计算机辅助检测系统提高CT肺结节检出方式的研究

滕雅琴杨利霞王季勇李琛玮贾文霄

作者单位：1 新疆医科大学第二附属医院　2 中科院上海临床中心/上海市徐汇区中心医院　3上海联影医疗科技有限公司



计算机辅助检测系统提高CT肺结节检出方式的研究

滕雅琴1杨利霞2王季勇3李琛玮3贾文霄1

作者单位：1 新疆医科大学第二附属医院2 中科院上海临床中心/上海市徐汇区中心医院3上海联影医疗科技有限公司

【摘要】目的：通过对比研究计算机辅助检测系统（CAD）作为第二阅读者、同步阅读者筛查肺结节的方式，探索到适合临床推广应用的CAD辅助方式。方法：纳入60例MDCT检查肺部有结节的体检者。4位放射科医生阅读图像3次并进行标记，同时采用计时器计算时间。第一次，医生无CAD辅助方式阅片；第二次，CAD辅助医生作为同步阅读者（CR）方式阅片；第三次，CAD辅助医生作为第二阅读者（SR）方式阅片。结节参照标准由3名主任医生共同拟定。分别使用X2检验、秩和检验分析两种阅读方式灵敏度及阅片时间是否存在差异，P＜0.05有统计学差异。结果：根据参照标准共检出253个结节。放射科医生使用CAD作为CR（87.75%，P＜0.001）、SR（88.84%， P＜0.001）方式检测肺结节灵敏度显著高于无CAD辅助方式阅片（68.58%）。CR和SR方式检测肺结节灵敏度之间没有显著差异（P=0.30）。放射科医生CR（97±38s）方式阅片时间明显少于无CAD辅助方式阅片（128±45s ，P＜0.001）及SR方式（169±53s ，P＜0.001）。结论 ：CAD作为同步阅读者、第二阅读者方式在MDCT筛查肺结节中均可显著提高放射科医生检测肺结节的灵敏度，且同步阅读者方式工作效率高，可以作为医生检测肺结节的首选辅助方式。

【关键词】肺结节；体层摄影术，X线计算机；计算机辅助检测

中国医学计算机成像杂志，2016，22：116-120

Chin Comput Med Imag，2016，22：116-120

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近年来，多层螺旋CT（multidetector-row computed tomography，MDCT）的广泛应用显著增加了肺结节的检出率。然而，随着大量MDCT图像的增加，放射科医生出现漏诊、误诊的可能性也随之增加。计算机辅助检测（computer-aided detection，CAD）系统肺结节自动识别软件可以为医生的影像辅助诊断提供“第二意见”［1］，有效提高放射科医生对肺结节的检出率［2］。

肺结节CAD软件的使用方式通常有两种。第一种，CAD作为第二阅读者（second reader， SR），首先放射科医生在没有CAD的辅助下独立阅片，然后CAD显示结果，放射科医生结合CAD查看是否有漏诊结节或假阳性结节并做出最终诊断。第二种，CAD作为同步阅读者（concurrent reader， CR），放射科医生在阅片的同时显示CAD标记结果，医生结合CAD的结果做出最终诊断，不需要进行两次图像阅读。目前，国外学者已对两种肺结节CAD使用方式进行了若干对比性研究，但结论差异较大，国内尚未见此类研究。笔者借助联影16层MDCT扫描机（uCT510）配备的肺结节评估软件，将CR、SR两种CAD使用方式进行对比，旨在探讨两种CAD辅助方式在筛检肺结节中哪种更适合临床应用推广。

方 法

1.图像纳入标准和结节标准

从2014年10月到2015年1月行16层螺旋CT扫描的体检者中，抽取60例肺结节患者（1～15个结节不等），其中男28例，女32例，年龄40～80岁。图像排除标准：①排除纤维化病变、肺膨胀不全、肺实变；②有呼吸伪影及金属伪影。以上所有图像均由3位主任医生（工作年限均＞15年）以随机抽样方式选取。肺结节为直径≤3cm的实性结节（密度高于血管）、磨玻璃样结节（密度低于血管）和混合密度结节，形态为球形或不规则形，边界清晰或不清晰，排除钙化结节。

2.扫描条件

采用联影16层MDCT（uCT510）扫描机，电压120kV，电流150mAs，准直宽度16mm×1.2mm，螺距1，机架旋转时间0.8s，重建层厚1.5mm、层间距1.5mm，重建矩阵512×512。采用一次最大吸气末憋气从肺尖扫至肺底。

3.图像的观察与评估

所有图像均传至联影16层螺旋CT的专用工作站并由4位放射科医生进行观察评估，肺结节评估软件版本SW001.001。其中2位中年资医生（R1、R2，工作经验分别为8年和6年），2位低年资医生（R3、R4，工作经验分别为2年和3年）。在熟悉操作程序后，4位放射科医生对所有图像阅读3次，将认定的肺结节进行标记，同时采用计时器计算时间。第一次，无CAD辅助方式阅片（医生独立阅片）；第二次，医生使用CAD作为CR方式阅片；第三次，医生使用CAD作为SR方式阅片。为了避免回忆偏倚，每次图像阅读之间均相隔4周。整个实验过程中均使用同一检测仪器及电脑设备，且由同一人记录数据。

4.参照标准

由选取研究图像的3位主任医生共同评价以上三种方式所检出的可疑结节，也可使用工作站提供的分析工具辨别其他可疑结节。只有当3位主任医生都认为是结节者才最终定义为结节。

5.统计学分析

使用SPSS17.0统计学软件分别计算放射科医生无辅助方式阅片、使用CAD作为CR、SR方式阅片的灵敏度，使用X2检验、秩和检验来分析灵敏度、阅片时间之间是否存在统计学差异，以P＜0.05有统计学差异。

结 果

1. 灵敏度比较

根据参照标准共检出253个结节，结节的直径范围在2.10～20.40mm，平均结节直径6.52mm。放射科医生无CAD辅助方式、使用CAD作为CR、SR方式检测肺结节平均灵敏度68.58%、87.75%、88.84%（表1）。CAD软件肺结节检测灵敏度86.56%。CR和SR两种方式检测肺结节的灵敏度没有显著差异（P=0.30）。但CR、SR方式检测肺结节灵敏度显著高于医生无CAD辅助方式（P＜0.001）（图1、图2为SR方式中医生漏检但CAD检出的结节）。中、低年资医生使用CAD作为CR、SR方式检测肺结节的灵敏度，两种方式之间均无显著差异（P=0.067 ，P=0.072）。

图1 低年资组医生使用CAD作为SR时，无辅助阶段阅片漏诊的结节，CAD检出（圆圈标记所示），位于右肺下叶。图2 中、低年资组医生使用CAD作为SR时，无辅助阶段阅片漏诊的结节，CAD检出（圆圈、箭头标记所示），位于左肺上叶。图3 CAD标记的假阳性结节（圆圈标记所示），实为血管断面。图4 CAD标记的假阳性结节（圆圈标记所示），实为支气管影。

2.时间的比较

放射科医生无CAD辅助方式、使用CAD作为CR、SR方式所用平均时间分别为128±45s 、97±38s和169±53s（表2）。放射科医生以CR方式阅读图像所用平均时间明显少于无CAD辅助方式（P＜0.001）及SR方式（P＜0.001）。放射科医生无CAD辅助方式所用平均时间明显少于SR方式（P＜0.001）。中年资组在无CAD辅助方式、CR及SR方式所用平均时间明显少于低年资组（P ＜0.001）。

3.假阳性数及分类

根据参考标准4位放射科医生（R1、R2、R3、R4）检测到的平均假阳性率分别为0.55、0.60、0.70、0.77个/例，在使用CAD后CR方式平均假阳性率分别为0.53、0.57、0.55、0.57个/例，SR方式平均假阳性率分别为0.45、0.47、0.50、0.48个/例。CAD检测到的全部假阳性数为191个，平均假阳性率为3.18个/例，其中血管影98个（图3）、钙化结节54个、支气管影24个（图4）、纤维影4个、胸锁关节局部突起8个（右侧4个，左侧4个）、胸膜增厚1个、肋骨突起1个、胸椎局部突起1个。

表1 病肺结节检出灵敏度的比较

表2 阅片时间比较

讨 论

目前，国内外并没有相关文献明确报道哪种CAD使用方式对肺结节筛查更具优势。大量国内外研究结果显示，虽然SR方式较无CAD辅助方式检测肺结节的灵敏度显著增加（从54%～96%不等）［3-5］，但同时也不可避免地延长了阅片时间。而CAD作为CR方式使用罕有报道，且研究结果各有差异［6-7］。

1.灵敏度的分析

两种CAD辅助方式会对放射科医生阅片过程产生不同的影响。CAD作为SR方式时，医生在显示标记结果之前已经独立阅读过图像。而CAD作为CR方式时，医生需要在筛选CAD标记结果的同时观察图像中可能存在的其他结节。与SR方式相比，由于CR方式同步显示标记结果的影响，医生可能会选择性地阅读图像，减少图像阅读的范围，从而降低检出其他结节的可能性。本研究中CR与SR两种方式均提高了肺结节检测灵敏度，表明使用CAD系统有助于提高检测肺结节的灵敏度，且CR与SR两者之间没有显著差异，说明医生虽然没有经过独立阅片仍然在CAD辅助下显著提高肺结节检出灵敏度。Suikaki等［6］认为CAD在检出率足够高（对医生的诊断影响足够大）的情况下，CR方式检出肺结节的灵敏度会高于医生独立阅片。其研究结果显示，CR方式肺结节检出灵敏度显著高于无CAD辅助方式阅片（P=0.02），且CR与SR方式肺结节检出灵敏度没有显著差异（P=0.06）。本研究中CAD肺结节检出灵敏度（86.56%）较以往研究（43%～71.4%）［7-11］明显提高，这可能是CR方式与SR方式肺结节检出灵敏度没有显著差异的主要原因。

本研究中，中、低年资医生无CAD辅助方式检测肺结节灵敏度之间有显著差异（P＜0.001），可能是低年资医生诊断经验不足以及阅读图像过程中没有充分利用辅助分析工具（如MIP）。而使用CAD之后，两组医生肺结节检测灵敏度均提高且低年资医生提高得更多，中、低年资两组医生使用CR、SR方式检测肺结节灵敏度之间没有显著差异（P=0.07，P=0.07），说明低年资医生在使用CAD软件后缩小了与中年资医生之间肺结节检测差异，从而保证了低年资医生肺结节检出的灵敏度。上述结果与蔡强等［5］人的研究相一致。

2.阅读图像时间分析

本研究中，CR方式在保证肺结节检出灵敏度的同时阅片时间最短，这与Beyer等［7］的研究结果相仿，CR（274s） 阅片时间少于常规独立（294s，P=0.04）以及SR方式（337s，P＜0.001）阅片时间。说明CR方式在一定程度上可以减少医生的工作时间，减轻医生的工作负担。而与Foti的研究结果不同，Foti等［10］认为，医生平均无CAD辅助方式阅片时间明显少于SR方式（P＜0.001）、CR方式（P＜0.025）。时间的差异除了与测试医生个体差异相关外，还可能与受检者选择的难易程度不同有关，Foti等［10］选取125例癌症病例，本研究选取60例体检者。本研究结果显示，中年资医生阅片时间（无CAD辅助方式、CR方式、SR方式）均少于低年资医生。由此可见，工作经验同样影响阅读图像时间的长短，工作经验丰富的医生会在较短的时间完成肺结节的检出。

3.CAD及放射科医生的假阳性

假阳性率高一直是CAD的缺陷之一。本研究中，CAD平均假阳性率（3.18个/例）较以往（0.55～13 个/例）［12-14］并不高。4位放射科医生无辅助方式阅片平均假阳性率为0.65个/例。Sumiaki等［6］的研究结果显示，医生在使用CAD作为CR方式比无CAD辅助方式假阳性率高。而本研究中CR 、SR方式平均假阳性率（0.55、0.48个/例）较无辅助方式阅片稍有减低，一方面可能是SR方式中医生经过两次阅片有充分的时间去辨别结节的真伪，另一方面可能是本次实验中CAD所标记的假阳性结节数大多为正常解剖结构，医生使用相关的辅助工具比较容易辨别。虽然本研究中CR、SR方式假阳性率稍有减低，但仍然会对医生阅片造成干扰。因此，CAD软件在假阳性辨别方面仍需提高，尤其是辨别血管断面及支气管影方面是今后亟待解决的问题。

综上所述，在MDCT筛查肺结节中CAD作为同步阅读者、第二阅读者均可显著提高影像医生检出肺结节的灵敏度，且CAD作为同步阅读者方式阅片时间短，工作效率更高。放射科医生使用CAD时，同步阅读者方式可以作为首选辅助方式。

参 考 文 献

［1］Doi K，Heber MM，Shigehiko K， et al.Computer-aided diagnosis in radiology: potential and pitfalls. European Journal of Radiology，1997，31: 97-109.

［2］White CS， Pugatch R， Koonce T ，et al.Lung nodule CAD software as a second reader: a multicenter study.Acad Radiol， 2008，15:326-333.

［3］Sahiner B， Chan HP， Hadjiiski LM， et al. Effect of CAD on radiologists’ detection of lung nodules on thoracic CT scans: analysis of an observer performance study by nodule size. Academic Radiology ，2009，16:1518-1530.

［4］Bae KT， Kim JS， Na YH， et al.Pulmonary nodules: automated detection on CT images with morphologic matching algorithm—preliminaryresults.Radiology，2005，236:286-293.

［5］蔡 强，吴 宁，周丽娜，计算机辅助检测系统在低剂量CT筛查者非钙化肺结节中的应用研究.中华放射学杂志，2014，48:63-66。

［6］Sumiaki M ，Yoshiharu O，Takatoshi A. Computer-aided detection of lung nodules on multidetector CT inconcurrent-reader and secondreader modes: A comparative study.European Journal of Radiology，82 2013，1332-1337.

［7］Beyer F，Zierott L，Fallenberg EM. Comparison of sensitivity and reading time for the use of computer-aided detection （CAD） of pulmonary nodules at MDCT as concurrent or second reader.Eur Radiol， 2007，17: 2941-2947.

［8］Hirose T，Nitta N，Shiraishi J， et al.Evaluation computer-aided diagnosis（CAD） software for the detection of lung nodules on multidetector row computed tomography（MDCT）:JAFROC study for the improvement inradiologists’diagnostiy accuracy. Academic Radiology，2008，15:1505-1512.

［9］Das M，Mühlenbruch G，Mahnken AH，et al.Small pulmonary nodules: effect of two computer-aided detection system sonradiologis performance. Radiology ，2006， 241:564-571.

［10］Foti G， Faccioli N，D’Onofrio M， et al.Evaluation of a method of computer-aided detection （CAD） of pulmonary nodules at computed tomography.Radiologia Medica，2010，115:950-961.

［11］Lee IJ，Gamsu G，Czum J， et al.Lung nodule Detection on chest CT；evaluation of a computer-aided detection （CAD） system. Korean Journal of Radiology， 2005，6:89-93.

［12］Ozekes S， Osman O， Ucan ON Nodule detection in a lung region that’s segmented with using genetic cellular neural networks and 3D template matching with fuzzy rule based thresholding. Korean Radiol，2008，9:1-9.

［13］Marten K， Engelke C， Seyfarth T， et al.Computer-aided detection of pulmonary nodules: influence of nodule characteristics on detection performance . Clin Radiol， 2005，60:196-206.

［14］Yuan R， Vos PM， Cooperberg PL. Computer-aided detection in screening CT for pulmonary nodules. American Journal of Roentgenology，2006， 186:1280-1287.

Study of Improve the Detection Mode of CT Pulmonary Nodules by Computer Aided Detection

TENG Ya-qin1，YANG Li-xia2，WANG Ji-yong3，Li Chen-wei3，JIA Wen-xiao1

【Abstract】Purpose: By comparing concurrent-reader and second-reader modes of computer-aided detection （CAD）for screening pulmonary nodules， to investigate a possible mode for CAD， which can be widely applied in the clinic. Methods: Sixty subjects diagnosed with lung nodules undergoing the rountine-dose screening CT examination were selected. Four radiologists independently interpreted these datasets three times and marked all detected nodules and recorded the reading time simultaneously. For the first time， these radiologists read these scans without CAD；The second time， CAD was refered as concurrent readers helped them reading scans. The last time， CAD was used as the second reader assisted these radiologists reading scans.The ground truth of nodules in the datasets was determined by three raiologists. X2test and rank-sum test were performed to test whether there was significant difference between the sensitivities of two reading modes， and statistical significances were defined as P＜0.05. Results: According to thebook=22,ebook=22ground truth，these three radiologists found out 253 nodules. The sensitivities of pulmonary nodule detection with CR （87.75%， P＜0.001） and SR （88.84%， P＜0.001） were significantly higher than the sensitivity of pulmonary nodule detection without CAD （68.58%）. There was no significant diffrernce of sensitivity between CR and SR （P=0.30）. The reading time was significantly less in CR mode （97±38 s） than that in independently reading （128± 45s， P＜0.001）and SR mode （169±53s， P＜0.01）. Conclusion: Two reading modes of CAD （CR， SR） can significantly increase the sensitivities of radiologists. The efficiency is higher by CR mode than that by SR mode. CR mode can be used as the first option to detect pulmonary nodules by radiologists.

【Key words】Pulmonary nodule； X-ray computed； Computer-aided detection

收稿时间：（2015.10.20；修回时间：2015.11.14）

基金项目：上海市科学技术委员会资助项目No.13DZ2250300

通信作者：贾文霄（电子邮箱：jwxxj@sina.com）

通信地址：新疆乌鲁木齐市水磨沟区南湖东路北二巷38号，乌鲁木齐830063

中图分类号：R445.2

文献标志码：A

文章编号：1006-5741（2016）-02-0116-05