淋巴結(jié)。由2名影像科副主任醫(yī)師共同對(duì)每位患者的CT圖像選取10枚位置、大小、密度與淋巴結(jié)相近的血管斷面作為陰性對(duì)照，并對(duì)勾畫的淋巴結(jié)圖像進(jìn)行人工閱片記錄。為保證人工閱片的準(zhǔn)確性，由2名影像科副主任醫(yī)師進(jìn)行雙盲閱片。達(dá)成一致意見后分別記錄淋巴結(jié)大小、位置、有無壞死等情況，以及圖像診斷系統(tǒng)相應(yīng)勾畫情況。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 17.0 軟件，診斷系統(tǒng)與人工閱片的一致性分析采用Kappa檢驗(yàn)。P<0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。計(jì)算診斷系統(tǒng)對(duì)淋巴結(jié)勾畫的敏感度及特異度，繪制受試者工作特征（ROC）曲線，并計(jì)算曲線下面積。

2 結(jié)果

2.1 圖像診斷系統(tǒng)未能識(shí)別的淋巴結(jié) 56例患者共679枚淋巴結(jié)中，36枚未能被診斷系統(tǒng)勾畫出。①16枚淋巴結(jié)短徑<0.5 cm，均未合并壞死，其中5枚位于宮頸癌淋巴結(jié)常見引流區(qū)，即腹膜后、髂總血管旁及雙側(cè)盆壁；11枚位于非常規(guī)引流區(qū)，如髂內(nèi)血管旁。②14枚淋巴結(jié)短徑0.5～2.0 cm，其中2枚位于常規(guī)位置合并壞死；4枚位于非常規(guī)位置合并壞死；3枚位于常規(guī)位置不合并壞死；5枚位于非常規(guī)位置不合并壞死。③6枚淋巴結(jié)短徑>2 cm，其中1枚位于常規(guī)位置合并壞死；2枚位于非常規(guī)位置合并壞死；1枚位于常規(guī)位置不合并壞死；2枚位于非常規(guī)位置不合并壞死。

2.2 圖像診斷系統(tǒng)未能排除的對(duì)照結(jié)節(jié) 診斷系統(tǒng)將560枚對(duì)照結(jié)節(jié)誤診的78枚淋巴結(jié)位于常規(guī)位置，淋巴結(jié)短徑<0.5 cm，不合并壞死；482枚準(zhǔn)確排除。典型病例見圖1、2。

2.3 一致性分析Kappa檢驗(yàn)結(jié)果顯示，診斷系統(tǒng)與人工閱片具有高度一致性（Kappa=0.813，P<0.01）。以此為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出圖像診斷系統(tǒng)對(duì)淋巴結(jié)勾畫的敏感度為94.70%，特異度為86.07%，ROC 曲線下面積為0.904（圖3）。

圖1 女，46歲，圖像診斷系統(tǒng)勾畫錯(cuò)誤的淋巴結(jié)與對(duì)應(yīng)正確的淋巴結(jié)勾畫圖像。診斷系統(tǒng)將腹主動(dòng)脈左旁細(xì)小的血管錯(cuò)認(rèn)為淋巴結(jié)（A）；診斷系統(tǒng)未能識(shí)別出較大的腹膜后淋巴結(jié)后方1枚小淋巴結(jié)（B）；診斷系統(tǒng)將左側(cè)盆壁小血管誤認(rèn)為小淋巴結(jié)（C）；左側(cè)盆壁有多枚淋巴結(jié)，診斷系統(tǒng)僅勾畫出其中1枚（D）；紅框示診斷系統(tǒng)勾畫淋巴結(jié)情況，綠框示左列相對(duì)應(yīng)CT圖像人工勾畫

圖2 女，52歲，影像診斷系統(tǒng)勾畫正確的淋巴結(jié)。腹膜后淋巴結(jié)勾畫（A）；雙側(cè)盆壁淋巴結(jié)勾畫（B）

圖3 影像診斷系統(tǒng)的ROC 曲線

3 討論

隨著科技的發(fā)展，人工智能診斷在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用已取得重大進(jìn)步[5-6]。CNN 作為深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個(gè)分支，在圖像處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其可模擬動(dòng)物的視覺認(rèn)知行為，無需人工提取任何特征，僅需要將原始圖像輸入模型即可完成對(duì)圖像的分類，是一種有效的圖像分析算法[7-9]。本研究選取基于CNN 的宮頸癌圖像診斷系統(tǒng)，通過大量的宮頸癌淋巴結(jié)圖像學(xué)習(xí)、識(shí)別、影像科醫(yī)師修正后再學(xué)習(xí)過程，從圖像中對(duì)目標(biāo)淋巴結(jié)進(jìn)行識(shí)別。前期診斷系統(tǒng)對(duì)于出現(xiàn)頻率較高的同類型淋巴結(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)較多，后期對(duì)此類淋巴結(jié)識(shí)別的敏感度及特異度均會(huì)增加。本研究結(jié)果顯示圖像診斷系統(tǒng)與人工閱片具有高度一致性，ROC 曲線下面積為0.904，敏感度為94.70%、特異度為86.07%。同時(shí)診斷系統(tǒng)對(duì)淋巴結(jié)可進(jìn)行快速勾畫，可見圖像診斷系統(tǒng)進(jìn)行淋巴結(jié)勾畫具有高效、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

本研究結(jié)果顯示，診斷系統(tǒng)勾畫78枚非淋巴結(jié)結(jié)節(jié)，主要緣于將輕度強(qiáng)化的較細(xì)血管誤認(rèn)為小淋巴結(jié)，推測(cè)主要是診斷系統(tǒng)對(duì)于淋巴結(jié)常見位置出現(xiàn)的與淋巴結(jié)密度值相近的結(jié)節(jié)狀影誤認(rèn)為淋巴結(jié)。診斷系統(tǒng)勾畫淋巴結(jié)缺乏人工閱片對(duì)多層圖像連續(xù)觀察綜合分析的能力。人工閱片可通過連續(xù)的圖像觀察區(qū)分某一斷層的小結(jié)節(jié)影，診斷系統(tǒng)所接收的信息各層面均獨(dú)立存在，故造成此類錯(cuò)誤。另有36枚淋巴結(jié)診斷系統(tǒng)未能準(zhǔn)確勾畫，其主要原因?yàn)椋孩俜浅Ｒ?guī)位置出現(xiàn)的淋巴結(jié)，如宮頸癌的淋巴結(jié)主要位于腎門水平以下腹膜后主腔血管間及腹主動(dòng)脈左旁[10]。對(duì)于某些非常規(guī)位置淋巴結(jié)，前期診斷系統(tǒng)學(xué)習(xí)過程中所接收到的圖像信息此種位置的較少。②血管較多的區(qū)域內(nèi)合并淋巴結(jié)存在，圖像診斷系統(tǒng)無法完全從較多的血管斷面中識(shí)別出合并的小淋巴結(jié)，尤其在淋巴結(jié)強(qiáng)化相對(duì)明顯與血管灰度值相差較小的情況下。③宮頸癌患者淋巴結(jié)較多時(shí)，圖像診斷系統(tǒng)僅識(shí)別部分淋巴結(jié)，且以常見位置淋巴結(jié)識(shí)別為主，故出現(xiàn)遺漏。④對(duì)于合并壞死的腫大淋巴結(jié)圖像診斷系統(tǒng)的識(shí)別度欠佳，推測(cè)由淋巴結(jié)灰度值的改變所致。

本研究以宮頸癌患者的淋巴結(jié)為研究對(duì)象，原因是無論外科手術(shù)或放射性治療均需對(duì)淋巴結(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確勾畫，并依據(jù)淋巴結(jié)短徑、是否位于引流高危區(qū)選擇是否進(jìn)行處理[11]。CT圖像可較好地顯示宮頸癌各區(qū)域的淋巴結(jié)[12]；人工閱片首先需確定淋巴結(jié)，然后根據(jù)淋巴結(jié)的長(zhǎng)、短徑及其比值、形態(tài)、邊緣是否模糊、強(qiáng)化是否均勻，以進(jìn)一步判斷性質(zhì)[13]。依據(jù)美國(guó)腫瘤放射治療協(xié)作組織和美國(guó)國(guó)立綜合癌癥網(wǎng)絡(luò)頒布的《關(guān)于宮頸癌調(diào)強(qiáng)放療靶區(qū)勾畫指南》，靶區(qū)勾畫原則是淋巴結(jié)短徑>1 cm 或PET/CT為陽(yáng)性[14-15]。如影像學(xué)結(jié)果提示淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移為陰性，放射野亦應(yīng)覆蓋髂外淋巴結(jié)、髂內(nèi)淋巴結(jié)、閉孔淋巴結(jié)和骶前淋巴結(jié)群[16]。由此可見，PET/CT 攝取陽(yáng)性對(duì)于淋巴結(jié)性質(zhì)的判定具有較高的價(jià)值。但由于費(fèi)用較高，并非所有患者均能夠在治療前接受PET/CT檢查；而淋巴結(jié)短徑可提供治療依據(jù)。因此，臨床治療首先需明確淋巴結(jié)的存在，即影像檢查對(duì)淋巴結(jié)應(yīng)具有良好的可見性。與PET/CT 及MRI 相比，CT檢查具有速度快、范圍廣、費(fèi)用相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，仍是宮頸癌患者的主要檢查方法，且基本可滿足上述臨床治療原則。因此，這一圖像診斷系統(tǒng)目前階段即為能夠準(zhǔn)確勾畫出所有引流區(qū)及其他非常規(guī)引流區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的不同大小的淋巴結(jié)，為臨床治療方案的制訂提供幫助，降低非影像專業(yè)臨床醫(yī)師勾畫靶區(qū)時(shí)漏畫淋巴結(jié)的幾率。

總之，基于CNN 的宮頸癌圖像診斷系統(tǒng)通過模擬動(dòng)物視覺認(rèn)知功能及前期病例的學(xué)習(xí)可準(zhǔn)確地勾畫出宮頸癌患者CT圖像中的淋巴結(jié)。如去掉短徑<0.5 cm 的淋巴結(jié)（大部分無臨床意義），診斷系統(tǒng)的敏感度及特異度將會(huì)進(jìn)一步提升，從而為臨床工作提供良好的輔助作用。