数字化胸片计算机辅助检测在肺结节早期检出中的应用

作者:管卫，毛伟敏

作者单位：浙江医院，浙江 杭州 310013      【摘要】  ［目的］ 评价计算机辅助检测系统（CAD）对肺结节早期检出的临床价值和局限性。［方法］从影像传输与存储系统（PACS）数据库中抽取30例直径7mm～30mm大小肺部结节的病例作为受检组。另抽取30例年龄、性别构成与受检组相仿的正常胸片作为对照组，两组病例均经螺旋CT肺部扫描检查，并由放射诊断专家诊断证实，所有胸片均为直接数字化影像（direct digital radiograph，DR）。由高年资和低年资放射诊断医生各3位分别对不用和用CAD输出分析结果的数字化胸片进行诊断，诊断结论用受试者操作特性曲线（ROC curve）分析来评价。［结果］ 平均ROC曲线下面积（Az）从不用CAD输出的0.872增加到用CAD输出的0.933（P<0.05）。在使用CAD时，低年资放射诊断医生比高年资放射诊断医生的平均曲线下面积增加得更多。［结论］ 在直接数字化胸片诊断中应用CAD系统能提高肺小结节的检出率。

  【关键词】  直接数字化影像

    Application of Computer Aided Diagnosis (CAD) with Digital Chest Radiograph to the Early Detection for Pulmonary Nodules

    GUAN Wei, MAO Wei-min   (Zhejiang Hospital, Hangzhou 310013, China)

    Abstract: ［Purpose］ To estimate the clinical value and limit of computer aided diagnosis (CAD) system on the detection of pulmonary nodules. ［Methods］ Thirty cases with pulmonary nodules up to 9~30mm in diameter were selected from the database of picture archive and communication system (PACS) as examination group, and 30 cases without pulmonary nodule cohered with examination group in age, sex composition as control group. All chest radiographs were obtained with direct digital radiograph (DR) system and confirmed by experienced chest radiologists on the chest spiral CT. Three experienced chest radiologists and three radiology residents detected the chest radiographs with/ without CAD output. The result of diagnosis was evaluated with receiver operating characteristic curve (ROC curve). ［Results］ The average area under the ROC curve value（Az） increased from 0.872 without to 0.933 with CAD output(P<0.05). Especially, the Az from CAD system increased more to radiology residents than to experienced radiologist. ［Conclusion］ Utilizing the CAD system on diagnosis of the direct digital chest radiograph can improve the detection of pulmonary nodules.

    Key words: digital radiograph；pulmonary nodules；diagnosis, computer aided；ROC curve

    利用计算机辅助检测系统来提示数字化胸片中存在的可疑结节区域，提高肺小结节的早期检出率，对肺癌早期诊断具有十分重大的意义。肺部小结节自动检测作为医学影像诊断领域的新技术，把它作为一种后处理功能集成在影像传输与存储系统（picture archiving and communication system，PACS）中，可在体检人群中筛选肺部有可疑小结节的患者。现通过PACS对30例有肺部结节的病例与正常对照进行研究，分析方法的可行性。

    1   材料与方法

    1.1   一般资料

    从PACS数据库中选取30例经螺旋CT薄层扫描证实肺部含小结节的病例作为受检组，其中男性21例，女性9例，年龄34～83岁，平均年龄68岁。结节平均直径约18mm，最小为7mm，最大不超过30mm。另选取30例年龄、性别构成与受检组相仿，经CT扫描证实为无肺结节病灶的正常胸片为对照病例。所有病例胸片均为友通DR2000直接数字化成像系统拍摄，并由集成在友通PACS中的EDDA-chest v1.0系统输出CAD分析结果。

    1.2   研究方法

    集成在PACS中的EDDA-chest v1.1 CAD系统从数据库中提取DR胸部影像，首先对胸片进行预处理，使之适于进一步的图像分析；再进行图像自动分割，肺部边界识别；检测候选结节；再根据规则测试和人工神经网络分析来确定结节；最后CAD系统用圆圈划出在数字化正位胸片上的可疑结节所在区域（图1），以识别直径为7～30mm大小孤立肺结节的相关特征，这些特征能提示早期肺癌，以有利于影像诊断医生对于早期肺癌的诊断。

    将受检组和对照组两组数字化胸片病例统一编号，每个病例都有两种图像：未经处理的原始图像和有计算机辅助检测系统输出分析结果的图像。每个病例的两种图像随机、均匀调出其中一种，重新组成两组病例。由低年资放射诊断医师和高年资放射诊断医师两组各3位在事前不知道螺旋CT诊断结果的情况下，提供申请单上的临床资料，各自独立按常规阅片方式阅读两组各60例DR图像。记录3位医师阅片的编号顺序和每例的图像种类。相隔1个月后，每位医师按上次阅读编号相反的顺序阅读另一组图像。对放射诊断医生的诊断结论用受试者操作特性曲线（receiver operating characteristic curve，ROC曲线）作进一步的分析，以评价有无计算机辅助检测对放射诊断医生诊断结论的影响。评估标准采用5分值法，即在回答是否诊断为含有结节病灶时，答案分为肯定有（5分），可能有（4分），不清楚（3分），可能没有（2分）和肯定没有（1分）。所有分析均在同一阅读条件下完成，每一观测者独立作出判断，记录所有诊断的评分结果，然后用ROC曲线进行统计分析。阅片结果采用ROCFIT软件进行ROC分析，使用Microsoft Excel软件绘制ROC曲线图。

    1.3   统计学处理

    采用SPSS软件处理数据。通过两样本配对t检验来评价每组在不用和用CAD输出结果时得到的ROC曲线下面积（Az值）有无统计学显著性差异。通过两独立样本t检验来评价低、高年资放射诊断医师所得到的Az值有无统计学差异。P<0.05为差异有显著性。

2   结   果

    低年资放射诊断医师组在无、有CAD系统帮助的情况下，其诊断结果分析的ROC曲线下面积Az平均值分别为0.852和0.921，差异有显著性（P<0.05）。高年资放射诊断医师组在无、有CAD系统帮助的情况下，其诊断结果分析的ROC曲线下面积Az平均值分别为0.892和0.945，差异有显著性（P<0.05）。分析的数据和曲线分别如表1和图2所示。对于所有医生，在无、有CAD系统帮助的情况下，其诊断结果分析的ROC曲线下面积Az平均值分别为0.872和0.933（P<0.05）。

    3   讨   论

    本实验结果表明，放射诊断医师在临床诊断中使用CAD系统可以在一定程度上提高诊断率，低年资放射诊断医生更能从中得到很大的帮助，使自己的诊断水平得到很大的提高。因为CAD系统将可疑结节所在区域圈出来提请医生注意，从而减少了漏诊的可能。此外，在利用CAD系统输出结果时高年资放射诊断医生对于肺部小结节检测的准确性高于低年资放射诊断医生。因为高年资放射诊断医生经验相对丰富，在使用CAD系统输出结果时，检测准确性更高。而低年资放射诊断医生在使用CAD系统输出结果时，检测准确性则提高更多。

    尽管使用一系列方法来减少假阳性结节，目前CAD系统的输出结果仍会出现一些假阳性，但大多数假阳性结节都较易识别，不会影响检测准确度，大约80％的假阳性是肋骨交叉或肋骨与血管的重叠，或肋骨与软组织，如乳房、心脏或横膈影等重叠而造成的。另外，体外异物也可引起假阳性。

    对从大量的影像所见和临床数据中获取诊断信息来说，计算机可能比放射医生更有效。在较大的数据库中就结节分类对CAD系统进行测试，并判别一些检测方法中的步骤是否能自动实施，这些研究对测试结节检测系统在实践中是否有用极其重要。结节检测系统脱离放射科医师单独使用几乎是不可能的。而且，评定一个CAD系统的价值的惟一途径是比较在无或有计算机辅助诊断系统帮助的情况下，放射诊断医师的执行情况。一个CAD系统可以获得好的结果，即每幅图像中较高的真阳性检测率和极少的假阳性，如果能检测到那些放射诊断医师可能漏诊的结节，那么，这一系统的实际价值则更高。

    本实验中有大量的病例是异常的，因此诊断相对简单，结节检出率也大大提高了。但是CAD系统能提示放射诊断医生将注意力集中到图像的可疑区域，检测出易于漏检的微、小结节，提高诊断的准确性。因此，CAD系统是有一定价值的，是放射诊断医生重要的辅助诊断工具。目前CAD系统的大多数研究成果都集中在病灶形态的检测上，而最近开始重视对异常征象分类的检测，将结节分类为良性或恶性的实验，或对伴有临床症状的间质性征象的自动分析实验都得到了较理想的结果，计算机辅助分析将在鉴别诊断上成为放射诊断医师的重要助手。最近提出的交互式计算机辅助诊断（interactive computer-aided diagnosis，ICAD）加强了人机之间的交流，为CAD系统今后的发展提供了新的思路。目前该方案着重于低剂量螺旋CT肺部影像诊断上的应用研究，DR胸部影像CAD研究今后的发展应该可以从中得到一些启示。

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